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小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
開題報(bào)告
班級（學(xué)號）：機(jī)0405-19 姓名：崔亮
指導(dǎo)老師： 許寶杰
一、綜述
1.課題研究的目的和意義
能源是發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)和提高人民生活的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“火車頭”，能源已成為制約國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展推動能源需求的持續(xù)增長，要求不斷開發(fā)新的能源。雖然，人類的技術(shù)進(jìn)步旨在提高能源的利用效率、減少能源的消耗，但現(xiàn)今的能源生產(chǎn)量依然滿足不了人類發(fā)展的需求。由于對能源的渴求，人們無節(jié)制地開采石油、煤炭、天然氣等這些埋在地層深處的維系人類生存的“能源食糧”，不僅嚴(yán)重地污染了我們的生存空間，惡化了自然環(huán)境，而且?guī)砹烁膳碌膼汗茉纯萁?。傳統(tǒng)化石能源資源的減少，引發(fā)的石油危機(jī)和石油總體價(jià)格的攀升，已在向世人警示能源安全問題,引起對能源安全的廣泛擔(dān)憂?，F(xiàn)實(shí)告誡人們，要生存就必須尋求開發(fā)新能源。[1]
我國地域遼闊，廣大邊遠(yuǎn)山區(qū)、沿海島嶼和少數(shù)民族地區(qū)地廣人稀、交通不便，利用大電網(wǎng)的延伸解決供電問題非常困難，而這些地區(qū)風(fēng)力資源往往又比較豐富。充分利用這些地區(qū)的風(fēng)力資源來解決無電、缺電問題，對改善當(dāng)?shù)厝嗣竦纳钏?，發(fā)展地方經(jīng)濟(jì)具有深遠(yuǎn)的意義。小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有機(jī)組投資小，使用靈活，非常適用于解決居住相對分散、風(fēng)力資源較好的無電地區(qū)居民的基本生活用電及部分小型生產(chǎn)用電問題。[2]小型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)作為農(nóng)村能源的組成部分，它的進(jìn)一步推廣應(yīng)用，將會推動農(nóng)村能源的發(fā)展，對于改善用能結(jié)構(gòu)，特別是邊遠(yuǎn)山區(qū)等的生產(chǎn)、生活用能，推動生態(tài)和環(huán)境建設(shè)諸領(lǐng)域的發(fā)展將發(fā)揮積極作用，具有廣闊的市場前景。[3]
風(fēng)能具有隨機(jī)性和不確定性，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)。簡化小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、降低成本、提高可靠性及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
2.課題的研究現(xiàn)狀及已有成果
風(fēng)能的利用有著悠久的歷史。近年來,資源的短缺和環(huán)境的日趨惡化使世界各國開始重視開發(fā)和利用可再生、且無污染的風(fēng)能資源。自80年代以來,風(fēng)能利用的主要趨勢是風(fēng)力發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電最初出現(xiàn)在邊遠(yuǎn)地區(qū),應(yīng)用的方式主要有:1)單獨(dú)使用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)供家庭住宅使用;2)風(fēng)力發(fā)電機(jī)與其它電源聯(lián)用可為海上導(dǎo)航設(shè)備和遠(yuǎn)距離通信設(shè)備供電;3)并入地方孤立小電網(wǎng)為鄉(xiāng)村供電。[4]
風(fēng)電場是由多臺并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,并按一定規(guī)律排列組成的風(fēng)力發(fā)電機(jī)群。每臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般包括風(fēng)力機(jī)、異步發(fā)電機(jī)和中間的傳動連接機(jī)構(gòu):輪轂、齒輪箱、連軸器。通常機(jī)端還有并聯(lián)電容器,提供異步發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)所需的無功功率,以提高發(fā)電場的功率因數(shù)。[5]
1 風(fēng)力機(jī)現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)從基本結(jié)構(gòu)上分為兩類,即水平軸風(fēng)機(jī)(HAWT)和立軸風(fēng)機(jī)(VAWT),如圖1所示，這兩類風(fēng)機(jī)都是利用空氣動力升力原理來獲取風(fēng)能的。目前水平軸風(fēng)機(jī)較多采用。水平軸風(fēng)機(jī)輪轂上有三個(gè)或兩個(gè)風(fēng)翼,也稱葉片。葉片用強(qiáng)化聚酯玻璃纖維、膠合板、鋁或鋼制造。[6]
風(fēng)力機(jī)通過葉片捕獲風(fēng)能,將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為作用在輪轂上的機(jī)械轉(zhuǎn)矩。風(fēng)力機(jī)的特性通常用風(fēng)能利用系數(shù)CP—尖速比λ曲線來表示,如圖2所示。不同漿距角β時(shí),風(fēng)能利用系數(shù)CP對應(yīng)的尖速比λ不同。這里尖速比λ=ωmR/V,R為葉片半徑(m),ωm是風(fēng)機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速(r/s),V是作用于風(fēng)輪機(jī)的迎面風(fēng)速(m/s)。對于同一CP,風(fēng)輪機(jī)可能有兩個(gè)運(yùn)行點(diǎn),它們分別對應(yīng)于風(fēng)輪機(jī)的高風(fēng)速運(yùn)行區(qū)和低風(fēng)速運(yùn)行區(qū)。當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)風(fēng)輪機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)將要發(fā)生變化。
對一臺實(shí)際的風(fēng)力機(jī),其捕獲風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械輸出功率Pm的表達(dá)式為
Pm= 0.5ρACPV3
式中 ρ——空氣密度,kg/m3
A——掃掠面積,m2
風(fēng)力機(jī)的整體設(shè)計(jì)和相應(yīng)的運(yùn)行控制策略應(yīng)盡可能追求CP最大,從而增加其輸出功率。然而實(shí)際應(yīng)用中輸出功率的提高卻受到兩方面的限制:一方面是電氣回路中元器件的功率限制;另一方面是機(jī)械傳動系統(tǒng)元件存在轉(zhuǎn)速上限。因此風(fēng)機(jī)存在三個(gè)典型運(yùn)行狀態(tài):保證恒定CP,控制風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速(維持λ不變)直到轉(zhuǎn)速達(dá)到極限;風(fēng)力機(jī)以恒定速度運(yùn)行,通過調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)可使CP具有較大數(shù)值,直到最大輸出功率;當(dāng)風(fēng)速過大,輸出功率達(dá)到極限時(shí)風(fēng)力機(jī)按恒定功率控制,使輸出功率限制在額定值附近。[7]
2 風(fēng)力機(jī)的功率調(diào)節(jié)
功率調(diào)節(jié)是風(fēng)輪機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一,目前投入運(yùn)行的機(jī)組主要有兩類功率調(diào)節(jié)方式:一類是定漿距失速控制;另一類是變漿距控制。
1)漿距失速控制
風(fēng)力機(jī)的功率調(diào)節(jié)完全依靠葉片的氣動特性,稱為定漿距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。這種機(jī)組的輸出功率隨風(fēng)速的變化而變化,從CP的關(guān)系看,難以保證在額定風(fēng)速之前CP最大,特別是在低風(fēng)速段。這種機(jī)組通常設(shè)計(jì)有兩個(gè)不同功率,不同極對數(shù)的異步發(fā)動機(jī)。大功率高轉(zhuǎn)速的發(fā)動機(jī)工作于高風(fēng)速區(qū),小功率低轉(zhuǎn)速的發(fā)動機(jī)工作于低風(fēng)速區(qū),由此來調(diào)整λ,追求最佳CP。當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時(shí),通過葉片的失速或偏航控制降低CP,從而維持功率恒定。實(shí)際上難以做到功率恒定,通常有些下降,如圖3所示。
2)變漿距控制
為了盡可能提高風(fēng)力機(jī)風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率和保證風(fēng)力機(jī)輸出功率平穩(wěn),風(fēng)力機(jī)將進(jìn)行漿距調(diào)整。在定漿距基礎(chǔ)上加裝漿距調(diào)節(jié)環(huán)節(jié),稱為變漿距風(fēng)力機(jī)組。變漿距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率調(diào)節(jié)不完全依靠葉片的氣動特性,它要依靠與葉片相匹配的葉片攻角改變來進(jìn)行調(diào)節(jié)。在額定風(fēng)速以下時(shí)攻角處于零度附近,此時(shí),葉片角度受控制環(huán)節(jié)精度的影響,變化范圍很小,可看作等同于定漿距風(fēng)機(jī)。在額定風(fēng)速以上時(shí),變漿距機(jī)構(gòu)發(fā)揮作用,調(diào)整葉片攻角,保證發(fā)動機(jī)的輸出功率在允許范圍以內(nèi)。變漿距風(fēng)力機(jī)的起動風(fēng)速較定漿距風(fēng)力機(jī)低,停機(jī)時(shí)傳動機(jī)械的沖擊應(yīng)力相對緩和。風(fēng)機(jī)正常工作時(shí),主要采用功率控制。[9]
3 發(fā)電機(jī)
目前風(fēng)力發(fā)電所采用的發(fā)電機(jī)主要有兩種:同步發(fā)電機(jī)和異步發(fā)電機(jī)。而采用最多的是籠型異步發(fā)電機(jī)。籠型異步發(fā)電機(jī)既可以孤立運(yùn)行,也可以聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。由于它的低耗、高可靠性、無需勵(lì)磁裝置和電刷、結(jié)構(gòu)簡單尺寸小、堅(jiān)固耐用、基本上無需維修,它已成為風(fēng)力及其它發(fā)電系統(tǒng)的最理想設(shè)備。
異步發(fā)電機(jī)作為并網(wǎng)型發(fā)電設(shè)備的方案可分為兩類:恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)和變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)。
1)恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)
恒速運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速不變,而風(fēng)速經(jīng)常變化,因此葉尖比λ不可能經(jīng)常保持在最佳值(即使采用變漿距葉片),CP值往往與最大值相差很大,使風(fēng)力機(jī)常常運(yùn)行于低效狀態(tài)。恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中,多采用籠型異步電機(jī)作為并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī),在并網(wǎng)后其輸出功率在輸出功率P(或轉(zhuǎn)矩)與轉(zhuǎn)速n/ns曲線的穩(wěn)定區(qū)內(nèi)運(yùn)行,如圖4所示。異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度高于同步轉(zhuǎn)速。當(dāng)風(fēng)力機(jī)傳給發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率隨風(fēng)速而增加時(shí),發(fā)電機(jī)的輸出功率及其反轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)增大,運(yùn)行點(diǎn)發(fā)生改變。當(dāng)轉(zhuǎn)子速度高于同步轉(zhuǎn)速3%~5%時(shí)達(dá)到最大值,若超過這個(gè)轉(zhuǎn)速,異步發(fā)電機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū),產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)矩減小,導(dǎo)致轉(zhuǎn)速迅速升高,引起飛車,這是十分危險(xiǎn)的。
異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí),一方面向電網(wǎng)輸出有功功率,另一方面又必須從電網(wǎng)吸收落后的無功功率。異步發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸出的電流大小及功率因數(shù),取決于轉(zhuǎn)差率及電機(jī)的參數(shù)。轉(zhuǎn)差率與異步發(fā)電機(jī)負(fù)荷的大小有關(guān),電機(jī)的參數(shù)無法改變。[8]
風(fēng)力發(fā)電機(jī)多采用機(jī)端并聯(lián)電容器以提高功率因數(shù),如圖5所示。運(yùn)行中當(dāng)發(fā)電機(jī)和并聯(lián)電容器與電網(wǎng)突然斷開時(shí),電容器的過勵(lì)和異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升可能引起有害的自勵(lì)現(xiàn)象。自勵(lì)產(chǎn)生的過電壓可能危及發(fā)電機(jī)和電容器的絕緣,必須予以重視。一方面應(yīng)從最不利的過速情況來選擇電容器的電容量,另一方面在保護(hù)線路上要采取措施。
2)變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)
雖然目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用最多的異步發(fā)電機(jī)都屬于恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng),但變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)可以使風(fēng)力機(jī)在很大風(fēng)速范圍內(nèi)按最佳效率運(yùn)行的重要優(yōu)點(diǎn)越來越引起人們的重視。從風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行原理可知,這就要求風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速正比于風(fēng)速保護(hù)并保持一個(gè)恒定的最佳葉尖比λ,從而使風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)CP保持最大值不變,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出最大的功率。例如目前已投入應(yīng)用的一項(xiàng)變速技術(shù)是通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的大小和相位來追求CP最優(yōu)和輸出。[10]
二、研究內(nèi)容
小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)。小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)效率很高，但它不是只由一個(gè)發(fā)電機(jī)頭組成的，而是一個(gè)有一定科技含量的小系統(tǒng)：風(fēng)力發(fā)電機(jī)＋充電器＋數(shù)字逆變器。風(fēng)力發(fā)電機(jī)由機(jī)頭、轉(zhuǎn)體、尾翼、葉片組成。每一部分都很重要，各部分功能為：葉片用來接受風(fēng)力并通過機(jī)頭轉(zhuǎn)為電能；尾翼使葉片始終對著來風(fēng)的方向從而獲得最大的風(fēng)能；轉(zhuǎn)體能使機(jī)頭靈活地轉(zhuǎn)動以實(shí)現(xiàn)尾翼調(diào)整方向的功能；機(jī)頭的轉(zhuǎn)子是永磁體，定子繞組切割磁力線產(chǎn)生電能。風(fēng)機(jī)工作穩(wěn)定是一個(gè)非常重要的問題，通過回顧過去成功的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)，就可以發(fā)現(xiàn)它們的共同特點(diǎn)是簡單，只有簡單才可能做到活動部件少，應(yīng)力連續(xù)而無突變，才能使小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作穩(wěn)定。所以本課題是設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、成本低、易維修、使用壽命長的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。其研究內(nèi)容具體如下：
(1) 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)整體方案設(shè)計(jì)；
(2) 進(jìn)行小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)械裝配圖設(shè)計(jì)；
(3) 對裝置的運(yùn)動過程進(jìn)行仿真計(jì)算分析；
(4) 根據(jù)功能要求進(jìn)行修改，進(jìn)一步的優(yōu)化；
(5) 恒速控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)；
(6) 試制原理模型裝置。
三、實(shí)現(xiàn)方法及其預(yù)期目標(biāo)
本課題研制的是小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，總體要求是結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、易維修、使用壽命長。在滿足功能要求的前提下，盡可能使發(fā)電機(jī)外型美觀、可靠性強(qiáng)、制造簡單、價(jià)格低廉。
目標(biāo)：1.完成小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案并試進(jìn)行模型驗(yàn)證。
2.完成小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)恒速控制的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。
該小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主體部分包括風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、調(diào)向機(jī)構(gòu)、調(diào)速機(jī)構(gòu)和停車機(jī)構(gòu)、塔架、蓄電池。具體如下：
1)風(fēng)輪
用2～3個(gè)葉片組成,它把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。
2)發(fā)電機(jī)
采用永磁式交流發(fā)電機(jī),風(fēng)輪驅(qū)動發(fā)電機(jī)產(chǎn)生交流電,經(jīng)過整流后變成直流電儲存在蓄電池中?？刂破骱湍孀兤?
3)調(diào)向機(jī)構(gòu)、調(diào)速機(jī)構(gòu)和停車機(jī)構(gòu)
為了從風(fēng)中獲取能量,風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面應(yīng)垂直于風(fēng)向,在小型風(fēng)力機(jī)中,這一功能靠風(fēng)力機(jī)的尾翼作為調(diào)向機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)隨著風(fēng)速的增加,要對風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速有所限制,這是因?yàn)榧纫乐惯^快的轉(zhuǎn)速對風(fēng)輪和風(fēng)力機(jī)的其他部件造成損壞。
在風(fēng)速較大時(shí),特別是蓄電池已經(jīng)充滿的情況下,應(yīng)人工控制風(fēng)力機(jī)停機(jī)。小型風(fēng)力機(jī)中設(shè)計(jì)有手動剎車機(jī)構(gòu),在實(shí)踐中可采用側(cè)偏停機(jī)方式,即在尾翼上固定一軟繩,當(dāng)需要停機(jī)時(shí),拉動尾翼,使風(fēng)輪側(cè)向于風(fēng)向,從而達(dá)到停機(jī)的目的。
4)塔架
由塔管和3～4根拉索組成。
5)蓄電池
采用汽車用鉛酸電瓶,也可用近年來國內(nèi)開發(fā)出的適用于風(fēng)能太陽能應(yīng)用的專用鉛酸蓄電池。
6)控制器和逆變器
控制器的功能是控制和顯示風(fēng)力機(jī)對蓄電池的充電,使其不至于過充放,以保證正常使用和整個(gè)系統(tǒng)的可靠工作。逆變器是把直流電(12 V、24 V、36 V、48 V)變成220 V交流電的裝置。
四、對進(jìn)度的具體安排
1．第1-3周 調(diào)研，查閱資料，學(xué)習(xí)相關(guān)理論，研究總體方案。
2．第 4 周 撰寫并提交調(diào)研報(bào)告和開題報(bào)告；
3．第5-7周 確定總體方案，完成相關(guān)計(jì)算；
4．第8-11周 完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖；
5．第12-15周 完成恒速控制系統(tǒng)方法的設(shè)計(jì)；
6．第16-17周 撰寫并提交畢業(yè)論文、審閱、評審并修改畢業(yè)論文；
7．第 18 周 完成畢業(yè)答辯。
五、參考文獻(xiàn)
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2、 周篁. 馬勝紅1 世界風(fēng)力發(fā)電簡況. 風(fēng)力發(fā)電, 1999(4) .
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指導(dǎo)老師： 年 月 日
督導(dǎo)老師： 年 月 日
領(lǐng)導(dǎo)小組審查意見：
審查人簽字： 年 月 日
摘要
摘要
基于開發(fā)風(fēng)能資源在改善能源結(jié)構(gòu)中的重要意義，本論文對風(fēng)力機(jī)的特性作了簡要的介紹，且對風(fēng)力機(jī)的各種參數(shù)和風(fēng)力機(jī)類型作了必要的說明。在此基礎(chǔ)上，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原理和結(jié)構(gòu)作了細(xì)致的分析。首先，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的總體機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并且設(shè)計(jì)了限速控制系統(tǒng)。本課題設(shè)計(jì)的是一種新型的立式垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，由風(fēng)機(jī)葉輪、立柱、橫梁、變速機(jī)構(gòu)、離合裝置和發(fā)電機(jī)組成。這種發(fā)電機(jī)有體積小、噪音小、使用壽命長、價(jià)格低的特點(diǎn)，適合在有風(fēng)能資源地區(qū)的樓房頂部，供應(yīng)家庭用電，例如照明：燈泡,節(jié)能燈；家用電器:電視機(jī)、收音機(jī)、電風(fēng)扇、洗衣機(jī)、電冰箱。
其次，在老師的幫助下制作了限速控制的模型。通過模型驗(yàn)證了小型垂直式風(fēng)力發(fā)電機(jī)限速控制系統(tǒng)總體方案在實(shí)踐中的效果，并且驗(yàn)證了程序是否正確，以及電路的設(shè)計(jì)是否合理。
最后，模型驗(yàn)證的結(jié)果表明我設(shè)計(jì)的限速控制系統(tǒng)方案可行，程序正確，電路設(shè)計(jì)合理。為該類型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)和商品生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；限速控制系統(tǒng)；小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)；小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
Abstract
Exploiting wind energy resources is of great significance in improving energy structure. In the discourse，the characters of wind generator are introduced briefly，while parameters and types of wind generators are also narrated. Base on these，the theory and constitution of the wind generator are meticulously analyzed. Firstly，Has carried on the design to wind-driven generator's overall mechanism, And has designed the regulating control system. What I design is one kind of new vertical axis small wind-driven generator, by the air blower impeller, the column, the crossbeam, the gearshift mechanism, the engaging and disengaging gear and the generator is composed. This kind of generator has the volume to be small, the noise is small, the service life is long, the price low characteristic, suits in has the wind energy resources area building crown, the supply family uses electricity, For example illumination: The light bulb, conserves energy the lamp; Domestic electric appliances: Television, radio, electric fan, washer, electric refrigerator.
Secondly，I have manufactured the regulating control model. Through model verification small perpendicular wind-driven generator regulating control system overall concept effect in reality, and has confirmed the procedure to be whether correct, as well as electric circuit's design to be whether reasonable.
Finally，Model verification's result indicated I design the regulating control system plan is feasible, the procedure is correct, the circuit design is reasonable. It provides according as theory for qualitative design and commercial manufacture of this type of wind generator.
Key words：Wind power generation；Regulating control system；Small wind-driven generator；Small vertical axis wind-driven generator.
II
小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)及限速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
第一章 概述
1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)概況
風(fēng)能的利用有著悠久的歷史。近年來, 資源的短缺和環(huán)境的日趨惡化使世界各國開始重視開發(fā)和利用可再生、且無污染的風(fēng)能資源。自80年代以來, 風(fēng)能利用的主要趨勢是風(fēng)力發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電最初出現(xiàn)在邊遠(yuǎn)地區(qū), 應(yīng)用的方式主要有: 1) 單獨(dú)使用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)供家庭住宅使用; 2) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)與其它電源聯(lián)用可為海上導(dǎo)航設(shè)備和遠(yuǎn)距離通信設(shè)備供電; 3) 并入地方孤立小電網(wǎng)為鄉(xiāng)村供電。
隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展, 風(fēng)力發(fā)電迅猛發(fā)展。以機(jī)組大型化(50kW～ 2MW )、集中安裝和控制為特點(diǎn)的風(fēng)電場(也稱風(fēng)力田、風(fēng)田) 成為主要的發(fā)展方向。20 年來, 世界上已有近30 個(gè)國家開發(fā)建設(shè)了風(fēng)電場(是前期總數(shù)的3 倍) , 風(fēng)電場總裝機(jī)容量約1400 萬kW (是前期總數(shù)的100 倍)。目前, 德國、美國、丹麥以及亞洲的印度位居風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量前列, 且未來計(jì)劃投資有增無減。美國能源部預(yù)測2010 年風(fēng)電至少達(dá)到國內(nèi)電力消耗的10%。歐盟5 國要在2000～ 2002 年達(dá)到本國總發(fā)電量的10%左右, 丹麥甚至計(jì)劃2030 年要達(dá)到40%。
中國是一個(gè)風(fēng)力資源豐富的國家, 風(fēng)力發(fā)電潛力巨大。據(jù)1998 年統(tǒng)計(jì), 風(fēng)力風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)22.36萬kW , 僅占全國電網(wǎng)發(fā)電總裝機(jī)的0.081% , 相對于可開發(fā)風(fēng)能資源的開發(fā)率僅為0.088%。
中國第一座風(fēng)力發(fā)電場于1986 年在山東榮成落成, 總裝機(jī)較小, 為3×55kW。到1993 年我國風(fēng)電場總裝機(jī)容量達(dá)17.1MW , 1999 年底, 我國共建了24 個(gè)風(fēng)力發(fā)電場, 總裝機(jī)268MW。我國風(fēng)力發(fā)電場主要分布在風(fēng)能資源比較豐富的東南沿海、西北、東北和華北地區(qū), 其中風(fēng)電裝機(jī)容量最多的是已達(dá)72.35kW。在未來2～ 3 年內(nèi), 我國計(jì)劃新增風(fēng)電場裝機(jī)容量將在800MW 以上, 并且將會出現(xiàn)300～ 400MW 的特大型風(fēng)力發(fā)電場。
1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究現(xiàn)狀
1.2.1 國外風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研制情況
美國從1974年起對風(fēng)能進(jìn)行系統(tǒng)的研究，能源部對風(fēng)能項(xiàng)目的投資累計(jì)已達(dá)到25億美元。許多著名大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)都參加了風(fēng)能的研究開發(fā)，目前己安裝了8個(gè)巨型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。到19%年末，風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量己達(dá)到170xkw，所提供的電力占全美電力需求量的10%，居世界之首位，主要集中在加利福尼亞州。美國國會己通過了能源政策法，在能源部的規(guī)劃下，將會改變風(fēng)力發(fā)電集中于加利福尼亞的局面，在年平均風(fēng)速達(dá)5.6m/s的中西部12個(gè)州將建風(fēng)力電站。據(jù)能源部預(yù)測，在未來15年內(nèi)，風(fēng)電將增加6倍。在今后2年內(nèi)，在懷俄明、伊阿華、明尼蘇達(dá)、得克薩斯、佛蒙特、緬因州等修建大型風(fēng)電場，這些風(fēng)電場將使美國風(fēng)力發(fā)電能力再增加40xkw，預(yù)計(jì)到2010年，風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到630xkw，可滿足全美電力需求量的25%。
德國是歐洲風(fēng)力發(fā)電增長最快的國家，近年風(fēng)力發(fā)電量急增，尤其沿海各州，風(fēng)力發(fā)電發(fā)展迅速，己超過丹麥，成為世界第二。到1995年己建成1035座風(fēng)力發(fā)電裝置，裝機(jī)容量49.4xkw，1996年新裝機(jī)約950座，裝機(jī)容量為48xkw，到19%年底德國己擁有4500座風(fēng)力發(fā)電裝置，總裝機(jī)容量達(dá)到約160xkw，1997年估計(jì)可增加5xkw，可為20多萬個(gè)家庭提供日常用電。這些風(fēng)力發(fā)電裝置中的1600個(gè)是政府投資建設(shè)的。裝機(jī)容量超過1OO0kW的風(fēng)電場有250個(gè)，300OkW的最大風(fēng)電場已投入使用，發(fā)電能力63xkw，西部5xkw風(fēng)力發(fā)電計(jì)劃可望在2一3年內(nèi)完成，并投入運(yùn)行。德國80%的風(fēng)力發(fā)電裝置都是安裝在沿海地區(qū)，沿海各州已擬訂其風(fēng)力發(fā)展規(guī)劃，下薩克森州計(jì)劃到2005年，將風(fēng)力發(fā)電能力增至13Oxkw，斯雷蘇比克一霍爾斯泰因州議會決定到2010年建設(shè)120xkw風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，要求該地區(qū)配電公司、Schleswag電力公司大力配合，該公司管轄區(qū)內(nèi)的風(fēng)電場裝機(jī)已達(dá)33.7xkw，該公司也得到IPP(獨(dú)立系統(tǒng)發(fā)電業(yè)者)大力協(xié)助，預(yù)定進(jìn)行198xkw風(fēng)電場的建設(shè)。
丹麥?zhǔn)秋L(fēng)力發(fā)電先進(jìn)國家之一，它將風(fēng)力發(fā)電作為國策，已有風(fēng)力發(fā)電站近4000座，總裝機(jī)容量73xkw，發(fā)電總量達(dá)到634xw，相當(dāng)于一個(gè)中等規(guī)模的核電站發(fā)電量，占全國能源總消耗量的3.7%。丹麥政府在“能源2000計(jì)劃”中規(guī)定，到2005年，風(fēng)力發(fā)電目標(biāo)為150xkw，相當(dāng)于國內(nèi)電力消費(fèi)量的10%，到2020年，風(fēng)力+PV+波力確保電力需要的25%，現(xiàn)在計(jì)劃有減緩的傾向。環(huán)境廳對各自治體提出要求，要求他們單獨(dú)提出風(fēng)力發(fā)電裝置建設(shè)計(jì)劃，預(yù)計(jì)未來10年風(fēng)力發(fā)電量將達(dá)到1500w。
荷蘭1986年開始實(shí)施風(fēng)力發(fā)電研究，開發(fā)5年計(jì)劃NOW和引入風(fēng)力發(fā)電5年計(jì)劃IPW。目標(biāo)為1991年末總裝機(jī)容量達(dá)到5kw，但計(jì)劃沒達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，只達(dá)到4.9xkw，318座，發(fā)電總量5.5xkw·h，其后決定實(shí)施1991一1996年目標(biāo)為40xkw的TWI五年計(jì)劃。計(jì)劃目標(biāo)是1994年末風(fēng)力發(fā)電能力達(dá)到14.4xkw，629座，發(fā)電量為24.7xkw.h，為荷蘭總發(fā)電量的1.2%。到1996年末，風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量己達(dá)到3zxkw，2000年為50xkw。
英國英倫三島的風(fēng)力資源相當(dāng)豐富，特別是蘇格蘭是世界風(fēng)力資源最豐富的地區(qū)之一。英政府歷來重視風(fēng)能等非化石燃料的開發(fā)，目前英國己有20多個(gè)風(fēng)電場投入運(yùn)行，到19%年總裝機(jī)容量己達(dá)到26.4xkw，2000年達(dá)到80xkw。
瑞典從七十年代開始風(fēng)力發(fā)電的開發(fā)，經(jīng)過20多年的努力，己成為該領(lǐng)域的領(lǐng)先者之一，到19%年底，裝機(jī)容量己達(dá)到9.5xkw。220多座風(fēng)力發(fā)電站，大部分位于南部地區(qū)和波羅的海的厄蘭島及哥德蘭島上，哥德蘭島的風(fēng)力發(fā)電量可保證全島68%的能源需求。為了更充分地利用風(fēng)力資源，瑞典成立了包括一系列電力供應(yīng)公司的專門財(cái)團(tuán)，目標(biāo)是在近幾年內(nèi)使風(fēng)力發(fā)電量增加4倍。瑞典由于場地問題，致力于海洋風(fēng)力發(fā)電。由于建設(shè)費(fèi)和與輸電的連接費(fèi)用高，所以規(guī)模有大型化的傾向。
1.2.2 國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研制情況
1.2.2.1 我國風(fēng)力發(fā)電概況
中國利用風(fēng)能己有悠久的歷史，古代甲骨文字中就有“帆”字存在，1800年前東漢劉熙著作里有“隨風(fēng)張慢曰帆”的敘述，說明我國是利用風(fēng)能最早的國家之一。1637年明崇幀十年《天工開物》書里有“揚(yáng)郡以風(fēng)帆數(shù)頁，侯風(fēng)轉(zhuǎn)車，風(fēng)息則止”的記載，表明在明代以前，我國勞動人民就會制作將線運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的風(fēng)車，在風(fēng)能利用上前進(jìn)了一大步。
我國東南沿海向來有風(fēng)力提水的使用習(xí)慣，江蘇省1959年曾有多達(dá)20余萬臺提水風(fēng)車，后來大部分風(fēng)車被柴油、電力所取代，但部分地區(qū)一直使用風(fēng)力提水。50年代中期曾研制小型現(xiàn)代化風(fēng)力提水裝置，50年代后期開始研究小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，但限于當(dāng)時(shí)技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件，小型機(jī)組在試驗(yàn)中受挫而停頓。至70年代，先后試制了1、2、10、12、18、20千瓦樣機(jī)，其中18千瓦機(jī)組于1972年7月安裝在浙江省紹興縣雄鵝峰上，1976年11月遷裝到底泅縣菜園鎮(zhèn)運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電，一直運(yùn)行到1986年8月。1978年將研制風(fēng)電設(shè)備列為國家重點(diǎn)科研項(xiàng)目后，進(jìn)展加快，先后研制生產(chǎn)了微型和1一200千瓦風(fēng)電機(jī)組，其中以戶用微型機(jī)組技術(shù)最為成熟，己有100、150、200、300和500瓦微型機(jī)組系列定型和批量生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量良好，不但可滿足國內(nèi)需要，還遠(yuǎn)銷國外。1998年底，全國安裝微型機(jī)組178574臺，約計(jì)1.7萬千瓦，還有獨(dú)立供電機(jī)組，已有1.2、2.5、5、7.5和10千瓦機(jī)組，以銷定產(chǎn)小批量生產(chǎn)。在網(wǎng)外無電地區(qū)，推廣微型、小型風(fēng)電機(jī)組，是解決無電農(nóng)牧民用電的有效途徑，有其獨(dú)特的優(yōu)越性，也是中國發(fā)展微型、小型風(fēng)電機(jī)組的特色。在網(wǎng)外地區(qū)利用風(fēng)柴蓄聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，能獲得穩(wěn)定的電力，又有明顯的節(jié)油效果，發(fā)展該系統(tǒng)，將促進(jìn)風(fēng)力從為生活服務(wù)轉(zhuǎn)向?yàn)樯a(chǎn)提供電力，從而跨上一個(gè)新水平。風(fēng)/光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，能有效地利用自然資源。在我國很多地區(qū)，冬半年風(fēng)大，太陽輻射強(qiáng)度??；夏半年風(fēng)小，太陽輻射強(qiáng)度大，兩種能源的分布季節(jié)正好相反，互補(bǔ)利用可滿足用戶用電需求。
在國際上，80年代中期，商品機(jī)組以55一150千瓦為主，山東榮成進(jìn)口355千瓦機(jī)組，1986年并網(wǎng)發(fā)電，達(dá)阪城和廣東南澳進(jìn)口90千瓦、100千瓦和150千瓦機(jī)組計(jì)17臺，裝機(jī)容量4490千瓦，均于1989年并網(wǎng)發(fā)電。90年代初期國外商品機(jī)組單機(jī)容量200一300千瓦，1992一1996年我國進(jìn)口風(fēng)電機(jī)組以200一300千瓦機(jī)組為主，1996年建成17個(gè)風(fēng)電場，裝機(jī)合計(jì)57700千瓦。90年代中期500一600千瓦商品機(jī)組推向市場，批量生產(chǎn)，標(biāo)志著商品機(jī)組技術(shù)日臻成熟，造價(jià)相應(yīng)下降。1996年，國家在“雙加”工程中，按照扶強(qiáng)扶優(yōu)的原則，選擇了達(dá)阪城二廠、輝騰錫勒、括蒼山和張北四個(gè)風(fēng)電場進(jìn)行重點(diǎn)改造，進(jìn)口133x600千瓦、13x300千瓦機(jī)組，合計(jì)83700千瓦，分別于1997一1998年竣工驗(yàn)收。同年，國家計(jì)委又制定乘風(fēng)計(jì)劃”，旨在以技貿(mào)結(jié)合形式，與國外組建合資企業(yè)，在建設(shè)24萬千瓦風(fēng)電場的同時(shí)，引進(jìn)技術(shù)，消化吸收，達(dá)到自主開發(fā)、自行設(shè)計(jì)制造大型風(fēng)電機(jī)組的能力。1996年采用招標(biāo)評議方式確定“中國第一拖拉機(jī)工程機(jī)械(集團(tuán))公司”和“西安航空發(fā)動機(jī)集團(tuán)公司”為大型風(fēng)電機(jī)組總裝廠;1998年上述中標(biāo)公司分別同外商合資成立“洛陽美德風(fēng)電設(shè)備有限公司”和“西安維德風(fēng)電設(shè)備有限公司”，標(biāo)志著中國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)揭開了嶄新的一頁。
我國風(fēng)電的利用大體上采用三種方式，一是戶用式，可獨(dú)立運(yùn)行，用蓄電池，直流輸出或逆變交流輸出;單機(jī)容量為100一300W，可基本滿足照明、電視等家用電器的生活用電需要。其次是孤立的小居民區(qū)用，獨(dú)立運(yùn)行，有蓄電池、直流輸出或逆變交流輸出，統(tǒng)一向各家各戶供電或每天為其更換蓄電池，單機(jī)容量為1一5kw。這種方式也可供無電風(fēng)區(qū)邊防哨所、氣象臺站、雷達(dá)站、電視差轉(zhuǎn)臺以及無電區(qū)小火車站使用。三是建立風(fēng)電場，聯(lián)網(wǎng)后輸出，有的與柴油發(fā)電機(jī)組或太陽能電站聯(lián)合，有穩(wěn)定的輸出。目前己有14座稍具規(guī)模的風(fēng)電場，他們是達(dá)坂城、廣東南澳島、內(nèi)蒙呼和浩特輝騰錫勒、內(nèi)蒙朱日和、內(nèi)蒙商都大山灣、遼寧瓦房店東崗、瓦房店橫山、福建平潭、浙江嗓泅、浙江大陳島、山東榮成馬蘭、山東長島、海南東方、浙江蒼南鶴頂山。正在籌建中的還有浙江臨海括蒼山、浙江舟山、內(nèi)蒙錫林、廣東海陵島等。
風(fēng)電的特點(diǎn)是一次性投資高，每千瓦約需1000一1200美元，再加上進(jìn)口關(guān)稅12%、進(jìn)口環(huán)節(jié)增值稅17%，使設(shè)備成本提高31%。據(jù)內(nèi)蒙古電管局反映，不含稅風(fēng)電價(jià)為0.63元kw.h，比火電價(jià)高出0.35元。目前主要是小規(guī)模的開發(fā)，如果要進(jìn)一步發(fā)展，已遇到資金短缺、設(shè)備不過關(guān)、進(jìn)口關(guān)稅過重等三大困難。
1.2.2.2 我國風(fēng)力機(jī)械行業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到1993年底，全國生產(chǎn)風(fēng)電機(jī)組、風(fēng)力提水機(jī)組及配套件的工廠共39家，其中主機(jī)27家;職工近4000人，工程技術(shù)人員400余人;從事科研開發(fā)有35家院校，科技人員250人。商品化風(fēng)電機(jī)組有9種，從100w到5kw，年生產(chǎn)能力3萬臺，累計(jì)出口近1000臺小型風(fēng)電機(jī)。1995年全國生產(chǎn)風(fēng)電機(jī)組8190臺，風(fēng)力提水機(jī)組50臺。目前全國小型風(fēng)電機(jī)組保有量巧萬臺，居世界首位。近幾年來己建立14處規(guī)模不等的大中型風(fēng)電場，至1995年共安裝55kw以上機(jī)組186臺，總裝機(jī)容量為37Mw。預(yù)測到2000年，需要小型風(fēng)電機(jī)(1okw以下)22萬臺;大中型風(fēng)電機(jī)組(20kw以上)4000臺;風(fēng)力提水機(jī)組6000臺。
行業(yè)存在的主要問題有:
(l)產(chǎn)品品種不全目前雖然我國己能大批量生產(chǎn)小型風(fēng)電機(jī)組，1995年并出口印尼100W及300W小型風(fēng)電機(jī)各250臺，價(jià)值340余萬元，但還停留在研究開發(fā)55kw、250kW的風(fēng)電機(jī)階段。國外現(xiàn)在已做到600kW機(jī)組商品化，正在準(zhǔn)備批量生產(chǎn)750kw、1MW機(jī)組。
(2)科研生產(chǎn)能力薄弱風(fēng)力機(jī)械行業(yè)歸口于畜牧機(jī)械，稍具規(guī)模的企業(yè)只有內(nèi)蒙商都牧機(jī)廠和內(nèi)蒙動力機(jī)廠，缺少先進(jìn)設(shè)備，影響產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益的提高。隨著風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展，已有不少實(shí)力雄厚的單位加入，并取得初步成果。例如200kW風(fēng)電機(jī)組的研制由浙江機(jī)電研究院、杭州發(fā)電設(shè)備廠、上海玻璃鋼研究所、中國空氣動力研究中心、同濟(jì)大學(xué)、清華大學(xué)等8個(gè)單位聯(lián)合承擔(dān)。樣機(jī)于1995年9月在浙江蒼南風(fēng)電場完成2000小時(shí)運(yùn)行考核，1997年4月19日通過國家科委的鑒定，不久將實(shí)施中試生產(chǎn)。又如第一拖拉機(jī)工程機(jī)械集團(tuán)704分廠承擔(dān)了250kw風(fēng)電機(jī)組的研制及組裝任務(wù)，保定550廠協(xié)作生產(chǎn)葉片，該項(xiàng)目屬于一拖與德國胡蘇姆造船廠合作生產(chǎn)協(xié)議，總框架為200臺，首批10臺得到了德國政府補(bǔ)貼，1995年12月4臺電風(fēng)機(jī)己在內(nèi)蒙錫林浩特風(fēng)電場并網(wǎng)發(fā)電。再如1996年2月9日北京萬電公司(隸屬于中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院)與奧地利比爾公司簽訂引進(jìn)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，專門從事500kw以上風(fēng)電機(jī)的生產(chǎn)。1996年10月還簽訂3項(xiàng)合同，內(nèi)容為:由電力局與丹麥維斯塔思公司，內(nèi)蒙古電管局、浙江省電力局與丹麥麥康公司合作，除引進(jìn)122臺600kw風(fēng)電機(jī)之外，還將在國內(nèi)組裝生產(chǎn)600kw風(fēng)電機(jī)組。
今后風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展趨勢如何?一是增加風(fēng)輪的直徑和塔架的高度，向超大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展，目前世界上最大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)建立在美國北卡羅來納州的蘭嶺山上，發(fā)電功率是兩千瓦，年發(fā)電量是330萬度，相當(dāng)3300噸煤發(fā)出的電量；另一方面是向新型立體式風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展。立體式風(fēng)力發(fā)電機(jī)即風(fēng)力發(fā)電機(jī)的軸和風(fēng)的方向垂直。它克服了一般風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片需要不斷增長和提高塔架以及在材料和加工工藝等方面的困難。這樣來自任何方向的風(fēng)都可以充分利用，提高了風(fēng)能利用率。又可以降低高大的支撐鐵塔，結(jié)果造價(jià)低，重量也輕了許多。
1.3 研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)的目的和意義
中國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費(fèi)國，能源利用以煤炭為主。在當(dāng)前以石化能源為主體的能源結(jié)構(gòu)中，煤炭占73.8%，石油占18.6%，天然氣占2%，其余為水電等其它資源。在電力的能源消費(fèi)中，也是以煤炭為主，燃煤發(fā)電量占總發(fā)電量的80%。但是，能為人類所用的石化資源是有限的，據(jù)第二屆環(huán)太平洋煤炭會議資料介紹，按目前的技術(shù)水平和采掘速度計(jì)算，全球煤炭資源還可開采200年。此外，石油探明儲量預(yù)測僅能開采34年，天然氣約能開采60年。隨著人口的增長和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源供需矛盾加劇，如果不趁早調(diào)整以石化能源為主體的能源結(jié)構(gòu)，勢必形成對數(shù)億年來地球積累的生物石化遺產(chǎn)更大規(guī)模的挖掘、消耗，由此將導(dǎo)致有限的石化能源趨于枯竭，人類生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降的惡性循環(huán)，不利于經(jīng)濟(jì)、能源、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。電力部己制定“大力發(fā)展水電，繼續(xù)發(fā)展火電，適當(dāng)發(fā)展核電，積極發(fā)展新能源發(fā)電”的基本原則，把風(fēng)力發(fā)電作為優(yōu)化我國電力工業(yè)結(jié)構(gòu)跨世紀(jì)的戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)。八屆人大四次會議批準(zhǔn)的我國經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展“九五”計(jì)劃和2010年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要中提出“積極發(fā)展風(fēng)能、海陽能、地?zé)崮艿刃履茉窗l(fā)電”的指導(dǎo)方針，為我國發(fā)展多能互補(bǔ)的能源結(jié)構(gòu)新格局起到了指導(dǎo)和促進(jìn)作用。
風(fēng)能是對人類生存環(huán)境影響最小的能源。除此之外，風(fēng)能資源非常豐富，取之不盡，用之不竭。據(jù)統(tǒng)計(jì)，太陽向地球輻射的巨大能量中，約有1%轉(zhuǎn)化為風(fēng)能。這些能量相當(dāng)于全球每年消耗的煤、石油等化石燃料能量的總和，可見風(fēng)能的潛力是非常大的。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)日趨成熟，風(fēng)力發(fā)電規(guī)模也不斷擴(kuò)大，美國加州由數(shù)家風(fēng)能公司提供給電網(wǎng)的電量，足以供應(yīng)舊金山這樣的大城市的居民需求。我國風(fēng)電事業(yè)近年來發(fā)展較快，已有16萬臺微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)用于邊遠(yuǎn)山區(qū)、牧區(qū)、海島，初步解決了地處邊遠(yuǎn)，居住分散，電網(wǎng)難以到達(dá)地區(qū)的居民用電問題。同時(shí)也遏制了微型汽油發(fā)電機(jī)的發(fā)展，在節(jié)約石化燃料的同時(shí)，避免了各種有害氣體的排放。國家“九五”新能源發(fā)展計(jì)劃提出，“九五”期間全國風(fēng)力發(fā)電的總裝機(jī)容燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文量要突破40萬千瓦。為此，國家從宏觀規(guī)劃角度出發(fā)，制定了“乘風(fēng)計(jì)劃”，面向國內(nèi)外市場發(fā)展風(fēng)力發(fā)電。“乘風(fēng)計(jì)劃”不僅會大大促進(jìn)我國風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展，而且對減排有害污染物，促進(jìn)環(huán)境的改善有著重要意義。
風(fēng)力發(fā)電近幾年發(fā)展如此之快，是因?yàn)樗性S多優(yōu)點(diǎn)：1.設(shè)備簡單，投資少，成本低，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整個(gè)設(shè)備成本不足功率相當(dāng)?shù)幕鹆Πl(fā)電，水力發(fā)電和核電站成本的1/4，在二、三年內(nèi)就可以收回全產(chǎn)投資；2.節(jié)省燃料和運(yùn)輸費(fèi)用。在風(fēng)力資源豐富的地區(qū)，風(fēng)力是取之不盡，用之不竭的，可就地建立風(fēng)力發(fā)電站，就地用電，這樣就可以節(jié)省大量的輸電設(shè)備和能源。許多燃料是十分重要的化學(xué)原料，把它白白的燃掉是十分可惜的。我國資源并不十分豐富，充分利用風(fēng)力資源意義就更重大了；3.利用風(fēng)力可以減少對大氣的污染，保護(hù)我們?nèi)祟愘囈陨娴淖匀画h(huán)境?；瘜W(xué)燃料不斷向大氣中排放對生物有害物質(zhì)，嚴(yán)重的威脅人們健康，而風(fēng)力能源則沒有任何影響人類健康的有害物質(zhì)。
由于它是清潔能源，對環(huán)境無污染，又由于我們國家地形復(fù)雜，人口又多，居住分散，對于電網(wǎng)涉及不到的地區(qū)，特殊行業(yè)，可以補(bǔ)充大電網(wǎng)的缺陷，起到拾遺補(bǔ)缺的作用，可以利用小型風(fēng)機(jī)風(fēng)力發(fā)電的地方主要有：
(l)航運(yùn)系統(tǒng)我們有長江等水系幾條大河流，如長江航運(yùn)中的拖船，一般在100一200噸，經(jīng)常被擱置在江中間的錨地上，用電主要靠蓄電池。使用風(fēng)力發(fā)電機(jī)對蓄電池補(bǔ)充充電效果很好，這方面有成功的經(jīng)驗(yàn)。但是，由于國有運(yùn)輸企業(yè)的不景氣，影響了市場。
另外，我們大小河流湖泊上的船舶數(shù)量驚人，用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)解決它們的照明、收視電視、聽廣播，有很重要的意義和市場。
(2)森林防火高山觀察站據(jù)林業(yè)部防火指揮部介紹，東北約有400個(gè)觀察站，西南也有幾百個(gè)高山觀察站，各省市都有一些森林高山防火觀察站，站上的工作人員，在防火期從10月到第二年4、5月期間晝夜在站上值勤，解決他們的照明及聽廣播、看電視頗為費(fèi)神。由于山高、道路狹窄歧嶇、運(yùn)輸困難，又不能使用明火，使用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以基本解決觀察站的照明及娛樂用電。90年代初，個(gè)別觀察站曾使用過小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的某些技術(shù)問題及使用人員的素質(zhì)因素，沒有得到推廣。
(3)無人值守的差轉(zhuǎn)臺和微波站。
(4)東南沿海各孤立的島嶼。
(5)圍網(wǎng)養(yǎng)殖系統(tǒng)。
(6)農(nóng)牧區(qū)。
(7)國際市場。
1.4 我國的風(fēng)能資源及其分布
風(fēng)能是地球表面空氣移動時(shí)產(chǎn)生的動能。由于風(fēng)速是一個(gè)隨機(jī)性很大的量，必須通過長時(shí)間的觀測才能算出平均風(fēng)功率密度。
根據(jù)風(fēng)的氣候特點(diǎn)，一般選取10年風(fēng)速資料中年平均風(fēng)速最大、最小和中間的3個(gè)年份為代表年份，分別計(jì)算該3個(gè)年份的風(fēng)功率密度然后加以平均，其數(shù)值可以作為當(dāng)?shù)亻L年風(fēng)功率密度平均值。中國氣象科學(xué)研究院計(jì)算了全國900余個(gè)氣象站的年平均風(fēng)功率密度值，該值反映出全國風(fēng)能資源分布狀況，以及各個(gè)地區(qū)風(fēng)能資源潛力。
中國10m高度層的風(fēng)能總儲量為3226GW，這個(gè)儲量稱作風(fēng)能“理論可開發(fā)總量”。實(shí)際可供開發(fā)的量按上述總量的1/lO估計(jì)，并考慮風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置風(fēng)輪的實(shí)際掃掠面積，再乘以面積系數(shù)O.785(即直徑為lm的圓面積是邊長為lm的正方形面積的0.785)，得到中國10m高度層實(shí)際可開發(fā)的風(fēng)能儲量為253GW。這個(gè)數(shù)量比1996年全國發(fā)電總裝機(jī)容量還大，說明中國風(fēng)能資源豐富，但是可供經(jīng)濟(jì)開發(fā)的風(fēng)能儲量數(shù)據(jù)尚需進(jìn)一步查明。
中國風(fēng)能豐富的地區(qū)主要分布在西北、華北和東北的草原或戈壁，以及東部和東南沿海及島嶼，這些地區(qū)一般都缺少煤炭等常規(guī)能源。中國風(fēng)力大小的出現(xiàn)規(guī)律是冬、春季風(fēng)大，降雨量少;夏季風(fēng)小，降雨量大。這一特點(diǎn)恰與水電的枯水期和豐水期有著較好的互補(bǔ)性。圖1-1示出了中國有效風(fēng)能密度分布狀況。
由于我國地形復(fù)雜，風(fēng)的地區(qū)性差異很大，有必要將我國的風(fēng)能資源的大體分布列出，以便于人們了解哪些地區(qū)有開發(fā)利用風(fēng)能的潛力。中國風(fēng)能資源豐富的省區(qū)于表1一l。
一般風(fēng)能資源的潛力和特征用有效風(fēng)能密度和可利用年積累小時(shí)數(shù)兩個(gè)指標(biāo)表示。根據(jù)有關(guān)氣象資料，我國可利用風(fēng)能地區(qū)有三個(gè)，即風(fēng)能豐富區(qū)、較豐富區(qū)、可利用區(qū)，列表1一2如下:
圖1-1 中國有效風(fēng)能密度分布狀況
表1一1 中國風(fēng)能資源比較豐富的地區(qū)
表1-2 我國風(fēng)能資源分布情況
第二章 風(fēng)力機(jī)理論
2.1 基本公式
2.1.1 風(fēng)能利用系數(shù)
風(fēng)力機(jī)從自然風(fēng)能中吸收的能量大小程度用風(fēng)能利用系數(shù)表示。橫截面積為s()的氣流的動能為
2.1.2 風(fēng)壓強(qiáng)
如圖2-1a，根據(jù)伯努力方程，風(fēng)中物體受到的風(fēng)壓Q為
2.1.3 阻力式風(fēng)力機(jī)的最大效率
建立簡單的理想模型，一個(gè)平板在風(fēng)的氣動壓力作用下沿著風(fēng)速方向運(yùn)動，如圖2-lb，并規(guī)定平板上游一定距離上的風(fēng)速為，平板的運(yùn)動速度為v，那么平板吸收的功率可以表示為
圖2-1 平板模型
對給定的上游風(fēng)速玲，可以寫出以平板的運(yùn)動速度V為函數(shù)的功率變化關(guān)系式，對v進(jìn)行微分得
從上式中可以看出，阻力式風(fēng)力機(jī)的效率是比較低的，提高效率的唯一辦法是設(shè)法提高風(fēng)的阻力系數(shù)C。
2.2 工作風(fēng)速與輸出功率
2.2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出效率
最理想的風(fēng)力機(jī)也不可能吸收全部的風(fēng)能，而只能吸收部分風(fēng)能。如上一節(jié)推導(dǎo)的那樣，有一個(gè)最大風(fēng)能利用系數(shù)。但是，風(fēng)力機(jī)在制做過程中，由于受到各種條件的限制，做不到完全理想的形狀。因此實(shí)際的風(fēng)力機(jī)和理想的風(fēng)力機(jī)之間也有差異。實(shí)際風(fēng)力機(jī)吸收的功率與理想風(fēng)力機(jī)吸收的功率的比值叫做風(fēng)力機(jī)的效率。用表示。另外還有傳動機(jī)構(gòu)的效率甲和發(fā)電機(jī)的效率等，所以實(shí)際風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的效率，可以表示為
2.2.2 工作風(fēng)速與輸出功率
風(fēng)力機(jī)啟動時(shí)，為了克服其內(nèi)部的摩擦阻力而需要一定的力矩。這一最低力矩值叫做風(fēng)力機(jī)的啟動力矩。啟動力矩主要與風(fēng)力機(jī)本身的傳動機(jī)構(gòu)摩擦阻力有關(guān)·因此風(fēng)力機(jī)有一最低工作風(fēng)速稱，只有風(fēng)速大于時(shí)風(fēng)力機(jī)才能工作。
當(dāng)風(fēng)速超過某一值的時(shí)候，基于安全上的考慮(主要是塔架和槳葉強(qiáng)度)，風(fēng)力機(jī)應(yīng)該停止運(yùn)轉(zhuǎn)，所以每一臺風(fēng)力機(jī)都規(guī)定有最高風(fēng)速，最高風(fēng)速與風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度有關(guān)，是設(shè)計(jì)時(shí)給定的參數(shù)。
最小風(fēng)速稱，和最大風(fēng)速之間的風(fēng)速叫做風(fēng)力機(jī)的工作風(fēng)速，相應(yīng)于工作風(fēng)速風(fēng)力機(jī)有功率輸出。當(dāng)風(fēng)力機(jī)的輸出功率達(dá)到標(biāo)稱功率時(shí)的工作風(fēng)速叫做該風(fēng)力機(jī)的額定風(fēng)速。
2.2.3 啟動風(fēng)速和額定風(fēng)速的選定
如何根據(jù)風(fēng)能資源來選用風(fēng)力機(jī)，使風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)最佳，確定起動風(fēng)速和額定風(fēng)速是關(guān)鍵。
2.2.3.1 雙參數(shù)威布爾分布 風(fēng)能就是流動空氣具有的動能。單位時(shí)間通過垂直于空氣流的單位面積的空氣流所具有的動能叫風(fēng)能密度，設(shè)為空氣密度，v為風(fēng)速，則風(fēng)能密度p=0.5，隨v的立方增大，變化非常快，故知道風(fēng)速的變化情況是利用風(fēng)能的先決條件。
風(fēng)速V是隨機(jī)變量，經(jīng)研究專家們多認(rèn)為用雙參數(shù)威布爾概率密度函數(shù)擬合風(fēng)速頻率分布最好腳。威布爾分布函數(shù)形如下式
其中K為形狀參數(shù)，無量綱，C為尺度參數(shù)，量綱為m。不同地區(qū)，不同時(shí)期參數(shù)K、C是不同的，可根據(jù)某地連續(xù)30年的風(fēng)資料算出該地的K、C參數(shù)，威布爾分布函數(shù)曲線見圖2-2。參數(shù)K、C影響曲線形狀，K大C大曲線陡峻，峰右移，反之亦然。
圖2-2 威布爾分布函數(shù)曲線
上式滿足
2.2.3.2 起動風(fēng)速 啟動風(fēng)速為風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪由靜止開始轉(zhuǎn)動并能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的最小風(fēng)速:風(fēng)力機(jī)分水平軸和垂直軸兩大類，每一類又有多種形式，同一形式還有若干種規(guī)格，只有科學(xué)地選擇適合當(dāng)?shù)仫L(fēng)能資源的風(fēng)力機(jī)，才能以較少的投資獲取較多的風(fēng)能。
根據(jù)國內(nèi)外100多種風(fēng)力機(jī)，起動風(fēng)速的范圍是2m，至6m，這一范圍能滿足風(fēng)能豐富區(qū)、較豐富區(qū)、可利用區(qū)的不同需要。
雙參數(shù)威布爾分布函數(shù)曲線峰值對應(yīng)的凡就是起動風(fēng)速(圖2-2)。對上式求一階導(dǎo)數(shù)且令其等于O有
解得
證明氣是出現(xiàn)概率最大的風(fēng)速。使用起動力風(fēng)速大于上式計(jì)算的氣的風(fēng)力機(jī)會損失小風(fēng)速這一區(qū)段的風(fēng)能，使用起動風(fēng)速小于上式計(jì)算的咋的風(fēng)力機(jī)是否更好呢?表面看低風(fēng)速的風(fēng)能得到更多的利用，深入研究可知在之氣的較高風(fēng)速區(qū)風(fēng)能利用率下降，總體上是得不償失，故選用盡可能接近上式結(jié)果的風(fēng)力機(jī)最為理想。
2.2.3.3 額定風(fēng)速 額定風(fēng)速的選定直接影響風(fēng)能利用系統(tǒng)整體的效率和經(jīng)濟(jì)性，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。
己知風(fēng)能密度p=12，對一臺效率為，槳葉半徑為廠的風(fēng)力機(jī)，輸出功率w(V)的威布爾分布函數(shù)為
w(V)峰值對應(yīng)之風(fēng)速應(yīng)是額定風(fēng)速，此時(shí)風(fēng)力機(jī)提取的風(fēng)能最多。
令
2.2.3.4 風(fēng)力機(jī)的工作風(fēng)速、輸出功率與風(fēng)能的關(guān)系 風(fēng)力機(jī)的工作風(fēng)速、輸出功率與風(fēng)能的關(guān)系可以簡單地如圖2一3來表示(注:圖中縱坐標(biāo)表示輸出功率，單位為:w/;橫坐標(biāo)表示風(fēng)能，單位為:m/s)
A一理論風(fēng)能曲線B一扣除空氣動力損失后的風(fēng)力機(jī)吸收的功率
C一計(jì)算傳動損失和機(jī)械能轉(zhuǎn)換損失后的功率曲線
D一發(fā)電機(jī)實(shí)際輸出功率曲線
圖2一3 功率與風(fēng)速的關(guān)系
2.3 風(fēng)能利用與氣象
2.3.1 風(fēng)的觀測對風(fēng)能利用的意義
在前面已經(jīng)講述過，風(fēng)能與風(fēng)速的三次方成正比。所以，當(dāng)風(fēng)速測量有10%的誤差時(shí)，風(fēng)力機(jī)輸出功率的誤差將擴(kuò)大到33%。在風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)中，輸出功率出現(xiàn)30%以上的誤差，將帶來很大的經(jīng)濟(jì)損失。風(fēng)速隨時(shí)間變化很大，而且地區(qū)性差異也很大，正確把握風(fēng)況并不是一件容易的事情。所以在風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)劃中，對風(fēng)的觀測非常受重視。
2.3.2 風(fēng)能利用中需要的氣象調(diào)查
在風(fēng)能利用中，需要進(jìn)行四項(xiàng)氣象調(diào)查:
(l)風(fēng)能密度調(diào)查 結(jié)合風(fēng)能的地區(qū)分布和可設(shè)立風(fēng)力機(jī)地區(qū)面積的調(diào)查，在全國范圍內(nèi)對可利用的風(fēng)能量進(jìn)行估算。
(2)選定適合地點(diǎn) 在一年中，對通過強(qiáng)風(fēng)場所的調(diào)查。
(3)風(fēng)速的頻率分布調(diào)查 在風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)中，為了估算平均出力和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間等量，必須了解風(fēng)力機(jī)軸高處的風(fēng)況。
(4)為了風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)強(qiáng)度和安全系數(shù)的氣象調(diào)查 異常的強(qiáng)風(fēng)出現(xiàn)的概率、風(fēng)的不定向性以及突風(fēng)程度，冰暴、鹽害等的調(diào)查。
2.4 風(fēng)的觀測
風(fēng)的觀測，因其目的不同而有各自的特點(diǎn)。對于風(fēng)能利用，通過對風(fēng)的觀測，可以估算出該地區(qū)可利用的風(fēng)能大小，為風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)和性能研究以及開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性等提供條件。
風(fēng)速的測量包括風(fēng)向和風(fēng)速的測量。因?yàn)轱L(fēng)速隨時(shí)間變化很大，而且變化不定，所以測量時(shí)取一定時(shí)間內(nèi)的風(fēng)速大小的平均值和最長時(shí)間的風(fēng)向。我國現(xiàn)行的風(fēng)速觀測有兩種方法:一種是每日定時(shí)4次兩分鐘平均風(fēng)速觀測;一種是一日24次自記10分鐘平均風(fēng)速觀測。實(shí)際測量結(jié)果表明，前一種方法的誤差比較大，因此在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)中采用后一種測量方法得到的數(shù)據(jù)。
第三章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 小型垂直式風(fēng)力發(fā)電機(jī)方案設(shè)計(jì)
現(xiàn)在，各個(gè)發(fā)達(dá)國家均大力發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)，雖然太陽能一直是新能源商業(yè)化的首選，因?yàn)樘柲艿脑O(shè)置地點(diǎn)較靈活，不會產(chǎn)生噪音，可以和建筑進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。但是風(fēng)力發(fā)電較太陽能而言，它的成本優(yōu)勢明顯。傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)啟動風(fēng)速要求較高，發(fā)電噪音也很大，所以只能將風(fēng)力發(fā)電機(jī)放在人跡罕至的地方或風(fēng)力較大的地方。設(shè)備也是往大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展，專門建設(shè)大型風(fēng)力發(fā)電場，這樣，小型風(fēng)力發(fā)電在相當(dāng)長的時(shí)間里未得到較好的發(fā)展。所以，如何使風(fēng)力發(fā)電和建筑進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，降低小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)噪音，使其安裝在建筑周圍而不影響人的生活質(zhì)量，已成為各個(gè)國家研究的焦點(diǎn)！
我設(shè)計(jì)的是一種新型的立式垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，由風(fēng)機(jī)葉輪、立柱、橫梁、變速機(jī)構(gòu)、離合裝置和發(fā)電機(jī)組成。如下圖所示：
漿 葉
固定架
變速箱
星形齒輪加速器
電磁離合器
發(fā)電機(jī)
整流器
蓄電池
逆變器
負(fù) 載
圖3-1小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)框圖
該小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理為：在風(fēng)的吹動下，風(fēng)輪轉(zhuǎn)動起來，使空氣動力能轉(zhuǎn)變成了機(jī)械能（轉(zhuǎn)速+扭矩）。通過增速系統(tǒng)和離合器使轉(zhuǎn)矩和扭矩傳遞到風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸上，帶動發(fā)電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)，從而使永磁三相發(fā)電機(jī)發(fā)出三相交流電。風(fēng)速的不斷變化、忽大忽小，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電流和電壓也隨著變化。發(fā)出的電經(jīng)過控制器的整流，由交流電變成了具有一定電壓的直流電，并向蓄電池進(jìn)行充電。從蓄電池組輸出的直流電，通過逆變器后變成了220伏的交流電，供給用戶的家用電器。應(yīng)用范圍：
提供220伏交流電或24伏、36伏或48伏直流電
照明: 燈泡,節(jié)能燈
家用電器:電視機(jī)、收音機(jī)、電風(fēng)扇、洗衣機(jī)、電冰箱；
該新型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)為：
１． 額定功率（ｗ）：300
２． 輸出電壓（v）：24
３． 啟動風(fēng)速（m/s）：2
４． 額定風(fēng)速（m/s）：6
５． 最大使用風(fēng)速（m/s）：20
發(fā)電機(jī)為額定功率300w，輸出電壓24v。
該新型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)為：
１． 結(jié)構(gòu)簡單
２． 易維護(hù)
３． 運(yùn)行平穩(wěn)安全
４． 抗強(qiáng)風(fēng)能力強(qiáng)
５． 操作簡單
６． 價(jià)格低廉
3.2 風(fēng)葉
采用帆翼式風(fēng)葉，帆翼式是英國發(fā)展的一種立軸帆翼式風(fēng)力機(jī)，結(jié)構(gòu)簡單、性能較高。帆翼的形狀如下圖所示。由于其制造簡單，成本低，性能好，所以適于推廣使用。
圖3-2 帆翼式
3.3 行星齒輪加速器設(shè)計(jì)計(jì)算
3.3.1 設(shè)計(jì)要求
設(shè)計(jì)壽命5年，單班，一年360天，中等傳動，傳動逆轉(zhuǎn)，齒輪對稱布置，不允許點(diǎn)蝕，無嚴(yán)重過載，閉式傳動。齒輪精度8-7-7，齒輪材料:20CrNiMoH，碳氮共滲處理，硬度為Hv740以上。軸材料:20NiCrMoH或20CrMnMo。齒圈材料:42CrMo，氮化處理，硬度為Hv40O以上。
3.3.2 選加速器類型
小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)是安裝在樓頂或屋頂上的，所以盡量選擇體積小、重量輕、性能穩(wěn)定的設(shè)備。在選擇行星齒輪時(shí)，我選擇NGW型星形齒輪加速器，因?yàn)檫@個(gè)型號的齒輪傳動效率高，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，傳遞功率范圍大，軸向尺寸小，可用于各種工作條件的特點(diǎn)。
輸入軸
輸出軸
R
S
C
P
圖3-3 NGW型行星齒輪加速器
3.3.3 確定行星輪數(shù)和齒數(shù)
在行星齒輪加速器中選擇行星輪數(shù)：=3
通過查表法確定了齒輪的齒數(shù)（機(jī)械手冊）：
總傳動比 i =5.4
太陽輪齒數(shù) =20
內(nèi)齒輪齒數(shù) =88
行星輪齒數(shù) =34
3.3.4 壓力角()的選擇
我們國家和許多國家都把齒輪的標(biāo)準(zhǔn)壓力角規(guī)定為，因此，本次設(shè)計(jì)的變速箱采用壓力角，以提高加工刀具的通用性。
3.3.5 齒寬系數(shù)的選擇
對于硬齒面齒輪的齒寬系數(shù)應(yīng)小于軟齒面的齒寬系數(shù)。一般情況下，硬齒面值齒輪可取<0.7。齒寬系數(shù)小=(b/a)，一般可取0.4一0.8，常取0.6一0.7。
3.3.6 模數(shù)選擇
齒輪的模數(shù)是決定齒輪大小和幾何參數(shù)的主要參數(shù)，它直接影響齒輪的抗彎曲疲勞強(qiáng)度。設(shè)計(jì)變速箱選取模數(shù)的大小，主要與下列因素有關(guān):
1.齒輪上受力的大小，作用力大，模數(shù)也大。
2.與材料、加工質(zhì)量、熱處理質(zhì)量好壞有關(guān)。
對于模數(shù)(m)的確定，可以根據(jù)同類變速箱的統(tǒng)計(jì)，參考選擇。
下列為行星傳動變速箱模數(shù)統(tǒng)計(jì)表:
通過以上比較，我確定本次設(shè)計(jì)變速箱的模數(shù)為:2.5mm。
3.3.7 預(yù)設(shè)嚙合角 = =
3.3.8 太陽輪與行星輪之間的傳動計(jì)算
（1）計(jì)算未變位時(shí)的中心距
===67.5
（2）初算中心距變動系數(shù)
==
（3）計(jì)算中心距并取圓整值
a=m()=70
(4) 實(shí)際中心距變動系數(shù)
==0.75
（5）計(jì)算嚙合角
cos===0.912323, =
(6) 計(jì)算總變位系數(shù)
==（20+34）=0.827
（7）校核
介于p7及p8之間，有利于接觸強(qiáng)度及抗彎強(qiáng)度，所以可用
（8）分配變位系數(shù)
=0.437 =0.39
3.3.9 行星輪與內(nèi)齒輪之間的傳動計(jì)算
（1）計(jì)算未變位時(shí)的中心距
===67.5
(2) 計(jì)算中心距變動系數(shù)
==-0.25
（3）計(jì)算嚙合角
cos===0.9488, =
(4) 計(jì)算總變位系數(shù)
==（88-34）=-0.241
（5）分配變位系數(shù)
=+=-0.241 +0.39=0.149
3.3.10 行星排各零件轉(zhuǎn)速及扭矩的計(jì)算
因效率對強(qiáng)度校核的扭矩影響比較小，因而在下面的扭矩計(jì)算中不考慮效率的影響。對行星排各零件的扭矩進(jìn)行計(jì)算。
:: = 1::(1+)=1:2.4545:-3.4545
因通過太陽輪輸出扭矩，風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電時(shí)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為2168(Nm)，故反方向計(jì)算，故太陽輪為輸入扭矩:
==2168(Nm)
風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)的轉(zhuǎn)速為=1175（rpm）
太陽輪轉(zhuǎn)速 =1175（rpm）
行星輪轉(zhuǎn)速 ==1148（rpm）
3.3.11 行星排上各零件受力分析及計(jì)算
1．太陽輪受力如下
圓周力
根據(jù)公式 =
式中一作用在太陽輪上的扭矩=2168 (N·m)
一行星輪數(shù)目=3
一太陽輪分度圓直徑=74.25 (mm)
徑向力
根據(jù)公式 =
式中 一齒輪壓力角=
一分度圓上螺旋角=
=9733Xtg20o=3543(N)
2．行星輪P受力分析如下：
圓周力 ==9733(N)
徑向力 ==3543(N)
3．行星架C受力如下：
圓周力 =2=29733=19466(N)
徑向力 =0(N)
4．齒圈R受力如下：
圓周力 ==9733(N)
徑向力 ==3543(N)
3.3.12 行星齒輪傳動的強(qiáng)度校核計(jì)算
行星齒輪傳動中的齒輪計(jì)算方法主要是按照GB3480“漸開線圓柱齒輪承載能力計(jì)算方法”計(jì)算，并考慮行星傳動的特點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算校核。
(l)彎曲疲勞強(qiáng)度校核
a.分度圓上的圓周力Ft
根據(jù)前面的計(jì)算結(jié)果，行星輪和齒圈上受力在前進(jìn)二檔時(shí)最大，所受的圓周力均為Ft=13360(N)
b.齒寬計(jì)算
太陽輪與行星輪的齒寬分別為48mm、46mm；齒圈的齒寬為54mm
c.使用系數(shù) 查手冊得 =1.25
d.動載系數(shù)
太陽輪分度圓上的圓周速度，根據(jù)下列公式計(jì)算
=
式中 一太陽輪相對于行星架的圓周速度（m/s）
ds 一太陽輪分度圓直徑(mm) =148.5（mm）
一太陽輪轉(zhuǎn)數(shù)(rpm) =733(rpm)
一行星輪相對行星架的轉(zhuǎn)數(shù)(rpm) =-716(rpm)
一行星架轉(zhuǎn)數(shù)(rpm) =212(rpm)
代入公式 所以 ==4.05（m/s）
=1+（）=1.1（m/s）
同理可得 行星輪P ==4.06（m/s）
計(jì)算得 =1.10
齒圈R =
計(jì)算得 =1.114
e .齒間載荷分配系數(shù)、
因?yàn)? /b=3N/mm100N/mm 且為表面硬化的直齒輪。
所以 =1.2
f.齒向載荷分布系數(shù)
對于太陽輪、行星輪和齒圈，它們的齒輪寬度和行星齒輪的分度圓直徑比都小于1，則
g. 復(fù)合齒形系數(shù)
h. 重合度系數(shù)
因?yàn)? =1.47 =1.583
=0.25+
太陽輪與行星輪=0.76 行星輪與齒圈=0.724
i.螺旋角系數(shù) =1-
因?yàn)?0 所以
j.彎曲應(yīng)力
由公式：=
=1.251.11.214.00.7611.15=356.78(MPa)
=1.251.11.213.90.72411.15=367.6(MPa)
=1.251.11.214.00.72411.15=364.6(MPa)
k. 彎曲疲勞強(qiáng)度的壽命系數(shù)
=60rnt>3 所以 ===1
取=380M
l. 相對齒根的圓角敏感系數(shù)
查表得 太陽輪、行星輪、齒圈的敏感系數(shù)均為=1
m. 相對齒根表面狀況系數(shù)
查表得 =0.9
n.應(yīng)力修正系數(shù) =2
o.齒輪的彎曲疲勞極限
由公式 =
=46012110.9=828（M）
=32212110.9=579.6（M）
=38012110.9=684（M）
安全系數(shù)S
===2.32
===1.57
===1.87
按具有高可靠性要求取最小安全系數(shù)=1.5 從而可看出：
〉 〉 〉
所以彎曲強(qiáng)度校核通過。
（2） 接觸疲勞強(qiáng)度校核
a. 接觸強(qiáng)度的齒間載荷分配系數(shù)
太陽輪與行星輪嚙合時(shí)總重合度1.47 查表得 =1.2
齒圈與行星輪嚙合時(shí)的總重合度1.583 查表得 =1.2
b.節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)
計(jì)算=
得=2.3186
c.彈性系數(shù)
可由公式=
得太陽輪與行星輪嚙合時(shí)==0.918
齒圈與行星輪嚙合時(shí)==0.8975
d.接觸疲勞強(qiáng)度極限
太陽輪與行星輪是合金鋼滲碳處理，取1500M
齒圈是合金鋼氮化處理，取1200M
e.壽命系數(shù)
=60rnt>5 所以 ===1
f.潤膜影響系數(shù)太陽輪和行星輪為8級精度，齒圈為9級精度，選用=115/s的礦物油，則查表得：太陽輪和行星輪為=0.9，齒圈為=0.8
g.齒面工作硬化系數(shù)=1
h.尺寸系數(shù)=1
i.齒輪的接觸疲勞極限
由公式=
=150010.911=1350M
=150010.911=1350M
=150010.811=9600M
j.安全系數(shù)S
===1.05
===1.05
===1.47
按具有高可靠性要求取最小安全系數(shù)=1.0從而看出齒輪滿足使用要求。
3.4 電磁離合器設(shè)計(jì)計(jì)算
3.4.1 選型
為滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作環(huán)境的需要，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中我選擇牙嵌式電磁離合器，因?yàn)檠狼妒诫姶烹x合器有外形尺寸小，傳遞轉(zhuǎn)矩大，無空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，無摩擦發(fā)熱，無磨損，不需調(diào)節(jié)，傳動比恒定無滑差，使用壽命長，脫開快，干、濕兩用的特點(diǎn)。（電源為12v直流電）
3.4.2 牙嵌式電磁離合器的動作特性
如圖所示，通電后，當(dāng)激磁電流按指數(shù)曲線上升時(shí)，由于銜鐵被吸引，線圈中電感增大，引起電流第一次短時(shí)間下降，以后還會由于銜鐵吸引后尚不能起動負(fù)載轉(zhuǎn)矩，出現(xiàn)牙間嵌合、脫開和再嵌合的滑跳現(xiàn)象，致使電流發(fā)生多次跳動，直到能帶動負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)才趨向穩(wěn)定。對于靜態(tài)接合，起動時(shí)間的長短主要與銜鐵吸引時(shí)間有關(guān)，而對動態(tài)起動，則與相對轉(zhuǎn)速、負(fù)載特性、負(fù)載的增加情況以及牙的相對位置等因素有關(guān)。離合器的脫開時(shí)間就是從切斷激磁電流開始到牙完全脫開嵌合，傳遞力矩消失所經(jīng)歷的時(shí)間，此時(shí)電流也按指數(shù)曲線衰減。
3.4.3 離合器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩
式中 T-離合器傳遞的理論轉(zhuǎn)矩，它包括工作轉(zhuǎn)矩和起動的慣性轉(zhuǎn)矩 T=2168（Nm）；
K-工作情況系數(shù) K=1.5
所以 1.5 2168=3252（Nm）
3.4.4 離合器的外徑
=133
3.4.5 離合器牙間的壓緊力
Q
式中 -牙形角， =
-摩擦角， =
-牙的平均直徑
-銜鐵摩擦面的摩擦系數(shù)
-銜鐵導(dǎo)向孔直徑
-彈簧推力，=40
3.4.6 線圈槽高度
=20mm
式中 -線圈槽高度比， =5
-傳熱系數(shù)，=11
-填充系數(shù)， =0.6
-電阻系數(shù)，=0.017
3.4.7 磁軛底部厚度
==4mm
3.4.8 銜鐵厚度
=8mm
一般取余量 =4
第四章 限速控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
4.1 設(shè)計(jì)限速控制系統(tǒng)的目的
功率調(diào)節(jié)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一，我設(shè)計(jì)限速電磁離合器就是為了盡可能提高風(fēng)力機(jī)風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率和保證風(fēng)力機(jī)輸出功率平穩(wěn),并且防止因瞬時(shí)電量過大而毀壞發(fā)電機(jī)和電力設(shè)施的現(xiàn)象出現(xiàn)。
4.2 限速控制系統(tǒng)方案分析
本課題設(shè)計(jì)的限速控制系統(tǒng)是一個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)，從控制觀點(diǎn)來看，整個(gè)系統(tǒng)可分為六部分:電磁離合器機(jī)構(gòu)、電路、單片機(jī)、程序、編碼器、環(huán)境，其中的電路、單片機(jī)、程序、編碼器等部分構(gòu)成了控制系統(tǒng)。目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)中投入運(yùn)行的機(jī)組主要有兩類功率調(diào)節(jié)方式:一類是定漿距失速控制;另一類是變漿距控制。定漿距失速控制是指大功率高轉(zhuǎn)速的發(fā)動機(jī)工作于高風(fēng)速區(qū),小功率低轉(zhuǎn)速的發(fā)動機(jī)工作于低風(fēng)速區(qū), 通過葉片的失速或偏航控制來追求最高的發(fā)電效率。實(shí)際上難以做到功率恒定,通常有些下降, 變漿距控制是指通過改變與葉片相匹配的葉片攻角來調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)發(fā)電效率。這兩種公路調(diào)節(jié)方式都存在反應(yīng)慢而造成瞬時(shí)過載的缺點(diǎn)。我設(shè)計(jì)的電磁離合器控制系統(tǒng)是通過程序?qū)﹄姶烹x合控制，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速時(shí)，控制系統(tǒng)會使電磁離合器分離，當(dāng)速度降低到額定轉(zhuǎn)速時(shí)電磁離合器將閉合，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。這個(gè)系統(tǒng)有反應(yīng)速度快、準(zhǔn)確、成本低的特點(diǎn)。
4.3 單片機(jī)
本課題模型采用的單片機(jī)是AT89C51，單片機(jī)是指一個(gè)集成在一塊芯片上的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。盡管他的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個(gè)完整計(jì)算機(jī)所需要的大部分部件：CPU、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會具有外存。同時(shí)集成諸如通訊接口、定時(shí)器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘等外圍設(shè)備。而現(xiàn)在最強(qiáng)大的單片機(jī)系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。
4.4 信號采集
本課題模型用編碼器來采集信號，把編碼器高低電平的變化的信號傳入單片機(jī)，單片機(jī)對信號進(jìn)行分析，判斷電磁離合器通電還是斷電。
4.5 電路
本模型的電路包括單片機(jī)最小電路和上電復(fù)位電路，這個(gè)裝置可以用匯編語言來指導(dǎo)自動化運(yùn)作與電腦差不多，讀入數(shù)據(jù)后，依據(jù)半導(dǎo)體進(jìn)行邏輯運(yùn)算，并把結(jié)果輸出。從而達(dá)到根據(jù)轉(zhuǎn)速控制電磁離合器的目的。
圖4-1 電磁離合器控制系統(tǒng)電路圖
4.6 限速控制程序
4.6.1 定時(shí)器周期
本模型設(shè)計(jì)50ms為一個(gè)周期，所以定時(shí)器必須工作于方式1。
定時(shí)器初值為：
TC=M-T/==15536=3CB0H
4.6.2 程序流程圖
圖4-2 程序流程圖
4.6.3 限速控制程序
4.6.3.1 主程序
ORG 0000H
LJMP START
ORG 000BH
LJMP Dingshi
Chushi: SuduH DATA 20H
SuduL DATA 21H
MOV TMOD, #51H
MOV TH0, #3CH
MOV TL0, #0B0H
MOV IE, #82H
SETB TRO
START: MOV A, #00H
CJNE A, SuduH, Buxiangdeng1
Xiangdeng1: MOV A, #02H
CJNE A, SuduL, Buxiangdeng2
Xiangdeng2: LJMP Miedeng
Buxiangdeng1:JC Liangdeng
Ljmp Miedeng
Buxiangdeng2:JC Liangdeng
Ljmp Miedeng
Liangdeng: MOV P1.0, #00H
LJMP START
Miedeng: MOV P1.0, #0FFH
LJMP START
4.6.3.2 中斷服務(wù)程序：
Dingshi: MOV SuduH, TH1
MOV SuduL, TL1
CLR TH1
CLR TL1
MOV TH0, #3CH
MOV TL0, #0B0H
RETI
END
第五章 實(shí)驗(yàn)和模型設(shè)計(jì)
5.1 實(shí)驗(yàn)和模型設(shè)計(jì)的目的
實(shí)驗(yàn)和模型設(shè)計(jì)的目的是檢驗(yàn)小型垂直式風(fēng)力發(fā)電機(jī)中限速控制系統(tǒng)總體方案在實(shí)踐中的效果，并且驗(yàn)證程序是否正確，以及電路的設(shè)計(jì)是否合理。為了達(dá)到驗(yàn)證程序并且降低成本的目的，對小型垂直式風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。
5.2 模型設(shè)計(jì)
5.2.1 設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)
在本課題中給出了下列技術(shù)指標(biāo):
1． 額定功率（ｗ）：300
2． 輸出電壓（v）：24
3． 啟動風(fēng)速（m/s）：2
4． 額定風(fēng)速（m/s）：6
5． 最大使用風(fēng)速（m/s）：20
由于本模型驗(yàn)證的是控制電磁離合器限制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的程序，所以在達(dá)到檢驗(yàn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案目的同時(shí)降低成本的原則下，我用電動機(jī)取代了風(fēng)力發(fā)電機(jī)中行星齒輪加速器，也就是電動機(jī)軸的轉(zhuǎn)速模擬了風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中行星齒輪加速器輸出軸的轉(zhuǎn)速。
5.2.2 模型設(shè)計(jì)器件
5.2.2.1 電機(jī)
本模型選擇的電動機(jī)最高轉(zhuǎn)速是800r/min，所以我假設(shè)200r/min為額定轉(zhuǎn)速，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速高于額定轉(zhuǎn)速時(shí)電磁離合器就斷開，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速之內(nèi)時(shí)點(diǎn)戲離合器就閉合。
5.2.2.2 程序
本模型設(shè)計(jì)50ms為一個(gè)周期，定時(shí)器必須工作于方式1。這樣控制系統(tǒng)的反應(yīng)就很快，可以及時(shí)使電磁離合器分離，避免危險(xiǎn)發(fā)生。
5.2.2.3 電路
本模型采用上電復(fù)位電路作為初始化電路。只要電路一通電控制系統(tǒng)就自動開始工作，在實(shí)踐中不用工人去開啟，這樣可以提高安全性，避免因工人失誤而造成危害。
5.2.2.4 編碼器
編碼器屬于傳感器，用于感知電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)，從而得到機(jī)構(gòu)各連桿之間的相對位置信息。在模型中我購買的是無錫市瑞普編碼器，脈沖周期：（N為每轉(zhuǎn)輸出脈沖數(shù)N=1） 電源：12v直流電，輸出信號與單片機(jī)相連。
5.2.2.5 單片機(jī)
模型中采用的單片機(jī)是AT89C51。
5.2.2.6 電磁離合器
本模型選擇的電磁離合器有傳動和制動兩個(gè)功能，在模型中我用綠色燈泡代表傳動，綠燈泡亮?xí)r代表傳動邊的離合器閉合。黃色燈泡代表制動，黃燈亮?xí)r代表制動離合閉合并且傳動離合斷開。
5.2.2.7 電源
本模型采用的是可同時(shí)提供12V2A和5V3A直流電的電源。12V2A電源為編碼器供電，5V3A為電路板提供電源。
5.3 電路板
圖5-1 電路板
5.4 限速控制程序裝置
圖5-2 電路
5.5 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)果分析
完成了方案設(shè)計(jì)的限速控制系統(tǒng)模型制作。制作的模型中電路、程序以及各元器件工作正常，并且很好的驗(yàn)證了程序，程序可以完成預(yù)設(shè)的任務(wù)。
當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速在額定值200r/min之內(nèi)時(shí)，電路板中綠燈亮。
當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于額定值200r/min時(shí)，電路板中綠燈滅。
當(dāng)按下制動開關(guān)時(shí)，電路板上綠燈滅，并且黃燈亮。
綜上所述，模型設(shè)計(jì)和制作成功，裝置的限速控制程序正確。
第六章 結(jié)束語
本課題設(shè)計(jì)的小型立式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一種新型結(jié)構(gòu)形式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，它的限速控制系統(tǒng)是集電磁離合器、單片機(jī)、編碼器、匯編程序在一起的機(jī)電一體化系統(tǒng)。本論文對其結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行分析、研究，并且制作了模型對限速控制系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證，得到了如下的結(jié)論:
（1） 本課題設(shè)計(jì)的限速控制系統(tǒng)電路合理、可用；
（2） 程序正確；
（3） 機(jī)構(gòu)簡單；
（