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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Γ貏e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(lèi)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(lèi)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(lèi)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?lèi)賴(lài)以生存的自然環(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(lèi)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(hù)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(mǎn)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(hù)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(chē)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(xiāo)售量最多的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。它可為用戶(hù)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(hù)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(mǎn)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(hù))，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(shù)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(shù)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(chēng)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(chēng)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(chēng)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(lèi)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(lài)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(mén)研制風(fēng)力機(jī)以及廣大用戶(hù)選購(gòu)風(fēng)力機(jī)提供科學(xué)依據(jù)，并為政府部門(mén)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)。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(lèi)
3.2.1．按風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率分類(lèi)
(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(lèi)
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(pán)；14-調(diào)向制動(dòng)器；15-葉片
1、風(fēng)輪
葉片安裝在輪鼓上稱(chēng)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。現(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(chēng)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(chēng)剎車(chē)。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?，F(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(chēng)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(xiàn)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(xiàn) 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(chēng)平行風(fēng)輪軸線(xiàn)的)，這時(shí)的風(fēng)輪稱(chēng)“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(chēng)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(mǎn)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(xiāo)的選型
根據(jù)結(jié)構(gòu)需求用銷(xiāo)來(lái)固定軸轂與軸的相對(duì)位置，采用的是開(kāi)尾錐銷(xiāo)，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(mǎn)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(xiàn)為對(duì)稱(chēng)中心的對(duì)稱(chēng)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(xiàn)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(xiàn)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?chē)h(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(mǎn)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(mǎn)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(xiàn)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(chēng)“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(chēng)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(lèi)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(hù)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(chē)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(chē)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(mǎn)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(zhuān)門(mén)軟件，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)將更加專(zhuān)門(mén)化和商業(yè)化。
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