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小型風力發(fā)電機總體結構的設計摘要基于開發(fā)風能資源在改善能源結構中的重要意義，本論文對風力機的特性作了簡要的介紹，且對風力機的各種參數(shù)和風力機類型作了必要的說明。在此基礎上，對風力發(fā)電機的原理和結構作了細致的分析。首先，對風力發(fā)電機的總體機械結構進行了設計，并且設計了限速控制系統(tǒng)。本課題設計的是一種新型的立式垂直軸小型風力發(fā)電機，由風機葉輪、立柱、橫梁、變速機構、離合裝置和發(fā)電機組成。這種發(fā)電機有體積小、噪音小、使用壽命長、價格低的特點，適合在有風能資源地區(qū)的樓房頂部，供應家庭用電，例如照明：燈泡,節(jié)能燈；家用電器:電視機、收音機、電風扇、洗衣機、電冰箱。其次，在老師的幫助下制作了限速控制的模型。通過模型驗證了小型垂直式風力發(fā)電機限速控制系統(tǒng)總體方案在實踐中的效果，并且驗證了程序是否正確，以及電路的設計是否合理。最后，模型驗證的結果表明我設計的限速控制系統(tǒng)方案可行，程序正確，電路設計合理。為該類型風力發(fā)電機的設計和商品生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。關鍵詞：風力發(fā)電；限速控制系統(tǒng)；小型風力發(fā)電機；小型垂直軸風力發(fā)電機。AbstractExploiting wind energy resources is of great significance in improving energy structure. In the discourse，the characters of wind generator are introduced briefly，while parameters and types of wind generators are also narrated. Base on these， the theory and constitution of the wind generator are meticulously analyzed. Firstly，Has carried on the design to wind-driven generator's overall mechanism, And has designed the regulating control system. What I design is one kind of new vertical axis small wind-driven generator, by the air blower impeller, the column, the crossbeam, the gearshift mechanism, the engaging and disengaging gear and the generator is composed. This kind of generator has the volume to be small, the noise is small, the service life is long, the price low characteristic, suits in has the wind energy resources area building crown, the supply family uses electricity, For example illumination: The light bulb, conserves energy the lamp; Domestic electric appliances: Television, radio, electric fan, washer, electric refrigerator.Secondly，I have manufactured the regulating control model. Through model verification small perpendicular wind-driven generator regulating control system overall concept effect in reality, and has confirmed the procedure to be whether correct, as well as electric circuit's design to be whether reasonable.Finally，Model verification's result indicated I design the regulating control system plan is feasible, the procedure is correct, the circuit design is reasonable. It provides according as theory for qualitative design and commercial manufacture of this type of wind generator.Key words：Wind power generation；Regulating control system；Small wind-driven generator；Small vertical axis wind-driven generator.目錄摘要 ⅠABSTRACT .Ⅱ第一章 概述 .11.1 風力發(fā)電機概況 11.2 風力發(fā)電機的研究現(xiàn)狀 11.2.1 國外風力發(fā)電機的研制情況 .11.2.2 國內(nèi)風力發(fā)電機的研制情況 21.3 研究風力發(fā)電機的目的和意義 .41.4 我國的風能資源及其分布 .5第二章 風力機理論 82.1 基本公式 82.1.1 風能利用系數(shù) 82.1.2 風壓強 82.1.3 阻力式風力機的最大效率 82.2 工作風速與輸出功率 92.2.1 風力發(fā)電機的輸出效率 .92.2.2 工作風速與輸出功率 92.2.3 啟動風速和額定風速的選定 .102.3 風能利用與氣象 122.3.1 風的觀測對風能利用的意義 .122.3.2 風能利用中需要的氣象調(diào)查 .132.4 風的觀測 13第三章 風力發(fā)電機方案和結構設計 143.1 小型垂直式風力發(fā)電機方案設計 143.2 風葉 143.3 行星齒輪加速器設計計算 143.3.1 設計要求 .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 16?3.3.5 齒寬系數(shù)的選擇 173.3.6 模數(shù)選擇 173.3.7 預設嚙合角 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 行星齒輪傳動的強度校核計算 203.4 電磁離合器設計計算 .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 .25第四章 限速控制系統(tǒng)方案設計 264.1 設計限速控制系統(tǒng)的目的 .264.2 限速控制系統(tǒng)方案分析 .264.3 單片機 264.4 信號采集 .264.5 電路 .264.6 限速控制程序 .274.6.1 定時器周期 274.6.2 程序流程圖 274.6.3 限速控制程序28第五章 控制系統(tǒng)總體分析 30 5.1 實驗和模型設計的目的 305.2 模型設計 305.2.1 設計技術指標 305.2.2 模型設計器件 .305.3 電路板 305.4 限速控制程序裝置 315.5 實驗模型結果分析 32第六章 結束語 33致謝 .34參考文獻 35第一章 概述1.1 機電一體化概要機電一體化是指在機構得主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進電子技術，將機械裝置與電子化設計及軟件結合起來所構成的系統(tǒng)的總稱。機電一體化發(fā)展至今也已成為一門有著自身體系的新型學科，隨著科學技術的不但發(fā)展，還將被賦予新的內(nèi)容。但其基本特征可概括為：機電一體化是從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，綜合運用機械技術、微電子技術、自動控制技術、計算機技術、信息技術、傳感測控技術、電力電子技術、接口技術、信息變換技術以及軟件編程技術等群體技術，根據(jù)系統(tǒng)功能目標和優(yōu)化組織目標，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高質(zhì)量、高可靠性、低能耗的意義上實現(xiàn)特定功能價值，并使整個系統(tǒng)最優(yōu)化的系統(tǒng)工程技術。由此而產(chǎn)生的功能系統(tǒng)，則成為一個機電一體化系統(tǒng)或機電一體化產(chǎn)品。因此， “機電一體化” 涵蓋“ 技術 ”和“產(chǎn)品”兩個方面。只是，機電一體化技術是基于上述群體技術有機融合的一種綜合技術，而不是機械技術、微電子技術以及其它新技術的簡單組合、拼湊。這是機電一體化與機械加電氣所形成的機械電氣化在概念上的根本區(qū)別。機械工程技術有純技術發(fā)展到機械電氣化，仍屬傳統(tǒng)機械，其主要功能依然是代替和放大的體力。但是發(fā)展到機電一體化后，其中的微電子裝置除可取代某些機械部件的原有功能外，還能賦予許多新的功能，如自動檢測、自動處理信息、自動顯示記錄、自動調(diào)節(jié)與控制自動診斷與保護等。即機電一體化產(chǎn)品不僅是人的手與肢體的延伸，還是人的感官與頭腦的眼神，具有智能化的特征是機電一體化與機械電氣化在功能上的本質(zhì)區(qū)別。1.2 風力發(fā)電機的研究現(xiàn)狀1.2.1 國外風力發(fā)電機的研制情況美國從1974年起對風能進行系統(tǒng)的研究，能源部對風能項目的投資累計已達到25億美元。許多著名大學和研究機構都參加了風能的研究開發(fā)，目前己安裝了8個巨型風力發(fā)電機組。到19%年末，風力發(fā)電總裝機容量己達到170x kw，所提供的電力占全美電力需求量410的10%，居世界之首位，主要集中在加利福尼亞州。美國國會己通過了能源政策法，在能源部的規(guī)劃下，將會改變風力發(fā)電集中于加利福尼亞的局面，在年平均風速達5.6m/s的中西部12個州將建風力電站。據(jù)能源部預測，在未來15年內(nèi)，風電將增加6倍。在今后2年內(nèi)，在懷俄明、伊阿華、明尼蘇達、得克薩斯、佛蒙特、緬因州等修建大型風電場，這些風電場將使美國風力發(fā)電能力再增加40x kw，預計到2010年，風力發(fā)電總裝機容量將達到410630x kw，可滿足全美電力需求量的25%。410德國是歐洲風力發(fā)電增長最快的國家，近年風力發(fā)電量急增，尤其沿海各州，風力發(fā)電發(fā)展迅速，己超過丹麥，成為世界第二。到1995年己建成1035座風力發(fā)電裝置，裝機容量49.4x kw，1996年新裝機約950座，裝機容量為48x kw，到19%年底德國己擁有45004 410座風力發(fā)電裝置，總裝機容量達到約160x kw，1997年估計可增加5x kw，可為20多萬410410個家庭提供日常用電。這些風力發(fā)電裝置中的1600個是政府投資建設的。裝機容量超過1OO0kW的風電場有250個，300OkW的最大風電場已投入使用，發(fā)電能力63x kw，西部5x4kw風力發(fā)電計劃可望在2一3年內(nèi)完成，并投入運行。德國80%的風力發(fā)電裝置都是安裝410在沿海地區(qū)，沿海各州已擬訂其風力發(fā)展規(guī)劃，下薩克森州計劃到2005年，將風力發(fā)電能力增至13Ox kw，斯雷蘇比克一霍爾斯泰因州議會決定到2010年建設120x kw風力發(fā)電4 410設備，要求該地區(qū)配電公司、Schleswag電力公司大力配合，該公司管轄區(qū)內(nèi)的風電場裝機已達33.7x kw，該公司也得到IPP(獨立系統(tǒng)發(fā)電業(yè)者)大力協(xié)助，預定進行198x kw風410 4電場的建設。丹麥是風力發(fā)電先進國家之一，它將風力發(fā)電作為國策，已有風力發(fā)電站近4000座，總裝機容量73x kw，發(fā)電總量達到634x w，相當于一個中等規(guī)模的核電站發(fā)電量，占4 610全國能源總消耗量的3.7%。丹麥政府在“能源2000計劃”中規(guī)定，到2005年，風力發(fā)電目標為150x kw，相當于國內(nèi)電力消費量的10%，到2020年，風力+PV+波力確保電力需要的41025%，現(xiàn)在計劃有減緩的傾向。環(huán)境廳對各自治體提出要求，要求他們單獨提出風力發(fā)電裝置建設計劃，預計未來10年風力發(fā)電量將達到1500 w。610?荷蘭1986年開始實施風力發(fā)電研究，開發(fā)5年計劃NOW和引入風力發(fā)電5年計劃IPW。目標為1991年末總裝機容量達到5 kw，但計劃沒達到預定目標，只達到4.9x kw，318?410 410座，發(fā)電總量5.5x kw·h，其后決定實施1991一1996年目標為40x kw的TWI五年計劃。410 4計劃目標是1994年末風力發(fā)電能力達到14.4x kw，629座，發(fā)電量為24.7x kw.h，為4荷蘭總發(fā)電量的1.2%。到1996年末，風力發(fā)電裝機容量己達到3zx kw，2000年為41050x kw。410英國英倫三島的風力資源相當豐富，特別是蘇格蘭是世界風力資源最豐富的地區(qū)之一。英政府歷來重視風能等非化石燃料的開發(fā)，目前英國己有20多個風電場投入運行，到19%年總裝機容量己達到26.4x kw，2000年達到80x kw。410410瑞典從七十年代開始風力發(fā)電的開發(fā)，經(jīng)過20多年的努力，己成為該領域的領先者之一，到19%年底，裝機容量己達到9.5x kw。220多座風力發(fā)電站，大部分位于南部地區(qū)4和波羅的海的厄蘭島及哥德蘭島上，哥德蘭島的風力發(fā)電量可保證全島68%的能源需求。為了更充分地利用風力資源，瑞典成立了包括一系列電力供應公司的專門財團，目標是在近幾年內(nèi)使風力發(fā)電量增加4倍。瑞典由于場地問題，致力于海洋風力發(fā)電。由于建設費和與輸電的連接費用高，所以規(guī)模有大型化的傾向。機電一體化的發(fā)展狀況機電一體化的發(fā)展大體可以分為3個階段。20世紀60年代以前為第一階段，這一階段稱為初級階段。在這一時期，人們自覺不自覺地利用電子技術的初步成果來完善機械產(chǎn)品的性能。特別是在第二次世界大戰(zhàn)期間，戰(zhàn)爭刺激了機械產(chǎn)品與電子技術的結合，這些機電結合的軍用技術，戰(zhàn)后轉為民用，對戰(zhàn)后經(jīng)濟的恢復起了積極的作用。那時研制和開發(fā)從總體上看還處于自發(fā)狀態(tài)。由于當時電子技術的發(fā)展尚未達到一定水平，機械技術與電子技術的結合還不可能廣泛和深入發(fā)展，已經(jīng)開發(fā)的產(chǎn)品也無法大量推廣。20世紀70~80年代為第二階段，可稱為蓬勃發(fā)展階段。這一時期，計算機技術、控制技術、通信技術的發(fā)展，為機電一體化的發(fā)展奠定了技術基礎。大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路和微型計算機的迅猛發(fā)展，為機電一體化的發(fā)展提供了充分的物質(zhì)基礎。這個時期的特點是：①mechatronics一詞首先在日本被普遍接受，大約到 20世紀80年代末期在世界范圍內(nèi)得到比較廣泛的承認；②機電一體化技術和產(chǎn)品得到了極大發(fā)展；③各國均開始對機電一體化技術和產(chǎn)品給以很大的關注和支持。20世紀90年代后期，開始了機電一體化技術向智能化方向邁進的新階段，機電一體化進入深入發(fā)展時期。一方面，光學、通信技術等進入了機電一體化，微細加工技術也在機電一體化中嶄露頭腳，出現(xiàn)了光機電一體化和微機電一體化等新分支；另一方面對機電一體化系統(tǒng)的建模設計、分析和集成方法，機電一體化的學科體系和發(fā)展趨勢都進行了深入研究。同時，由于人工智能技術、神經(jīng)網(wǎng)絡技術及光纖技術等領域取得的巨大進步，為機電一體化技術開辟了發(fā)展的廣闊天地。這些研究，將促使機電一體化進一步建立完整的基礎和逐漸形成完整的科學體系。我國是從20世紀80年代初才開始在這方面研究和應用。國務院成立了機電一體化領導小組并將該技術列為“863計劃” 中。在制定“ 九五”規(guī)劃和2010年發(fā)展綱要時充分考慮了國際上關于機電一體化技術的發(fā)展動向.1.3 機電一體化技術產(chǎn)品的優(yōu)越性1.3.1使用性能改善機電一體化產(chǎn)品普遍采用程序控制和數(shù)據(jù)顯示，操作按鈕和手柄數(shù)量顯著減少，使得操作大大簡化，機電一體化產(chǎn)品的工作過程根據(jù)預設的程序逐步由電子控制系統(tǒng)之魂實現(xiàn)。高級的機電一體化產(chǎn)品可通過被控告對象的數(shù)學模型以及外界參數(shù)的變化隨機自尋最佳工作程序，實現(xiàn)自動最優(yōu)化操作。1.3.2生產(chǎn)能力和工作質(zhì)量提高機電一體化產(chǎn)品大都具有信息自動處理和自動控制功能，其控制和檢測的靈敏度，精度以及范圍都有很大程度的提高，通過自動控制系統(tǒng)可精確的保證機械的執(zhí)行機構按照設計的要求完成預定的工作，使之不受機械操作者主觀因素的影響，從而實現(xiàn)最佳操作，保證最佳的工作質(zhì)量和產(chǎn)品合格率，同事，由于機電一體化產(chǎn)品實現(xiàn)了工作的自動化，使得生產(chǎn)能力大大提高。例如，數(shù)控機床對公建的加工和穩(wěn)定性大大提高，生產(chǎn)效率比普通機床提高了5~6倍。1.3.3使用安全性和可靠性提高機電一體化產(chǎn)品一般都具有自動監(jiān)視 報警 自動診斷等功能在工作過程中，遇到過載 過壓 過流 短路等電力故障時，能自動采用保護措施，避免和減少人身和設備事故，顯著提高設備的使用安全性。1.3.3具有復合功能并且適用面廣機電一體化產(chǎn)品跳出了機電產(chǎn)品的單技術和單功能限制，具有復合技術和復合功能，使產(chǎn)品的功能水平和自動化程度大大提高。機電一體化產(chǎn)品一般具有自動化控制，自動補償，自動校驗，自動調(diào)節(jié)，自動保護等功能，能應用于不同的場合和不同的領域，滿足用戶需求的應變能力較強。例如，電子式空氣斷路器具有保護特性可調(diào)，選擇性脫扣，正常通過電流與脫扣時電流的測量，顯示和故障自動診斷等功能，使應用范圍大為擴大。第二章 風力機理論2.1 基本公式2.1.1 風能利用系數(shù)風力機從自然風能中吸收的能量大小程度用風能利用系數(shù) 表示。橫截面積為s( )的pC2m氣流的動能為2.1.2 風壓強如圖2-1a，根據(jù)伯努力方程，風中物體受到的風壓Q為2.1.3 阻力式風力機的最大效率建立簡單的理想模型，一個平板在風的氣動壓力作用下沿著風速方向運動，如圖2-lb，并規(guī)定平板上游一定距離上的風速為 ，平板的運動速度為v，那么平板吸收的功率fV可以表示為圖2-1 平板模型對給定的上游風速玲，可以寫出以平板的運動速度V為函數(shù)的功率變化關系式，對v進行微分得從上式中可以看出，阻力式風力機的效率是比較低的，提高效率的唯一辦法是設法提高風的阻力系數(shù)C。2.2 工作風速與輸出功率2.2.1 風力發(fā)電機的輸出效率最理想的風力機也不可能吸收全部的風能，而只能吸收部分風能。如上一節(jié)推導的那樣，有一個最大風能利用系數(shù) 。但是，風力機在制做過程中，由于受到各種條件的pmaxC限制，做不到完全理想的形狀。因此實際的風力機和理想的風力機之間也有差異。實際風力機吸收的功率與理想風力機吸收的功率的比值叫做風力機的效率。用 表示。另外還有1?傳動機構的效率甲 和發(fā)電機的效率 等，所以實際風力發(fā)電機輸出的效率，可以表示2?3?為2.2.2 工作風速與輸出功率風力機啟動時，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力機的啟動力矩。啟動力矩主要與風力機本身的傳動機構摩擦阻力有關·因此風力機有一最低工作風速稱 ，只有風速大于 時風力機才能工作。fminVfminV當風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度)，風力機應該停止運轉，所以每一臺風力機都規(guī)定有最高風速 ，最高風速 與風力機的設計強faxfminV度有關，是設計時給定的參數(shù)。最小風速稱 ，和最大風速 之間的風速叫做風力機的工作風速，相應于工作fminVfmax風速風力機有功率輸出。當風力機的輸出功率達到標稱功率時的工作風速叫做該風力機的額定風速。2.2.3 啟動風速和額定風速的選定如何根據(jù)風能資源來選用風力機，使風力機的運行狀態(tài)最佳，確定起動風速和額定風速是關鍵。2.2.3.1 雙參數(shù)威布爾分布 風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能密度，設 為空氣密度，v為風速，則風能密度?p=0.5 ， 隨v的立方增大，變化非?？欤手里L速的變化情況是利用風能的先決條3?件。風速V是隨機變量，經(jīng)研究專家們多認為用雙參數(shù)威布爾概率密度函數(shù)擬合風速頻率分布最好腳。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)1s?K、C是不同的，可根據(jù)某地連續(xù)30年的風資料算出該地的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 起動風速 啟動風速為風力機風輪由靜止開始轉動并能連續(xù)運轉的最小風速:風力機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，只有科學地選擇適合當?shù)仫L能資源的風力機，才能以較少的投資獲取較多的風能。根據(jù)國內(nèi)外100多種風力機，起動風速的范圍是2m ，至6m ，這一范圍能滿足風能1s?1?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)曲線峰值對應的凡就是起動風速(圖2-2)。對上式求一階導數(shù)且令其等于O有解得證明氣是出現(xiàn)概率最大的風速。使用起動力風速大于上式計算的氣的風力機會損失小風速這一區(qū)段的風能，使用起動風速小于上式計算的咋的風力機是否更好呢?表面看低風速的風能得到更多的利用，深入研究可知在之氣的較高風速區(qū)風能利用率下降，總體上是得不償失，故選用盡可能接近上式結果的風力機最為理想。2.2.3.3 額定風速 額定風速的選定直接影響風能利用系統(tǒng)整體的效率和經(jīng)濟性，是風力發(fā)電機設計中的重要參數(shù)。己知風能密度p=12 ，對一臺效率為 ，槳葉半徑為廠的風力機，輸出功率w(V)的3v??威布爾分布函數(shù)為w(V)峰值對應之風速 應是額定風速，此時風力機提取的風能最多。pv令2.2.3.4 風力機的工作風速、輸出功率與風能的關系 風力機的工作風速、輸出功率與風能的關系可以簡單地如圖2一3來表示(注:圖中縱坐標表示輸出功率，單位為:w/ ;橫坐標2m表示風能，單位為:m/s)A一理論風能曲線B一扣除空氣動力損失后的風力機吸收的功率C一計算傳動損失和機械能轉換損失后的功率曲線D一發(fā)電機實際輸出功率曲線圖2一3 功率與風速的關系2.3 風能利用與氣象2.3.1 風的觀測對風能利用的意義在前面已經(jīng)講述過，風能與風速的三次方成正比。所以，當風速測量有10%的誤差時，風力機輸出功率的誤差將擴大到33%。在風力機的設計中，輸出功率出現(xiàn)30%以上的誤差，將帶來很大的經(jīng)濟損失。風速隨時間變化很大，而且地區(qū)性差異也很大，正確把握風況并不是一件容易的事情。所以在風力機設計計劃中，對風的觀測非常受重視。2.3.2 風能利用中需要的氣象調(diào)查在風能利用中，需要進行四項氣象調(diào)查:(l)風能密度調(diào)查 結合風能的地區(qū)分布和可設立風力機地區(qū)面積的調(diào)查，在全國范圍內(nèi)對可利用的風能量進行估算。(2)選定適合地點 在一年中，對通過強風場所的調(diào)查。(3)風速的頻率分布調(diào)查 在風力機的設計中，為了估算平均出力和運轉時間等量，必須了解風力機軸高處的風況。(4)為了風力機設計強度和安全系數(shù)的氣象調(diào)查 異常的強風出現(xiàn)的概率、風的不定向性以及突風程度，冰暴、鹽害等的調(diào)查。2.4 風的觀測風的觀測，因其目的不同而有各自的特點。對于風能利用，通過對風的觀測，可以估算出該地區(qū)可利用的風能大小，為風力機的設計和性能研究以及開發(fā)的經(jīng)濟性等提供條件。風速的測量包括風向和風速的測量。因為風速隨時間變化很大，而且變化不定，所以測量時取一定時間內(nèi)的風速大小的平均值和最長時間的風向。我國現(xiàn)行的風速觀測有兩種方法:一種是每日定時4次兩分鐘平均風速觀測;一種是一日24次自記10分鐘平均風速觀測。實際測量結果表明，前一種方法的誤差比較大，因此在風力發(fā)電機的設計中采用后一種測量方法得到的數(shù)據(jù)。第三章 風力發(fā)電機方案和結構設計3.1 小型垂直式風力發(fā)電機方案設計現(xiàn)在，各個發(fā)達國家均大力發(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，因為太陽能的設置地點較靈活，不會產(chǎn)生噪音，可以和建筑進行一體化設計。但是風力發(fā)電較太陽能而言，它的成本優(yōu)勢明顯。傳統(tǒng)的風力發(fā)電機啟動風速要求較高，發(fā)電噪音也很大，所以只能將風力發(fā)電機放在人跡罕至的地方或風力較大的地方。設備也是往大型風力發(fā)電機發(fā)展，專門建設大型風力發(fā)電場，這樣，小型風力發(fā)電在相當長的時間里未得到較好的發(fā)展。所以，如何使風力發(fā)電和建筑進行一體化設計，降低小型風力發(fā)電機噪音，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！我設計的是一種新型的立式垂直軸小型風力發(fā)電機，由風機葉輪、立柱、橫梁、變速機構、離合裝置和發(fā)電機組成。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)電機整流器 蓄電池 逆變器 負 載圖 3-1 小型垂直軸風力發(fā)電機框圖該小型垂直軸風力發(fā)電機的發(fā)電原理為：在風的吹動下，風輪轉動起來，使空氣動力能轉變成了機械能（轉速+扭矩）。通過增速系統(tǒng)和離合器使轉矩和扭矩傳遞到風力發(fā)電機軸上，帶動發(fā)電機軸旋轉，從而使永磁三相發(fā)電機發(fā)出三相交流電。風速的不斷變化、忽大忽小，發(fā)電機發(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，并向蓄電池進行充電。從蓄電池組輸出的直流電，通過逆變器后變成了 220 伏的交流電，供給用戶的家用電器。應用范圍：提供 220 伏交流電或 24 伏、36 伏或 48 伏直流電照明: 燈泡,節(jié)能燈家用電器:電視機、收音機、電風扇、洗衣機、電冰箱；該新型垂直軸風力發(fā)電機的特點為：１．額定功率（ｗ）：300２．輸出電壓（v）：24３．啟動風速（m/s）：2４．額定風速（m/s）：6 ５．最大使用風速（m/s）：20發(fā)電機為額定功率 300w，輸出電壓 24v。該新型垂直軸風力發(fā)電機的優(yōu)點為：１． 結構簡單２． 易維護３． 運行平穩(wěn)安全４． 抗強風能力強５． 操作簡單６． 價格低廉3.2 風葉采用帆翼式風葉，帆翼式是英國發(fā)展的一種立軸帆翼式風力機，結構簡單、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 行星齒輪加速器設計計算3.3.1 設計要求設計壽命 5 年，單班，一年 360 天，中等傳動，傳動逆轉，齒輪對稱布置，不允許點蝕，無嚴重過載，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力發(fā)電機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，結構簡單，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)： =3wN通過查表法確定了齒輪的齒數(shù)（機械手冊）：總傳動比 i =5.4太陽輪齒數(shù) =20sZ內(nèi)齒輪齒數(shù) =88r行星輪齒數(shù) =34P3.3.4 壓力角( )的選擇?我們國家和許多國家都把齒輪的標準壓力角規(guī)定為 ，因此，本次設計的變速箱采20?用 壓力角，以提高加工刀具的通用性。20?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 = = =1eN?610NsYpR取 =380MlimF?aPl. 相對齒根的圓角敏感系數(shù) STYrelT?查表得 太陽輪、行星輪、齒圈的敏感系數(shù)均為 =1relTY?m. 相對齒根表面狀況系數(shù) RrelTY查表得 =0.9RrelTn.應力修正系數(shù) =2So.齒輪的彎曲疲勞極限 ,limF?由公式 =,limFliNSTXRrellTY?=460 1 2 1 1 0.9=828（M ）,lis?aP=322 1 2 1 1 0.9=579.6（M ）,limFp?=380 1 2 1 1 0.9=684（M ）,liR a安全系數(shù) S= = =2.32s,limFsS?8356.7= = =1.57P,liFC9.= = =1.87RS,limF?6843.按具有高可靠性要求取最小安全系數(shù) =1.5 從而可看出：limFS〉 〉 〉sSminFPSinRinF所以彎曲強度校核通過。（2） 接觸疲勞強度校核a. 接觸強度的齒間載荷分配系數(shù) HK?太陽輪與行星輪嚙合時總重合度 1.47 查表得 =1.2???Hk?齒圈與行星輪嚙合時的總重合度 1.583 查表得 =1.2????Hk?b.節(jié)點區(qū)域系數(shù) HZ計算 = 2,1cosbtg?得 =2.3186HZc.彈性系數(shù) ?可由公式 =Z?43??得太陽輪與行星輪嚙合時 = =0.918Z?41.73?齒圈與行星輪嚙合時 = =0.8975?.58d.接觸疲勞強度極限 limH?太陽輪與行星輪是合金鋼滲碳處理， 取 1500MlimH?aP齒圈是合金鋼氮化處理， 取 1200Mliae.壽命系數(shù) NZ=60rnt5 所以 = = =1e?710NsZpNRf.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 /sLVR 40v2m的礦物油，則查表得：太陽輪和行星輪為 =0.9，齒圈為 =0.8LVRLVRZg.齒面工作硬化系數(shù) =1wZh.尺寸系數(shù) =1xi.齒輪的接觸疲勞極限 ,limH?由公式 =,limHliNZLVRWX=1500 1 0.9 1 1=1350M,liS??aP=1500 1 0.9 1 1=1350M,limHp??aP=1500 1 0.8 1 1=9600M,liRj.安全系數(shù) S= = =1.05s,limHs?350286.= = =1.05pS,lipc1.= = =1.47R,limHB?9605.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。limHS3.4 電磁離合器設計計算3.4.1 選型為滿足風力發(fā)電機工作環(huán)境的需要，在風力發(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，傳遞轉矩大，無空轉轉矩，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載轉矩，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，直到能帶動負載轉矩時才趨向穩(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，而對動態(tài)起動，則與相對轉速、負載特性、負載的增加情況以及牙的相對位置等因素有關。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 離合器的計算轉矩CTK?式中 T-離合器傳遞的理論轉矩，它包括工作轉矩和起動的慣性轉矩 T=2168（Nm） ；K-工作情況系數(shù) K=1.5所以 1.5 2168=3252（Nm）C?3.4.4 離合器的外徑=1332350.81cDT???3.4.5 離合器牙間的壓緊力Q ??2tancmT???式中 -牙形角， =?30?-摩擦角， =?8?-牙的平均直徑mD-銜鐵摩擦面的摩擦系數(shù)1?-銜鐵導向孔直徑d-彈簧推力， =40Fd3.4.6 線圈槽高度=20mm2310nsHwhft?????A式中 -線圈槽高度比， =5-傳熱系數(shù)， =11ss-填充系數(shù)， =0.6 HfHf-電阻系數(shù)， =0.017??2/m3.4.7 磁軛底部厚度= =4mm2hAd?3.4.8 銜鐵厚度=8mm2xb??一般取余量 =4A第四章 限速控制系統(tǒng)方案設計4.1 設計限速控制系統(tǒng)的目的功率調(diào)節(jié)是風力發(fā)電機的關鍵技術之一，我設計限速電磁離合器就是為了盡可能提高風力機風能轉換效率和保證風力機輸出功率平穩(wěn),并且防止因瞬時電量過大而毀壞發(fā)電機和電力設施的現(xiàn)象出現(xiàn)。4.2 限速控制系統(tǒng)方案分析本課題設計的限速控制系統(tǒng)是一個機電一體化系統(tǒng)，從控制觀點來看，整個系統(tǒng)可分為六部分:電磁離合器機構、電路、單片機、程序、編碼器、環(huán)境，其中的電路、單片機、程序、編碼器等部分構成了控制系統(tǒng)。目前風力發(fā)電機中投入運行的機組主要有兩類功率調(diào)節(jié)方式:一類是定漿距失速控制;另一類是變漿距控制。定漿距失速控制是指大功率高轉速的發(fā)動機工作于高風速區(qū),小功率低轉速的發(fā)動機工作于低風速區(qū), 通過葉片的失速或偏航控制來追求最高的發(fā)電效率。實際上難以做到功率恒定,通常有些下降, 變漿距控制是指通過改變與葉片相匹配的葉片攻角來調(diào)節(jié)風力機發(fā)電效率。這兩種公路調(diào)節(jié)方式都存在反應慢而造成瞬時過載的缺點。我設計的電磁離合器控制系統(tǒng)是通過程序?qū)﹄姶烹x合控制，當風力發(fā)電機轉速超過額定轉速時，控制系統(tǒng)會使電磁離合器分離，當速度降低到額定轉速時電磁離合器將閉合，帶動發(fā)電機發(fā)電。這個系統(tǒng)有反應速度快、準確、成本低的特點。4.3 單片機本課題模型采用的單片機是 AT89C51，單片機是指一個集成在一塊芯片上的完整計算機系統(tǒng)。盡管他的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個完整計算機所需要的大部分部件：CPU、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會具有外存。同時集成諸如通訊接口、定時器，實時時鐘等外圍設備。而現(xiàn)在最強大的單片機系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡、復雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。 4.4 信號采集本課題模型用編碼器來采集信號，把編碼器高低電平的變化的信號傳入單片機，單片機對信號進行分析，判斷電磁離合器通電還是斷電。4.5 電路本模型的電路包括單片機最小電路和上電復位電路，這個裝置可以用匯編語言來指導自動化運作與電腦差不多，讀入數(shù)據(jù)后，依據(jù)半導體進行邏輯運算，并把結果輸出。從而達到根據(jù)轉速控制電磁離合器的目的。圖4-1 電磁離合器控制系統(tǒng)電路圖4.6 限速控制程序4.6.1 定時器周期本模型設計 50ms 為一個周期，所以定時器必須工作于方式 1。定時器初值為：TC=M-T/ = =15536=3CB0HT計 數(shù) 16250ms/??4.6.2 程序流程圖圖4-2 程序流程圖