垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計
購買設(shè)計請充值后下載,資源目錄下的文件所見即所得,都可以點開預(yù)覽,資料完整,充值下載可得到資源目錄里的所有文件?!咀ⅰ浚篸wg后綴為CAD圖紙,doc,docx為WORD文檔,原稿無水印,可編輯。具體請見文件預(yù)覽,有不明白之處,可咨詢QQ:12401814
垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計目錄摘要 .ABSTRACT .第一章 概述 .1 1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)概況 .1 1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究現(xiàn)狀 .1 1.2.1 國外風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研制情況 .1 1.2.2 國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研制情況 .2 1.3 研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)的目的和意義 .41.4 我國的風(fēng)能資源及其分布 .5第二章 風(fēng)力機(jī)理論 .8 2.1 基本公式 .8 2.1.1 風(fēng)能利用系數(shù) .8 2.1.2 風(fēng)壓強(qiáng) .8 2.1.3 阻力式風(fēng)力機(jī)的最大效率 .8 2.2 工作風(fēng)速與輸出功率 .92.2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出效率 .92.2.2 工作風(fēng)速與輸出功率 .92.2.3 啟動風(fēng)速和額定風(fēng)速的選定 .10 2.3 風(fēng)能利用與氣象 .122.3.1 風(fēng)的觀測對風(fēng)能利用的意義 .122.3.2 風(fēng)能利用中需要的氣象調(diào)查 .132.4 風(fēng)的觀測 .13第三章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計 .14 3.1 小型垂直式風(fēng)力發(fā)電機(jī)方案設(shè)計 .14 3.2 風(fēng)葉 .14 3.3 行星齒輪加速器設(shè)計計算 .143.3.1 設(shè)計要求 .153.3.2 選加速器類型 .163.3.3 確定行星輪數(shù)和齒數(shù) .163.3.4 壓力角()的選擇 .163.3.5 齒寬系數(shù)的選擇 .173.3.6 模數(shù)選擇 .173.3.7 預(yù)設(shè)嚙合角 .173.3.8 太陽輪與行星輪之間的傳動計算 .173.3.9 行星輪與內(nèi)齒輪之間的傳動計算 .183.3.10 行星排各零件轉(zhuǎn)速及扭矩的計算 .183.3.11 行星排上各零件受力分析及計算 .193.3.12 行星齒輪傳動的強(qiáng)度校核計算 .203.4 電磁離合器設(shè)計計算 .243.4.1 選型 .243.4.2 牙嵌式電磁離合器的動作特性 .243.4.3 離合器的計算轉(zhuǎn)矩 .243.4.4 離合器的外徑 .243.4.5 離合器牙間的壓緊力 .243.4.6 線圈槽高度 .243.4.7 磁軛底部厚度 .253.4.8 銜鐵厚度 .254傳動系統(tǒng)設(shè)計 . .25結(jié)束語 . . .33致謝 .34參考文獻(xiàn) .35 第一章 概述1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)概況隨著現(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, 丹麥甚至計劃2030 年要達(dá)到40%。中國是一個風(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, 風(fēng)力風(fēng)電累計裝機(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355kW。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 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,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,避免了各種有害氣體的排放。國家“九五”新能源發(fā)展計劃提出,“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)計劃”,面向國內(nèi)外市場發(fā)展風(fēng)力發(fā)電?!俺孙L(fēng)計劃”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,是因為它有許多優(yōu)點:1.設(shè)備簡單,投資少,成本低,風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整個設(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。化學(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。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個觀察站,西南也有幾百個高山觀察站,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。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。因此實際的風(fēng)力機(jī)和理想的風(fēng)力機(jī)之間也有差異。實際風(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,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)速大于時風(fēng)力機(jī)才能工作。當(dāng)風(fēng)速超過某一值的時候,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)計強(qiáng)度有關(guān),是設(shè)計時給定的參數(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???,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,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)計計劃中,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 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)計中,為了估算平均出力和運(yùn)轉(zhuǎn)時間等量,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。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。因為風(fēng)速隨時間變化很大,而且變化不定,所以測量時取一定時間內(nèi)的風(fēng)速大小的平均值和最長時間的風(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3.1 小型垂直式風(fēng)力發(fā)電機(jī)方案設(shè)計現(xiàn)在,各個發(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,因為太陽能的設(shè)置地點較靈活,不會產(chǎn)生噪音,可以和建筑進(jìn)行一體化設(shè)計。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,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,已成為各個國家研究的焦點!我設(shè)計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。該新型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特點為:1、 風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率 1KW;2、 額定轉(zhuǎn)速600r/min;該新型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)點為: 結(jié)構(gòu)簡單 易維護(hù) 運(yùn)行平穩(wěn)安全 抗強(qiáng)風(fēng)能力強(qiáng) 操作簡單 價格低廉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)計計算3.3.1 設(shè)計要求設(shè)計壽命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,我選擇NGW型星形齒輪加速器,因為這個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。輸入軸輸出軸RSCP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) =343.3.4 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3 所以 =1取=380Ml. 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=1m. 相對齒根表面狀況系數(shù)查表得 =0.9n.應(yīng)力修正系數(shù) =2o.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總重合度1.47 查表得 =1.2齒圈與行星輪嚙合時的總重合度1.583 查表得 =1.2b.節(jié)點區(qū)域系數(shù)計算=得=2.3186c.彈性系數(shù)可由公式=得太陽輪與行星輪嚙合時=0.918齒圈與行星輪嚙合時=0.8975d.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1200Me.壽命系數(shù)=60rnt5 所以 =1f.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=0.8g.齒面工作硬化系數(shù)=1h.尺寸系數(shù)=1i.齒輪的接觸疲勞極限由公式=150010.911=1350M=150010.911=1350M=150010.811=9600Mj.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)計計算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,因為牙嵌式電磁離合器有外形尺寸小,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。(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,由于銜鐵被吸引,線圈中電感增大,引起電流第一次短時間下降,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)矩時才趨向穩(wěn)定。對于靜態(tài)接合,起動時間的長短主要與銜鐵吸引時間有關(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)歷的時間,此時電流也按指數(shù)曲線衰減。3.4.3 離合器的計算轉(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 =1333.4.5 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,=403.4.6 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),=0.0173.4.7 磁軛底部厚度 =4mm3.4.8 銜鐵厚度 =8mm一般取余量 =44 傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算4.1 傳動軸的設(shè)計主傳動軸只承受扭矩,不受彎矩,按空心主軸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度估算主軸最小直徑: (4.8)其中A為系數(shù),按機(jī)械設(shè)計手冊單行本-軸承及其連接表5-1-19選取;d為軸端直徑,mm;n為軸的工作轉(zhuǎn)速,r/min;P為軸傳遞的功率,kW;查閱機(jī)械設(shè)計手冊單行本-軸承及其連接表5-1-19得45鋼的A值取110,已知功率為1KW,主軸額定轉(zhuǎn)速n為600轉(zhuǎn)/min。代入式(4.8)后得到d=C= 110X=13.04472mm (4.9)按照主軸扭轉(zhuǎn)剛度計算直徑: (4.10)其中B為系數(shù),按機(jī)械設(shè)計手冊單行本-軸承及其連接表5-1-20選取,查閱機(jī)械設(shè)計手冊單行-本軸承及其連接表5-1-20得一般傳動時B值取91.5,已知功率為1kW,主軸額定轉(zhuǎn)速n為600轉(zhuǎn)/min,代入式(4.10)后得到d=B=20.55MM (4.11)如果截面上有鍵槽時,應(yīng)將求得的軸徑增大,其增大值見機(jī)械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-22,增大值應(yīng)選7%,最后得出的最小外徑d=21.5mm。為了安全,我們選擇的軸外徑為d=30mm,內(nèi)徑d1=18mm,采用45鋼調(diào)質(zhì)處理,主軸如圖4-2所示。圖4-2 主軸示意圖校核主軸安全系數(shù),主軸轉(zhuǎn)矩為 (4.12)只考慮扭拒作用時的安全系數(shù)為 (4.13)其中為對稱循環(huán)應(yīng)力下的材料扭轉(zhuǎn)疲勞極限,Mpa,見機(jī)械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-1,;為扭轉(zhuǎn)時的有效應(yīng)力集中系數(shù),見機(jī)械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-30表5-1-32,;為表面質(zhì)量系數(shù),一般用機(jī)械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-36;軸表面強(qiáng)化處理后用機(jī)械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-38;有腐蝕情況時用機(jī)械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-35或機(jī)械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-37,;為扭轉(zhuǎn)時的尺寸影響系數(shù),見機(jī)械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-34,;、為扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力,Mpa見機(jī)械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-25,;為材料扭轉(zhuǎn)的平均盈利折算系數(shù),見機(jī)械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-33,。將各數(shù)據(jù)代入公式后得根據(jù)調(diào)質(zhì)45鋼,要求查機(jī)械設(shè)計手冊(機(jī)工版)第2版第19篇第5章得安全系數(shù)為5.0,因此設(shè)計的主軸滿足要求。4. 2 軸承的計算及選型由于風(fēng)力機(jī)不僅承受風(fēng)輪的扭矩,而且要承受氣流方向的一定彎矩,角接觸球軸承不僅能夠承徑向力,同時能夠承受一定的徑向載荷,因此在主軸上安裝兩個角接觸球軸承。1角接觸球軸承1的選用計算角接觸球軸承1的安裝位置如圖4-3所示。角接觸球軸承圖4-3 軸承1的安裝位置軸徑d=30mm,額定轉(zhuǎn)矩T=4.3Nm。由機(jī)械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-82選擇角接觸球軸承36000型新代號7000C,之所以選用接觸球軸承是考慮到主軸在轉(zhuǎn)動時有可能產(chǎn)生徑向載荷,軸承1參數(shù)如表4.2所示??讖絛外徑D軸承代號極限轉(zhuǎn)速r/min(脂潤滑)額定動負(fù)荷額定靜負(fù)荷重量30mm55mm7006C950011.65kN8.49kN0.11kg表4.2 軸承1參數(shù)軸向載荷:徑向載荷按照最不利狀況計算,根據(jù)伯努利方程,氣流作用在葉片上的壓力為: (4.14)作用在4個葉片上的總力為 (4.15)由機(jī)械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-12推薦使用壽命為100000小時, 軸承當(dāng)量動載荷的計算公式為 (4.16)式中X、Y分別為徑向動載荷系數(shù)及軸向動載荷系數(shù)??赏ㄟ^查機(jī)械設(shè)計手冊表283-2得:因為所以應(yīng)該選擇X=0.44,Y=1.47,代入式子得到軸承基本額定動載荷按如下公式計算:式中:為基本額定動載荷計算值,N;為速度因數(shù),按機(jī)械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-9選取5.85;為力矩載荷因數(shù),力矩載荷較小時取1.5,較大時取2,這里選取2;為沖擊載荷因數(shù),按機(jī)械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-10選取1.2;為溫度因數(shù),按機(jī)械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-11選取1;為壽命因數(shù),按機(jī)械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-8選取0.405;為當(dāng)量動載荷。將各個數(shù)據(jù)代入式(4.13)得:故選用此軸承能夠滿足額定載荷的要求。2角接觸球軸承2的選用計算角接觸球軸承2的安裝位置如圖4-4所示。軸承圖4-4 軸承2安裝位置按照機(jī)械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-82選擇軸承型號36105(新型號7005C),參數(shù)如表4.3所示。孔徑d外徑D軸承代號極限轉(zhuǎn)速r/min(脂潤滑)額定動負(fù)荷額定靜負(fù)荷重量25mm47mm7006C120009.38kN7.73kN0.074kg表4.3 軸承2參數(shù)按照軸承1校核公式(4.15)對軸承進(jìn)行校核:軸承當(dāng)量動載荷按公式(4.16)得:式中X、Y分別為徑向動載荷系數(shù)及軸向動載荷系數(shù)。可通過查機(jī)械設(shè)計手冊表283-2得:因為所以應(yīng)該選擇X=0.44,Y=1.40,代入公式(4.16)得到由機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)(第五版)公式16-3計算軸承壽命: (4.17)式中:為溫度因數(shù),按機(jī)械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-11選取1;為沖擊載荷因數(shù),按機(jī)械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-10選取1.2;C為額定動載荷,C=9.38kN;N為主軸額定轉(zhuǎn)速,n=400r/min;為壽命指數(shù),對于球軸承取3。將各數(shù)據(jù)代入式子后得由機(jī)械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-12推薦使用壽命為100000小時,所以可以滿足使用要求。主軸與發(fā)電機(jī)之間用圓錐銷套筒聯(lián)軸器進(jìn)行連接,如圖4-5所示,聯(lián)軸器具體參數(shù)見圖紙。圖4-5 圓錐銷套筒聯(lián)軸器結(jié)束語本論文在理論方面通過模型論證了實際應(yīng)用的可行性、可靠性,為該類型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計和商品生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。但是,在機(jī)械部件方面沒有模型,沒有進(jìn)行實踐驗證,所以這個設(shè)計還存在很大的不足之處。希望以后做出機(jī)械模型,進(jìn)行測量、計算從而逐步完善該型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。致謝本論文是在導(dǎo)師教授的親切關(guān)懷和精心指導(dǎo)下完成的。在接受老師指導(dǎo)的時間里,他那淵博的知識,縝密的邏輯,活躍的思維,敏銳的洞察力,嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度以及民主的作風(fēng)給我留下了深刻的印象,為我開闊了視野,豐富了學(xué)識,并將受益終身。至此論文完成之際,對老師曾經(jīng)給予的學(xué)術(shù)上的指導(dǎo),生活上的關(guān)心和幫助致以最誠摯的謝意!感謝同學(xué)和朋友們的大力支持和幫助!最后,衷心感謝機(jī)電工程系全體老師的辛勤培養(yǎng)和教誨!參考文獻(xiàn)1世界能源理事會.新的可再生能源一未來發(fā)展指南.北京海洋出版社,19982中國國家科委一歐盟能源總司.中國一歐洲聯(lián)盟能源合作大會文集,19963中華人民共和國國家發(fā)展計劃委員會基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)發(fā)展司編.中國新能源與可再生能源1999白皮書.中國計劃出版社,20004國家經(jīng)貿(mào)委可再生能源發(fā)電及熱利用研究項目組.中國可再生能源技術(shù)評價.中國環(huán)境科學(xué)出版社,19995胡蛟抨.取之不盡的風(fēng)力發(fā)電.生態(tài)經(jīng)濟(jì),20016黃素逸.能源科學(xué)導(dǎo)論.中國電力出版社,19997國家經(jīng)貿(mào)委可再生能源發(fā)展經(jīng)濟(jì)激勵政策研究組中國可再生經(jīng)濟(jì)激勵政策研究.中國環(huán)境科學(xué)出版社,19988張煥芬.喜文華.先進(jìn)國家的風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀及其前景.甘肅科學(xué)學(xué)報,19989江文.政府的支持推動新能源快速發(fā)展.能源政策研究,199710張廣盛.風(fēng)能的利用.青海科技,199711郭繼高.風(fēng)能發(fā)電一小型風(fēng)能發(fā)電及其發(fā)電機(jī)(1).微特機(jī),199912NREL.Renewable Data Overview.Renewable Energy Annual,199713Energy Policies of IEA Countries. 1997 Review.OECD,199714ENEL.Renewable energy Soure in the Intemal EuroPean Proeeding Milan Conferenee.199615姚興佳,依雪峰.風(fēng)力發(fā)電在跨世紀(jì)能源結(jié)構(gòu)中的地位.節(jié)能,199716中國能源情報網(wǎng)主編.中國新能源的開發(fā)與利用.能源出版社1996 17胡成春,劉鶴守,張國成著.新能源利用.重慶能源出版社,199718陳宗器.風(fēng)力發(fā)電綜述與我國的開發(fā)設(shè)想.電機(jī)與控制學(xué)報,199919倪受元.風(fēng)力發(fā)電機(jī)的講座一第一講.風(fēng)力機(jī)的類型與結(jié)構(gòu).太陽能,200020 (日)牛山泉,三野正洋著.小型風(fēng)車手冊.汪淑貞譯.機(jī)械工社,198721呼和浩特牧機(jī)所編.國外風(fēng)能利用機(jī)械.內(nèi)蒙古人民出版社,198722郭繼高.小型風(fēng)能發(fā)電及其發(fā)電機(jī)(1).風(fēng)能發(fā)電,199923Maleolm,D.J.Dynamieally soft Darrleus rotors.Wind Engineering,199224張廣盛.風(fēng)能的利用.青海科技,199725梁水林.風(fēng)能資源的評估及風(fēng)電場場址的選擇.電力勘測,199726王錦俠.車茂隆.風(fēng)能利用裝置的設(shè)計基礎(chǔ).機(jī)械工業(yè)出版,198627張鵬舉.風(fēng)電場空氣密度對風(fēng)電機(jī)輸出功率的影響.電力勘測,199928張照煌.劉衍平,李林.關(guān)于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的幾點思考.電力情報199829吳望一.流體力學(xué).北京:北京大學(xué)出版社,198930朱兆瑞.風(fēng)壓計算的研究.科學(xué)出版社,197631中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)院主編.中國風(fēng)力機(jī)圖冊,198334小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計開題報告 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)厝嗣竦纳钏剑l(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、提高可靠性及實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行,具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。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)行時所需的無功功率,以提高發(fā)電場的功率因數(shù)。51 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)輪轂上有三個或兩個風(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尖速比曲線來表示,如圖2所示。不同漿距角時,風(fēng)能利用系數(shù)CP對應(yīng)的尖速比不同。這里尖速比=mR/V,R為葉片半徑(m),m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)可能有兩個運(yùn)行點,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)速變化時風(fēng)輪機(jī)的運(yùn)行點將要發(fā)生變化。對一臺實際的風(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= 0.5ACPV3式中 空氣密度,kg/m3 A掃掠面積,m2風(fēng)力機(jī)的整體設(shè)計和相應(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。72 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)計有兩個不同功率,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,追求最佳CP。當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時,通過葉片的失速或偏航控制降低CP,從而維持功率恒定。實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)速以下時攻角處于零度附近,此時,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,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)時傳動機(jī)械的沖擊應(yīng)力相對緩和。風(fēng)機(jī)正常工作時,主要采用功率控制。93 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、無需勵磁裝置和電刷、結(jié)構(gòu)簡單尺寸小、堅固耐用、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,發(fā)電機(jī)的輸出功率及其反轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)增大,運(yùn)行點發(fā)生改變。當(dāng)轉(zhuǎn)子速度高于同步轉(zhuǎn)速3%5%時達(dá)到最大值,若超過這個轉(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,這是十分危險的。異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時,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,電容器的過勵和異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升可能引起有害的自勵現(xiàn)象。自勵產(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)并保持一個恒定的最佳葉尖比,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,但它不是只由一個發(fā)電機(jī)頭組成的,而是一個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,就可以發(fā)現(xiàn)它們的共同特點是簡單,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;(2) 進(jìn)行小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)械裝配圖設(shè)計;(3) 對裝置的運(yùn)動過程進(jìn)行仿真計算分析;(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;(6) 試制原理模型裝置。三、實現(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,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)計方案并試進(jìn)行模型驗證。 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23個葉片組成,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?)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)來實現(xiàn)。同時隨著風(fēng)速的增加,要對風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速有所限制,這是因為既要防止過快的轉(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,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)計有手動剎車機(jī)構(gòu),在實踐中可采用側(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,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34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)研報告和開題報告;3第5-7周 確定總體方案,完成相關(guān)計算;4第8-11周 完成結(jié)構(gòu)設(shè)計圖;5第12-15周 完成恒速控制系統(tǒng)方法的設(shè)計;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)1、陳通漠. 世界風(fēng)電20 年及發(fā)展趨向. 風(fēng)力發(fā)電, 1999(3) .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) .3、 陳宗器.風(fēng)力發(fā)電綜述與我國的開發(fā)設(shè)想.電機(jī)與控制學(xué)報.1997. (1)4、周小謙. 中國電力工業(yè)發(fā)展的前景. 中國電力, 1999,32(10) .5、 符亞杰.淺談小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng).風(fēng)力發(fā)電.2007.(8)6、肖勁松. 風(fēng)力機(jī)組控制理論研究的現(xiàn)狀與展望. 風(fēng)力發(fā)電, 2000(2) .7、 牛山泉.三野正洋著.小型風(fēng)車手冊.汪淑貞譯. 1987.34一368、 中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)院主編.中國風(fēng)力機(jī)圖冊M.1983.234一2409、 章瑋. 無刷雙饋電機(jī)電動狀態(tài)下的能量分析. 電機(jī)及控制學(xué)報, 2000(2) .10、 潘文霞. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀.中小型電機(jī). 2001,28(4) 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
收藏