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小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)入門
歷史
在美國(guó)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里，風(fēng)能一直是一個(gè)重要的能量來(lái)源。機(jī)械風(fēng)車是兩個(gè)“高科技”的發(fā)明之一（另一個(gè)是帶刺的鐵絲網(wǎng)），這促進(jìn)了我們的西部邊界在18世紀(jì)后期的發(fā)展。自從1860年，超過(guò)800萬(wàn)的機(jī)械風(fēng)車已安裝在美國(guó)，有些風(fēng)車已運(yùn)行了超過(guò)一百年。早在1920年和1930年，整個(gè)中西部地區(qū)一些農(nóng)家已經(jīng)使用200-3000瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)來(lái)供應(yīng)電燈、收音機(jī)和廚房用具等。
在70年代末和80年代初，風(fēng)能作為一種可以解決能源危機(jī)的辦法，再次受到關(guān)注。作為用戶和農(nóng)民的期待，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)以各種電力生產(chǎn)可再生能源的替代品，成為最符合成本效益的技術(shù)，其成本也在減小。在1976-1985年之間，稅收抵免和良好的聯(lián)合條例（PURPA），使人們把4500多個(gè)小型、1-25萬(wàn)千瓦的風(fēng)力系統(tǒng)安裝到個(gè)人家庭里。另外1000個(gè)風(fēng)力系統(tǒng)在同一時(shí)期也被安裝在各種遠(yuǎn)程應(yīng)用上。小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)被安裝在所有的五十個(gè)州。然而，沒(méi)有一個(gè)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的國(guó)有大公司致力于長(zhǎng)期的市場(chǎng)發(fā)展，因此，在1985年年底，當(dāng)聯(lián)合政府稅收抵免過(guò)期，石油價(jià)格下降到10美元每桶的兩個(gè)月后，大部分的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組行業(yè)再次消失了。有些公司認(rèn)為，這幸存的“市場(chǎng)調(diào)節(jié)” ，在生產(chǎn)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的今天，那些機(jī)器是最可靠的，其聲譽(yù)是最好的。
成本因素
在很多方面光伏技術(shù)是一個(gè)有吸引力的技術(shù)，但成本因素是考慮的問(wèn)題之一。那些在家庭、事業(yè)、或遠(yuǎn)程設(shè)施等方面有需要的用戶，功率超過(guò)100-200瓦的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，可能是一個(gè)有吸引力的替代方式。舉例來(lái)說(shuō)，在50瓦特規(guī)模水平，某小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的費(fèi)用約為8.00美元/瓦特，相比約為光伏模塊6.00美元/瓦特。這就是為什么對(duì)于很小的負(fù)載光伏技術(shù)的費(fèi)用較低的原因。不過(guò)，由于該系統(tǒng)規(guī)模較大，這個(gè)“經(jīng)驗(yàn)規(guī)則”推翻了自己。在300瓦特風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的成本下跌至2.50美元/瓦特時(shí)（1.50美元/瓦特在西南空氣風(fēng)能事件中） ，而光電成本仍然為6.00美元/瓦特 。1500瓦特風(fēng)力系統(tǒng)的成本下降到2.00美元/瓦特，一個(gè)10000瓦特的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的成本（不包括電子產(chǎn)品）下跌至1.50美元/瓦特 。光伏和風(fēng)能在監(jiān)管和控制方面的成本，基本上是相同的。出人意料的是，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的塔的成本，相當(dāng)于光伏架子和追蹤系統(tǒng)的成本。因?yàn)橛写罅康倪B接，所以光伏系統(tǒng)的線路接線的成本通常較高。
對(duì)于連接到公用電網(wǎng)的用戶，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，通常是最好的“下一步”，畢竟其保護(hù)和效率等方面已經(jīng)有所改善。一個(gè)典型的家庭每月消耗用電800-2000千瓦時(shí)和4-10千瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)或光伏系統(tǒng)，以滿足家庭需求。在這種情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)已不再昂貴。
可靠性
在過(guò)去，可靠性是小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)品的“要害”。在70年代末，為了提高其可靠性，所以對(duì)小型發(fā)電機(jī)進(jìn)行了良好的設(shè)計(jì)。今天的產(chǎn)品，在先進(jìn)的技術(shù)上超過(guò)了早先的技術(shù)，可靠性也大致增加了。小型發(fā)電機(jī)，現(xiàn)在可運(yùn)作5年或更長(zhǎng)時(shí)間，甚至在環(huán)境惡劣的地方，也不需要維修或檢查，擔(dān)?？墒褂?年。這個(gè)系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)行成本與光伏系統(tǒng)是一樣的。
風(fēng)能
風(fēng)能是地球表面受熱不均勻所產(chǎn)生的太陽(yáng)能的一種形式。最好的風(fēng)能資源在海岸沿線、山上、北部各州，但是在大多數(shù)地區(qū)都能發(fā)現(xiàn)這種可用的風(fēng)力資源。作為一個(gè)動(dòng)力源，風(fēng)能比太陽(yáng)能較難預(yù)測(cè)，但通常它在一天內(nèi)能供應(yīng)更多的時(shí)間。風(fēng)能資源因?yàn)槭艿匦渭捌渌蛩氐挠绊懀顾忍?yáng)能更方便獲得。例如，在丘陵地形，你和你的鄰居，有可能接收到完全相同的太陽(yáng)能資源。但因?yàn)槟憔幼≡诤芎玫奈恢蒙?，是一個(gè)能更好的接觸到當(dāng)時(shí)風(fēng)向的地方，你就能比你的鄰居接收到更好的風(fēng)能資源，反過(guò)來(lái)說(shuō)，如果你的位置是溝壑或背風(fēng)面的山，你的風(fēng)能資源利用就要大大降低。在這種情況下，與太陽(yáng)能相比，應(yīng)該更周密的考慮風(fēng)能。
風(fēng)能是遵循季節(jié)性模式的，在冬季的月份很高而在夏季的幾個(gè)月卻很低。這和太陽(yáng)能剛剛相反?；谶@個(gè)原因，在混合動(dòng)力系統(tǒng)中風(fēng)能和太陽(yáng)能系統(tǒng)協(xié)同工作。這些混合的系統(tǒng)為小型風(fēng)能制造商們提供了一個(gè)更細(xì)分的市場(chǎng)——光伏系統(tǒng)，以擴(kuò)展他們的風(fēng)能系統(tǒng)。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)
大部分風(fēng)力發(fā)電機(jī)是水平軸螺旋槳式系統(tǒng)。垂直軸系統(tǒng)，如S -轉(zhuǎn)子式薩沃紐斯型系統(tǒng)，已被證明是很昂貴的。橫向軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般包括一個(gè)螺旋槳，一臺(tái)發(fā)電機(jī)，一個(gè)主機(jī)和一個(gè)尾舵。螺旋槳將獲取的風(fēng)能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。螺旋槳通常由兩個(gè)或三個(gè)葉片組成。由三個(gè)葉片組成的系統(tǒng)比兩個(gè)葉片的更有效率，運(yùn)行更平穩(wěn)，但他們需要的成本更多。葉片通常是由木料或玻璃纖維制成，因?yàn)檫@些材料中有它需要的結(jié)合強(qiáng)度和柔韌性（他們不干擾電視信號(hào)） 。
發(fā)電機(jī)通常是為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組專門設(shè)計(jì)的。永磁交流發(fā)電機(jī)因?yàn)樗麄儫o(wú)需實(shí)地繞組而廣受歡迎。低速直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的一個(gè)重要特征是系統(tǒng)使用了一般尚未可靠的變速箱或帶。主機(jī)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重要結(jié)構(gòu)之一，它包括用來(lái)連接旋轉(zhuǎn)（通過(guò)這點(diǎn)，可以改變風(fēng)向）的風(fēng)力發(fā)電機(jī)和固定接線線路的“滑環(huán)”。尾部排列的轉(zhuǎn)子可以是防護(hù)超速的一部分。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)是很困難的，而且許多早期的系統(tǒng)也不是很可靠。光伏模塊是很可靠的，因?yàn)橥ǔＫ鼪](méi)有任何運(yùn)動(dòng)部件，在以后光伏組件將越來(lái)越可靠。在一方面，一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)必須有運(yùn)動(dòng)部件和可靠性，一個(gè)機(jī)器的特性是由工程和設(shè)計(jì)的技術(shù)層次決定的。在另一方面，從一個(gè)系統(tǒng)到另外一個(gè)系統(tǒng)，在可靠性、耐用性和期望壽命等方面上存在很大差異，這給經(jīng)常工作在太陽(yáng)能組件的經(jīng)銷商和顧客上了一課。
塔架
一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)必須能夠高效率地運(yùn)行。湍流是最接近地面的。此外，風(fēng)速隨高度的增加而增加。經(jīng)驗(yàn)之談，你應(yīng)該根據(jù)每個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)為風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝一個(gè)適合的塔架。為了讓風(fēng)輪在地面上較高的風(fēng)速帶中運(yùn)行，需要用塔架把風(fēng)輪支撐起來(lái)。舉例來(lái)說(shuō)，1 250瓦特發(fā)電機(jī)往往是被安裝在一個(gè)30-50英尺的塔架上，而10千瓦發(fā)電機(jī)通常會(huì)需要一個(gè)80-120英尺的塔架。我們不推薦在人們居住的小型建筑上安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)，因?yàn)橥牧?、噪音和振?dòng)是一直存在的問(wèn)題。
最便宜的塔架是拉線塔，例如那些常用于無(wú)線電的天線。規(guī)模較小的拉線塔往往建造成管狀。自支撐塔架一般建成格子狀或管狀，占用更少的空間，更具有吸引力，但它們也更昂貴。塔架所用材料一般是木桿或鐵管，也可以采用鋼材做成的桁架結(jié)構(gòu)。電話線的連接桿結(jié)構(gòu)也可用于規(guī)模較小的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。塔架，尤其是拉線塔，可鉸接適當(dāng)?shù)难b備上，用絞車或車輛讓他們傾斜向上或向下。所有地面的工作都要做。一些塔架和發(fā)電機(jī)可以由買方很容易地設(shè)置，而有些則是最好交由受過(guò)訓(xùn)練的專業(yè)人員做。不論選擇什么樣的塔架，目的是使風(fēng)輪獲得較大風(fēng)速，同時(shí)還必須考慮成本。塔架通常是有風(fēng)力發(fā)電機(jī)的制造商所提供的，以確保適當(dāng)?shù)倪m應(yīng)性。
遠(yuǎn)程系統(tǒng)設(shè)備
作為遠(yuǎn)程系統(tǒng)設(shè)備，系統(tǒng)平衡設(shè)備被小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所使用著。大部分風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要對(duì)電池充電儲(chǔ)存方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，以防止充電過(guò)度而造成不必要的損失。目前采用最多的儲(chǔ)能方法是利用蓄電池把電能儲(chǔ)存起來(lái)。該調(diào)節(jié)器是專門為特定發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的。光伏調(diào)節(jié)器一般不適合小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的使用，因?yàn)樵O(shè)計(jì)他們不是來(lái)處理和發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的電壓和電流的變化的。調(diào)節(jié)器的生產(chǎn)通常與直流源中心有關(guān)系，它也可以作為其它直流源、負(fù)載及電池的連接點(diǎn)。光伏系統(tǒng)和風(fēng)能系統(tǒng)的混合動(dòng)力系統(tǒng)通過(guò)把單獨(dú)的監(jiān)管機(jī)構(gòu)連接到直流源中心，但沒(méi)有特別的管制措施。小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的一般經(jīng)驗(yàn)規(guī)則是蓄電池至少應(yīng)為最高可再生能源的充電電流的6倍，包括任何光伏要素。
做你自己的公司
在1978年，PURPA聯(lián)合條例通過(guò)，允許你為你的房子或工作連接一個(gè)合適的可再生能源供電的發(fā)電機(jī)，以減少你對(duì)公用供電的消費(fèi)。法律同意規(guī)定購(gòu)買任何額外的電力，在價(jià)格上（避免成本） 通常低于電力的零售成本。在約一半的國(guó)家有“凈能量計(jì)費(fèi)選項(xiàng)”，小系統(tǒng)是允許運(yùn)行反向計(jì)量的，所以過(guò)剩的產(chǎn)量使他們得到足夠的零售費(fèi)率。由于為保持特殊的手工處理客戶帳戶和凈能源帳單，過(guò)高的間接費(fèi)用其實(shí)是沒(méi)必要的。這些系統(tǒng)不使用電池。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的蓄電是由整流換向逆變器和感應(yīng)發(fā)電機(jī)相互協(xié)調(diào)的。然后其電能連接到家庭的機(jī)器面板上的專用斷路器上，就像一個(gè)大型家電。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組沒(méi)有運(yùn)行，或者它不夠提供這個(gè)屋子所需要的電力時(shí)，需要的電力由蓄電池提供。同樣，如果發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能超過(guò)了房子的電能消耗，多余的電能就會(huì)即刻存到相應(yīng)的地方。實(shí)際上，作為一個(gè)非常大的電池儲(chǔ)備裝置，蓄電池作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的一個(gè)負(fù)面的負(fù)荷。經(jīng)過(guò)200000000小時(shí)的相互運(yùn)作，我們現(xiàn)在知道小互聯(lián)風(fēng)力發(fā)電機(jī)是安全可靠，也不會(huì)干預(yù)用戶的任何設(shè)備，其成功地運(yùn)作也不需要任何特別的安全設(shè)備。
在20世紀(jì)80年代初，到稅收抵免的時(shí)候全國(guó)各地?cái)?shù)以百計(jì)的用戶安裝了4-12千瓦的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，現(xiàn)在每月電費(fèi)為8-30美元 ，而他們的鄰居電費(fèi)的范圍在100-200美元不等。當(dāng)然這個(gè)問(wèn)題是這些稅收抵免早已遠(yuǎn)去的時(shí)候，大部分房主并沒(méi)有覺(jué)得一個(gè)合適的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的成本是昂貴的。舉例來(lái)說(shuō)，10千瓦的發(fā)電機(jī)（對(duì)家庭用戶來(lái)說(shuō)最常見(jiàn)的配置） ，通常的安裝費(fèi)用為28000-35000美元。對(duì)于那些支付12美分/千瓦小時(shí)或更多，平均風(fēng)速每小時(shí)10英里或風(fēng)速更高的地區(qū)（能源部2級(jí)） ，且有較大的土地使用權(quán)（發(fā)電機(jī)大）的用戶來(lái)說(shuō)，一個(gè)家用發(fā)電機(jī)肯定是值得考慮的。投資回收期一般是8-16年，有些風(fēng)力發(fā)電機(jī)是過(guò)去30年或更早時(shí)間設(shè)計(jì)的，所以投入的資金可以收回。
效果
一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定功率不是比較一個(gè)產(chǎn)品和下一個(gè)產(chǎn)品的好的因素。這是因?yàn)橹圃焐炭梢愿鶕?jù)風(fēng)速來(lái)自由選擇發(fā)電機(jī)的額定速度。如果額定風(fēng)速不一樣，那么兩個(gè)產(chǎn)品相比較是有誤導(dǎo)之嫌的。幸運(yùn)的是，美國(guó)風(fēng)能協(xié)會(huì)已經(jīng)通過(guò)了一個(gè)評(píng)價(jià)能源生產(chǎn)性能的標(biāo)準(zhǔn)方法。遵循AWEA標(biāo)準(zhǔn)的制造商將提供在各年度平均風(fēng)速時(shí)每年的能源輸出（AEO）的資料。每年能源輸出的數(shù)據(jù)就像環(huán)保局為你的車估計(jì)氣體英里數(shù)一樣，他們讓你公平的比較產(chǎn)品，但他們不告訴你實(shí)際你要做些什么（“你們的表現(xiàn)可能有所不同”）。
能源部門已為美國(guó)編制了風(fēng)力資源地圖。這些地圖顯示的PC資源意味著平均風(fēng)速可能會(huì)在一定幅度內(nèi)浮動(dòng)。PC越高其資源更好。這種情況可能是因?yàn)榈匦蔚挠绊?。能源部的地圖顯示開(kāi)放式的地形相當(dāng)不錯(cuò)，但在丘陵或山區(qū)，他們必須謹(jǐn)慎使用。風(fēng)力資源是指一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速傳感器的高度為33英尺（ 10米） ，因此你在使用制造商所提供的AEO資料之前，必須通過(guò)平均風(fēng)速校準(zhǔn)風(fēng)塔的高度。風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造商通?？梢栽趲缀跞魏蔚攸c(diǎn)為他們的發(fā)電機(jī)提供電腦輔助的效果預(yù)測(cè)。
作為一個(gè)風(fēng)能經(jīng)驗(yàn)法則，當(dāng)遠(yuǎn)程應(yīng)用超過(guò)每小時(shí)8英里（大部分，但不是全部，第1級(jí)和所有其他級(jí)）和每小時(shí)10英里（第2級(jí)或更高）時(shí)應(yīng)考慮你的平均風(fēng)速。如果你住在一個(gè)不是多丘陵的地區(qū)，在你的位置上能源部風(fēng)能資源地圖可以清楚地準(zhǔn)確地計(jì)算出預(yù)期的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效果。在復(fù)雜地形時(shí)，該位置上的判斷也必須用這種效果預(yù)測(cè)來(lái)調(diào)整平均風(fēng)速。在大多數(shù)情況下，安裝一個(gè)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是沒(méi)有必要記錄監(jiān)測(cè)到的同一風(fēng)速的。但在某些情況下，它是值得花費(fèi)300-1000美元并等待一年來(lái)做一個(gè)風(fēng)力調(diào)查的。制造商和設(shè)備商能夠幫助你理清這些問(wèn)題。
如何使用風(fēng)力發(fā)電機(jī)
安裝一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)比安裝太陽(yáng)能電池板復(fù)雜，但他們?nèi)匀皇悄愕哪茉刺娲w系中相對(duì)容易弄的。發(fā)電機(jī)需要安裝在一個(gè)風(fēng)的流量不受阻礙的領(lǐng)域（附近的建筑物，樹木等）。
一些小型發(fā)電機(jī)可以安裝在你的房子的頂樓，但發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)可能被轉(zhuǎn)移至建設(shè)的框架。安裝在屋頂?shù)陌l(fā)電機(jī)經(jīng)常與橡膠減振裝置配合使用，以減少振動(dòng)這方面的問(wèn)題。但是作為一般規(guī)則，在更高的空中你可以讓你的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組更有效地發(fā)揮，所以拉線塔是推薦的安裝系統(tǒng)。各種各樣的塔的高度和風(fēng)格使得您會(huì)找到一個(gè)安裝套件，以滿足您的需要。
當(dāng)安裝的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)和線路時(shí)，了解風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能電池板這兩個(gè)的根本性分歧是很重要的：
整流器：太陽(yáng)能電池板能產(chǎn)生電力所需的直流電（DC），并能在沒(méi)有造成損害的情況下直接連接到電池存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)不能產(chǎn)生直流電，所以有被稱為“整流器”的裝置來(lái)把發(fā)電機(jī)的輸出電流轉(zhuǎn)換成直流。
一些發(fā)電機(jī)有一種整流內(nèi)置設(shè)計(jì)，盡管在大多數(shù)情況下，被供應(yīng)的整流器是作為一個(gè)獨(dú)立的組成部分，但它必須安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)和蓄電池之間。整流器是一個(gè)完整的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制單元。
負(fù)載轉(zhuǎn)移：太陽(yáng)能電池板是“被動(dòng)式”的電力生產(chǎn)者。即使太陽(yáng)照著，他們也只有當(dāng)需要由電池充電時(shí)才產(chǎn)生電力。風(fēng)力發(fā)電機(jī)是“積極”的電力生產(chǎn)者。只要有風(fēng)，不管電池是否需要充電他們都會(huì)產(chǎn)生電流。為了避免破壞風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，所有的電力生產(chǎn)必須要用某種方式來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。
當(dāng)電池系統(tǒng)需要充電時(shí)，他們提供電力負(fù)載來(lái)使風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電。如果電池完全充電后，發(fā)電機(jī)的產(chǎn)生的電量必須要“轉(zhuǎn)移”到另一種電力負(fù)載。
負(fù)載分流充電控制器調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出，所以當(dāng)他們需要時(shí)你的電池將充電，當(dāng)這些電池完全充電后，任何由風(fēng)力發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的多余電力都會(huì)被轉(zhuǎn)移到候補(bǔ)的負(fù)載中。 一些風(fēng)力發(fā)電機(jī)有充電控制功能，用來(lái)轉(zhuǎn)移多余的電流。不過(guò)大多數(shù)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的充電控制器是一個(gè)外部設(shè)備。
小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動(dòng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
開(kāi)題報(bào)告
班級(jí)（學(xué)號(hào)）： 姓名：
指導(dǎo)教師：
一、 綜述
1.課題研究的目的和意義
數(shù)千年來(lái)，風(fēng)能技術(shù)發(fā)展緩慢，也沒(méi)有引起人們足夠的重視。但自1973年世界石油危機(jī)以來(lái)，在常規(guī)能源告急和全球生態(tài)環(huán)境惡化的雙重壓力下，風(fēng)能作為新能源的一部分才重新有了長(zhǎng)足的發(fā)展。風(fēng)能作為一種無(wú)污染和可再生的新能源有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，特別是對(duì)沿海島嶼，交通不便的邊遠(yuǎn)山區(qū)，地廣人稀的草原牧場(chǎng)，以及遠(yuǎn)離電網(wǎng)和近期內(nèi)電網(wǎng)還難以達(dá)到的農(nóng)村、邊疆，作為解決生產(chǎn)和生活能源的一種可靠途徑，有著十分重要的意義。
當(dāng)前，全球都面臨著能源枯竭、環(huán)境惡化、氣溫升高等問(wèn)題，日益增長(zhǎng)的能源需求、能源安全問(wèn)題受到世界各國(guó)廣泛關(guān)注。風(fēng)能是一種可再生能源，她資源豐富，是一種永久性的本地資源，可為人類提供長(zhǎng)期穩(wěn)定的能源供應(yīng);她安全、清潔，沒(méi)有燃料風(fēng)險(xiǎn)，更不會(huì)在使用中破壞環(huán)境。為此，世界各國(guó)都在加快風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究，以緩解越來(lái)越重的能源與環(huán)境壓力，中國(guó)也不例外。
中國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，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(huì)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(kāi)采200年。此外，石油探明儲(chǔ)量預(yù)測(cè)僅能開(kāi)采34年，天然氣約能開(kāi)采60年。隨著人口的增長(zhǎng)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(shì)必形成對(duì)數(shù)億年來(lái)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(guó)電力工業(yè)結(jié)構(gòu)跨世紀(jì)的戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)①。
表1-1 1996-2005年世界風(fēng)電市場(chǎng)增長(zhǎng)
從表1-1可以看出，世界上的風(fēng)電能源增長(zhǎng)的非常迅速，10年平均增長(zhǎng)率達(dá)到了29.77。截止2005年底，全世界并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)總裝機(jī)容量達(dá)到59237 MW ,是1996年裝機(jī)容量的9.76倍②。
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(jiǎn)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(guó)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(duì)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(duì)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(méi)有任何影響人類健康的有害物質(zhì)③。
2.課題的研究現(xiàn)狀及已有成果
(1)研究現(xiàn)狀
我國(guó)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100～300W，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1～５kW。這種方式也可供無(wú)電風(fēng)區(qū)邊防哨所、氣象臺(tái)站、雷達(dá)站、電視差轉(zhuǎn)臺(tái)以及無(wú)電區(qū)小火車站使用。三是建立風(fēng)電場(chǎng)，聯(lián)網(wǎng)后輸出，有的與柴油發(fā)電機(jī)組或太陽(yáng)能電站聯(lián)合，有穩(wěn)定的輸出。
(2)已有成果
①FD2.5—300型風(fēng)力發(fā)電機(jī)
1)性能特點(diǎn)
FD2.5—300型風(fēng)力發(fā)電機(jī)是低速型風(fēng)機(jī)。該機(jī)具有發(fā)電效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，可靠性高等待點(diǎn)，是大電網(wǎng)以外而風(fēng)力資源豐富的農(nóng)牧區(qū)、海島、邊防哨所及氣象臺(tái)站等較理想的小功率風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，也是迄今我國(guó)銷售量最多的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。它可為用戶的照明、彩色電視機(jī)、音響設(shè)備、洗衣機(jī)、電冰箱、組合收錄機(jī)、航標(biāo)燈等電器提供穩(wěn)定可靠的電源。參見(jiàn)圖1和圖2。
圖1 FD2.5—300型風(fēng)力發(fā)電機(jī) 圖2 FD2.5—300型風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出特性
2）主要技術(shù)指標(biāo)
葉片型式：木質(zhì)芯，外表包玻璃鋼
風(fēng)輪直徑：2.5米
葉片數(shù)：3片
風(fēng)能利用系數(shù)：0.42
額定風(fēng)速：8米/秒
額定轉(zhuǎn)速：400／分
額定功率：300瓦
最大發(fā)電量：500瓦
調(diào)速方式：偏側(cè)并尾
工作風(fēng)速范圍：3～25米/秒
發(fā)電機(jī)型式：三相交流永磁式發(fā)電機(jī)
直流額定電壓：24伏、36伏、48伏
控制/逆變交流電壓：AC220伏(±10％方波或正弦波)；頻率：50赫茲±1％
儲(chǔ)能方式：120安·時(shí)，蓄電池2只或3、4只串聯(lián)
塔架型式:立柱拉索式塔架
風(fēng)機(jī)高度：5米
整機(jī)重量：175千克
②FD7—5000／9型風(fēng)力發(fā)電機(jī)
1) 性能特點(diǎn)
FD7一5000／9型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組屬水平軸、上風(fēng)式、變槳距調(diào)節(jié)的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，適用的自然條件為全天候。配用不同的增速箱和發(fā)電機(jī)可以形成2.5干瓦、5千瓦、10千瓦三種功率檔次、8種不同用途的變型產(chǎn)品。機(jī)組發(fā)出的三相交流電可用來(lái)給蓄電池充電貯能、給電阻器加熱、驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)或輸入電網(wǎng)。參見(jiàn)圖3、圖4。
圖3 FD7-5000/9型風(fēng)力發(fā)電機(jī) 圖4 FD7-5000/9型風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出特性
2)主要技術(shù)指標(biāo)
葉片型式：木質(zhì)芯，外表包玻璃鋼結(jié)構(gòu)
葉片數(shù):2片
風(fēng)輪直徑：7米
風(fēng)輪標(biāo)定轉(zhuǎn)速(額定轉(zhuǎn)速)：195/分
風(fēng)輪最高允許轉(zhuǎn)速：250/分
啟動(dòng)風(fēng)速：4米/秒
額定風(fēng)速：9米/秒
最高安全運(yùn)行風(fēng)速：60米/秒
發(fā)電機(jī)型式：電容勵(lì)磁異步
額定功率：5000瓦
額定電壓：交流380伏
機(jī)頭重量(塔架以上部分)：560千克
利用方式：BAT(充電儲(chǔ)能式)；CHA(電阻加熱式)；MOT(驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)式)；RES(并網(wǎng)式)
蓄電池容量：350安·時(shí)
塔架高：12米
整機(jī)重量：2500千克
二、 研究?jī)?nèi)容
本課題的研究?jī)?nèi)容包括:
1、進(jìn)行小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的總體功能需求分析，進(jìn)行風(fēng)力機(jī)的方案設(shè)計(jì)。
2、進(jìn)行變向器的方案設(shè)計(jì)。
3、進(jìn)行機(jī)械裝配圖設(shè)計(jì)，功能完備后，然后進(jìn)行機(jī)械零件的詳盡設(shè)計(jì)。
三、實(shí)現(xiàn)方法及與其預(yù)期目標(biāo)
1、用Solidworks軟件繪制機(jī)組結(jié)構(gòu)的三維裝配圖。
2、完成風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)裝配圖。
3、完成變向器設(shè)計(jì)裝配圖。
4、完成部分零件部件圖。
5、完成小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的總裝圖。
本課題研制的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要定位于它可為用戶的照明、彩色電視機(jī)、音響設(shè)備、洗衣機(jī)、電冰箱、組合收錄機(jī)、航標(biāo)燈等電器提供穩(wěn)定可靠的電源?？傮w要求是在滿足功能要求的前提下，使用簡(jiǎn)單，外型明快，可靠性強(qiáng)，低成本。
從能量轉(zhuǎn)換的角度看，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由兩大部分組成。其一是風(fēng)力機(jī)，它的功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能;其二是發(fā)電機(jī)，它的功能是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出的電能直接并到電網(wǎng)上，向電網(wǎng)饋電，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出的電能用儲(chǔ)能設(shè)備儲(chǔ)存起來(lái)(一般用蓄電池)，需要時(shí)再提供給負(fù)載(可直流供電，亦可用逆變器變換為交流供給用戶)，其簡(jiǎn)要的系統(tǒng)圖如圖5。
風(fēng)力機(jī)械
負(fù)載（電網(wǎng)）
發(fā)電機(jī)
風(fēng)
儲(chǔ)能設(shè)備
圖5 風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)方框圖
設(shè)計(jì)過(guò)程牽涉到了機(jī)械知識(shí)，控制系統(tǒng)知識(shí)，電子電路知識(shí)，軟件知識(shí)等各方面的知識(shí)，雖然實(shí)現(xiàn)了一些單純由機(jī)械或電子技術(shù)都難以實(shí)現(xiàn)的功能，但是同時(shí)由于多學(xué)科融合的特點(diǎn)也給這些機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提出了更高的要求，產(chǎn)品設(shè)計(jì)問(wèn)題較傳統(tǒng)機(jī)械更為突出，設(shè)計(jì)在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期中占據(jù)越來(lái)越重的比重，它從根本上決定了產(chǎn)品的內(nèi)在和外在的品質(zhì)。
預(yù)期目標(biāo)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(zhǎng)和提高塔架以及在材料和加工工藝等方面的困難。這樣來(lái)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。葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部件，它的作用是將風(fēng)的流動(dòng)轉(zhuǎn)換為風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)從而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。葉片設(shè)計(jì)制造的好壞直接關(guān)系到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效率和使用壽命，所以對(duì)葉片的設(shè)計(jì)制造的研究有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。葉片和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)是重點(diǎn)也是難點(diǎn)。
四、對(duì)進(jìn)度的具體安排
1. 第 1-3 周 課題調(diào)研，學(xué)習(xí)相關(guān)理論；
2. 第 4 周 撰寫并提交調(diào)研報(bào)告和開(kāi)題報(bào)告；
3. 第 5-6 周 系統(tǒng)的整體方案的確立；
4. 第 7-9 周 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)（主要是風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）；
5. 第10-11周 零件部件的繪制；
6. 第12-14周 其它硬件的設(shè)計(jì)；
7. 第15-16周 撰寫并提交畢業(yè)論文；審閱、評(píng)審并修改畢業(yè)論文；
8. 第 17 周 完成畢業(yè)答辯
五、參考文獻(xiàn)
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2.中國(guó)國(guó)家科委一歐盟能源總司.中國(guó)一歐洲聯(lián)盟能源合作大會(huì)文集.北京，1996；
3.中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展計(jì)劃委員會(huì)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)發(fā)展司編.中國(guó)新能源與可再生能源1999白皮書.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2000，①；
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6.黃素逸.能源科學(xué)導(dǎo)論.北京:中國(guó)電力出版社，1999；
7.國(guó)家經(jīng)貿(mào)委可再生能源發(fā)展經(jīng)濟(jì)激勵(lì)政策研究組中國(guó)可再生能源發(fā)展經(jīng)濟(jì)激勵(lì)政策研究.北京二中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1998；
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9.孫剛，吳剛，劉春娟.先進(jìn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉型設(shè)計(jì), 2005；
10.包耳，邵曉榮，劉德庸.風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)的新方法 機(jī)械設(shè)計(jì), 2005；
11.張維智，董文華.風(fēng)力機(jī)葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)的探討 風(fēng)力發(fā)電，2003；
12.陳家權(quán)，楊新彥.風(fēng)力機(jī)葉片立體圖的設(shè)計(jì) 機(jī)電工程，2006。
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(jiàn)：
審查人簽字： 年 月 日
6
摘要
摘要
隨著化石能源的過(guò)渡消耗以及其對(duì)環(huán)境帶來(lái)的嚴(yán)重影響，風(fēng)能憑借其清潔、可循環(huán)利用等諸多優(yōu)點(diǎn)而越來(lái)越受到重視，各國(guó)都在積極開(kāi)發(fā)利用本國(guó)的風(fēng)能資源，中國(guó)也不例外。本文根據(jù)導(dǎo)師布置的畢設(shè)課題《小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動(dòng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》中的要求，探索小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)力結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
主要研究結(jié)果如下:
1、 根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片設(shè)計(jì)的經(jīng)典理論設(shè)計(jì)葉片的外形，利用三維建模軟件建立葉片的三維實(shí)體模型。
2、 根據(jù)設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)出了軸轂、支撐架等零部件，并利用Solidworks軟件建立了三維模型。
3、根據(jù)設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)出了變向器裝置，并合理地選擇了軸承、鍵等配套零部件。
關(guān)鍵詞：小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)；葉片；軸承。
Abstract
With the consumption of fossil fuels and their serious impact on the environment, the wind energy with the advantages of clean and can be recycled for use is growing importance to many countries and they are actively developing and utilizing its wind resource, China is no exception. This paper is based on the requirements of The Power Conformation of Small Wind Turbine to explore the method for design and manufacturing process of small wind turbine using of composite materials.
The main results achieved are as following:
1 .According to the classic theory of the wind turbine blade design and using 3D modeling software, the blade's 3-D solid model is established.
2. Based on the requirements of design ,the aim is to design some parts as bushing and brace, even more I should establish he blade's 3-D model using the software of Solidworks.
3. Based on the requirements of design, my aim is to select some parts just like axle-bearing, bond reasonably, and deign the apartment of transformer.
Keywords: small wind turbine；blade；axle-bearing；
II
目錄
目錄
摘要（中文）…………………………………………………………………………Ⅰ
（英文）…………………………………………………………………………Ⅱ第一章概述 …………………………………………………………………………1
1.1課題研究的目的和意義 …………………………………………………………………1
1.2 課題的研究現(xiàn)狀及已有成果 ……………………………………………………………2
1.3本課題的研究?jī)?nèi)容 ………………………………………………………………………4
第二章 風(fēng)能資源 ……………………………………………………………………6
2.1風(fēng)的重要性 ………………………………………………………………………………6
2.2風(fēng)能的特點(diǎn)和限制性 ……………………………………………………………………6
2.3我國(guó)風(fēng)能資源區(qū)劃 ………………………………………………………………………9
2.4什么樣的風(fēng)能對(duì)人類有用………………………………………………………………10
第三章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)方案確定 …………………………………………11
3.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)………………………………………………………………………11
3.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)的分類………………………………………………………………………12
第四章 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組部分零部件的設(shè)計(jì) ………………………………17
4.1風(fēng)力機(jī)的基本原理………………………………………………………………………17
4.2小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)部分零部件的設(shè)計(jì)……………………………………………………18
第五章 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常工作的條件 ……………………………………30
5.1垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的調(diào)速………………………………………………………………30
5.2垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)………………………………………………………………30
5.3垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)制動(dòng)器的設(shè)計(jì)………………………………………………………30
5.4 小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中配置的蓄電池……………………………………………………30
5.5發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中的防雷擊設(shè)施……………………………………………………………31
結(jié)束語(yǔ) ………………………………………………………………………………32
參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………………………33
III
小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
第一章 概述
1.1課題研究的目的和意義
數(shù)千年來(lái)，風(fēng)能技術(shù)發(fā)展緩慢，也沒(méi)有引起人們足夠的重視。但自1973年世界石油危機(jī)以來(lái)，在常規(guī)能源告急和全球生態(tài)環(huán)境惡化的雙重壓力下，風(fēng)能作為新能源的一部分才重新有了長(zhǎng)足的發(fā)展。風(fēng)能作為一種無(wú)污染和可再生的新能源有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，特別是對(duì)沿海島嶼，交通不便的邊遠(yuǎn)山區(qū)，地廣人稀的草原牧場(chǎng)，以及遠(yuǎn)離電網(wǎng)和近期內(nèi)電網(wǎng)還難以達(dá)到的農(nóng)村、邊疆，作為解決生產(chǎn)和生活能源的一種可靠途徑，有著十分重要的意義。
當(dāng)前，全球都面臨著能源枯竭、環(huán)境惡化、氣溫升高等問(wèn)題，日益增長(zhǎng)的能源需求、能源安全問(wèn)題受到世界各國(guó)廣泛關(guān)注。風(fēng)能是一種可再生能源，它資源豐富，是一種永久性的本地資源，可為人類提供長(zhǎng)期穩(wěn)定的能源供應(yīng);她安全、清潔，沒(méi)有燃料風(fēng)險(xiǎn)，更不會(huì)在使用中破壞環(huán)境。為此，世界各國(guó)都在加快風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究，以緩解越來(lái)越重的能源與環(huán)境壓力，中國(guó)也不例外。
中國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，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(huì)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(kāi)采200年。此外，石油探明儲(chǔ)量預(yù)測(cè)僅能開(kāi)采34年，天然氣約能開(kāi)采60年。隨著人口的增長(zhǎng)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(shì)必形成對(duì)數(shù)億年來(lái)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(guó)電力工業(yè)結(jié)構(gòu)跨世紀(jì)的戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)①。
表1-1 1996-2005年世界風(fēng)電市場(chǎng)增長(zhǎng)
從表1-1可以看出，世界上的風(fēng)電能源增長(zhǎng)的非常迅速，10年平均增長(zhǎng)率達(dá)到了29.77。截止2005年底，全世界并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)總裝機(jī)容量達(dá)到59237 MW ,是1996年裝機(jī)容量的9.76倍②。
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(jiǎn)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(guó)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(duì)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(duì)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(méi)有任何影響人類健康的有害物質(zhì)③。
1.2 課題的研究現(xiàn)狀及已有成果
1.2.1研究現(xiàn)狀
我國(guó)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100～300W，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1～５kW。這種方式也可供無(wú)電風(fēng)區(qū)邊防哨所、氣象臺(tái)站、雷達(dá)站、電視差轉(zhuǎn)臺(tái)以及無(wú)電區(qū)小火車站使用。三是建立風(fēng)電場(chǎng)，聯(lián)網(wǎng)后輸出，有的與柴油發(fā)電機(jī)組或太陽(yáng)能電站聯(lián)合，有穩(wěn)定的輸出。
1.2.2已有成果
1.2.2.1 FD2.5—300型風(fēng)力發(fā)電機(jī)
1)性能特點(diǎn)
FD2.5—300型風(fēng)力發(fā)電機(jī)是低速型風(fēng)機(jī)。該機(jī)具有發(fā)電效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，可靠性高等待點(diǎn)，是大電網(wǎng)以外而風(fēng)力資源豐富的農(nóng)牧區(qū)、海島、邊防哨所及氣象臺(tái)站等較理想的小功率風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，也是迄今我國(guó)銷售量最多的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。它可為用戶的照明、彩色電視機(jī)、音響設(shè)備、洗衣機(jī)、電冰箱、組合收錄機(jī)、航標(biāo)燈等電器提供穩(wěn)定可靠的電源。參見(jiàn)圖1和圖2。
圖1 FD2.5—300型風(fēng)力發(fā)電機(jī) 圖2 FD2.5—300型風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出特性
2）主要技術(shù)指標(biāo)
葉片型式：木質(zhì)芯，外表包玻璃鋼
風(fēng)輪直徑：2.5米
葉片數(shù)：3片
風(fēng)能利用系數(shù)：0.42
額定風(fēng)速：8米/秒
額定轉(zhuǎn)速：400／分
額定功率：300瓦
最大發(fā)電量：500瓦
調(diào)速方式：偏側(cè)并尾
工作風(fēng)速范圍：3～25米/秒
發(fā)電機(jī)型式：三相交流永磁式發(fā)電機(jī)
直流額定電壓：24伏、36伏、48伏
控制/逆變交流電壓：AC220伏(±10％方波或正弦波)；頻率：50赫茲±1％
儲(chǔ)能方式：120安·時(shí)，蓄電池2只或3、4只串聯(lián)
塔架型式:立柱拉索式塔架
風(fēng)機(jī)高度：5米
整機(jī)重量：175千克
1.2.2.2 FD7—5000／9型風(fēng)力發(fā)電機(jī)
1) 性能特點(diǎn)
FD7一5000／9型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組屬水平軸、上風(fēng)式、變槳距調(diào)節(jié)的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，適用的自然條件為全天候。配用不同的增速箱和發(fā)電機(jī)可以形成2.5干瓦、5千瓦、10千瓦三種功率檔次、8種不同用途的變型產(chǎn)品。機(jī)組發(fā)出的三相交流電可用來(lái)給蓄電池充電貯能、給電阻器加熱、驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)或輸入電網(wǎng)。參見(jiàn)圖3、圖4。
圖3 FD7-5000/9型風(fēng)力發(fā)電機(jī) 圖4 FD7-5000/9型風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出特性
2)主要技術(shù)指標(biāo)
葉片型式：木質(zhì)芯，外表包玻璃鋼結(jié)構(gòu)
葉片數(shù):2片
風(fēng)輪直徑：7米
風(fēng)輪標(biāo)定轉(zhuǎn)速(額定轉(zhuǎn)速)：195/分
風(fēng)輪最高允許轉(zhuǎn)速：250/分
啟動(dòng)風(fēng)速：4米/秒
額定風(fēng)速：9米/秒
最高安全運(yùn)行風(fēng)速：60米/秒
發(fā)電機(jī)型式：電容勵(lì)磁異步
額定功率：5000瓦
額定電壓：交流380伏
機(jī)頭重量(塔架以上部分)：560千克
利用方式：BAT(充電儲(chǔ)能式)；CHA(電阻加熱式)；MOT(驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)式)；RES(并網(wǎng)式)
蓄電池容量：350安·時(shí)
塔架高：12米
整機(jī)重量：2500千克
1.3本課題的研究?jī)?nèi)容
本課題研制的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要定位于它可為用戶的照明、彩色電視機(jī)、音響設(shè)備、洗衣機(jī)、電冰箱、組合收錄機(jī)、航標(biāo)燈等電器提供穩(wěn)定可靠的電源?？傮w要求是在滿足功能要求的前提下，使用簡(jiǎn)單，外型明快，可靠性強(qiáng)，低成本。
從能量轉(zhuǎn)換的角度看，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由兩大部分組成。其一是風(fēng)力機(jī)，它的功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能;其二是發(fā)電機(jī)，它的功能是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出的電能直接并到電網(wǎng)上，向電網(wǎng)饋電，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出的電能用儲(chǔ)能設(shè)備儲(chǔ)存起來(lái)(一般用蓄電池)，需要時(shí)再提供給負(fù)載(可直流供電，亦可用逆變器變換為交流供給用戶)，其簡(jiǎn)要的系統(tǒng)圖如圖5。
風(fēng)力機(jī)
負(fù)載（電網(wǎng)）
發(fā)電機(jī)
風(fēng)
儲(chǔ)能設(shè)備
圖5 風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)方框圖
本課題的研究?jī)?nèi)容包括:
1、進(jìn)行小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的總體功能需求分析，進(jìn)行整體方案設(shè)計(jì)，力求實(shí)現(xiàn)機(jī)與電的完美結(jié)合和統(tǒng)一。
2、進(jìn)行機(jī)器的機(jī)械裝配圖設(shè)計(jì)，功能完備后，然后進(jìn)行機(jī)械零件的詳盡設(shè)計(jì)。
根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片設(shè)計(jì)理論及實(shí)際風(fēng)能情況，設(shè)計(jì)出合適的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，并利用三維建模軟件Solidworks建立葉片的三維實(shí)體模型。
3、根據(jù)功能要求設(shè)計(jì)一變速器裝置，其實(shí)達(dá)到改變方向的功能。
第二章 風(fēng)能資源
2.1風(fēng)的重要性
2.1.1什么是風(fēng)
提到風(fēng)，誰(shuí)都會(huì)說(shuō)出很多切身的體會(huì)。如微風(fēng)吹過(guò)臉頰時(shí)的舒爽，狂風(fēng)刮過(guò)時(shí)的樹葉紛飛、飛沙走石的情景，如果遇上可怕的龍卷風(fēng)，那將是拔樹毀屋的恐怖景象，凡是見(jiàn)過(guò)的人無(wú)不“談風(fēng)色變”。總之，風(fēng)有時(shí)友好有時(shí)又不近人情，來(lái)無(wú)影去無(wú)蹤讓人捉摸不透。風(fēng)到底是什么，用科學(xué)的說(shuō)法就是：地球表面的空氣水平運(yùn)動(dòng)稱之為風(fēng)。太陽(yáng)輻射對(duì)地球表面不均勻件加熱是形成風(fēng)的主要成因。
太陽(yáng)對(duì)地球的輻射，透過(guò)厚厚的大氣層，到達(dá)地球表面，地球表面各處(海洋和陸地；高山巖石和平原土壤；沙漠、荒原和植被、森林地區(qū))吸收熱量不同；由于地球自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)、季節(jié)、氣候的變化和晝夜溫差的影響，使地表各處散熱情況也各不相同，散熱多的地區(qū)，靠近地表的空氣受熱膨脹，壓力減少，形成低氣壓區(qū)，這時(shí)空氣從高氣壓區(qū)向低氣壓區(qū)流動(dòng)，這就產(chǎn)生了風(fēng)。地形、地貌的差異，
地球自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)的影響，更加劇了空氣流動(dòng)的力量和流動(dòng)方向的多變性，使風(fēng)速和風(fēng)向的變化更加復(fù)雜⑤。
2.1.2風(fēng)的特性
風(fēng)作為一種自然現(xiàn)象，有它本身的特性。通常采用風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)頻等基本指標(biāo)來(lái)表述。
(1)風(fēng)速：空氣在單位時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)的距離，用米/秒或千米/時(shí)作為計(jì)量單位。例如空氣在1秒鐘內(nèi)運(yùn)動(dòng)了3米，那么風(fēng)速就是3米/秒。由于風(fēng)是不斷變化的，通常所說(shuō)的風(fēng)速是指一段時(shí)間內(nèi)各瞬時(shí)風(fēng)速的算術(shù)平均值，即平均風(fēng)速。風(fēng)速可由測(cè)風(fēng)儀測(cè)量得到。
(2)風(fēng)速隨高度的變化：從地球表面到10000米高空層內(nèi)，空氣的流動(dòng)受到渦流、黏滯和地面摩擦等因素的影響，風(fēng)速隨著高度的增加而增大。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)，我們常用的計(jì)算風(fēng)速隨高度的變化的公式有:
指數(shù)公式：v＝v1(h／h1)n （2-1）
對(duì)數(shù)公式：v=v1（lgh/h0）/（lgh1/h0） （2-2）
式中：v1——高度為h1的風(fēng)速；h0——風(fēng)速為零的高度；n——值取決于地面的平整度(粗糙度)和大氣的穩(wěn)定度，取值范圍為1/8—1/2。在開(kāi)闊、平坦、穩(wěn)定度正常的地區(qū)，n值取1/7。
(3)風(fēng)頻：分為風(fēng)速頻率和風(fēng)向頻率。
風(fēng)速頻率：各種速度的風(fēng)出現(xiàn)的頻繁程度。對(duì)于風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)能利用而言，為了有利于風(fēng)力發(fā)電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，便于控制，希望平均風(fēng)速高、而風(fēng)速大小變化小。
風(fēng)向頻率：各種風(fēng)向出現(xiàn)的頻繁程度。對(duì)于風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)能利用而言，總是希望某一風(fēng)向的頻率盡可能的大。
2.2風(fēng)能的特點(diǎn)和限制性
2.2.1風(fēng)能的特點(diǎn)
大家可能深有體會(huì)，在大風(fēng)中會(huì)站立不穩(wěn)，說(shuō)明風(fēng)具有能量。風(fēng)所具有的動(dòng)能我們稱為風(fēng)能，是指空氣相對(duì)地面做水平運(yùn)動(dòng)的時(shí)候所產(chǎn)生的動(dòng)能。根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)踐結(jié)果，我們把具有一定風(fēng)速的風(fēng)，通常是指3米/秒到20米/秒的風(fēng)作為一種能量資源加以開(kāi)發(fā)，用來(lái)做功(如發(fā)電)，我們把這一范圍的風(fēng)稱為有效風(fēng)能或風(fēng)能資源。因?yàn)轱L(fēng)速低于3米/秒時(shí)，它的能量太小，沒(méi)有利用的價(jià)值，而風(fēng)速大于20米/秒時(shí)，它對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的破壞性很大，很難利用。那么風(fēng)速和我們常常聽(tīng)到的“幾級(jí)風(fēng)”有什么關(guān)系呢？世界氣象組織將風(fēng)力分為13個(gè)等級(jí)，如表2-1所示，在沒(méi)有風(fēng)速計(jì)的時(shí)候，可以根據(jù)它來(lái)粗略估計(jì)風(fēng)速⑥。
表2-1 風(fēng)力等級(jí)表
續(xù)表
大風(fēng)所具有的能量是很大的。風(fēng)速為9—10米/秒的5級(jí)風(fēng)，吹到物體表面上的力，每平方米約為10千克；風(fēng)速為20米/秒的9級(jí)風(fēng)，吹到物體表面上的力，每平方米約為50千克；風(fēng)所含的能量比人類迄今為止所能控制的能量要大得多。
2.2.2 風(fēng)能的優(yōu)點(diǎn)和局限性
風(fēng)能與其他能源相比，有明顯的優(yōu)點(diǎn)，但也合其突出的局限性。
Ⅰ.風(fēng)能的優(yōu)點(diǎn)
①蘊(yùn)藏量大：我們已知道風(fēng)能是太陽(yáng)能的一種轉(zhuǎn)換形式，是取之不盡、用之不竭的可再生能源，根據(jù)計(jì)算，太陽(yáng)至少還可以像現(xiàn)在一樣照射地球60億年左右。
②無(wú)污染：在風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的過(guò)程中，不產(chǎn)生任何有害氣體和廢料，不污染環(huán)境。
③可再生：風(fēng)能是靠空氣的流動(dòng)而產(chǎn)生的，這種能源依賴于太陽(yáng)的存在。只要太陽(yáng)存在，就可不斷地、有規(guī)律地形成氣流，周而復(fù)始地產(chǎn)生風(fēng)能，可永續(xù)利用。
④分布廣泛、就地取材、無(wú)需運(yùn)輸：在邊遠(yuǎn)地區(qū)如高原、山區(qū)、島嶼、草原等地區(qū)，由于缺乏煤、石油和大然氣等資源，給生活在這一地區(qū)的人民群眾帶來(lái)諸多不便，而且由于地處偏遠(yuǎn)、交通不便，即使從外界運(yùn)輸燃料也十分困難。因此，利用風(fēng)能發(fā)電可就地取材、無(wú)需運(yùn)輸，具有很大的優(yōu)越性。
⑤適應(yīng)性強(qiáng)、發(fā)展?jié)摿Υ螅何覈?guó)可利用的風(fēng)力資源區(qū)域占全國(guó)國(guó)土面積的76％，在我國(guó)發(fā)展小型風(fēng)力發(fā)電，潛力巨大、前景廣闊。
Ⅱ.風(fēng)能的限制性
①能量密度低：由于風(fēng)能來(lái)源于空氣的流動(dòng)，而空氣的密度很小，因此風(fēng)力的能量密度很小，只有水力的1／816。
②不穩(wěn)定性：由于氣流瞬息百變，風(fēng)時(shí)有時(shí)無(wú)，時(shí)大時(shí)小，日、月、季、年的變化都十分明顯。
③地區(qū)差異大：由于地形變化，地理緯度不同，因此風(fēng)力的地區(qū)差異很大。兩個(gè)近鄰區(qū)域，由于地形的不同，其風(fēng)力可能相差幾倍甚至幾十倍。
2.3我國(guó)風(fēng)能資源區(qū)劃
根據(jù)國(guó)家氣象局氣象研究院的估算，我國(guó)的地面風(fēng)能潛力理論可開(kāi)發(fā)的總量全國(guó)32．26億千瓦，10米高度層實(shí)際可供開(kāi)發(fā)量為253億千瓦，可開(kāi)發(fā)的風(fēng)能資源是十分豐富的。
為了充分開(kāi)發(fā)利用豐富的風(fēng)能資源，在研究了各地風(fēng)能資源差異的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了風(fēng)能資源區(qū)劃，為設(shè)計(jì)、生產(chǎn)部門研制風(fēng)力機(jī)以及廣大用戶選購(gòu)風(fēng)力機(jī)提供科學(xué)依據(jù)，并為政府部門制定能源規(guī)劃提供參考⑦。
我國(guó)風(fēng)能資源區(qū)劃。
在我國(guó)的不同地區(qū)，風(fēng)能資源是不同的。分為4種類型：
(1)風(fēng)能資源豐富區(qū)：這一區(qū)域的有效風(fēng)能功率密度在200瓦/米2以上，風(fēng)速不低于3．5米/秒的時(shí)間，全年為7000—8000小時(shí)左右。
(2)風(fēng)能資源較豐富區(qū)：這一區(qū)域的有效風(fēng)能功率密度為150瓦/米2以上，風(fēng)速不低于3．5米/秒的時(shí)間，全年為4000小時(shí)以上。
(3)風(fēng)能資源可利用區(qū)：這一區(qū)域的有效風(fēng)能功率密度為50瓦/米2以上，風(fēng)速不低于3．5米/秒的時(shí)間，全年為2000小時(shí)以上。
(4)風(fēng)能資源欠缺區(qū)：這一區(qū)域的有效風(fēng)能功率密度50瓦／米2以下，風(fēng)速不低于3．5米/秒的時(shí)間，全年為2000小時(shí)以下。
根據(jù)全國(guó)氣象臺(tái)站風(fēng)能資料的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，表2-2給出我國(guó)風(fēng)能區(qū)占全國(guó)面積的百分比。
表2-2 我國(guó)風(fēng)能區(qū)占全國(guó)面積的百分比
2.4什么樣的風(fēng)能對(duì)人類有用
風(fēng)雖然隨處可見(jiàn)，但是也有可利用和不可利用之分，它與風(fēng)速有直接關(guān)系。根據(jù)上面風(fēng)能資源區(qū)劃，年平均風(fēng)速小于2米/秒的地區(qū)，其潛能很低，至少目前沒(méi)有什么利用價(jià)值。年平均風(fēng)速在2—4米/秒的地區(qū)，是風(fēng)能可利用區(qū)，在這一區(qū)域內(nèi)，年平均風(fēng)速在3—4米/秒的地區(qū)，利用價(jià)值較高，有一定的利用前景，但從總體考慮，該地區(qū)的風(fēng)力資源仍是不高。
年平均風(fēng)速在4—4、5米/秒的地區(qū)基本相當(dāng)于風(fēng)能較豐富區(qū)；年平均風(fēng)速大于4．5米/秒的地區(qū)，屬于風(fēng)能豐富區(qū)。
由此可見(jiàn)，除去一些破壞性極大的風(fēng)(如臺(tái)風(fēng)、龍卷風(fēng)等)，絕大多數(shù)風(fēng)速在2米/秒以上的風(fēng)能都是對(duì)人類有用的風(fēng)能。
目前，國(guó)內(nèi)外一般選擇年平均風(fēng)速為6米/秒或以上的高風(fēng)速區(qū)(即風(fēng)能資源豐富區(qū))，安裝并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，即大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。在這些機(jī)組中。我國(guó)一般選用單機(jī)容量600千瓦以亡的機(jī)組建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)。這樣才能保證機(jī)組多發(fā)電，經(jīng)濟(jì)效益才能顯著。獨(dú)立運(yùn)行的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)風(fēng)速較低，一般為3米/秒以上就能發(fā)電，這些地區(qū)分布區(qū)域廣、我國(guó)有相當(dāng)部分農(nóng)耕區(qū)、山區(qū)和牧區(qū)屬于這種地區(qū)⑧。
第三章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)方案確定
3.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)
風(fēng)力發(fā)電機(jī)從結(jié)構(gòu)上可分為兩類。其—是水平軸風(fēng)力機(jī)，葉片安裝在水平軸上，葉片接受風(fēng)能轉(zhuǎn)動(dòng)去驅(qū)動(dòng)所要驅(qū)動(dòng)的機(jī)械。水平軸風(fēng)力機(jī)分多葉片低速風(fēng)力機(jī)和1-3個(gè)葉片的高速風(fēng)力機(jī)。如圖3-1所示。其二是垂直軸風(fēng)力機(jī)，風(fēng)輪軸是垂直布置的，葉片帶動(dòng)風(fēng)輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)再驅(qū)動(dòng)所要驅(qū)動(dòng)的機(jī)械。如圖3-2所示。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)就是利用風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)組。
圖3-1 水平軸風(fēng)力機(jī)葉片形式
(a)單葉片；(b)雙葉片；(c)三葉片；(d)多葉片；(e)上風(fēng)向-下風(fēng)向布置的兩組葉片；
(f) 上風(fēng)向布置的兩組葉片；(5)水平軸索旺尼斯型葉片
在20世紀(jì)末，風(fēng)力發(fā)電機(jī)得到了不斷地完善、發(fā)展，技術(shù)成熟，已經(jīng)達(dá)到微機(jī)自控?zé)o人現(xiàn)場(chǎng)值守的程度。工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的風(fēng)力發(fā)電機(jī)已達(dá)到商品化生產(chǎn)。
圖3-2 垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片形式
(a) 垂直軸索旺尼斯型葉片；(b)一般型葉片
(c)垂直軸杯型（d）達(dá)里厄風(fēng)輪
3.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)的分類
3.2.1．按風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率分類
(1)微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其額定功率為50—1000W。
(2)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其額定功率為1.0—10.0KW。
(3)中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其額定功率為10.0—100.0KW。
(4)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其額定功率大于100.0KW。
3.2.2．按風(fēng)輪軸安裝形式分類
風(fēng)力發(fā)電機(jī)按風(fēng)輪軸不同可分為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)兩種。
3.2.2.1水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)
水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)是目前世界各國(guó)風(fēng)力發(fā)電機(jī)最為成功的一種形式，而生產(chǎn)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的國(guó)家很少，主要原因是垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)效率低、需啟動(dòng)設(shè)備，同時(shí)還有些技術(shù)問(wèn)題尚待解決。
水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要由風(fēng)輪、風(fēng)輪軸、低速聯(lián)軸器、增速器、高速軸聯(lián)軸器、發(fā)電機(jī)、塔架、調(diào)速裝置、調(diào)向裝置、制動(dòng)器等結(jié)構(gòu)組成⑨。
典型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3-3。
圖3-3 美國(guó)MOD-0型風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)
1-左調(diào)向電機(jī)；2-左調(diào)向減速器；3-右調(diào)向電機(jī)；4-右調(diào)向減速器；5-調(diào)向傳動(dòng)軸；6-發(fā)電機(jī)；7-高速軸；8-高速軸結(jié)合器；9-低速制動(dòng)器；10-低速軸；11-調(diào)速裝置；12-增速器；13-調(diào)向制動(dòng)盤；14-調(diào)向制動(dòng)器；15-葉片
1、風(fēng)輪
葉片安裝在輪鼓上稱作風(fēng)輪，它包括葉片、輪鼓等。風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機(jī)接受風(fēng)能的部件?，F(xiàn)代的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片數(shù)，常為1-4枚葉片，常用的是2枚或3枚葉片。出于葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)接受風(fēng)能的部件，所以葉片的扭曲、翼型的各種參數(shù)及葉片結(jié)構(gòu)都直接影響葉片接受風(fēng)能的效率和葉片的壽命。
2、增速器
由于風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速低而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高，為匹配發(fā)電機(jī)，要在低速的風(fēng)輪軸與高速的發(fā)電機(jī)軸之間接一個(gè)增速器。增速器就是一個(gè)使轉(zhuǎn)速提高的變速器。增速器的增速比i是發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)數(shù)nD與風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)數(shù)n的比，即i＝nD／n。
3、聯(lián)軸器
增速器與發(fā)電機(jī)之間用聯(lián)軸器連接，為了減少占地空間，往往聯(lián)軸器與制動(dòng)器設(shè)計(jì)在一起。風(fēng)輪軸與增速器之間也有用聯(lián)軸器的，稱低速聯(lián)軸器。
4、制動(dòng)器
制動(dòng)器是使風(fēng)力發(fā)電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)的裝置，也稱剎車。制動(dòng)器有手制動(dòng)器、電磁制動(dòng)器和液壓制動(dòng)器。當(dāng)采用電磁制動(dòng)器時(shí)，需有外電源；當(dāng)采用液壓制動(dòng)器時(shí)，除需外電源外，還需泵站、電磁閥、液壓油缸及管路等。
5、發(fā)電機(jī)
葉片接受風(fēng)能而轉(zhuǎn)動(dòng)最終傳給發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)是將風(fēng)能最終轉(zhuǎn)變成電能的設(shè)備。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)上常用的發(fā)電機(jī)有四種：
(1)直流發(fā)電機(jī)，常用在微、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上。直流電壓12，24，36V等。中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)也有用直流發(fā)電機(jī)的。
(2)永磁發(fā)電機(jī)，常用在小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上，電壓一般為115，127V等，有直流也有交流。水磁交流發(fā)電機(jī)在中、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上尚未得到使用，主要有些技術(shù)問(wèn)題還未解
決。現(xiàn)在我國(guó)已經(jīng)發(fā)明了交流電壓440／240V的高效永磁交流發(fā)電機(jī)，可以做成多級(jí)低轉(zhuǎn)速。特別適合風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
(3)同步交流發(fā)電機(jī)，它的電樞磁場(chǎng)與主磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)，同步轉(zhuǎn)速nD＝60f/p。
(4)異步交流發(fā)電機(jī)，它的電樞磁場(chǎng)與主磁場(chǎng)不同步旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速比同步轉(zhuǎn)速略低。當(dāng)并網(wǎng)時(shí)轉(zhuǎn)速應(yīng)提高。
6、塔架
塔架是支撐風(fēng)力發(fā)電機(jī)的支架。塔架有型鋼架結(jié)構(gòu)的，有圓錐型鋼管和鋼筋混凝土的等三種形式。同時(shí)塔架又分為硬塔，柔塔，甚柔塔。硬塔的固有頻率大于kn，其k為葉片數(shù)．n為風(fēng)輪轉(zhuǎn)數(shù)；柔塔的固有頻率在kn和n之間；甚柔塔的固有頻率小于n。
為防止鋼制塔架生銹，往往對(duì)鋼制塔架熱鍍鋅。
7、調(diào)速裝置
風(fēng)速是變化的，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速也會(huì)隨風(fēng)速的變化而變化。為了使風(fēng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)在所需要的額定轉(zhuǎn)速下的裝置稱為調(diào)速裝置。
當(dāng)風(fēng)速超過(guò)停機(jī)風(fēng)速時(shí)，調(diào)速裝置會(huì)使風(fēng)力發(fā)電機(jī)停機(jī)。調(diào)速裝置只在額定風(fēng)速以上時(shí)調(diào)速。
目前世界各國(guó)所采用的調(diào)速裝置主要有以下幾種。
(1) 可變槳距調(diào)速裝置。
(2) 定槳距葉尖失速控制調(diào)速裝置。
(3) 離心飛球調(diào)速裝置。
(4) 空氣動(dòng)力調(diào)速裝置。
(5) 扭頭、仰頭調(diào)速裝量。
8、調(diào)向裝置
調(diào)向裝置就是使風(fēng)輪正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)一直使風(fēng)輪對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向的裝置。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的調(diào)向有很多種形式，總的說(shuō)來(lái)有五種形式：尾艙調(diào)向、側(cè)風(fēng)輪調(diào)向、下風(fēng)向調(diào)向及調(diào)向電機(jī)（伺服電機(jī))調(diào)向和液壓驅(qū)動(dòng)調(diào)向。
3.2.2.2垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)
現(xiàn)代垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)尚未商品化生產(chǎn)。主要原因是效率低，需啟動(dòng)設(shè)備。但垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)優(yōu)點(diǎn)很多，增速器、聯(lián)軸器、制動(dòng)器、發(fā)電機(jī)都可以安裝在地面上，安裝、維修都非常方便，不用調(diào)向，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要有達(dá)里厄垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)和旋翼式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，如圖3-4及圖3-5。
達(dá)里厄垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要由葉片、垂直軸、增速器、聯(lián)軸器、制動(dòng)器、發(fā)電機(jī)、塔架及拉線等組成。
旋翼垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)由—上支撐、葉片、鋼架、翼片致動(dòng)器、下支撐、塔架、增速器、發(fā)電機(jī)等組成。
垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)有很多水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)所不具備的優(yōu)點(diǎn)，但是也存在一些難以解決的技術(shù)難題。比如達(dá)里厄垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片變槳距問(wèn)題，需要啟動(dòng)設(shè)備問(wèn)題。旋翼式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片在風(fēng)向不同位置變換葉片迎角問(wèn)題，而現(xiàn)在僅能通過(guò)翼片致動(dòng)器變換葉片是否迎風(fēng)，但不能隨風(fēng)速變換葉片迎角。旋翼式葉片與達(dá)里厄葉片接受風(fēng)能的效率都比水平軸葉片接受風(fēng)能的效率低，這主要原因在于葉片不能按風(fēng)速而變換葉片迎角。達(dá)里厄葉片在轉(zhuǎn)動(dòng)中葉片各位置距轉(zhuǎn)動(dòng)中心的半徑不同，難以做到按不同風(fēng)速變換葉片迎角和葉片弦長(zhǎng)。這些問(wèn)題還有待研究解決⑩。
圖3-4 達(dá)里厄垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī) 圖3-5 旋翼式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)
1- 塔架；2-發(fā)電機(jī)；3-制動(dòng)器；4-聯(lián)軸器； 1-發(fā)電機(jī)；2-增速器；3-塔架；
5-增速器；6-垂直軸；7-葉片；8-拉線 4-下支撐；5-翼片致動(dòng)器；6-鋼架；
7-葉片；8-上支撐
通過(guò)上述介紹及其所查資料顯示，水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究，水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)已有大量資料可用來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，而垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究卻沒(méi)有較大進(jìn)展，雖然垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)有很多缺點(diǎn)，但其優(yōu)點(diǎn)是水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)所不能替代的，所以在下一章節(jié)將重點(diǎn)介紹本課題研究的內(nèi)容，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的部分零部件的設(shè)計(jì)。
第四章 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組部分零部件的設(shè)計(jì)
一定速度前進(jìn)的風(fēng)吹在靜止的風(fēng)力機(jī)葉片上做功并驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，將風(fēng)能有效地轉(zhuǎn)變成電能。風(fēng)力發(fā)電機(jī)就是由風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的機(jī)組。本章將對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。
4.1風(fēng)力機(jī)的基本原理
空氣的流動(dòng)就是風(fēng)。風(fēng)是由于地球自轉(zhuǎn)及緯度溫差等原因致使空氣流動(dòng)形成的。風(fēng)能在這里指的是風(fēng)的動(dòng)能。
關(guān)于風(fēng)力機(jī)的理論有幾種。如貝茨(Betz)理論，薩比寧(Sabinin)理論，葛勞渥(Clauert)理論，斯特法尼亞克(Stefaniak)理論，許特爾(Hutter)理論等。本節(jié)主要介紹貝茨理論。
世界上第一個(gè)關(guān)于風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪葉片接受風(fēng)能的完整的理論是1919年由A·貝茨(Betz)建立的。貝獲理論的建立，是假定風(fēng)輪是“理想”的，全部接受風(fēng)能(沒(méi)有輪鼓)，葉片無(wú)限多，對(duì)空氣流沒(méi)有阻力?？諝饬魇沁B續(xù)的，不可壓縮的，葉片掃掠面上的氣流是均勻的，氣流速度的方向不論在葉片前或流經(jīng)葉片后都是垂直葉片掃掠面的(或稱平行風(fēng)輪軸線的)，這時(shí)的風(fēng)輪稱“理想風(fēng)輪”。
分析一個(gè)放置在移動(dòng)的空氣中的“理想風(fēng)輪”葉片上所受到的力及移動(dòng)空氣對(duì)風(fēng)輪葉片所做的功。設(shè)風(fēng)輪前方的風(fēng)速為v1，v是實(shí)際通過(guò)風(fēng)輪的風(fēng)速，v2是葉片掃掠后的風(fēng)速，通過(guò)風(fēng)輪葉片前風(fēng)速面積s1，葉片掃掠面的風(fēng)速面積s及掃掠后風(fēng)速面積s2。風(fēng)吹到葉片上所做的功是將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能，則必v2＜v1，s2＞s1。如圖4-l所示。
圖4-1貝茨(Betz)理論計(jì)算簡(jiǎn)圖
v1--風(fēng)輪前方的風(fēng)速 v--實(shí)際通過(guò)風(fēng)輪的風(fēng)速 v2 --葉片掃掠后的風(fēng)速
s1--通過(guò)風(fēng)輪葉片前風(fēng)速面積 s-- 葉片掃掠面的風(fēng)速面積 s2--掃掠后風(fēng)速面積
于是s1 v1=s2 v2=sv
風(fēng)作用在葉片上的力由歐拉定理求得
F=svρ(v2- v1) （4-1）
式中 ρ--空氣當(dāng)時(shí)的密度。
風(fēng)輪所接受的功率為
N=Fv= sv2ρ(v2- v1) （4-2）
經(jīng)過(guò)風(fēng)輪葉片的風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化
△T= svρ(v12- v22)/2 （4-3）
式中svρ--空氣質(zhì)量。
N=△T
v=（v2+ v1）/2
風(fēng)作用在風(fēng)輪葉片上的力F和風(fēng)輪輸出的功率N分別為
F= sρ(v12- v22)/2 （4-4）
N= sρ(v12- v22) （v2+ v1）/4 （4-5）
風(fēng)速v1是給定的，N的大小取決于v2，N是v2的函數(shù)，對(duì)N微分求最大值，得
dN/d v2= sρ(v12- 2v1 v2-3v22)/4
另其等于0，求解方程，得
v2= v1/3
求Nmax得
Nmax=8 sv13ρ/27
令16/27=0.593為CP，稱為貝茨功率系數(shù)，有
Nmax= CPsv13ρ/2
而sv13ρ/2正是風(fēng)速為v1的風(fēng)能T，故
Nmax= CPT （4-6）
CP=0.593說(shuō)明風(fēng)吹在葉片上，葉片上所能獲得的最大功率Nmax為風(fēng)吹過(guò)葉片掃掠面積s的風(fēng)能的59.3％。貝茨理論說(shuō)明，理想的風(fēng)能對(duì)風(fēng)輪葉片做功的最高效率是59.3％。
通常風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪葉片接受風(fēng)能的效率達(dá)不到59．3％，一般設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)葉片的數(shù)量、葉片翼型、功率等情況，取0.25—0.45。
4.2小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)部分零部件的設(shè)計(jì)
在貝茨(Betz) 基本理論的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)踐設(shè)計(jì)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的部分零部件。
垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)不受風(fēng)向限制，不用調(diào)向，發(fā)電機(jī)、增速器、聯(lián)軸器、離合器、制動(dòng)器等可直接安裝在地面上，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便等優(yōu)點(diǎn)，致使一些國(guó)家不遺余力地研究。但垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)啟動(dòng)困難，需其他動(dòng)力來(lái)啟動(dòng)，且效率較水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)低。所以其發(fā)展受到限制，目前世界發(fā)達(dá)國(guó)家商品風(fēng)力發(fā)電機(jī)都是水平軸。尚未見(jiàn)到垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)商品。
下面介紹本課題中垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的部分零部件的設(shè)計(jì)。
4.2.1葉片
4.2.1.1．風(fēng)輪功率的確定
經(jīng)驗(yàn)公式給出風(fēng)輪輸出功率的最大值
Ne=0.25Sv3 （4-7）
式中 Ne--最大輸出功率，w或kw；
S--葉片掃掠面積，m2；
v--風(fēng)速，m/s。
4.2.1.2葉片掃掠面積S
S= Ne/0.25 v3 （4-8）
還可以表達(dá)為 S=8/3RH （4-9）
式中 R--葉片掃掠的最大半徑，m
H--風(fēng)輪高度之半，m。
4.2.1.3．風(fēng)輪半徑R的確定
R=3S/8H （4-10）
4.2.1.4尖速比λ的確定
λ=2πnR/60v （4-11）
4.2.1.5葉片各處的尖速比
λi= riλ/R （4-12）
式中λi--距轉(zhuǎn)動(dòng)中心不同半徑的尖速比；
ri--葉片至轉(zhuǎn)動(dòng)中心不同位置的半徑，m；
R--葉片最大轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，m。
4.2.1.6葉片弦長(zhǎng)L
根據(jù)加拿大涅太華的J．TemPlin(J·騰普林)試驗(yàn)結(jié)果
葉片弦長(zhǎng)可由下式給出
L=5R/K λ2 （4-13）
式中 L--葉片弦長(zhǎng)，m；
K--葉片數(shù)。
4.2.1.7葉片距轉(zhuǎn)動(dòng)中心不同位置的半徑的弦長(zhǎng)Li
Li=5ri/kλi2 （4-14）
式中 Li--葉片距轉(zhuǎn)動(dòng)中心不同半徑的弦長(zhǎng)，m；
ri--葉片距轉(zhuǎn)動(dòng)中心不同位置的半徑，m；
k--葉片數(shù)。
4.2.1.8增速比i的確定
i= nD /n （4-15）
式中 nD--發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r／min；
n--風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速數(shù)，r／min。
4.2.1.9葉片設(shè)計(jì)計(jì)算
本課題所設(shè)計(jì)的葉片如圖4-2所示，a）、b）為二維圖，c）為三維圖。
其總長(zhǎng)為1000mm，總寬為355mm，最大使用風(fēng)速為20m/s
由此得葉片掃掠面積
S=1000×355=0.355 m2
風(fēng)輪輸出功率的最大值
Ne=0.25Sv3=0.25×0.355×203=0.71kw。
符合設(shè)計(jì)要求。
圖4-2 a）葉片左視圖
圖4-2 b）葉片的主視圖
圖4-2 c）葉片三維圖
4.2.1.10葉片的材料
本設(shè)計(jì)中葉片材料采用的鑄造鋁合金（ZL104）。Al-Si系鑄造鋁合金的鑄造性能好，密度小，具有良好的耐蝕性、耐熱性和焊接性能，可通過(guò)熱處理來(lái)強(qiáng)化。最后表面拋光處理。
圖4-3 a）軸轂的三維圖
圖4-3 b）軸轂的二維圖
4.2.2軸轂
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和所查資料設(shè)計(jì)出垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的軸轂部分，如圖4-3所示，a）為三維圖，b）為二維圖。數(shù)據(jù)如圖所示。
4.2.3架子
為了將軸轂和葉片連接起來(lái)，設(shè)計(jì)了其連接件--架子，其材料為Q235，加工方法是鑄造后加工孔。
設(shè)計(jì)方案和數(shù)據(jù)如圖4-4所示，a）為二維圖，b）為三維圖。
圖4-4 a）架子二維圖
圖4-4 b）架子三維圖
4.2.4支撐架
為了支撐風(fēng)力機(jī)，設(shè)計(jì)了支撐架，有效地分散了風(fēng)力機(jī)的重量，承擔(dān)了部分軸向力，支撐架的低端與地面接觸，用地腳螺栓連接，起支撐作用。
其三維圖如圖4-5所示。
圖4-5 支撐架的三維圖
4.2.5風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)中標(biāo)準(zhǔn)零部件的選型
4.2.5.1風(fēng)力機(jī)軸承的選型
垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝的是推力調(diào)心滾子軸承。 設(shè)計(jì)時(shí)，必須合理選擇軸承的潤(rùn)滑方式和潤(rùn)滑路徑。加工支撐架上的油路時(shí)，往往要打若干工藝孔才行，最后用密封堵頭封閉這些工藝孔，防止漏油。
對(duì)于雙列軸承，箱體的油孔應(yīng)對(duì)準(zhǔn)雙列軸承中間的入油孔，使油液能夠準(zhǔn)確流入軸承的內(nèi)部。有入油孔就必然對(duì)應(yīng)有出油孔，入油孔開(kāi)設(shè)在方便安裝的地方。
潤(rùn)滑方式有：油液循環(huán)潤(rùn)滑、脂潤(rùn)滑、油霧潤(rùn)滑、噴射潤(rùn)滑等。其中油脂潤(rùn)滑（如高級(jí)鋰基脂）是目前最常用的方式。油脂封入量通常為軸承空間容積的10％，如果填得太滿會(huì)加劇軸承發(fā)熱。對(duì)于油液循環(huán)潤(rùn)滑，一般用于中等轉(zhuǎn)速的主軸上，多用于后支承上，設(shè)計(jì)時(shí)注意油路布局合理，既暢通、方便，又不影響其它結(jié)構(gòu)件的剛度。
設(shè)計(jì)時(shí)，選擇合理的密封方式。
4.2.5.2風(fēng)力機(jī)主軸上鍵的選型
根據(jù)結(jié)構(gòu)需求主軸與軸轂的之間通過(guò)鍵來(lái)傳遞扭矩，在這里采用的是楔鍵連接，其尺寸 為28*16*180。
4.2.5.3風(fēng)力機(jī)軸轂上銷的選型
根據(jù)結(jié)構(gòu)需求用銷來(lái)固定軸轂與軸的相對(duì)位置，采用的是開(kāi)尾錐銷，其尺寸為16*200。
垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)力機(jī)部分的三維圖如圖4-6所示。
圖4-6垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)力機(jī)部分的三維圖
4.2.6變向器
由于本課題所設(shè)計(jì)的垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)力機(jī)隨風(fēng)轉(zhuǎn)動(dòng)后，其扭矩是豎直傳遞的，所以需設(shè)計(jì)一裝置使其轉(zhuǎn)化成水平傳遞的才能滿足設(shè)計(jì)要求，根據(jù)結(jié)構(gòu)需要設(shè)計(jì)了一變向器。結(jié)構(gòu)如圖4-7所示。
圖4-7 變向器的主視圖
以下是變向器的相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算。
4.2.6.1錐齒輪的設(shè)計(jì)
變向器的作用只是將垂直的輸出量轉(zhuǎn)化成水平輸出，無(wú)需變速，所以其錐齒輪的齒數(shù)比為1，在以下的計(jì)算中只列出其中一個(gè)錐齒輪的數(shù)據(jù)，另一個(gè)錐齒輪數(shù)據(jù)與其相同。
計(jì)算如下：
齒輪比 u=1
大端分度圓直徑 de1=200mm
齒數(shù) Z1=Z2=30
大端模數(shù) me1=de1/Z1=6.67
分錐角δ1=45°
外錐距 Re=de1/2sinδ1=141.4
齒寬 b1=φRRe=42.42
齒寬系數(shù) φR=b/Re=0.3
平均分度圓直徑 dm1=de1 (1-0.5φR)=170
中錐距 Rm=Re((1-0.5φR)=120.19
平均模數(shù) Mm=me1 (1-0.5φR)=5.6695
切向變位系數(shù) Xt=0
徑向變位系數(shù) Xε=0.46（1-cosδ2/ucosδ1）=0
齒頂高 ha1=me（1+x1）=6-67
齒根高 hf1=me（1+c＊-x1）=8.004
頂隙 c= c＊m
齒距角 θa1=θf(wàn)2=θf(wàn)1
齒根角θf(wàn)1=arctan(hf1/Re)=3.24°
頂錐角 δa1=δ1+δf2=48.24°
根錐角 δf1=δ1-θf(wàn)1=41.76°
齒頂圓直徑 da1=de1+2ha1cosδ1=209.43
安裝距A1
冠頂距 Ak1=de2/2-ha1sinaδ1=95.285
輪冠距=H1=A1-Ak1
大端分度圓齒厚S1=me（π/2+2x1tanα+xt1）
端面當(dāng)量齒數(shù) Zv1=z1/cosδ1=42.43
4.2.6.2箱體
箱體采用以垂直軸的圓錐齒輪的軸線為對(duì)稱中心的對(duì)稱機(jī)構(gòu)，以便水平軸圓錐齒輪調(diào)頭安裝，改變輸出軸的方向。
4.2.6.3軸承
兩個(gè)錐齒輪軸均安裝32312型圓錐滾子軸承。這是因?yàn)樵撓盗袌A錐滾子軸承接觸角較大，承受軸向力的能力較強(qiáng)，并能對(duì)錐齒輪嚙合加以精確引導(dǎo)。滾子軸承通常也用以承受錐齒輪的徑向力。
軸承的剛度計(jì)算：軸承在零間隙時(shí)的變形和剛度，可以按下列公式計(jì)算。
線接觸的滾子軸承
式中： ——徑向與周向變形（）；
——徑向與周向剛度（）；
——軸承的徑向和軸向載荷（N）；
——接觸角（°）；
db——球徑（mm）；
——滾子有效長(zhǎng)度（mm）;
——列數(shù)和每列滾動(dòng)體數(shù)；
——單個(gè)滾動(dòng)體的徑向和軸向載荷（N）；
軸承的剛度不是一個(gè)定值，而是載荷的函數(shù)，載荷越大，剛度也越大。
由于球軸承載荷對(duì)剛度的影響比滾子軸承的影響大，所以，球軸承在計(jì)算時(shí)應(yīng)該同時(shí)考慮預(yù)緊力。
計(jì)算時(shí)，當(dāng)外載荷無(wú)法確定時(shí)，常取軸承額定動(dòng)載荷的0.1倍作為軸承的載荷。
主動(dòng)錐齒輪軸上的圓錐滾子軸承，系軸向游動(dòng)軸承，因此，將其外圈以可移動(dòng)方式配合于H6級(jí)精度的外殼孔內(nèi)。另一個(gè)圓錐滾子軸承，一般用端蓋通過(guò)外圈進(jìn)行調(diào)整，因此應(yīng)將外圈間隙配合于H6級(jí)的外殼孔中。安裝在輸出軸上的圓錐滾子軸承，為適應(yīng)軸的熱伸長(zhǎng)，也應(yīng)將外殼孔加工到H6級(jí)精度。
兩根軸上所有軸承的內(nèi)圈，均受循環(huán)載荷，故全部采用過(guò)盈配合的方式，安裝在k5級(jí)精度的軸上。當(dāng)載荷很大時(shí)，可將軸的精度降為m6。
由于錐齒輪的線速度已超過(guò)2m/s，因此該變向器里的全部軸承均采用飛濺潤(rùn)滑。即依靠錐齒輪的旋轉(zhuǎn)，將油甩到箱體內(nèi)壁上，然后經(jīng)上箱壁和下箱座拋分面上的輸出溝，以及軸承蓋上的導(dǎo)油槽，將油引入軸承。
為保證良好的潤(rùn)滑，應(yīng)控制箱體內(nèi)油面的高度。一般情況下，應(yīng)把大錐齒輪的整個(gè)齒寬，至少0.7倍齒寬浸入油中
為了防止變向器周圍環(huán)境中的灰塵、水氣、酸氣、和其他雜質(zhì)浸入軸承內(nèi)，同時(shí)防止箱內(nèi)潤(rùn)滑油外漏，在軸伸出端蓋的部分，應(yīng)設(shè)置密封裝置。在多數(shù)情況下，應(yīng)使用橡膠密封圈。
4.2.6.4鍵的選擇
根據(jù)軸徑大小所選鍵均為16*10，與聯(lián)軸器相連的兩個(gè)鍵為16*10*70，主動(dòng)軸與錐齒輪連接的鍵為16*10*56，從動(dòng)軸與錐齒輪連接的鍵為16*10*63。
以上為本課題所涉及到的設(shè)計(jì)計(jì)算。
第五章 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常工作的條件
5.1垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的調(diào)速
垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)調(diào)速的方式也很多，如改變?nèi)~片轉(zhuǎn)動(dòng)半徑以改變?nèi)~片掃掠面達(dá)到調(diào)速的目的；用改變?nèi)~片的迎風(fēng)角來(lái)調(diào)速等等。但結(jié)構(gòu)都很復(fù)雜，制造成本也很高，且難以穩(wěn)
定在風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。較好的辦法是采用恒定扭矩輸出器以保證發(fā)電機(jī)獲得恒定扭矩達(dá)到發(fā)電機(jī)運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。另一種較好的辦法是不調(diào)速，為了更好地利用風(fēng)能，可
安裝二臺(tái)或更多臺(tái)發(fā)電機(jī)。當(dāng)風(fēng)輪所獲得的風(fēng)能滿足1臺(tái)發(fā)電機(jī)時(shí)接通1臺(tái)，當(dāng)風(fēng)速增大，能滿足2臺(tái)發(fā)電機(jī)功率時(shí)接通2臺(tái)……，所發(fā)交流電經(jīng)交一交逆變器達(dá)到并網(wǎng)的頻率。
5.2垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)
垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)不能自行啟動(dòng)，需外部動(dòng)力啟動(dòng)后方能自行運(yùn)轉(zhuǎn)。
大、中型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的并且調(diào)速穩(wěn)定，可以采用異步發(fā)電機(jī)。當(dāng)啟動(dòng)時(shí)，電網(wǎng)向發(fā)電機(jī)供電，發(fā)電機(jī)成為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)后再切斷電網(wǎng)供電。
不并網(wǎng)的單機(jī)使用的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，應(yīng)附加啟動(dòng)裝置。一般在增速器與發(fā)電機(jī)之間安裝離合器并安裝啟動(dòng)裝置，動(dòng)力由直流或交流電機(jī)供給。啟動(dòng)后將啟功電機(jī)分離，再將增速器與發(fā)電機(jī)之間的離合器結(jié)合，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電。單機(jī)使用的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)備有儲(chǔ)存電能的蓄電池，將多余電能經(jīng)整流(交流發(fā)電機(jī))或直接(直流發(fā)電機(jī))向蓄電池充電，用以啟動(dòng)和無(wú)風(fēng)時(shí)向用電器供電。
5.3垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)制動(dòng)器的設(shè)計(jì)
一般微型和小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)不設(shè)制動(dòng)器，中大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)大部分的制功器采用液壓或電磁制動(dòng)器，也有備用手制動(dòng)器的。
為了使風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕，一般將聯(lián)軸器與制動(dòng)器設(shè)計(jì)在一起，并且置于增速器與發(fā)電機(jī)之間的高速軸部位，很少有布置在低速軸位置的，因?yàn)榈退佥S的制動(dòng)力矩大。
我國(guó)制功器已有標(biāo)準(zhǔn)并且有商品可供應(yīng)。但我國(guó)制定制動(dòng)器標(biāo)準(zhǔn)時(shí)沒(méi)有考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)，主要適合于通用機(jī)械、起重機(jī)械等制動(dòng)用，制動(dòng)器通常既大又重。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)用制動(dòng)器應(yīng)具有重量輕、制動(dòng)力矩大、經(jīng)久耐用、制動(dòng)可靠等特點(diǎn)。
5.4 小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中配置的蓄電池
5.4.1為什么用蓄電池
由于風(fēng)能的間歇性和不穩(wěn)定性，如果用電器直接由風(fēng)力發(fā)電機(jī)來(lái)供電，會(huì)出現(xiàn)供電時(shí)有時(shí)無(wú)、忽高忽低現(xiàn)象，這種電能是無(wú)法使用的。為建立一個(gè)供電電壓穩(wěn)定、能夠全天候提供均衡供電的電源系統(tǒng)，就必須在風(fēng)力發(fā)電機(jī)和用電器之間設(shè)置儲(chǔ)能裝置，把風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電儲(chǔ)存起來(lái)，穩(wěn)定地向用電器供電。
理想的電能儲(chǔ)存裝置應(yīng)當(dāng)具有大的儲(chǔ)存密度和容量；儲(chǔ)存和供電具有良好的可逆性；有高的轉(zhuǎn)換效率和低的轉(zhuǎn)換損耗；運(yùn)行要便于控制和維護(hù)；使用安全，無(wú)污染；有良好的經(jīng)濟(jì)性和較長(zhǎng)的使用壽命。
現(xiàn)在，正在研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的電能貯存方式有改進(jìn)型鉛蓄電池和新型蓄電池儲(chǔ)能；飛輪儲(chǔ)能；水位儲(chǔ)能；壓縮空氣儲(chǔ)能；超導(dǎo)線圈儲(chǔ)能等形式。
從目前小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用看，最方便、經(jīng)濟(jì)和有效的儲(chǔ)能方式是采用蓄電池儲(chǔ)能。
蓄電池又稱“電瓶”，它能夠把電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)，使用時(shí)再把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，變換過(guò)程是可逆的，充電和放電過(guò)程可以重復(fù)循環(huán)、反復(fù)使用，因此蓄電池又稱為“二次電池”。
5.4.2．現(xiàn)在使用的蓄電池
現(xiàn)在使用的蓄電池，雖然從外形看有大有小，形狀不一，但從電解液的性質(zhì)來(lái)區(qū)分，主要分為酸性蓄電池和堿性蓄電池兩大類酸性蓄電池也叫鉛蓄電池，它是各種二次電池中使用最多的一種。由于鉛的資源豐富，鉛蓄電池的造價(jià)較低，因而應(yīng)用非常廣泛。
作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的儲(chǔ)能設(shè)備，無(wú)論是酸性蓄電池還是堿性蓄電池，只有用戶了解它們的性能和使用操作方法，才能延長(zhǎng)蓄電他的使用壽命。早期的鉛蓄電他的充放電循環(huán)次數(shù)只有200—300次，使用壽命只有1—2年。隨著工藝及結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，其性能不斷提高，目前充放電次數(shù)已超過(guò)500次，使用壽命可達(dá)3—4年，不過(guò)蓄電池的實(shí)際使用壽命和能否正確使用維護(hù)有很大關(guān)系。若能正確操作使用，按時(shí)維護(hù)．有的鉛蓄電池可使用5年以上。
5.5發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中的防雷擊設(shè)施
風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝在室外，塔架加風(fēng)輪和輪轂高度達(dá)十幾米，遭受雷擊屢見(jiàn)不鮮，特別是在雷電多發(fā)地區(qū)，電閃雷鳴，釋放出巨大能量，雷擊會(huì)造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片損壞，井常常引起發(fā)電系統(tǒng)過(guò)電壓，造成發(fā)電機(jī)擊穿、控制設(shè)備燒毀、電氣設(shè)備損壞等事故，甚至危及人員安全。所以，雷擊威脅著風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行。因此，我們?cè)诎惭b風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)，一定要注意做好防雷擊措施。
小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上如果不方便安裝防雷擊設(shè)施，可在其附近安裝避雷設(shè)施，達(dá)到防雷擊效果。
結(jié)束語(yǔ)
根據(jù)導(dǎo)師布置的課題，本文對(duì)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)部分零部件的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究和探討，針對(duì)垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片、軸轂、支撐架、變向器等重要部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。其主要內(nèi)容如下：
1、 根據(jù)現(xiàn)有理論和條件要求設(shè)計(jì)出了合適的葉片，并利用Solidworks軟件建立葉片的三維模型，葉片是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)也是難點(diǎn)，它直接影響所設(shè)計(jì)的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作效率。
2、 根據(jù)設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)出了軸轂、支撐架等零部件，并利用Solidworks軟件建立了三維模型。
3、 根據(jù)設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)出了變向器裝置，并合理地選擇了軸承、鍵等配套零部件。
待解決的問(wèn)題:
由于個(gè)人時(shí)間和知識(shí)水平的限制，雖然通過(guò)努力完成了上述內(nèi)容的研究，但對(duì)于垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)尚有以下3個(gè)問(wèn)題需要進(jìn)一步研究：
1、葉片三維模型的氣動(dòng)特性模擬與仿真。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)氣動(dòng)特性的模擬與仿真主要集中在二維葉素的研究上，針對(duì)三維模型特別是旋轉(zhuǎn)的葉輪模型的氣動(dòng)特性模擬與仿真卻留有很大空白，在技術(shù)和方法上的研究有很大的提升空間。
2、葉片氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究。主要利用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)等空氣動(dòng)力學(xué)研究的常用方法對(duì)葉片在實(shí)際運(yùn)行情況下的各項(xiàng)特性進(jìn)行研究，如流場(chǎng)情況、風(fēng)輪的啟動(dòng)情況、高風(fēng)速下的失速特性、噪音大小等，這些指標(biāo)的好壞將能夠全方位反映葉片的設(shè)計(jì)制造水平。
3、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的手動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)。雖然小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)有單片機(jī)控制的制動(dòng)系統(tǒng)，可以不設(shè)計(jì)手動(dòng)剎車系統(tǒng)，但為了維修方便，最好設(shè)計(jì)出相應(yīng)的手動(dòng)剎車系統(tǒng)。
展望：
隨著石油、煤炭等化石能源的日益枯竭及越來(lái)越嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題，21世紀(jì)必將是風(fēng)能快速發(fā)展的世紀(jì)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也必將得到快速提高，因此對(duì)于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)充滿著機(jī)遇與挑戰(zhàn)，性能優(yōu)越的風(fēng)力發(fā)電機(jī)將越來(lái)越廣泛的應(yīng)用到人們的日常生活中，因此對(duì)垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)此作以下展望:
(1) 垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究將繼續(xù)向著提高風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率的方向發(fā)展，也將繼續(xù)向著輕質(zhì)高強(qiáng)的方向發(fā)展，碳纖維將越來(lái)越多的使用到小型發(fā)電機(jī)葉片的制造中來(lái)。
(2)計(jì)算機(jī)技術(shù)，特別是有限元技術(shù)將會(huì)更多的用到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)與制造及分析中來(lái)，其中將會(huì)出現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片設(shè)計(jì)制造與分析的專門軟件，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)將更加專門化和商業(yè)化。
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