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小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)及限速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
第一章 概述
1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)概況
風(fēng)能的利用有著悠久的歷史。近年來, 資源的短缺和環(huán)境的日趨惡化使世界各國開始重視開發(fā)和利用可再生、且無污染的風(fēng)能資源。自80年代以來, 風(fēng)能利用的主要趨勢是風(fēng)力發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電最初出現(xiàn)在邊遠(yuǎn)地區(qū), 應(yīng)用的方式主要有: 1) 單獨(dú)使用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)供家庭住宅使用; 2) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)與其它電源聯(lián)用可為海上導(dǎo)航設(shè)備和遠(yuǎn)距離通信設(shè)備供電; 3) 并入地方孤立小電網(wǎng)為鄉(xiāng)村供電。
隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展, 風(fēng)力發(fā)電迅猛發(fā)展。以機(jī)組大型化(50kW～ 2MW )、集中安裝和控制為特點(diǎn)的風(fēng)電場(也稱風(fēng)力田、風(fēng)田) 成為主要的發(fā)展方向。20 年來, 世界上已有近30 個(gè)國家開發(fā)建設(shè)了風(fēng)電場(是前期總數(shù)的3 倍) , 風(fēng)電場總裝機(jī)容量約1400 萬kW (是前期總數(shù)的100 倍)。目前, 德國、美國、丹麥以及亞洲的印度位居風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量前列, 且未來計(jì)劃投資有增無減。美國能源部預(yù)測2010 年風(fēng)電至少達(dá)到國內(nèi)電力消耗的10%。歐盟5 國要在2000～ 2002 年達(dá)到本國總發(fā)電量的10%左右, 丹麥甚至計(jì)劃2030 年要達(dá)到40%。
中國是一個(gè)風(fēng)力資源豐富的國家, 風(fēng)力發(fā)電潛力巨大。據(jù)1998 年統(tǒng)計(jì), 風(fēng)力風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)22.36萬kW , 僅占全國電網(wǎng)發(fā)電總裝機(jī)的0.081% , 相對(duì)于可開發(fā)風(fēng)能資源的開發(fā)率僅為0.088%。
中國第一座風(fēng)力發(fā)電場于1986 年在山東榮成落成, 總裝機(jī)較小, 為3×55kW。到1993 年我國風(fēng)電場總裝機(jī)容量達(dá)17.1MW , 1999 年底, 我國共建了24 個(gè)風(fēng)力發(fā)電場, 總裝機(jī)268MW。我國風(fēng)力發(fā)電場主要分布在風(fēng)能資源比較豐富的東南沿海、西北、東北和華北地區(qū), 其中風(fēng)電裝機(jī)容量最多的是已達(dá)72.35kW。在未來2～ 3 年內(nèi), 我國計(jì)劃新增風(fēng)電場裝機(jī)容量將在800MW 以上, 并且將會(huì)出現(xiàn)300～ 400MW 的特大型風(fēng)力發(fā)電場。
1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究現(xiàn)狀
1.2.1 國外風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研制情況
美國從1974年起對(duì)風(fēng)能進(jìn)行系統(tǒng)的研究，能源部對(duì)風(fēng)能項(xiàng)目的投資累計(jì)已達(dá)到25億美元。許多著名大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)都參加了風(fēng)能的研究開發(fā)，目前己安裝了8個(gè)巨型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。到19%年末，風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量己達(dá)到170xkw，所提供的電力占全美電力需求量的10%，居世界之首位，主要集中在加利福尼亞州。美國國會(huì)己通過了能源政策法，在能源部的規(guī)劃下，將會(huì)改變風(fēng)力發(fā)電集中于加利福尼亞的局面，在年平均風(fēng)速達(dá)5.6m/s的中西部12個(gè)州將建風(fēng)力電站。據(jù)能源部預(yù)測，在未來15年內(nèi)，風(fēng)電將增加6倍。在今后2年內(nèi)，在懷俄明、伊阿華、明尼蘇達(dá)、得克薩斯、佛蒙特、緬因州等修建大型風(fēng)電場，這些風(fēng)電場將使美國風(fēng)力發(fā)電能力再增加40xkw，預(yù)計(jì)到2010年，風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到630xkw，可滿足全美電力需求量的25%。
德國是歐洲風(fēng)力發(fā)電增長最快的國家，近年風(fēng)力發(fā)電量急增，尤其沿海各州，風(fēng)力發(fā)電發(fā)展迅速，己超過丹麥，成為世界第二。到1995年己建成1035座風(fēng)力發(fā)電裝置，裝機(jī)容量49.4xkw，1996年新裝機(jī)約950座，裝機(jī)容量為48xkw，到19%年底德國己擁有4500座風(fēng)力發(fā)電裝置，總裝機(jī)容量達(dá)到約160xkw，1997年估計(jì)可增加5xkw，可為20多萬個(gè)家庭提供日常用電。這些風(fēng)力發(fā)電裝置中的1600個(gè)是政府投資建設(shè)的。裝機(jī)容量超過1OO0kW的風(fēng)電場有250個(gè)，300OkW的最大風(fēng)電場已投入使用，發(fā)電能力63xkw，西部5xkw風(fēng)力發(fā)電計(jì)劃可望在2一3年內(nèi)完成，并投入運(yùn)行。德國80%的風(fēng)力發(fā)電裝置都是安裝在沿海地區(qū)，沿海各州已擬訂其風(fēng)力發(fā)展規(guī)劃，下薩克森州計(jì)劃到2005年，將風(fēng)力發(fā)電能力增至13Oxkw，斯雷蘇比克一霍爾斯泰因州議會(huì)決定到2010年建設(shè)120xkw風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，要求該地區(qū)配電公司、Schleswag電力公司大力配合，該公司管轄區(qū)內(nèi)的風(fēng)電場裝機(jī)已達(dá)33.7xkw，該公司也得到IPP(獨(dú)立系統(tǒng)發(fā)電業(yè)者)大力協(xié)助，預(yù)定進(jìn)行198xkw風(fēng)電場的建設(shè)。
丹麥?zhǔn)秋L(fēng)力發(fā)電先進(jìn)國家之一，它將風(fēng)力發(fā)電作為國策，已有風(fēng)力發(fā)電站近4000座，總裝機(jī)容量73xkw，發(fā)電總量達(dá)到634xw，相當(dāng)于一個(gè)中等規(guī)模的核電站發(fā)電量，占全國能源總消耗量的3.7%。丹麥政府在“能源2000計(jì)劃”中規(guī)定，到2005年，風(fēng)力發(fā)電目標(biāo)為150xkw，相當(dāng)于國內(nèi)電力消費(fèi)量的10%，到2020年，風(fēng)力+PV+波力確保電力需要的25%，現(xiàn)在計(jì)劃有減緩的傾向。環(huán)境廳對(duì)各自治體提出要求，要求他們單獨(dú)提出風(fēng)力發(fā)電裝置建設(shè)計(jì)劃，預(yù)計(jì)未來10年風(fēng)力發(fā)電量將達(dá)到1500w。
荷蘭1986年開始實(shí)施風(fēng)力發(fā)電研究，開發(fā)5年計(jì)劃NOW和引入風(fēng)力發(fā)電5年計(jì)劃IPW。目標(biāo)為1991年末總裝機(jī)容量達(dá)到5kw，但計(jì)劃沒達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，只達(dá)到4.9xkw，318座，發(fā)電總量5.5xkw·h，其后決定實(shí)施1991一1996年目標(biāo)為40xkw的TWI五年計(jì)劃。計(jì)劃目標(biāo)是1994年末風(fēng)力發(fā)電能力達(dá)到14.4xkw，629座，發(fā)電量為24.7xkw.h，為荷蘭總發(fā)電量的1.2%。到1996年末，風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量己達(dá)到3zxkw，2000年為50xkw。
英國英倫三島的風(fēng)力資源相當(dāng)豐富，特別是蘇格蘭是世界風(fēng)力資源最豐富的地區(qū)之一。英政府歷來重視風(fēng)能等非化石燃料的開發(fā)，目前英國己有20多個(gè)風(fēng)電場投入運(yùn)行，到19%年總裝機(jī)容量己達(dá)到26.4xkw，2000年達(dá)到80xkw。
瑞典從七十年代開始風(fēng)力發(fā)電的開發(fā)，經(jīng)過20多年的努力，己成為該領(lǐng)域的領(lǐng)先者之一，到19%年底，裝機(jī)容量己達(dá)到9.5xkw。220多座風(fēng)力發(fā)電站，大部分位于南部地區(qū)和波羅的海的厄蘭島及哥德蘭島上，哥德蘭島的風(fēng)力發(fā)電量可保證全島68%的能源需求。為了更充分地利用風(fēng)力資源，瑞典成立了包括一系列電力供應(yīng)公司的專門財(cái)團(tuán)，目標(biāo)是在近幾年內(nèi)使風(fēng)力發(fā)電量增加4倍。瑞典由于場地問題，致力于海洋風(fēng)力發(fā)電。由于建設(shè)費(fèi)和與輸電的連接費(fèi)用高，所以規(guī)模有大型化的傾向。
1.2.2 國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研制情況
1.2.2.1 我國風(fēng)力發(fā)電概況
中國利用風(fēng)能己有悠久的歷史，古代甲骨文字中就有“帆”字存在，1800年前東漢劉熙著作里有“隨風(fēng)張慢曰帆”的敘述，說明我國是利用風(fēng)能最早的國家之一。1637年明崇幀十年《天工開物》書里有“揚(yáng)郡以風(fēng)帆數(shù)頁，侯風(fēng)轉(zhuǎn)車，風(fēng)息則止”的記載，表明在明代以前，我國勞動(dòng)人民就會(huì)制作將線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的風(fēng)車，在風(fēng)能利用上前進(jìn)了一大步。
我國東南沿海向來有風(fēng)力提水的使用習(xí)慣，江蘇省1959年曾有多達(dá)20余萬臺(tái)提水風(fēng)車，后來大部分風(fēng)車被柴油、電力所取代，但部分地區(qū)一直使用風(fēng)力提水。50年代中期曾研制小型現(xiàn)代化風(fēng)力提水裝置，50年代后期開始研究小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，但限于當(dāng)時(shí)技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件，小型機(jī)組在試驗(yàn)中受挫而停頓。至70年代，先后試制了1、2、10、12、18、20千瓦樣機(jī)，其中18千瓦機(jī)組于1972年7月安裝在浙江省紹興縣雄鵝峰上，1976年11月遷裝到底泅縣菜園鎮(zhèn)運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電，一直運(yùn)行到1986年8月。1978年將研制風(fēng)電設(shè)備列為國家重點(diǎn)科研項(xiàng)目后，進(jìn)展加快，先后研制生產(chǎn)了微型和1一200千瓦風(fēng)電機(jī)組，其中以戶用微型機(jī)組技術(shù)最為成熟，己有100、150、200、300和500瓦微型機(jī)組系列定型和批量生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量良好，不但可滿足國內(nèi)需要，還遠(yuǎn)銷國外。1998年底，全國安裝微型機(jī)組178574臺(tái)，約計(jì)1.7萬千瓦，還有獨(dú)立供電機(jī)組，已有1.2、2.5、5、7.5和10千瓦機(jī)組，以銷定產(chǎn)小批量生產(chǎn)。在網(wǎng)外無電地區(qū)，推廣微型、小型風(fēng)電機(jī)組，是解決無電農(nóng)牧民用電的有效途徑，有其獨(dú)特的優(yōu)越性，也是中國發(fā)展微型、小型風(fēng)電機(jī)組的特色。在網(wǎng)外地區(qū)利用風(fēng)柴蓄聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，能獲得穩(wěn)定的電力，又有明顯的節(jié)油效果，發(fā)展該系統(tǒng)，將促進(jìn)風(fēng)力從為生活服務(wù)轉(zhuǎn)向?yàn)樯a(chǎn)提供電力，從而跨上一個(gè)新水平。風(fēng)/光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，能有效地利用自然資源。在我國很多地區(qū)，冬半年風(fēng)大，太陽輻射強(qiáng)度?。幌陌肽觑L(fēng)小，太陽輻射強(qiáng)度大，兩種能源的分布季節(jié)正好相反，互補(bǔ)利用可滿足用戶用電需求。
在國際上，80年代中期，商品機(jī)組以55一150千瓦為主，山東榮成進(jìn)口355千瓦機(jī)組，1986年并網(wǎng)發(fā)電，達(dá)阪城和廣東南澳進(jìn)口90千瓦、100千瓦和150千瓦機(jī)組計(jì)17臺(tái)，裝機(jī)容量4490千瓦，均于1989年并網(wǎng)發(fā)電。90年代初期國外商品機(jī)組單機(jī)容量200一300千瓦，1992一1996年我國進(jìn)口風(fēng)電機(jī)組以200一300千瓦機(jī)組為主，1996年建成17個(gè)風(fēng)電場，裝機(jī)合計(jì)57700千瓦。90年代中期500一600千瓦商品機(jī)組推向市場，批量生產(chǎn)，標(biāo)志著商品機(jī)組技術(shù)日臻成熟，造價(jià)相應(yīng)下降。1996年，國家在“雙加”工程中，按照扶強(qiáng)扶優(yōu)的原則，選擇了達(dá)阪城二廠、輝騰錫勒、括蒼山和張北四個(gè)風(fēng)電場進(jìn)行重點(diǎn)改造，進(jìn)口133x600千瓦、13x300千瓦機(jī)組，合計(jì)83700千瓦，分別于1997一1998年竣工驗(yàn)收。同年，國家計(jì)委又制定乘風(fēng)計(jì)劃”，旨在以技貿(mào)結(jié)合形式，與國外組建合資企業(yè)，在建設(shè)24萬千瓦風(fēng)電場的同時(shí)，引進(jìn)技術(shù)，消化吸收，達(dá)到自主開發(fā)、自行設(shè)計(jì)制造大型風(fēng)電機(jī)組的能力。1996年采用招標(biāo)評(píng)議方式確定“中國第一拖拉機(jī)工程機(jī)械(集團(tuán))公司”和“西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)公司”為大型風(fēng)電機(jī)組總裝廠;1998年上述中標(biāo)公司分別同外商合資成立“洛陽美德風(fēng)電設(shè)備有限公司”和“西安維德風(fēng)電設(shè)備有限公司”，標(biāo)志著中國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)揭開了嶄新的一頁。
我國風(fēng)電的利用大體上采用三種方式，一是戶用式，可獨(dú)立運(yùn)行，用蓄電池，直流輸出或逆變交流輸出;單機(jī)容量為100一300W，可基本滿足照明、電視等家用電器的生活用電需要。其次是孤立的小居民區(qū)用，獨(dú)立運(yùn)行，有蓄電池、直流輸出或逆變交流輸出，統(tǒng)一向各家各戶供電或每天為其更換蓄電池，單機(jī)容量為1一5kw。這種方式也可供無電風(fēng)區(qū)邊防哨所、氣象臺(tái)站、雷達(dá)站、電視差轉(zhuǎn)臺(tái)以及無電區(qū)小火車站使用。三是建立風(fēng)電場，聯(lián)網(wǎng)后輸出，有的與柴油發(fā)電機(jī)組或太陽能電站聯(lián)合，有穩(wěn)定的輸出。目前己有14座稍具規(guī)模的風(fēng)電場，他們是達(dá)坂城、廣東南澳島、內(nèi)蒙呼和浩特輝騰錫勒、內(nèi)蒙朱日和、內(nèi)蒙商都大山灣、遼寧瓦房店東崗、瓦房店橫山、福建平潭、浙江嗓泅、浙江大陳島、山東榮成馬蘭、山東長島、海南東方、浙江蒼南鶴頂山。正在籌建中的還有浙江臨海括蒼山、浙江舟山、內(nèi)蒙錫林、廣東海陵島等。
風(fēng)電的特點(diǎn)是一次性投資高，每千瓦約需1000一1200美元，再加上進(jìn)口關(guān)稅12%、進(jìn)口環(huán)節(jié)增值稅17%，使設(shè)備成本提高31%。據(jù)內(nèi)蒙古電管局反映，不含稅風(fēng)電價(jià)為0.63元kw.h，比火電價(jià)高出0.35元。目前主要是小規(guī)模的開發(fā)，如果要進(jìn)一步發(fā)展，已遇到資金短缺、設(shè)備不過關(guān)、進(jìn)口關(guān)稅過重等三大困難。
1.2.2.2 我國風(fēng)力機(jī)械行業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到1993年底，全國生產(chǎn)風(fēng)電機(jī)組、風(fēng)力提水機(jī)組及配套件的工廠共39家，其中主機(jī)27家;職工近4000人，工程技術(shù)人員400余人;從事科研開發(fā)有35家院校，科技人員250人。商品化風(fēng)電機(jī)組有9種，從100w到5kw，年生產(chǎn)能力3萬臺(tái)，累計(jì)出口近1000臺(tái)小型風(fēng)電機(jī)。1995年全國生產(chǎn)風(fēng)電機(jī)組8190臺(tái)，風(fēng)力提水機(jī)組50臺(tái)。目前全國小型風(fēng)電機(jī)組保有量巧萬臺(tái)，居世界首位。近幾年來己建立14處規(guī)模不等的大中型風(fēng)電場，至1995年共安裝55kw以上機(jī)組186臺(tái)，總裝機(jī)容量為37Mw。預(yù)測到2000年，需要小型風(fēng)電機(jī)(1okw以下)22萬臺(tái);大中型風(fēng)電機(jī)組(20kw以上)4000臺(tái);風(fēng)力提水機(jī)組6000臺(tái)。
行業(yè)存在的主要問題有:
(l)產(chǎn)品品種不全目前雖然我國己能大批量生產(chǎn)小型風(fēng)電機(jī)組，1995年并出口印尼100W及300W小型風(fēng)電機(jī)各250臺(tái)，價(jià)值340余萬元，但還停留在研究開發(fā)55kw、250kW的風(fēng)電機(jī)階段。國外現(xiàn)在已做到600kW機(jī)組商品化，正在準(zhǔn)備批量生產(chǎn)750kw、1MW機(jī)組。
(2)科研生產(chǎn)能力薄弱風(fēng)力機(jī)械行業(yè)歸口于畜牧機(jī)械，稍具規(guī)模的企業(yè)只有內(nèi)蒙商都牧機(jī)廠和內(nèi)蒙動(dòng)力機(jī)廠，缺少先進(jìn)設(shè)備，影響產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益的提高。隨著風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展，已有不少實(shí)力雄厚的單位加入，并取得初步成果。例如200kW風(fēng)電機(jī)組的研制由浙江機(jī)電研究院、杭州發(fā)電設(shè)備廠、上海玻璃鋼研究所、中國空氣動(dòng)力研究中心、同濟(jì)大學(xué)、清華大學(xué)等8個(gè)單位聯(lián)合承擔(dān)。樣機(jī)于1995年9月在浙江蒼南風(fēng)電場完成2000小時(shí)運(yùn)行考核，1997年4月19日通過國家科委的鑒定，不久將實(shí)施中試生產(chǎn)。又如第一拖拉機(jī)工程機(jī)械集團(tuán)704分廠承擔(dān)了250kw風(fēng)電機(jī)組的研制及組裝任務(wù)，保定550廠協(xié)作生產(chǎn)葉片，該項(xiàng)目屬于一拖與德國胡蘇姆造船廠合作生產(chǎn)協(xié)議，總框架為200臺(tái)，首批10臺(tái)得到了德國政府補(bǔ)貼，1995年12月4臺(tái)電風(fēng)機(jī)己在內(nèi)蒙錫林浩特風(fēng)電場并網(wǎng)發(fā)電。再如1996年2月9日北京萬電公司(隸屬于中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院)與奧地利比爾公司簽訂引進(jìn)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，專門從事500kw以上風(fēng)電機(jī)的生產(chǎn)。1996年10月還簽訂3項(xiàng)合同，內(nèi)容為:由電力局與丹麥維斯塔思公司，內(nèi)蒙古電管局、浙江省電力局與丹麥麥康公司合作，除引進(jìn)122臺(tái)600kw風(fēng)電機(jī)之外，還將在國內(nèi)組裝生產(chǎn)600kw風(fēng)電機(jī)組。
今后風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展趨勢如何?一是增加風(fēng)輪的直徑和塔架的高度，向超大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展，目前世界上最大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)建立在美國北卡羅來納州的蘭嶺山上，發(fā)電功率是兩千瓦，年發(fā)電量是330萬度，相當(dāng)3300噸煤發(fā)出的電量；另一方面是向新型立體式風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展。立體式風(fēng)力發(fā)電機(jī)即風(fēng)力發(fā)電機(jī)的軸和風(fēng)的方向垂直。它克服了一般風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片需要不斷增長和提高塔架以及在材料和加工工藝等方面的困難。這樣來自任何方向的風(fēng)都可以充分利用，提高了風(fēng)能利用率。又可以降低高大的支撐鐵塔，結(jié)果造價(jià)低，重量也輕了許多。
1.3 研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)的目的和意義
中國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費(fèi)國，能源利用以煤炭為主。在當(dāng)前以石化能源為主體的能源結(jié)構(gòu)中，煤炭占73.8%，石油占18.6%，天然氣占2%，其余為水電等其它資源。在電力的能源消費(fèi)中，也是以煤炭為主，燃煤發(fā)電量占總發(fā)電量的80%。但是，能為人類所用的石化資源是有限的，據(jù)第二屆環(huán)太平洋煤炭會(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采200年。此外，石油探明儲(chǔ)量預(yù)測僅能開采34年，天然氣約能開采60年。隨著人口的增長和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源供需矛盾加劇，如果不趁早調(diào)整以石化能源為主體的能源結(jié)構(gòu)，勢必形成對(duì)數(shù)億年來地球積累的生物石化遺產(chǎn)更大規(guī)模的挖掘、消耗，由此將導(dǎo)致有限的石化能源趨于枯竭，人類生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降的惡性循環(huán)，不利于經(jīng)濟(jì)、能源、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。電力部己制定“大力發(fā)展水電，繼續(xù)發(fā)展火電，適當(dāng)發(fā)展核電，積極發(fā)展新能源發(fā)電”的基本原則，把風(fēng)力發(fā)電作為優(yōu)化我國電力工業(yè)結(jié)構(gòu)跨世紀(jì)的戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)。八屆人大四次會(huì)議批準(zhǔn)的我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展“九五”計(jì)劃和2010年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要中提出“積極發(fā)展風(fēng)能、海陽能、地?zé)崮艿刃履茉窗l(fā)電”的指導(dǎo)方針，為我國發(fā)展多能互補(bǔ)的能源結(jié)構(gòu)新格局起到了指導(dǎo)和促進(jìn)作用。
風(fēng)能是對(duì)人類生存環(huán)境影響最小的能源。除此之外，風(fēng)能資源非常豐富，取之不盡，用之不竭。據(jù)統(tǒng)計(jì)，太陽向地球輻射的巨大能量中，約有1%轉(zhuǎn)化為風(fēng)能。這些能量相當(dāng)于全球每年消耗的煤、石油等化石燃料能量的總和，可見風(fēng)能的潛力是非常大的。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)日趨成熟，風(fēng)力發(fā)電規(guī)模也不斷擴(kuò)大，美國加州由數(shù)家風(fēng)能公司提供給電網(wǎng)的電量，足以供應(yīng)舊金山這樣的大城市的居民需求。我國風(fēng)電事業(yè)近年來發(fā)展較快，已有16萬臺(tái)微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)用于邊遠(yuǎn)山區(qū)、牧區(qū)、海島，初步解決了地處邊遠(yuǎn)，居住分散，電網(wǎng)難以到達(dá)地區(qū)的居民用電問題。同時(shí)也遏制了微型汽油發(fā)電機(jī)的發(fā)展，在節(jié)約石化燃料的同時(shí)，避免了各種有害氣體的排放。國家“九五”新能源發(fā)展計(jì)劃提出，“九五”期間全國風(fēng)力發(fā)電的總裝機(jī)容燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文量要突破40萬千瓦。為此，國家從宏觀規(guī)劃角度出發(fā)，制定了“乘風(fēng)計(jì)劃”，面向國內(nèi)外市場發(fā)展風(fēng)力發(fā)電?！俺孙L(fēng)計(jì)劃”不僅會(huì)大大促進(jìn)我國風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展，而且對(duì)減排有害污染物，促進(jìn)環(huán)境的改善有著重要意義。
風(fēng)力發(fā)電近幾年發(fā)展如此之快，是因?yàn)樗性S多優(yōu)點(diǎn)：1.設(shè)備簡單，投資少，成本低，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整個(gè)設(shè)備成本不足功率相當(dāng)?shù)幕鹆Πl(fā)電，水力發(fā)電和核電站成本的1/4，在二、三年內(nèi)就可以收回全產(chǎn)投資；2.節(jié)省燃料和運(yùn)輸費(fèi)用。在風(fēng)力資源豐富的地區(qū)，風(fēng)力是取之不盡，用之不竭的，可就地建立風(fēng)力發(fā)電站，就地用電，這樣就可以節(jié)省大量的輸電設(shè)備和能源。許多燃料是十分重要的化學(xué)原料，把它白白的燃掉是十分可惜的。我國資源并不十分豐富，充分利用風(fēng)力資源意義就更重大了；3.利用風(fēng)力可以減少對(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)力能源則沒有任何影響人類健康的有害物質(zhì)。
由于它是清潔能源，對(duì)環(huán)境無污染，又由于我們國家地形復(fù)雜，人口又多，居住分散，對(duì)于電網(wǎng)涉及不到的地區(qū)，特殊行業(yè)，可以補(bǔ)充大電網(wǎng)的缺陷，起到拾遺補(bǔ)缺的作用，可以利用小型風(fēng)機(jī)風(fēng)力發(fā)電的地方主要有：
(l)航運(yùn)系統(tǒng)我們有長江等水系幾條大河流，如長江航運(yùn)中的拖船，一般在100一200噸，經(jīng)常被擱置在江中間的錨地上，用電主要靠蓄電池。使用風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)蓄電池補(bǔ)充充電效果很好，這方面有成功的經(jīng)驗(yàn)。但是，由于國有運(yùn)輸企業(yè)的不景氣，影響了市場。
另外，我們大小河流湖泊上的船舶數(shù)量驚人，用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)解決它們的照明、收視電視、聽廣播，有很重要的意義和市場。
(2)森林防火高山觀察站據(jù)林業(yè)部防火指揮部介紹，東北約有400個(gè)觀察站，西南也有幾百個(gè)高山觀察站，各省市都有一些森林高山防火觀察站，站上的工作人員，在防火期從10月到第二年4、5月期間晝夜在站上值勤，解決他們的照明及聽廣播、看電視頗為費(fèi)神。由于山高、道路狹窄歧嶇、運(yùn)輸困難，又不能使用明火，使用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以基本解決觀察站的照明及娛樂用電。90年代初，個(gè)別觀察站曾使用過小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的某些技術(shù)問題及使用人員的素質(zhì)因素，沒有得到推廣。
(3)無人值守的差轉(zhuǎn)臺(tái)和微波站。
(4)東南沿海各孤立的島嶼。
(5)圍網(wǎng)養(yǎng)殖系統(tǒng)。
(6)農(nóng)牧區(qū)。
(7)國際市場。
1.4 我國的風(fēng)能資源及其分布
風(fēng)能是地球表面空氣移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能。由于風(fēng)速是一個(gè)隨機(jī)性很大的量，必須通過長時(shí)間的觀測才能算出平均風(fēng)功率密度。
根據(jù)風(fēng)的氣候特點(diǎn)，一般選取10年風(fēng)速資料中年平均風(fēng)速最大、最小和中間的3個(gè)年份為代表年份，分別計(jì)算該3個(gè)年份的風(fēng)功率密度然后加以平均，其數(shù)值可以作為當(dāng)?shù)亻L年風(fēng)功率密度平均值。中國氣象科學(xué)研究院計(jì)算了全國900余個(gè)氣象站的年平均風(fēng)功率密度值，該值反映出全國風(fēng)能資源分布狀況，以及各個(gè)地區(qū)風(fēng)能資源潛力。
中國10m高度層的風(fēng)能總儲(chǔ)量為3226GW，這個(gè)儲(chǔ)量稱作風(fēng)能“理論可開發(fā)總量”。實(shí)際可供開發(fā)的量按上述總量的1/lO估計(jì)，并考慮風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置風(fēng)輪的實(shí)際掃掠面積，再乘以面積系數(shù)O.785(即直徑為lm的圓面積是邊長為lm的正方形面積的0.785)，得到中國10m高度層實(shí)際可開發(fā)的風(fēng)能儲(chǔ)量為253GW。這個(gè)數(shù)量比1996年全國發(fā)電總裝機(jī)容量還大，說明中國風(fēng)能資源豐富，但是可供經(jīng)濟(jì)開發(fā)的風(fēng)能儲(chǔ)量數(shù)據(jù)尚需進(jìn)一步查明。
中國風(fēng)能豐富的地區(qū)主要分布在西北、華北和東北的草原或戈壁，以及東部和東南沿海及島嶼，這些地區(qū)一般都缺少煤炭等常規(guī)能源。中國風(fēng)力大小的出現(xiàn)規(guī)律是冬、春季風(fēng)大，降雨量少;夏季風(fēng)小，降雨量大。這一特點(diǎn)恰與水電的枯水期和豐水期有著較好的互補(bǔ)性。圖1-1示出了中國有效風(fēng)能密度分布狀況。
由于我國地形復(fù)雜，風(fēng)的地區(qū)性差異很大，有必要將我國的風(fēng)能資源的大體分布列出，以便于人們了解哪些地區(qū)有開發(fā)利用風(fēng)能的潛力。中國風(fēng)能資源豐富的省區(qū)于表1一l。
一般風(fēng)能資源的潛力和特征用有效風(fēng)能密度和可利用年積累小時(shí)數(shù)兩個(gè)指標(biāo)表示。根據(jù)有關(guān)氣象資料，我國可利用風(fēng)能地區(qū)有三個(gè)，即風(fēng)能豐富區(qū)、較豐富區(qū)、可利用區(qū)，列表1一2如下:
圖1-1 中國有效風(fēng)能密度分布狀況
表1一1 中國風(fēng)能資源比較豐富的地區(qū)
表1-2 我國風(fēng)能資源分布情況
第二章 風(fēng)力機(jī)理論
2.1 基本公式
2.1.1 風(fēng)能利用系數(shù)
風(fēng)力機(jī)從自然風(fēng)能中吸收的能量大小程度用風(fēng)能利用系數(shù)表示。橫截面積為s()的氣流的動(dòng)能為
2.1.2 風(fēng)壓強(qiáng)
如圖2-1a，根據(jù)伯努力方程，風(fēng)中物體受到的風(fēng)壓Q為
2.1.3 阻力式風(fēng)力機(jī)的最大效率
建立簡單的理想模型，一個(gè)平板在風(fēng)的氣動(dòng)壓力作用下沿著風(fēng)速方向運(yùn)動(dòng)，如圖2-lb，并規(guī)定平板上游一定距離上的風(fēng)速為，平板的運(yùn)動(dòng)速度為v，那么平板吸收的功率可以表示為
圖2-1 平板模型
對(duì)給定的上游風(fēng)速玲，可以寫出以平板的運(yùn)動(dòng)速度V為函數(shù)的功率變化關(guān)系式，對(duì)v進(jìn)行微分得
從上式中可以看出，阻力式風(fēng)力機(jī)的效率是比較低的，提高效率的唯一辦法是設(shè)法提高風(fēng)的阻力系數(shù)C。
2.2 工作風(fēng)速與輸出功率
2.2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出效率
最理想的風(fēng)力機(jī)也不可能吸收全部的風(fēng)能，而只能吸收部分風(fēng)能。如上一節(jié)推導(dǎo)的那樣，有一個(gè)最大風(fēng)能利用系數(shù)。但是，風(fēng)力機(jī)在制做過程中，由于受到各種條件的限制，做不到完全理想的形狀。因此實(shí)際的風(fēng)力機(jī)和理想的風(fēng)力機(jī)之間也有差異。實(shí)際風(fēng)力機(jī)吸收的功率與理想風(fēng)力機(jī)吸收的功率的比值叫做風(fēng)力機(jī)的效率。用表示。另外還有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率甲和發(fā)電機(jī)的效率等，所以實(shí)際風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的效率，可以表示為
2.2.2 工作風(fēng)速與輸出功率
風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)時(shí)，為了克服其內(nèi)部的摩擦阻力而需要一定的力矩。這一最低力矩值叫做風(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)力矩。啟動(dòng)力矩主要與風(fēng)力機(jī)本身的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)摩擦阻力有關(guān)·因此風(fēng)力機(jī)有一最低工作風(fēng)速稱，只有風(fēng)速大于時(shí)風(fēng)力機(jī)才能工作。
當(dāng)風(fēng)速超過某一值的時(shí)候，基于安全上的考慮(主要是塔架和槳葉強(qiáng)度)，風(fēng)力機(jī)應(yīng)該停止運(yùn)轉(zhuǎn)，所以每一臺(tái)風(fēng)力機(jī)都規(guī)定有最高風(fēng)速，最高風(fēng)速與風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度有關(guān)，是設(shè)計(jì)時(shí)給定的參數(shù)。
最小風(fēng)速稱，和最大風(fēng)速之間的風(fēng)速叫做風(fēng)力機(jī)的工作風(fēng)速，相應(yīng)于工作風(fēng)速風(fēng)力機(jī)有功率輸出。當(dāng)風(fēng)力機(jī)的輸出功率達(dá)到標(biāo)稱功率時(shí)的工作風(fēng)速叫做該風(fēng)力機(jī)的額定風(fēng)速。
2.2.3 啟動(dòng)風(fēng)速和額定風(fēng)速的選定
如何根據(jù)風(fēng)能資源來選用風(fēng)力機(jī)，使風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)最佳，確定起動(dòng)風(fēng)速和額定風(fēng)速是關(guān)鍵。
2.2.3.1 雙參數(shù)威布爾分布 風(fēng)能就是流動(dòng)空氣具有的動(dòng)能。單位時(shí)間通過垂直于空氣流的單位面積的空氣流所具有的動(dòng)能叫風(fēng)能密度，設(shè)為空氣密度，v為風(fēng)速，則風(fēng)能密度p=0.5，隨v的立方增大，變化非?？欤手里L(fēng)速的變化情況是利用風(fēng)能的先決條件。
風(fēng)速V是隨機(jī)變量，經(jīng)研究專家們多認(rèn)為用雙參數(shù)威布爾概率密度函數(shù)擬合風(fēng)速頻率分布最好腳。威布爾分布函數(shù)形如下式
其中K為形狀參數(shù)，無量綱，C為尺度參數(shù)，量綱為m。不同地區(qū)，不同時(shí)期參數(shù)K、C是不同的，可根據(jù)某地連續(xù)30年的風(fēng)資料算出該地的K、C參數(shù)，威布爾分布函數(shù)曲線見圖2-2。參數(shù)K、C影響曲線形狀，K大C大曲線陡峻，峰右移，反之亦然。
圖2-2 威布爾分布函數(shù)曲線
上式滿足
2.2.3.2 起動(dòng)風(fēng)速 啟動(dòng)風(fēng)速為風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪由靜止開始轉(zhuǎn)動(dòng)并能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的最小風(fēng)速:風(fēng)力機(jī)分水平軸和垂直軸兩大類，每一類又有多種形式，同一形式還有若干種規(guī)格，只有科學(xué)地選擇適合當(dāng)?shù)仫L(fēng)能資源的風(fēng)力機(jī)，才能以較少的投資獲取較多的風(fēng)能。
根據(jù)國內(nèi)外100多種風(fēng)力機(jī)，起動(dòng)風(fēng)速的范圍是2m，至6m，這一范圍能滿足風(fēng)能豐富區(qū)、較豐富區(qū)、可利用區(qū)的不同需要。
雙參數(shù)威布爾分布函數(shù)曲線峰值對(duì)應(yīng)的凡就是起動(dòng)風(fēng)速(圖2-2)。對(duì)上式求一階導(dǎo)數(shù)且令其等于O有
解得
證明氣是出現(xiàn)概率最大的風(fēng)速。使用起動(dòng)力風(fēng)速大于上式計(jì)算的氣的風(fēng)力機(jī)會(huì)損失小風(fēng)速這一區(qū)段的風(fēng)能，使用起動(dòng)風(fēng)速小于上式計(jì)算的咋的風(fēng)力機(jī)是否更好呢?表面看低風(fēng)速的風(fēng)能得到更多的利用，深入研究可知在之氣的較高風(fēng)速區(qū)風(fēng)能利用率下降，總體上是得不償失，故選用盡可能接近上式結(jié)果的風(fēng)力機(jī)最為理想。
2.2.3.3 額定風(fēng)速 額定風(fēng)速的選定直接影響風(fēng)能利用系統(tǒng)整體的效率和經(jīng)濟(jì)性，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。
己知風(fēng)能密度p=12，對(duì)一臺(tái)效率為，槳葉半徑為廠的風(fēng)力機(jī)，輸出功率w(V)的威布爾分布函數(shù)為
w(V)峰值對(duì)應(yīng)之風(fēng)速應(yīng)是額定風(fēng)速，此時(shí)風(fēng)力機(jī)提取的風(fēng)能最多。
令
2.2.3.4 風(fēng)力機(jī)的工作風(fēng)速、輸出功率與風(fēng)能的關(guān)系 風(fēng)力機(jī)的工作風(fēng)速、輸出功率與風(fēng)能的關(guān)系可以簡單地如圖2一3來表示(注:圖中縱坐標(biāo)表示輸出功率，單位為:w/;橫坐標(biāo)表示風(fēng)能，單位為:m/s)
A一理論風(fēng)能曲線B一扣除空氣動(dòng)力損失后的風(fēng)力機(jī)吸收的功率
C一計(jì)算傳動(dòng)損失和機(jī)械能轉(zhuǎn)換損失后的功率曲線
D一發(fā)電機(jī)實(shí)際輸出功率曲線
圖2一3 功率與風(fēng)速的關(guān)系
2.3 風(fēng)能利用與氣象
2.3.1 風(fēng)的觀測對(duì)風(fēng)能利用的意義
在前面已經(jīng)講述過，風(fēng)能與風(fēng)速的三次方成正比。所以，當(dāng)風(fēng)速測量有10%的誤差時(shí)，風(fēng)力機(jī)輸出功率的誤差將擴(kuò)大到33%。在風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)中，輸出功率出現(xiàn)30%以上的誤差，將帶來很大的經(jīng)濟(jì)損失。風(fēng)速隨時(shí)間變化很大，而且地區(qū)性差異也很大，正確把握風(fēng)況并不是一件容易的事情。所以在風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)劃中，對(duì)風(fēng)的觀測非常受重視。
2.3.2 風(fēng)能利用中需要的氣象調(diào)查
在風(fēng)能利用中，需要進(jìn)行四項(xiàng)氣象調(diào)查:
(l)風(fēng)能密度調(diào)查 結(jié)合風(fēng)能的地區(qū)分布和可設(shè)立風(fēng)力機(jī)地區(qū)面積的調(diào)查，在全國范圍內(nèi)對(duì)可利用的風(fēng)能量進(jìn)行估算。
(2)選定適合地點(diǎn) 在一年中，對(duì)通過強(qiáng)風(fēng)場所的調(diào)查。
(3)風(fēng)速的頻率分布調(diào)查 在風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)中，為了估算平均出力和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間等量，必須了解風(fēng)力機(jī)軸高處的風(fēng)況。
(4)為了風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)強(qiáng)度和安全系數(shù)的氣象調(diào)查 異常的強(qiáng)風(fēng)出現(xiàn)的概率、風(fēng)的不定向性以及突風(fēng)程度，冰暴、鹽害等的調(diào)查。
2.4 風(fēng)的觀測
風(fēng)的觀測，因其目的不同而有各自的特點(diǎn)。對(duì)于風(fēng)能利用，通過對(duì)風(fēng)的觀測，可以估算出該地區(qū)可利用的風(fēng)能大小，為風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)和性能研究以及開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性等提供條件。
風(fēng)速的測量包括風(fēng)向和風(fēng)速的測量。因?yàn)轱L(fēng)速隨時(shí)間變化很大，而且變化不定，所以測量時(shí)取一定時(shí)間內(nèi)的風(fēng)速大小的平均值和最長時(shí)間的風(fēng)向。我國現(xiàn)行的風(fēng)速觀測有兩種方法:一種是每日定時(shí)4次兩分鐘平均風(fēng)速觀測;一種是一日24次自記10分鐘平均風(fēng)速觀測。實(shí)際測量結(jié)果表明，前一種方法的誤差比較大，因此在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)中采用后一種測量方法得到的數(shù)據(jù)。
第三章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 小型垂直式風(fēng)力發(fā)電機(jī)方案設(shè)計(jì)
現(xiàn)在，各個(gè)發(fā)達(dá)國家均大力發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)，雖然太陽能一直是新能源商業(yè)化的首選，因?yàn)樘柲艿脑O(shè)置地點(diǎn)較靈活，不會(huì)產(chǎn)生噪音，可以和建筑進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。但是風(fēng)力發(fā)電較太陽能而言，它的成本優(yōu)勢明顯。傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)啟動(dòng)風(fēng)速要求較高，發(fā)電噪音也很大，所以只能將風(fēng)力發(fā)電機(jī)放在人跡罕至的地方或風(fēng)力較大的地方。設(shè)備也是往大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展，專門建設(shè)大型風(fēng)力發(fā)電場，這樣，小型風(fēng)力發(fā)電在相當(dāng)長的時(shí)間里未得到較好的發(fā)展。所以，如何使風(fēng)力發(fā)電和建筑進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，降低小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)噪音，使其安裝在建筑周圍而不影響人的生活質(zhì)量，已成為各個(gè)國家研究的焦點(diǎn)！
我設(shè)計(jì)的是一種新型的立式垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，由風(fēng)機(jī)葉輪、立柱、橫梁、變速機(jī)構(gòu)、離合裝置和發(fā)電機(jī)組成。如下圖所示：
漿 葉
固定架
變速箱
星形齒輪加速器
電磁離合器
發(fā)電機(jī)
整流器
蓄電池
逆變器
負(fù) 載
圖3-1小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)框圖
該小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理為：在風(fēng)的吹動(dòng)下，風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)起來，使空氣動(dòng)力能轉(zhuǎn)變成了機(jī)械能（轉(zhuǎn)速+扭矩）。通過增速系統(tǒng)和離合器使轉(zhuǎn)矩和扭矩傳遞到風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸上，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)，從而使永磁三相發(fā)電機(jī)發(fā)出三相交流電。風(fēng)速的不斷變化、忽大忽小，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電流和電壓也隨著變化。發(fā)出的電經(jīng)過控制器的整流，由交流電變成了具有一定電壓的直流電，并向蓄電池進(jìn)行充電。從蓄電池組輸出的直流電，通過逆變器后變成了220伏的交流電，供給用戶的家用電器。應(yīng)用范圍：
提供220伏交流電或24伏、36伏或48伏直流電
照明: 燈泡,節(jié)能燈
家用電器:電視機(jī)、收音機(jī)、電風(fēng)扇、洗衣機(jī)、電冰箱；
該新型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)為：
１． 額定功率（ｗ）：300
２． 輸出電壓（v）：24
３． 啟動(dòng)風(fēng)速（m/s）：2
４． 額定風(fēng)速（m/s）：6
５． 最大使用風(fēng)速（m/s）：20
發(fā)電機(jī)為額定功率300w，輸出電壓24v。
該新型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)為：
１． 結(jié)構(gòu)簡單
２． 易維護(hù)
３． 運(yùn)行平穩(wěn)安全
４． 抗強(qiáng)風(fēng)能力強(qiáng)
５． 操作簡單
６． 價(jià)格低廉
3.2 風(fēng)葉
采用帆翼式風(fēng)葉，帆翼式是英國發(fā)展的一種立軸帆翼式風(fēng)力機(jī)，結(jié)構(gòu)簡單、性能較高。帆翼的形狀如下圖所示。由于其制造簡單，成本低，性能好，所以適于推廣使用。
圖3-2 帆翼式
3.3 行星齒輪加速器設(shè)計(jì)計(jì)算
3.3.1 設(shè)計(jì)要求
設(shè)計(jì)壽命5年，單班，一年360天，中等傳動(dòng)，傳動(dòng)逆轉(zhuǎn)，齒輪對(duì)稱布置，不允許點(diǎn)蝕，無嚴(yán)重過載，閉式傳動(dòng)。齒輪精度8-7-7，齒輪材料:20CrNiMoH，碳氮共滲處理，硬度為Hv740以上。軸材料:20NiCrMoH或20CrMnMo。齒圈材料:42CrMo，氮化處理，硬度為Hv40O以上。
3.3.2 選加速器類型
小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)是安裝在樓頂或屋頂上的，所以盡量選擇體積小、重量輕、性能穩(wěn)定的設(shè)備。在選擇行星齒輪時(shí)，我選擇NGW型星形齒輪加速器，因?yàn)檫@個(gè)型號(hào)的齒輪傳動(dòng)效率高，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，傳遞功率范圍大，軸向尺寸小，可用于各種工作條件的特點(diǎn)。
輸入軸
輸出軸
R
S
C
P
圖3-3 NGW型行星齒輪加速器
3.3.3 確定行星輪數(shù)和齒數(shù)
在行星齒輪加速器中選擇行星輪數(shù)：=3
通過查表法確定了齒輪的齒數(shù)（機(jī)械手冊(cè)）：
總傳動(dòng)比 i =5.4
太陽輪齒數(shù) =20
內(nèi)齒輪齒數(shù) =88
行星輪齒數(shù) =34
3.3.4 壓力角()的選擇
我們國家和許多國家都把齒輪的標(biāo)準(zhǔn)壓力角規(guī)定為，因此，本次設(shè)計(jì)的變速箱采用壓力角，以提高加工刀具的通用性。
3.3.5 齒寬系數(shù)的選擇
對(duì)于硬齒面齒輪的齒寬系數(shù)應(yīng)小于軟齒面的齒寬系數(shù)。一般情況下，硬齒面值齒輪可取<0.7。齒寬系數(shù)小=(b/a)，一般可取0.4一0.8，常取0.6一0.7。
3.3.6 模數(shù)選擇
齒輪的模數(shù)是決定齒輪大小和幾何參數(shù)的主要參數(shù)，它直接影響齒輪的抗彎曲疲勞強(qiáng)度。設(shè)計(jì)變速箱選取模數(shù)的大小，主要與下列因素有關(guān):
1.齒輪上受力的大小，作用力大，模數(shù)也大。
2.與材料、加工質(zhì)量、熱處理質(zhì)量好壞有關(guān)。
對(duì)于模數(shù)(m)的確定，可以根據(jù)同類變速箱的統(tǒng)計(jì)，參考選擇。
下列為行星傳動(dòng)變速箱模數(shù)統(tǒng)計(jì)表:
通過以上比較，我確定本次設(shè)計(jì)變速箱的模數(shù)為:2.5mm。
3.3.7 預(yù)設(shè)嚙合角 = =
3.3.8 太陽輪與行星輪之間的傳動(dòng)計(jì)算
（1）計(jì)算未變位時(shí)的中心距
===67.5
（2）初算中心距變動(dòng)系數(shù)
==
（3）計(jì)算中心距并取圓整值
a=m()=70
(4) 實(shí)際中心距變動(dòng)系數(shù)
==0.75
（5）計(jì)算嚙合角
cos===0.912323, =
(6) 計(jì)算總變位系數(shù)
==（20+34）=0.827
（7）校核
介于p7及p8之間，有利于接觸強(qiáng)度及抗彎強(qiáng)度，所以可用
（8）分配變位系數(shù)
=0.437 =0.39
3.3.9 行星輪與內(nèi)齒輪之間的傳動(dòng)計(jì)算
（1）計(jì)算未變位時(shí)的中心距
===67.5
(2) 計(jì)算中心距變動(dòng)系數(shù)
==-0.25
（3）計(jì)算嚙合角
cos===0.9488, =
(4) 計(jì)算總變位系數(shù)
==（88-34）=-0.241
（5）分配變位系數(shù)
=+=-0.241 +0.39=0.149
3.3.10 行星排各零件轉(zhuǎn)速及扭矩的計(jì)算
因效率對(duì)強(qiáng)度校核的扭矩影響比較小，因而在下面的扭矩計(jì)算中不考慮效率的影響。對(duì)行星排各零件的扭矩進(jìn)行計(jì)算。
:: = 1::(1+)=1:2.4545:-3.4545
因通過太陽輪輸出扭矩，風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電時(shí)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為2168(Nm)，故反方向計(jì)算，故太陽輪為輸入扭矩:
==2168(Nm)
風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)的轉(zhuǎn)速為=1175（rpm）
太陽輪轉(zhuǎn)速 =1175（rpm）
行星輪轉(zhuǎn)速 ==1148（rpm）
3.3.11 行星排上各零件受力分析及計(jì)算
1．太陽輪受力如下
圓周力
根據(jù)公式 =
式中一作用在太陽輪上的扭矩=2168 (N·m)
一行星輪數(shù)目=3
一太陽輪分度圓直徑=74.25 (mm)
徑向力
根據(jù)公式 =
式中 一齒輪壓力角=
一分度圓上螺旋角=
=9733Xtg20o=3543(N)
2．行星輪P受力分析如下：
圓周力 ==9733(N)
徑向力 ==3543(N)
3．行星架C受力如下：
圓周力 =2=29733=19466(N)
徑向力 =0(N)
4．齒圈R受力如下：
圓周力 ==9733(N)
徑向力 ==3543(N)
3.3.12 行星齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度校核計(jì)算
行星齒輪傳動(dòng)中的齒輪計(jì)算方法主要是按照GB3480“漸開線圓柱齒輪承載能力計(jì)算方法”計(jì)算，并考慮行星傳動(dòng)的特點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算校核。
(l)彎曲疲勞強(qiáng)度校核
a.分度圓上的圓周力Ft
根據(jù)前面的計(jì)算結(jié)果，行星輪和齒圈上受力在前進(jìn)二檔時(shí)最大，所受的圓周力均為Ft=13360(N)
b.齒寬計(jì)算
太陽輪與行星輪的齒寬分別為48mm、46mm；齒圈的齒寬為54mm
c.使用系數(shù) 查手冊(cè)得 =1.25
d.動(dòng)載系數(shù)
太陽輪分度圓上的圓周速度，根據(jù)下列公式計(jì)算
=
式中 一太陽輪相對(duì)于行星架的圓周速度（m/s）
ds 一太陽輪分度圓直徑(mm) =148.5（mm）
一太陽輪轉(zhuǎn)數(shù)(rpm) =733(rpm)
一行星輪相對(duì)行星架的轉(zhuǎn)數(shù)(rpm) =-716(rpm)
一行星架轉(zhuǎn)數(shù)(rpm) =212(rpm)
代入公式 所以 ==4.05（m/s）
=1+（）=1.1（m/s）
同理可得 行星輪P ==4.06（m/s）
計(jì)算得 =1.10
齒圈R =
計(jì)算得 =1.114
e .齒間載荷分配系數(shù)、
因?yàn)? /b=3N/mm100N/mm 且為表面硬化的直齒輪。
所以 =1.2
f.齒向載荷分布系數(shù)
對(duì)于太陽輪、行星輪和齒圈，它們的齒輪寬度和行星齒輪的分度圓直徑比都小于1，則
g. 復(fù)合齒形系數(shù)
h. 重合度系數(shù)
因?yàn)? =1.47 =1.583
=0.25+
太陽輪與行星輪=0.76 行星輪與齒圈=0.724
i.螺旋角系數(shù) =1-
因?yàn)?0 所以
j.彎曲應(yīng)力
由公式：=
=1.251.11.214.00.7611.15=356.78(MPa)
=1.251.11.213.90.72411.15=367.6(MPa)
=1.251.11.214.00.72411.15=364.6(MPa)
k. 彎曲疲勞強(qiáng)度的壽命系數(shù)
=60rnt>3 所以 ===1
取=380M
l. 相對(duì)齒根的圓角敏感系數(shù)
查表得 太陽輪、行星輪、齒圈的敏感系數(shù)均為=1
m. 相對(duì)齒根表面狀況系數(shù)
查表得 =0.9
n.應(yīng)力修正系數(shù) =2
o.齒輪的彎曲疲勞極限
由公式 =
=46012110.9=828（M）
=32212110.9=579.6（M）
=38012110.9=684（M）
安全系數(shù)S
===2.32
===1.57
===1.87
按具有高可靠性要求取最小安全系數(shù)=1.5 從而可看出：
〉 〉 〉
所以彎曲強(qiáng)度校核通過。
（2） 接觸疲勞強(qiáng)度校核
a. 接觸強(qiáng)度的齒間載荷分配系數(shù)
太陽輪與行星輪嚙合時(shí)總重合度1.47 查表得 =1.2
齒圈與行星輪嚙合時(shí)的總重合度1.583 查表得 =1.2
b.節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)
計(jì)算=
得=2.3186
c.彈性系數(shù)
可由公式=
得太陽輪與行星輪嚙合時(shí)==0.918
齒圈與行星輪嚙合時(shí)==0.8975
d.接觸疲勞強(qiáng)度極限
太陽輪與行星輪是合金鋼滲碳處理，取1500M
齒圈是合金鋼氮化處理，取1200M
e.壽命系數(shù)
=60rnt>5 所以 ===1
f.潤膜影響系數(shù)太陽輪和行星輪為8級(jí)精度，齒圈為9級(jí)精度，選用=115/s的礦物油，則查表得：太陽輪和行星輪為=0.9，齒圈為=0.8
g.齒面工作硬化系數(shù)=1
h.尺寸系數(shù)=1
i.齒輪的接觸疲勞極限
由公式=
=150010.911=1350M
=150010.911=1350M
=150010.811=9600M
j.安全系數(shù)S
===1.05
===1.05
===1.47
按具有高可靠性要求取最小安全系數(shù)=1.0從而看出齒輪滿足使用要求。
3.4 電磁離合器設(shè)計(jì)計(jì)算
3.4.1 選型
為滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作環(huán)境的需要，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中我選擇牙嵌式電磁離合器，因?yàn)檠狼妒诫姶烹x合器有外形尺寸小，傳遞轉(zhuǎn)矩大，無空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，無摩擦發(fā)熱，無磨損，不需調(diào)節(jié)，傳動(dòng)比恒定無滑差，使用壽命長，脫開快，干、濕兩用的特點(diǎn)。（電源為12v直流電）
3.4.2 牙嵌式電磁離合器的動(dòng)作特性
如圖所示，通電后，當(dāng)激磁電流按指數(shù)曲線上升時(shí)，由于銜鐵被吸引，線圈中電感增大，引起電流第一次短時(shí)間下降，以后還會(huì)由于銜鐵吸引后尚不能起動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，出現(xiàn)牙間嵌合、脫開和再嵌合的滑跳現(xiàn)象，致使電流發(fā)生多次跳動(dòng)，直到能帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)才趨向穩(wěn)定。對(duì)于靜態(tài)接合，起動(dòng)時(shí)間的長短主要與銜鐵吸引時(shí)間有關(guān)，而對(duì)動(dòng)態(tài)起動(dòng)，則與相對(duì)轉(zhuǎn)速、負(fù)載特性、負(fù)載的增加情況以及牙的相對(duì)位置等因素有關(guān)。離合器的脫開時(shí)間就是從切斷激磁電流開始到牙完全脫開嵌合，傳遞力矩消失所經(jīng)歷的時(shí)間，此時(shí)電流也按指數(shù)曲線衰減。
3.4.3 離合器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩
式中 T-離合器傳遞的理論轉(zhuǎn)矩，它包括工作轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)的慣性轉(zhuǎn)矩 T=2168（Nm）；
K-工作情況系數(shù) K=1.5
所以 1.5 2168=3252（Nm）
3.4.4 離合器的外徑
=133
3.4.5 離合器牙間的壓緊力
Q
式中 -牙形角， =
-摩擦角， =
-牙的平均直徑
-銜鐵摩擦面的摩擦系數(shù)
-銜鐵導(dǎo)向孔直徑
-彈簧推力，=40
3.4.6 線圈槽高度
=20mm
式中 -線圈槽高度比， =5
-傳熱系數(shù)，=11
-填充系數(shù)， =0.6
-電阻系數(shù)，=0.017
3.4.7 磁軛底部厚度
==4mm
3.4.8 銜鐵厚度
=8mm
一般取余量 =4
第四章 限速控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
4.1 設(shè)計(jì)限速控制系統(tǒng)的目的
功率調(diào)節(jié)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一，我設(shè)計(jì)限速電磁離合器就是為了盡可能提高風(fēng)力機(jī)風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率和保證風(fēng)力機(jī)輸出功率平穩(wěn),并且防止因瞬時(shí)電量過大而毀壞發(fā)電機(jī)和電力設(shè)施的現(xiàn)象出現(xiàn)。
4.2 限速控制系統(tǒng)方案分析
本課題設(shè)計(jì)的限速控制系統(tǒng)是一個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)，從控制觀點(diǎn)來看，整個(gè)系統(tǒng)可分為六部分:電磁離合器機(jī)構(gòu)、電路、單片機(jī)、程序、編碼器、環(huán)境，其中的電路、單片機(jī)、程序、編碼器等部分構(gòu)成了控制系統(tǒng)。目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)中投入運(yùn)行的機(jī)組主要有兩類功率調(diào)節(jié)方式:一類是定漿距失速控制;另一類是變漿距控制。定漿距失速控制是指大功率高轉(zhuǎn)速的發(fā)動(dòng)機(jī)工作于高風(fēng)速區(qū),小功率低轉(zhuǎn)速的發(fā)動(dòng)機(jī)工作于低風(fēng)速區(qū), 通過葉片的失速或偏航控制來追求最高的發(fā)電效率。實(shí)際上難以做到功率恒定,通常有些下降, 變漿距控制是指通過改變與葉片相匹配的葉片攻角來調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)發(fā)電效率。這兩種公路調(diào)節(jié)方式都存在反應(yīng)慢而造成瞬時(shí)過載的缺點(diǎn)。我設(shè)計(jì)的電磁離合器控制系統(tǒng)是通過程序?qū)﹄姶烹x合控制，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)使電磁離合器分離，當(dāng)速度降低到額定轉(zhuǎn)速時(shí)電磁離合器將閉合，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。這個(gè)系統(tǒng)有反應(yīng)速度快、準(zhǔn)確、成本低的特點(diǎn)。
4.3 單片機(jī)
本課題模型采用的單片機(jī)是AT89C51，單片機(jī)是指一個(gè)集成在一塊芯片上的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。盡管他的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個(gè)完整計(jì)算機(jī)所需要的大部分部件：CPU、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會(huì)具有外存。同時(shí)集成諸如通訊接口、定時(shí)器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘等外圍設(shè)備。而現(xiàn)在最強(qiáng)大的單片機(jī)系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。
4.4 信號(hào)采集
本課題模型用編碼器來采集信號(hào)，把編碼器高低電平的變化的信號(hào)傳入單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，判斷電磁離合器通電還是斷電。
4.5 電路
本模型的電路包括單片機(jī)最小電路和上電復(fù)位電路，這個(gè)裝置可以用匯編語言來指導(dǎo)自動(dòng)化運(yùn)作與電腦差不多，讀入數(shù)據(jù)后，依據(jù)半導(dǎo)體進(jìn)行邏輯運(yùn)算，并把結(jié)果輸出。從而達(dá)到根據(jù)轉(zhuǎn)速控制電磁離合器的目的。
圖4-1 電磁離合器控制系統(tǒng)電路圖
4.6 限速控制程序
4.6.1 定時(shí)器周期
本模型設(shè)計(jì)50ms為一個(gè)周期，所以定時(shí)器必須工作于方式1。
定時(shí)器初值為：
TC=M-T/==15536=3CB0H
4.6.2 程序流程圖
圖4-2 程序流程圖
4.6.3 限速控制程序
4.6.3.1 主程序
ORG 0000H
LJMP START
ORG 000BH
LJMP Dingshi
Chushi: SuduH DATA 20H
SuduL DATA 21H
MOV TMOD, #51H
MOV TH0, #3CH
MOV TL0, #0B0H
MOV IE, #82H
SETB TRO
START: MOV A, #00H
CJNE A, SuduH, Buxiangdeng1
Xiangdeng1: MOV A, #02H
CJNE A, SuduL, Buxiangdeng2
Xiangdeng2: LJMP Miedeng
Buxiangdeng1:JC Liangdeng
Ljmp Miedeng
Buxiangdeng2:JC Liangdeng
Ljmp Miedeng
Liangdeng: MOV P1.0, #00H
LJMP START
Miedeng: MOV P1.0, #0FFH
LJMP START
4.6.3.2 中斷服務(wù)程序：
Dingshi: MOV SuduH, TH1
MOV SuduL, TL1
CLR TH1
CLR TL1
MOV TH0, #3CH
MOV TL0, #0B0H
RETI
END
第五章 實(shí)驗(yàn)和模型設(shè)計(jì)
5.1 實(shí)驗(yàn)和模型設(shè)計(jì)的目的
實(shí)驗(yàn)和模型設(shè)計(jì)的目的是檢驗(yàn)小型垂直式風(fēng)力發(fā)電機(jī)中限速控制系統(tǒng)總體方案在實(shí)踐中的效果，并且驗(yàn)證程序是否正確，以及電路的設(shè)計(jì)是否合理。為了達(dá)到驗(yàn)證程序并且降低成本的目的，對(duì)小型垂直式風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。
5.2 模型設(shè)計(jì)
5.2.1 設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)
在本課題中給出了下列技術(shù)指標(biāo):
1． 額定功率（ｗ）：300
2． 輸出電壓（v）：24
3． 啟動(dòng)風(fēng)速（m/s）：2
4． 額定風(fēng)速（m/s）：6
5． 最大使用風(fēng)速（m/s）：20
由于本模型驗(yàn)證的是控制電磁離合器限制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的程序，所以在達(dá)到檢驗(yàn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案目的同時(shí)降低成本的原則下，我用電動(dòng)機(jī)取代了風(fēng)力發(fā)電機(jī)中行星齒輪加速器，也就是電動(dòng)機(jī)軸的轉(zhuǎn)速模擬了風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中行星齒輪加速器輸出軸的轉(zhuǎn)速。
5.2.2 模型設(shè)計(jì)器件
5.2.2.1 電機(jī)
本模型選擇的電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速是800r/min，所以我假設(shè)200r/min為額定轉(zhuǎn)速，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速高于額定轉(zhuǎn)速時(shí)電磁離合器就斷開，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速之內(nèi)時(shí)點(diǎn)戲離合器就閉合。
5.2.2.2 程序
本模型設(shè)計(jì)50ms為一個(gè)周期，定時(shí)器必須工作于方式1。這樣控制系統(tǒng)的反應(yīng)就很快，可以及時(shí)使電磁離合器分離，避免危險(xiǎn)發(fā)生。
5.2.2.3 電路
本模型采用上電復(fù)位電路作為初始化電路。只要電路一通電控制系統(tǒng)就自動(dòng)開始工作，在實(shí)踐中不用工人去開啟，這樣可以提高安全性，避免因工人失誤而造成危害。
5.2.2.4 編碼器
編碼器屬于傳感器，用于感知電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)，從而得到機(jī)構(gòu)各連桿之間的相對(duì)位置信息。在模型中我購買的是無錫市瑞普編碼器，脈沖周期：（N為每轉(zhuǎn)輸出脈沖數(shù)N=1） 電源：12v直流電，輸出信號(hào)與單片機(jī)相連。
5.2.2.5 單片機(jī)
模型中采用的單片機(jī)是AT89C51。
5.2.2.6 電磁離合器
本模型選擇的電磁離合器有傳動(dòng)和制動(dòng)兩個(gè)功能，在模型中我用綠色燈泡代表傳動(dòng)，綠燈泡亮?xí)r代表傳動(dòng)邊的離合器閉合。黃色燈泡代表制動(dòng)，黃燈亮?xí)r代表制動(dòng)離合閉合并且傳動(dòng)離合斷開。
5.2.2.7 電源
本模型采用的是可同時(shí)提供12V2A和5V3A直流電的電源。12V2A電源為編碼器供電，5V3A為電路板提供電源。
5.3 電路板
圖5-1 電路板
5.4 限速控制程序裝置
圖5-2 電路
5.5 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)果分析
完成了方案設(shè)計(jì)的限速控制系統(tǒng)模型制作。制作的模型中電路、程序以及各元器件工作正常，并且很好的驗(yàn)證了程序，程序可以完成預(yù)設(shè)的任務(wù)。
當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速在額定值200r/min之內(nèi)時(shí)，電路板中綠燈亮。
當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于額定值200r/min時(shí)，電路板中綠燈滅。
當(dāng)按下制動(dòng)開關(guān)時(shí)，電路板上綠燈滅，并且黃燈亮。
綜上所述，模型設(shè)計(jì)和制作成功，裝置的限速控制程序正確。
第六章 結(jié)束語
本課題設(shè)計(jì)的小型立式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一種新型結(jié)構(gòu)形式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，它的限速控制系統(tǒng)是集電磁離合器、單片機(jī)、編碼器、匯編程序在一起的機(jī)電一體化系統(tǒng)。本論文對(duì)其結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行分析、研究，并且制作了模型對(duì)限速控制系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證，得到了如下的結(jié)論:
（1） 本課題設(shè)計(jì)的限速控制系統(tǒng)電路合理、可用；
（2） 程序正確；
（3） 機(jī)構(gòu)簡單；
（