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畢業(yè)設(shè)計開題報告
設(shè) 計 題 目: 達(dá)里厄型風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計
院 系 名 稱: 機(jī)電工程學(xué)院
專 業(yè) 班 級:
學(xué) 生 姓 名:
導(dǎo) 師 姓 名:
摘要
人類利用風(fēng)能已有數(shù)千年歷史，在蒸汽機(jī)發(fā)明以前風(fēng)能曾經(jīng)作為重要的動力，用于船舶航行、提水引用和灌溉、排水造田、磨面和鋸木等。埃及被認(rèn)為可能是最先利用風(fēng)能的國家，約在幾千年之前，他們就開始用風(fēng)帆來幫助行船，波斯和中國也很早開始利用風(fēng)能，主要是使用垂直軸風(fēng)車。歐洲到中世紀(jì)才廣泛利用風(fēng)能，荷蘭人發(fā)展了水平軸的風(fēng)車，18世紀(jì)荷蘭曾利用近萬座風(fēng)車將海堤內(nèi)的水排干，早出的良田相當(dāng)于國土面積的三分之一，成了著名的風(fēng)車之國。在蒸汽機(jī)出現(xiàn)之前，風(fēng)力機(jī)械是動力機(jī)械的一大支柱，其后隨著沒、石油、天然氣的大規(guī)模開采和廉價電力的獲得，各種曾經(jīng)被廣泛使用的風(fēng)力機(jī)械，由于成本高，效率低，使用不方便等，無法與蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和電動機(jī)等相競爭。風(fēng)力發(fā)電時利用風(fēng)能來發(fā)電，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，試講風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的接卸。風(fēng)輪是風(fēng)電機(jī)組最主要的部件，由槳葉和輪轂組成。槳葉具有良好的空氣動力外形，在氣流作用下能產(chǎn)生空氣動力使風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再通過齒輪箱增速驅(qū)動發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成為電能。風(fēng)電技術(shù)進(jìn)步很快，風(fēng)電機(jī)組高科技含量大機(jī)組可靠性高，風(fēng)電的突出優(yōu)點是環(huán)境效益好，不排放任何有害氣體和廢棄物。
【關(guān)鍵詞】 蒸汽機(jī) 風(fēng)力機(jī) 槳葉 齒輪箱 風(fēng)電技術(shù) 環(huán)境
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Abstract
Human use of wind energy for thousands of years, before the invention of the steam engine as the wind was once an important impetus for ship navigation, reference, and for water irrigation, drainage farmland, grinding and sawing wood and so on. Egypt is thought to be the country's first use of wind around for thousands of years before they began to help with the sailing sailing, Persia and China have begun to use wind energy early, mainly vertical axis windmill. Europe to the Middle Ages before widespread use of wind energy, the Dutch developed the horizontal axis windmill, 18th century Dutch windmills have used ten thousand seawall water drained out of the fertile early as the equivalent of one third of the land area, has become State windmill noted. Appeared before the steam engine, wind power is a major pillar of mechanical machinery, and subsequently with no oil, large-scale exploitation of natural gas and cheap electricity available, a variety of mechanical wind had been widely used because of the high cost and low efficiency inconvenient to use, etc., can not compete with, such as the steam engine, the internal combustion engine and electric motor. Wind power generation using wind to generate electricity, while wind turbine, wind energy into electricity lecture unloading. Wind turbine wind turbine is the most important part, the blades and hub components. Good aerodynamic blade shape, to produce in the gas flow so that the aerodynamic wind turbine is rotated to convert wind energy into mechanical energy, and then drives a generator through a gearbox growth, the mechanical energy into electrical energy. Wind power technology advances quickly, high reliability, large units of high-tech wind turbines, highlighting the advantages of the environmental benefits of wind power is good, does not emit any harmful gases and waste.
【Keywords】 Steamer Wind turbine Paddle Gearbox Wind power technology Environme
目錄
摘要 2
Abstract 3
目錄 4
第一章 緒論 5
1.1 人類利用風(fēng)能的歷史 5
1.2 風(fēng)力發(fā)電的起源 5
1.3 中國風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展 7
第二章 風(fēng)力機(jī)發(fā)展分類 9
第三章 風(fēng)力機(jī)發(fā)電基本原理 12
3.1 風(fēng)力發(fā)電基本原理 12
3.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本機(jī)構(gòu) 12
第四章 垂直軸風(fēng)力機(jī)的設(shè)計 14
4.1 風(fēng)力機(jī)的基本設(shè)計理論 14
4.2 風(fēng)場的選擇 16
4.3 風(fēng)力機(jī)設(shè)計的基本參數(shù) 18
4.4 風(fēng)輪的設(shè)計 19
4.5 葉片翼型的設(shè)計和選取 19
4.5.1 翼型的幾何定義 19
4.5.2 計算風(fēng)輪的掃風(fēng)面積 21
4.5.3 風(fēng)力機(jī)葉片的基本設(shè)計方法 21
4.5.4 葉片設(shè)計參數(shù) 22
4.6 葉片材料與結(jié)構(gòu) 23
4.7 主軸的設(shè)計計算 24
第五章 發(fā)電機(jī)的選擇 26
第六章 風(fēng)機(jī)附件的設(shè)計選擇 28
6.1 蓄電池簡介 28
6.2 蓄電池的設(shè)計選用 29
6.3 制動器的選擇 30
第七章 塔架的設(shè)計計算 31
7.1 塔架的主要形式 31
7.2 高度的確定 32
7.2 塔架的強(qiáng)度校核 33
7.3 塔架基礎(chǔ)的設(shè)計 33
結(jié)論 34
參考文獻(xiàn) 35
致謝 36
31
第一章 緒論
1.1 人類利用風(fēng)能的歷史
人類利用風(fēng)能的歷史可以追溯到公元前，人類最早利用風(fēng)能的主要方式之一就是“風(fēng)帆助航”，用風(fēng)帆推動船只前進(jìn)。我國是最早使用帆船和風(fēng)車國家之一，大約公元前700多年的春秋時代，中國水域上就出現(xiàn)了早期的帆船。帆的出現(xiàn)就是為了解決船只用槳櫓推進(jìn)耗費人力和速度慢的問題，當(dāng)能借助大自然風(fēng)力進(jìn)行遠(yuǎn)距離航行的木帆船出現(xiàn)后，人類的航?；顒硬诺靡圆粩鄶U(kuò)展，到達(dá)了更為遼闊遙遠(yuǎn)的海域。風(fēng)車主要應(yīng)用于提水、灌溉、排水、磨面，其原理是利用風(fēng)作用在葉片上的力，推動葉片繞主軸旋轉(zhuǎn)，葉片將氣流的直線運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)輪繞其主軸的圓周運(yùn)動，進(jìn)而把自然風(fēng)的動能轉(zhuǎn)換為風(fēng)車的機(jī)械能。10世紀(jì)伊斯蘭人用風(fēng)車提水，11世紀(jì)風(fēng)車在中東地區(qū)已得到了廣泛的應(yīng)用。到了13世紀(jì)，風(fēng)車傳至歐洲，在14世紀(jì)，荷蘭率先改進(jìn)了古代風(fēng)力機(jī)，并廣泛利用這種改進(jìn)后的風(fēng)力機(jī)為萊茵河三角洲的沼澤地和湖泊抽水，以后又用于榨油和鋸木。18世紀(jì)，荷蘭曾利用近萬座風(fēng)車將海堤內(nèi)的水排干，早出的良田相當(dāng)于國土面積的1、3，成為著名的風(fēng)車之國。
1.2 風(fēng)力發(fā)電的起源
風(fēng)力發(fā)電就是風(fēng)力機(jī)通過風(fēng)輪來捕獲風(fēng)能，利用馮隊葉片的作用力推動葉片繞主軸旋轉(zhuǎn)，通過一系列的傳動進(jìn)而帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，把吸收的風(fēng)的動能轉(zhuǎn)換為電能輸出。
在蒸汽機(jī)出現(xiàn)之前，風(fēng)力機(jī)械是動力機(jī)械的一大支柱。18到19世紀(jì)的歐洲，有數(shù)十萬臺風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行，主要用于谷物磨坊和提水灌溉。當(dāng)時在美國，成百萬的多葉片式風(fēng)力機(jī)用于泵水，風(fēng)輪直徑為3-5m,功率為500-1000W，其中150000臺至今仍可以看到。由于葉片的數(shù)量多（根據(jù)直徑大小，每個風(fēng)輪可以達(dá)到或超過30片），多葉片風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速相對較低，能產(chǎn)生了較大的轉(zhuǎn)矩，可以直接驅(qū)動活塞泵進(jìn)行泵水。風(fēng)輪的后方安裝了尾翼，在尾翼的對縫作用下，風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)平面可以保持與風(fēng)向垂直，使風(fēng)輪正對風(fēng)向。后來隨著煤炭、石油、天然氣的大規(guī)模開采和較低成本電力的獲得，各種曾經(jīng)被廣泛使用的風(fēng)力機(jī)械，由于成本高、效率低、使用不方便等因素，無法與蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和電動機(jī)相競爭，逐漸被淘汰。但是，近半個世紀(jì)的實踐表明，風(fēng)力發(fā)電在解決發(fā)展中國家無電農(nóng)、牧區(qū)居民的用電方面祈禱了積極而且中藥的作用，特別是20世紀(jì)70年代以后風(fēng)力發(fā)電更是進(jìn)入了一個蓬勃發(fā)展的階段，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)及風(fēng)電產(chǎn)業(yè)得到了快速的發(fā)展，世界各地建立了很多大中型的風(fēng)電場。提到風(fēng)力發(fā)電就不得不說下風(fēng)力發(fā)電的先驅(qū)Charles F.Brush和Poul la Cour。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究始于19世紀(jì)，美國的Charles F.Brush(1849-1929)是風(fēng)電技術(shù)的先驅(qū)者之一，1887-1888年，他在俄亥俄州克利夫蘭市安裝了被現(xiàn)代人認(rèn)為是第一臺自動運(yùn)行且用于發(fā)電的風(fēng)力機(jī)（如下圖），這臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率為12KW，葉輪直徑為17m，有144個雪松木制成的葉片，運(yùn)行了20年，發(fā)出的電充到他家地窖里的蓄電池中，他被認(rèn)為是美國電力工業(yè)的奠基人之一。他發(fā)明了一種效率非常高的直流發(fā)電機(jī)應(yīng)用于公共電網(wǎng)，發(fā)明了第一個商業(yè)化電弧光燈，找到了一種高效的制造鉛酸蓄電池的方法。
圖1-1 Charles F.Brush 用于發(fā)電的電力機(jī)
丹麥的Poul la Cour(1846-1908)于1891年制造了用來發(fā)電的風(fēng)力機(jī)。Poul la Cour是一名氣象學(xué)家，同時也是現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)的先驅(qū)，他建立了第一個用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)實驗的風(fēng)洞，并發(fā)現(xiàn)葉片數(shù)少，轉(zhuǎn)動較快的風(fēng)力機(jī)在發(fā)電時比低轉(zhuǎn)速的風(fēng)力機(jī)效率高得多。他發(fā)明的2臺實驗風(fēng)力發(fā)電機(jī)被安裝在丹麥的Askov Folk高中（如下圖）。Poul la Cour致力于能源儲存的研究，將風(fēng)力機(jī)發(fā)出的電力用于點解來生產(chǎn)氫氣，供他學(xué)校的瓦斯燈使用。Poul la Cour于1905年創(chuàng)立了風(fēng)電工人協(xié)會，風(fēng)電工人協(xié)會成立一年后，就擁有了356個會員。他還創(chuàng)辦了世界第一個風(fēng)力發(fā)電期刊 Journal of Wind Electricty.
圖1-2 Poul la Cour用于發(fā)電的風(fēng)力機(jī)
1.3 中國風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展
中國現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)的開發(fā)利用起源于20世紀(jì)70年代初。經(jīng)過初期發(fā)展、單機(jī)分散研制、示范應(yīng)用、重點攻關(guān)、實用推廣、系列化和標(biāo)準(zhǔn)化幾個階段的發(fā)展，無論在科學(xué)研究、設(shè)計制造，還是試驗，示范、應(yīng)用推廣等方面均有了長足的進(jìn)步和很大的發(fā)展，并取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，特別是在解決常規(guī)點往外無電地區(qū)農(nóng)、牧、漁民用電方面走在世界的前列，生產(chǎn)能力、保有量和年產(chǎn)量都居世界第一。在21世紀(jì)開始的時候，中國海油約2000萬人口沒有用上電，在常規(guī)電網(wǎng)外，推廣獨立供電的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，對解決農(nóng)、牧、漁民看電視、聽收音機(jī)、照明和用電動古風(fēng)風(fēng)機(jī)做飯等生活用電問題（如下圖），對于改善和提高當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)，促進(jìn)地區(qū)社會、文化事業(yè)發(fā)展，加強(qiáng)民族團(tuán)結(jié)，鞏固國防建設(shè)有著重大的意義。
到2000年底，全國的小型風(fēng)電機(jī)組生產(chǎn)企業(yè)有十幾個，年生產(chǎn)能力超過3萬臺，產(chǎn)品的額定功率從0.1-10KW。2000年全國共生產(chǎn)各種型號的離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組7000多臺（約1800KW）.產(chǎn)品以100W機(jī)組為主，占總產(chǎn)量的46%，300W機(jī)組次之，占總產(chǎn)量的31%。截止2000年底，全國累計生產(chǎn)了離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組19萬臺。
隨著經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步發(fā)展，廣大農(nóng)、牧、漁民生活水平的提高，家用電器已成為家庭生活的必需品。因此，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的需求，也從過去的50、100W小功率機(jī)組發(fā)展到使用300W、500W、1KW等較大功率的機(jī)組；在邊緣地區(qū)的邊防連隊、哨所、駐軍海島、地處野外高山的微波站、電視差轉(zhuǎn)臺、氣象站、公路等多數(shù)地方使用柴油或汽油發(fā)電機(jī)組供電，供電成本相當(dāng)高，有些地方高達(dá)3元/KWh.而這些地方絕大部分處在風(fēng)力資源豐富地區(qū)。通過采用風(fēng)力/柴（汽）油聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)（如下圖所示）或風(fēng)電機(jī)組、光電池互補(bǔ)系統(tǒng)供電，可以既保證24h供電，又節(jié)約了燃料和資金，同時還減少了對環(huán)境的污染。中國微型及小型風(fēng)電機(jī)組的產(chǎn)品已出口到美國、德國、希臘蒙古等過。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前，中國的微型及小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組平均每年出口約300臺左右，并以每年20%的速度遞增。中國經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，對能源的需求增長很快，常規(guī)能源的供應(yīng)及其帶來的環(huán)境問題日益突出，風(fēng)電隨著技術(shù)的發(fā)展和批量的增大，成本將會繼續(xù)下降，必然成為重要的清潔能源。東部沿海還有更豐富的海上風(fēng)能資源，距離電力負(fù)荷中心又近，海上風(fēng)電場在遠(yuǎn)期將是后續(xù)能源基地[1]。
第二章 風(fēng)力機(jī)發(fā)展分類
風(fēng)力發(fā)電機(jī)的種類和式樣很多，根據(jù)不同的分類方式可將風(fēng)力發(fā)電機(jī)分為若干個種類。標(biāo)準(zhǔn)不同，風(fēng)電機(jī)組的劃分也不同。
按照額定功率分類
按照額定功率，一般可將其分為小型、中型、和大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。通常歐美國家認(rèn)定額定功率100-500KW的為中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，大于500KW的為大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。我國曾有過機(jī)型分類的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但由于近年來風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對于更加實用的風(fēng)電標(biāo)準(zhǔn)的研究工作正在積極進(jìn)行中[2]
根據(jù)動力學(xué)劃分為阻力型和升力型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
阻力型風(fēng)力發(fā)電機(jī)是在逆風(fēng)方向裝有一個阻力裝置，當(dāng)風(fēng)吹向阻力裝置時推動阻力裝置旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)能再轉(zhuǎn)化為電能，主要包括多翼型、薩沃紐斯型和渦輪型等。三染這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)不能產(chǎn)生高于風(fēng)速很多的轉(zhuǎn)速，但是往往風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸的輸出扭矩很大，因此常被用來揚(yáng)水、拉磨等動力用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組使用。
升力型風(fēng)力發(fā)電機(jī)利用風(fēng)能吹過轉(zhuǎn)子時對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的升力帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，原理和飛機(jī)起飛原理基本類似，螺旋槳型、達(dá)里厄型和直線翼垂直軸型都屬于這種類型。由于有升力的作用，風(fēng)輪圓周速度可以達(dá)到風(fēng)速的幾倍至幾十倍，因此現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組使用的幾乎全是升力型發(fā)電機(jī)。
根據(jù)風(fēng)機(jī)機(jī)旋轉(zhuǎn)主軸的方向分類
水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)：風(fēng)輪軸線安裝位置與水平夾角不大于150度的風(fēng)力機(jī)稱為水平軸風(fēng)力機(jī)。水平軸風(fēng)力機(jī)可分為升力型和阻力型兩類。升力型旋轉(zhuǎn)速度快，阻力型旋轉(zhuǎn)速度慢。對于風(fēng)力發(fā)電，多采用升力型水平軸風(fēng)力機(jī)。大多數(shù)水平軸風(fēng)力機(jī)具有對風(fēng)裝置，能隨風(fēng)向改變而轉(zhuǎn)動。對小型風(fēng)力機(jī)，這種對縫裝置采用尾舵，而對于大型的風(fēng)力機(jī)，則利用風(fēng)向傳感元件及伺服電動機(jī)組成的傳動機(jī)構(gòu)。風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪在塔架前面的稱上風(fēng)向風(fēng)力機(jī)，風(fēng)輪在塔架后面的則稱下風(fēng)向風(fēng)力機(jī)。水平軸風(fēng)力機(jī)的式樣很多，有的具有反轉(zhuǎn)葉片的風(fēng)輪；有的在一個塔架上安裝多個風(fēng)輪，以便在輸出功率一定的條件下減少塔架的成本，有的利用錐形罩，使氣流通過水平軸風(fēng)輪時幾種或擴(kuò)散，因此加速或減速；還有的水平軸風(fēng)力機(jī)在風(fēng)輪周圍產(chǎn)生漩渦，集中氣流，增加氣流速度[3]。
垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)：風(fēng)輪軸線安裝位置與水平面垂直的風(fēng)力機(jī)稱為垂直軸風(fēng)力機(jī)，垂直軸風(fēng)力機(jī)可接受來自任何方向的風(fēng)，故無需對風(fēng)。這里詳細(xì)介紹下垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。20世紀(jì)20年代芬蘭的工程師Savonius發(fā)明了典型的阻力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，它以發(fā)明者的名字命名為薩沃紐斯型風(fēng)力機(jī)。這種風(fēng)力機(jī)選用的是S型風(fēng)輪。它由兩個半圓筒形葉片組成，兩圓筒的軸線相互錯開一段距離，也有3-4枚葉片的，往往上下重疊多層。其優(yōu)點是氣動轉(zhuǎn)矩較大，氣動性能良好，但是它的轉(zhuǎn)速低，風(fēng)能利用系數(shù)低于水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，并且在運(yùn)行中圍繞著風(fēng)輪會產(chǎn)生不對稱氣流，從而產(chǎn)生側(cè)向推力。特別是對于較大型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，因為受偏轉(zhuǎn)與安全極限應(yīng)力的限制，采用這種結(jié)構(gòu)形式是比較困難的。薩沃紐斯型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉尖速比不可能大于1，所以它的轉(zhuǎn)速低，風(fēng)能利用系數(shù)也低于高速型的其他垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，缺乏市場競爭力。
升力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組利用翼型的升力做功，最典型的是由于法國工程師達(dá)里厄與1927年發(fā)明的達(dá)里厄型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，他于1931年獲得專利，但一直未被重視。20世紀(jì)后期，加拿大國家空氣動力實驗室和美國的Sandia實驗室進(jìn)行了大量的實驗研究，結(jié)果認(rèn)為與所有垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相比，該機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)最高。根據(jù)葉片的形狀，達(dá)里厄型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可分為直葉片和彎葉片兩種，葉片的翼型剖面多為對稱翼型。彎葉片主要是使葉片只承受張力，不承受離心力，但其幾何形狀固定不變，不便采用變槳距方法控制轉(zhuǎn)速，且彎葉片制造成本比直葉片高。直葉片一般都采用輪糓臂和拉索支撐，以防止離心力引起過大的彎曲應(yīng)力，但這些支承會產(chǎn)生氣動阻力，降低效率。如下圖所示:
圖2-1
達(dá)里厄型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有多種形式，有H型，Δ型，◇型，Y型和Φ型等，其中以H型和Φ型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最為典型，如下圖：
圖2-2 Φ型和H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)
第三章 風(fēng)力機(jī)發(fā)電基本原理
3.1 風(fēng)力發(fā)電基本原理
風(fēng)力發(fā)電的原理，是利用風(fēng)力帶動風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機(jī)將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機(jī)發(fā)電。依據(jù)目前的風(fēng)車技術(shù)，大約是每秒三公尺的微風(fēng)速度（微風(fēng)的程度），便可以開始發(fā)電。
風(fēng)力發(fā)電正在世界上形成一股熱潮，因為風(fēng)力發(fā)電沒有燃料問題，也不會產(chǎn)生輻射或空氣污染。
風(fēng)力發(fā)電在芬蘭、丹麥等國家很流行；我國也在西部地區(qū)大力提倡。小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)效率很高，但它不是只由一個發(fā)電機(jī)頭組成的，而是一個有一定科技含量的小系統(tǒng)：風(fēng)力發(fā)電機(jī)+充電器+數(shù)字逆變器。風(fēng)力發(fā)電機(jī)由機(jī)頭、轉(zhuǎn)體、尾翼、葉片組成。每一部分都很重要，各部分功能為：葉片用來接受風(fēng)力并通過機(jī)頭轉(zhuǎn)為電能；尾翼使葉片始終對著來風(fēng)的方向從而獲得最大的風(fēng)能；轉(zhuǎn)體能使機(jī)頭靈活地轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)尾翼調(diào)整方向的功能；機(jī)頭的轉(zhuǎn)子是永磁體，定子繞組切割磁力線產(chǎn)生電能。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)因風(fēng)量不穩(wěn)定，故其輸出的是13～25V變化的交流電，須經(jīng)充電器整流，再對蓄電瓶充電，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能變成化學(xué)能。然后用有保護(hù)電路的逆變電源，把電瓶里的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成交流220V市電，才能保證穩(wěn)定使用。
機(jī)械連接與功率傳遞水平軸風(fēng)機(jī)槳葉通過齒輪箱及其高速軸與萬能彈性聯(lián)軸節(jié)相連,將轉(zhuǎn)矩傳遞到發(fā)電機(jī)的傳動軸,此聯(lián)軸節(jié)應(yīng)按具有很好的吸收阻尼和震動的特性，表現(xiàn)為吸收適量的徑向、軸向和一定角度的偏移，并且聯(lián)軸器可阻止機(jī)械裝置的過載。另一種為直驅(qū)型風(fēng)機(jī)槳葉不通過齒輪箱直接與電機(jī)相連風(fēng)機(jī)電機(jī)類型[4]。
3.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本機(jī)構(gòu)
風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式很多，但其原理和結(jié)構(gòu)總的來說是大同小異的，這里主要介紹垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要由以下幾部分組成：風(fēng)輪、塔架、發(fā)電機(jī)、剎車裝置、控制器等，如下圖所示：
圖3-1
風(fēng)輪裝置是把風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的關(guān)鍵裝置。主軸為整個風(fēng)力機(jī)的關(guān)鍵組件，主要起承力作用，發(fā)電機(jī)采用同步永磁低速發(fā)電機(jī)，改型發(fā)電機(jī)為針對垂直軸風(fēng)力機(jī)專門設(shè)計的低速發(fā)電機(jī)。剎車裝置是風(fēng)力機(jī)必須配備的安全控制機(jī)構(gòu)，其主要在風(fēng)力機(jī)維修時使用。塔架為整個風(fēng)力機(jī)的承重件。
第四章 垂直軸風(fēng)力機(jī)的設(shè)計
4.1 風(fēng)力機(jī)的基本設(shè)計理論
一定的速度前進(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)動發(fā)電機(jī)的機(jī)組。葉片式葉輪的重要構(gòu)建，葉輪是接受風(fēng)能的構(gòu)建，將風(fēng)能傳遞給發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，使之旋轉(zhuǎn)切割磁力線而發(fā)電?？諝獾牧鲃泳褪秋L(fēng)。風(fēng)濕地球由于自傳及緯度溫差等原因致使空氣流動形成的。風(fēng)能在這里指的是風(fēng)的動能。世界上第一個關(guān)于風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪葉片接受風(fēng)能的完整理論是1919年有Betz建立的。該理論所建立的模型是考慮若干假設(shè)條件的簡化單元流管，主要用來描述氣流與風(fēng)輪的作用關(guān)系。貝茲理論的建立是假定：風(fēng)輪是一個圓盤，軸向力沿圓盤均勻分布且圓盤上沒有摩擦力；風(fēng)輪葉片無限多；氣流是不可壓縮的且是水平均勻定常流，風(fēng)輪尾流不旋轉(zhuǎn)；風(fēng)輪前后遠(yuǎn)方氣流靜壓相等。這事的風(fēng)輪稱為“理想風(fēng)輪”。現(xiàn)研究理想風(fēng)輪在流動的大氣中的情況，如圖所示，并規(guī)定如下：
風(fēng)輪氣流圖
V1為距離風(fēng)力機(jī)一定距離的上游風(fēng)速；V為通過風(fēng)輪時的實際風(fēng)速；V2為離風(fēng)輪遠(yuǎn)處的下游風(fēng)速。設(shè)通過風(fēng)輪的氣流其上游截面為S1，下游截面為S2。由于風(fēng)輪的機(jī)械能量僅由空氣的動能降低所致，因而V2必然低于V1，所以通過風(fēng)輪的氣流截面從上游至下游是增加的即S2大于S1[5].
由連續(xù)方程（質(zhì)量守恒）可得
由于空氣是不可壓縮的，所以
風(fēng)作用在風(fēng)輪上的力可由Euler理論（歐拉定理）寫出
設(shè)風(fēng)輪上游和下游的靜壓力是P，風(fēng)輪前后的靜壓力分別是P1和P2.風(fēng)作用在風(fēng)輪上的力還可以寫成是風(fēng)輪前后靜壓力變化與風(fēng)輪面積的乘積，即
因此風(fēng)輪吸收的功率為
利用伯努利方程，風(fēng)輪前后的氣流狀態(tài)可以寫成如下
聯(lián)立兩式可得
根據(jù)前式又可得
由上述可得
引入軸向氣流誘導(dǎo)因子α，以-αV形式表示風(fēng)輪附近氣流速度的變化，即
易得
從上游至下游動能的變化量為
由上述又可得
而風(fēng)的功率表達(dá)式為
所以功率系數(shù)
又
方程式有兩個解。
第一個解：當(dāng)a=1時，CP=0,此解沒有物理意義；
第二個解：當(dāng)a=1/3時，此時對應(yīng)的功率系數(shù)最大。
此式即為注明的貝茲理論的極限值。它說明，風(fēng)力機(jī)從自然風(fēng)中所能索取的能量是有限的，其功率損失部分可以解釋為留在為六種的旋轉(zhuǎn)動能。
在能量的轉(zhuǎn)化過程中，由于各種算是的存在必將導(dǎo)致風(fēng)輪輸出功率的下降，一般隨所采用的風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的形式不同，其能量損失也不同。因此，風(fēng)力機(jī)的實際風(fēng)能系數(shù),一般設(shè)計時根據(jù)葉片的數(shù)量、葉片翼型、功率等情況，取0.25-0.45.所以在這里我們?nèi)?.4.
4.2 風(fēng)場的選擇
根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計的一般規(guī)程，首先對安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)場風(fēng)況進(jìn)行考察估算，以此作為確定風(fēng)速梯度函數(shù)、額定風(fēng)速、風(fēng)速分布函數(shù)、發(fā)電量等性能的參考指標(biāo)。
風(fēng)場選址：
風(fēng)場選址有宏觀選址和微觀選址兩個方面。宏觀選址的優(yōu)劣對風(fēng)電開發(fā)項目的經(jīng)濟(jì)可行性其主要作用。而控制一個場址經(jīng)濟(jì)潛力的主要因素之一是風(fēng)能資源的特性。在近地層，風(fēng)的特性是十分復(fù)雜的，它在空間分布上是分散的，在時間分布上是不連續(xù)和不穩(wěn)定的。風(fēng)速對當(dāng)?shù)貧夂蚴置舾?，同時，風(fēng)速的大小、品味的高低又受到風(fēng)場地形、地貌特征的影響，所以要選擇風(fēng)能資源豐富的有利地形，進(jìn)行分析，加以篩選。另外，還要綜合征地價格、工程投資、交通、通信、接網(wǎng)條件、環(huán)保要求等因素進(jìn)行經(jīng)濟(jì)和社會效益的綜合評價，最后確定最佳場址。微觀選址是指風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具體安裝位置的選擇。作為風(fēng)電場選址工作的組成部分，需要充分了解和評價特定的場址地形、地貌及風(fēng)況特征后，再匹配于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的性能進(jìn)行發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益和載荷分析計算。
進(jìn)行風(fēng)電宏觀選址時，尤其是組建電網(wǎng)時主要考慮以下幾個方面;
1、平均風(fēng)速
一般來說平均風(fēng)速越大越好，只有年平均風(fēng)速大于6m/s的地方才基本適合建立風(fēng)電場。根據(jù)我國風(fēng)能資源的實際情況，把10m高度處年平均風(fēng)速在6m/s以上的地區(qū)為風(fēng)能豐富區(qū)的一項指標(biāo)。
2、風(fēng)功率密度
風(fēng)功率密度與所在地的空氣密度和風(fēng)速大小都有關(guān)系。高原地區(qū)風(fēng)大，但風(fēng)功率密度不一定大，因為空氣稀薄。
3、主要風(fēng)向分布
這一參數(shù)決定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在風(fēng)電場中的最佳排列方式。雖然可以調(diào)整風(fēng)力發(fā)電機(jī)的方向，但密集排列的機(jī)組間的湍流影響有時是不容忽視的，利用實測風(fēng)玫瑰圖可以表示出風(fēng)向的分布情況，主導(dǎo)風(fēng)向占30%以上就可以認(rèn)為該地區(qū)有比較穩(wěn)定的風(fēng)向。
風(fēng)玫瑰圖，在極坐標(biāo)底圖上點繪出的某一地區(qū)在某一時段內(nèi)各風(fēng)向出現(xiàn)的頻率或各風(fēng)向的平均風(fēng)速的統(tǒng)計圖，前者為風(fēng)向玫瑰圖后者為風(fēng)速玫瑰圖。因圖形類似玫瑰花朵而得名。最常見的風(fēng)玫瑰圖是一個圓，圓上引出16條放射線，它們代表16個不同的方向，每條直線的長度與這個方向上的風(fēng)的頻率成正比。靜風(fēng)的頻率放在中間，有些風(fēng)玫瑰圖上還指示出了各風(fēng)向的風(fēng)速范圍，如下圖所示;
圖4-1風(fēng)向玫瑰圖坐標(biāo)系圖 4-2風(fēng)向玫瑰圖
風(fēng)速的頻率在國標(biāo)GB/T 13891-1992中由年風(fēng)頻曲線描述，年風(fēng)頻曲線由風(fēng)場對風(fēng)力進(jìn)行統(tǒng)計、分析并按照威布爾或瑞利分布給出。
機(jī)組設(shè)計參數(shù)
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的整體設(shè)計包括風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、制動器、塔架及控制系統(tǒng)的設(shè)計。
額定功率
中華人民共和國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“JB/T 10300-2001風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計要求”中定義了額定輸出功率P是指在正常運(yùn)行狀態(tài)下從功率曲線得到的風(fēng)輪軸的最大連續(xù)機(jī)械效率，達(dá)到這一功率時，發(fā)電機(jī)就產(chǎn)生其額定的電輸出，稱為機(jī)組額定輸出功率，簡稱額定功率。
額定風(fēng)速
額定風(fēng)速（又稱設(shè)計風(fēng)速）是一個非常重要的參數(shù)，直接影響到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的大小和成本。額定風(fēng)速主要由安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)組地區(qū)的風(fēng)能資源決定。風(fēng)能資源既要考慮到平均風(fēng)速的大小，又要考慮風(fēng)速的頻率。
在該設(shè)計中我們假定風(fēng)速為8m/s.
4.3 風(fēng)力機(jī)設(shè)計的基本參數(shù)
確定風(fēng)力機(jī)的額定風(fēng)速：設(shè)定風(fēng)力機(jī)的風(fēng)速V為8m/s
確定風(fēng)力機(jī)的額定功率：根軍設(shè)計說明書設(shè)定風(fēng)力機(jī)的額定功率P為10KW.風(fēng)能利用系數(shù)為0.4，空氣密度為1.25×1000.
4.4 風(fēng)輪的設(shè)計
風(fēng)輪參數(shù)的確定
已知風(fēng)速V為8m/s，風(fēng)輪直徑的計算；
將其圓整為4米
D風(fēng)輪直徑單位為米
Pn風(fēng)力機(jī)額定功率，單位為瓦
Cp風(fēng)能利用系數(shù)
V設(shè)計風(fēng)速Vd或額定風(fēng)速Vn，單位為米每秒（m/s）
發(fā)電機(jī)或其他工作機(jī)效率
機(jī)械傳動系統(tǒng)效率
4.5 葉片翼型的設(shè)計和選取
4.5.1 翼型的幾何定義
葉片的氣動性能直接與翼型外形有關(guān)，如圖所示，在風(fēng)輪葉片上取一翼型截面葉素。通常，翼型外形由下列幾何參數(shù)決定。
圖4-4 翼的概念及翼的受力分析
1、翼的前緣A:翼的前部A為圓頭，翼型中弧線的最前點成為翼型前緣。
2、翼的后緣B：翼的尾部B為尖形，翼型中弧線的最后點成為翼型后緣。
3、翼弦C：翼的前緣A與后緣B的連線稱為翼的弦，AB的長是翼的弦長C.
4、中弧線：翼型內(nèi)切圓圓心的連線為中弧線，也可將垂直于弦線度量的上下表面間距離的中間稱為中弧線，對稱翼型的中弧線為翼弦重合。
5、翼的上表面Upper:翼弦上面的弧面。
6、翼的下表面Lower:翼弦下面的弧面。
7、前緣半徑：翼型前緣處內(nèi)切圓的半徑稱為翼型前緣半徑，前緣半徑與弦長的比值稱為相對前緣半徑。
8、后緣角：位于翼型后緣處，上下弧線之間的夾角稱為翼型后緣角。
9、翼展：葉片旋轉(zhuǎn)直徑，即風(fēng)輪轉(zhuǎn)動直徑。
10、葉片安裝角θ：風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面與葉片各剖面的翼弦所成的角，又稱扭轉(zhuǎn)角、傾角，在扭曲葉片中沿翼展方向不同位置葉片的安裝角各不相同，用θi來表示。
11、攻角：翼弦與相對風(fēng)速所成的角，又稱迎角。
12、展弦比：翼展的平方與翼的面積Sy之比，即風(fēng)輪半徑的平方與葉片面積之比，用Rz來表示
式中，Cm為平均弦長（m）,Sy為葉片面積（平方米），R為風(fēng)輪轉(zhuǎn)動半徑（m）
目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪葉片的翼型主要有兩類：一類是低速航空翼型，另一類是風(fēng)電機(jī)專用翼型。NACA翼型是20世紀(jì)30年代末到40年代初由美國國家宇航局的前身國家航空咨詢委員會提出的。NACA翼型是有基本厚度翼型和中弧線跌加而成。NACA系列翼型常用的有四位數(shù)系列，五位數(shù)系列和層流型系列翼型。美國國家航空資訊委員會是美國于1915年3約3日成立的聯(lián)邦機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)航空科學(xué)研究的執(zhí)行、促進(jìn)與制度化。隨著航空科學(xué)的發(fā)展，世界各主要航空發(fā)達(dá)的國家建立了各種翼型系列，美國有NACA系列，德國有DVL系列，英國有RAE系列。在現(xiàn)有的翼型資料中，NACA系列翼型的資料比較豐富，飛行器上采用這一系列的翼型也比較多。而現(xiàn)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片設(shè)計中大多數(shù)還使用NACA系列翼型，只有少數(shù)國家有專門用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的翼型，是在垂直軸承風(fēng)力機(jī)中一般采用NACA00系列對稱翼型，這里我們選用NACA0018型。其外形圖如下;
圖4-5 0018型翼型
4.5.2 計算風(fēng)輪的掃風(fēng)面積
選定風(fēng)力機(jī)的額定功率后，風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪掃風(fēng)面積S可由下式進(jìn)行估算:
P風(fēng)力機(jī)的額定功率
ρ為空氣密度
η為傳動鏈的機(jī)械效率
S為風(fēng)輪的掃風(fēng)面積
為風(fēng)能利用系數(shù)
為額定風(fēng)速
對于H型垂直軸風(fēng)力機(jī),其風(fēng)輪的掃風(fēng)面積為:
D為風(fēng)輪直徑
H為風(fēng)輪高度(葉片展長)
4.5.3 風(fēng)力機(jī)葉片的基本設(shè)計方法
葉片設(shè)計包括氣動設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計兩部分。氣動設(shè)計考慮葉片的額定設(shè)計風(fēng)速、風(fēng)能利用系數(shù)、外形尺寸和氣動載荷等因素。結(jié)構(gòu)設(shè)計時根據(jù)氣動設(shè)計時的載荷計算，并考慮機(jī)組實際運(yùn)行環(huán)境因素的影響，使葉片具有足夠的強(qiáng)度和剛度。保證葉片在規(guī)定的使用環(huán)境條件下，在其使用壽命期內(nèi)不發(fā)生損壞。另外，要求葉片的重量盡可能輕，并考慮葉片間的平衡措施。
氣動設(shè)計時整個機(jī)組設(shè)計的基礎(chǔ)，為了使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得最大的氣動效率，所設(shè)計的葉片在弦長和扭角分布上一般采用曲線變化。
葉片氣動設(shè)計常用的方法有圖解法、等升力系數(shù)法、等弦長法、Wilson設(shè)計法等多種方法。目前葉片設(shè)計方法主要以動量葉素理論為基礎(chǔ)，結(jié)合其他優(yōu)化算法實現(xiàn)葉片氣動性能、強(qiáng)度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外形及發(fā)電量等各項性能的綜合優(yōu)化設(shè)計。
4.5.4 葉片設(shè)計參數(shù)
一般來講，風(fēng)輪的葉片數(shù)取決于風(fēng)輪的葉尖速比，國標(biāo)GB/T 13891-1992給出了葉尖速比和葉片數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，下表是不同葉尖速比對應(yīng)的葉片數(shù)及風(fēng)力機(jī)類型。
各種類型風(fēng)機(jī)的葉尖速比和葉片數(shù)
葉尖速比
葉片數(shù)目
風(fēng)機(jī)類型
葉尖速比
葉片數(shù)目
風(fēng)機(jī)類型
1
6-20
低速
4
3-5
中速
2
4-12
低速
5-8
2-4
高速
3
3-8
中速
8-15
1-2
高速
圖4-5
尖速比λ與R/Nc的關(guān)系可表達(dá)為
式中，λ為風(fēng)能利用系數(shù)Cp取最大值時對應(yīng)的葉尖速比，其表達(dá)式為
其中R為風(fēng)輪半徑，C為葉片弦長，N為葉片個數(shù)，n 為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，V為來流風(fēng)速。商標(biāo)給出了風(fēng)輪葉片數(shù)與尖速比λ的匹配值。
根據(jù)表中數(shù)值取葉片數(shù)為5.
4.6 葉片材料與結(jié)構(gòu)
在進(jìn)行葉片氣動設(shè)計的基礎(chǔ)上，還要考慮機(jī)組實際運(yùn)行環(huán)境因素的影響，運(yùn)行葉片結(jié)構(gòu)的設(shè)計，使葉片具有足夠的強(qiáng)度和剛度。保證葉片在規(guī)定的使用環(huán)境條件下，在其使用壽命氣餒不發(fā)生損壞。另外，要求葉片的重量盡可能輕，并考慮葉片間相互平衡措施。葉片的重量太重，還會加重其他部件如輪轂、控制器、發(fā)電機(jī)等設(shè)備的負(fù)擔(dān)，造成變槳靈敏度下降、控制延時、系統(tǒng)協(xié)調(diào)性差等缺陷。改變?nèi)~片內(nèi)部結(jié)構(gòu)也是降低葉片重量、降低成本、優(yōu)化機(jī)組性能的有效方法。德國的Enercon公司對葉片結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了深入研究，為縮小葉片的外形截面、剖面結(jié)構(gòu)采用蒙皮與主梁形式如下圖所示：
圖4-6 典型的葉片截面
常用的有玻璃纖維夾層板做成C型、O型或箱型大梁，內(nèi)部填充硬質(zhì)泡沫塑料。對其葉片根部固定方案進(jìn)行了改進(jìn)，主要采用金屬法蘭、預(yù)埋金屬桿及T型螺栓方式，以減輕根部的重量，如下圖所示
圖4-7 典型的葉根結(jié)構(gòu)
風(fēng)輪連接件的設(shè)計這里不再進(jìn)行描述，可參考風(fēng)力機(jī)設(shè)計手冊進(jìn)行。
由于設(shè)計要求采用活固葉風(fēng)力機(jī)，所謂活固葉是指葉片由一個固定葉片和一個活動組成。固定葉片固定連接于主軸之上，而活動葉片上下兩端部分帶有軸套，通過軸套安裝在固定葉片上，活固葉組成示意圖如下：
圖4-8葉片連接形式
4.7 主軸的設(shè)計計算
式中，β=d1/d,即空心軸的內(nèi)徑d1與外徑d之比，通常取β=0.5-0.6.
A0根據(jù)軸所用材料選擇為149-126，這里取140
n為主軸轉(zhuǎn)速,此處根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速取80r/m.
P為功率這里取10KW.
則計算為
取d=60mm。則取軸肩處直徑為70mm。其外形圖如下:
圖4-9 主軸形式
關(guān)于軸承這里選用角接觸球軸承，該軸承不但能承受徑向力還能承受軸向力。這里根據(jù)軸徑選用7212AC角接觸球軸承。
第五章 發(fā)電機(jī)的選擇
多數(shù)由較低速度的水輪機(jī)或柴油機(jī)驅(qū)動。電機(jī)磁極數(shù)由4極到60極，甚至更多。對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為1500～100轉(zhuǎn)/分及以下。由于轉(zhuǎn)速較低，一般都采用對材料和制造工藝要求較低的凸極式轉(zhuǎn)子。
凸極式轉(zhuǎn)子的每個磁極常由1～2毫米厚的鋼板疊成，用鉚釘裝成整體，磁極上套有勵磁繞組。勵磁繞組通常用扁銅線繞制而成。磁極的極靴上還常裝有阻尼繞組。它是一個由極靴阻尼槽中的裸銅條和焊在兩端的銅環(huán)形成的一個短接回路。磁極固定在轉(zhuǎn)子磁軛上，磁軛由鑄鋼鑄成。凸極式轉(zhuǎn)子可分為臥式和立式兩類。大多數(shù)同步電動機(jī)、同步調(diào)相機(jī)和內(nèi)燃機(jī)或沖擊式水輪機(jī)拖動的發(fā)電機(jī)，都采用臥式結(jié)構(gòu)；低速、大容量水輪發(fā)電機(jī)則采用立式結(jié)構(gòu)。
臥式同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子主要由主磁極、磁軛、勵磁繞組、集電環(huán)和轉(zhuǎn)軸等組成。其定子結(jié)構(gòu)與異步電機(jī)相似。立式結(jié)構(gòu)必須用推力軸承承擔(dān)機(jī)組轉(zhuǎn)動部分的重力和水向下的壓力。大容量水輪發(fā)電機(jī)中，此力可高達(dá)四、五十兆牛（約相當(dāng)于四、五千噸物體的重力），所以這種推力軸承的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工工藝和安裝要求都很高。按照推力軸承的安放位置，立式水輪發(fā)電機(jī)分為懸吊式和傘式兩種。懸吊式的推力軸承放在上機(jī)架的上部或中部，在轉(zhuǎn)速較高、轉(zhuǎn)子直徑與鐵心長度的比值較小時，機(jī)械上運(yùn)行較穩(wěn)定。傘式的推力軸承放在轉(zhuǎn)子下部的下機(jī)架上或水輪機(jī)頂蓋上。負(fù)重機(jī)架是尺寸較小的下機(jī)架，可節(jié)約大量鋼材，并能降低從機(jī)座基礎(chǔ)算起的發(fā)電機(jī)和廠房高度。
同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行 同步發(fā)電機(jī)絕大多數(shù)是并聯(lián)運(yùn)行，并網(wǎng)發(fā)電的。各并聯(lián)運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)必須頻率、電壓的大小和相位都保持一致。否則，并聯(lián)合閘的瞬間，各發(fā)電機(jī)之間會產(chǎn)生內(nèi)部環(huán)流，引起擾動，嚴(yán)重時甚至?xí)拱l(fā)電機(jī)遭受破壞。但是，兩臺發(fā)電機(jī)在投入并聯(lián)運(yùn)行以前，一般說來它們的頻率與電壓的大小和相位是不會完全相同的。為了使同步發(fā)電機(jī)能投入并聯(lián)運(yùn)行，首先必須有一個同步并列的過程。同步并列的方法可分為準(zhǔn)同步和自同步兩種。同步發(fā)電機(jī)在投入并聯(lián)運(yùn)行以后，各機(jī)負(fù)載的分配決定于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速特性。通過調(diào)節(jié)原動機(jī)的調(diào)速器，改變發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速特性，即可改變各發(fā)電機(jī)的負(fù)載分配，控制各發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率。而通過調(diào)節(jié)各發(fā)電機(jī)的勵磁電流，可以改變各發(fā)電機(jī)無功功率分配和調(diào)節(jié)電網(wǎng)的電壓。
同步永磁低速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子輸出三相交流電經(jīng)過不控整流電路整流后對蓄電池進(jìn)行充電，電子調(diào)壓電路的功能除了對蓄電池充電的控制外，還負(fù)責(zé)多余電能的卸荷。這里參照設(shè)計垂直軸風(fēng)力機(jī)功率為10KW，我們選擇了永磁直驅(qū)交流同步低速發(fā)電機(jī)，其型號為FDJ10KW-80.
第六章 風(fēng)機(jī)附件的設(shè)計選擇
6.1 蓄電池簡介
在獨立運(yùn)行的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，廣泛使用蓄電池作為蓄能裝置。蓄電池的作用是當(dāng)風(fēng)力較強(qiáng)或用電負(fù)荷減小時，可以將來自風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能中的一部分蓄存在蓄電池中。也就是向蓄電池充電，當(dāng)風(fēng)力較弱，無風(fēng)或用電負(fù)荷增大時，蓄存在蓄電池中的電能向負(fù)荷供電。以補(bǔ)足風(fēng)力發(fā)電機(jī)所發(fā)電能的不足!達(dá)到維持向負(fù)荷持續(xù)穩(wěn)定供電的作用。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中常用的蓄電池有鉛酸電池%亦稱鉛蓄電池和鎳鎘電池亦稱堿性蓄電池。單格鉛酸蓄電池的電動勢約為2V,單格堿性蓄電池的電動勢約為1.2V,將多個單格蓄電池串聯(lián)組成蓄電池組,可獲得不同的蓄電池組電勢!例如12、24、36V等。當(dāng)外電路閉合時，蓄電池正負(fù)兩極間的電位差即為蓄電池的端電壓（稱電壓）。蓄電池的端電壓在充電和放電過程中，電壓是不相同，充電時蓄電池的電壓高于其電動勢。放電時蓄電池的電壓低于其電動勢，這是因為蓄電池有內(nèi)阻的緣故，且蓄電池的內(nèi)阻隨溫度的變化比較明顯[6]。
蓄電池的容量以Ah表示,容量為100Ah的蓄電池代表該蓄電池.若放電電流為10A,可連續(xù)放電10h,若放電電流為5A,則可連續(xù)放電20h,在放電過程中,蓄電池的電壓隨著放電而逐漸降低!放電時鉛酸蓄電池的電壓不能低于1.4-1.8V,堿性蓄電池的電壓不能低于0.8-1.1
V.蓄電池放電時的最佳電流值為10h,放電率電流,蓄電池的最佳
充電電流值等于其最佳放電電流值.
蓄電池經(jīng)過多次充電及放電以后,其容量會降低.當(dāng)蓄電池的容量降低到其額定值的80%以下時,就不能再使用了,也就是蓄電池有一定的使用壽命,影響蓄電池壽命的因素很多,如充電或放電過度,蓄電池的電解液濃度太大或純度降低以及在高溫環(huán)境下使用等都會使蓄電池的性能變壞,降低蓄電池的使用壽命.
6.2 蓄電池的設(shè)計選用
商品蓄電池有很多種類，主要有鉛酸蓄電池和堿性蓄電池，而互補(bǔ)供電形式和并網(wǎng)形式也起到了蓄電作用。目前在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中普遍使用的是鉛酸電池。這類蓄電池對電解液的比重，充電的電流、時間，放電電流、時間以及使用溫度等具有嚴(yán)格的要求，以免過充電、過放點導(dǎo)致蓄電池報廢。并且鉛酸蓄電池價格便宜，被廣泛使用。用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的鉛酸電池主流品牌主要有駱駝、風(fēng)帆、松下、陽光等見下表;
名稱
額定容量
額定電壓
重量/公斤
參考價/元
駱駝GFM-200
200
12
13.5
815
駱駝FMJ-20
40
12
18.5
450
駱駝G31P
120
12
28.2
750
風(fēng)帆46B24L
45
12
13.1
430
風(fēng)帆6QW-68
68
12
20.0
536
風(fēng)帆6QW-100
100
12
25.5
735
風(fēng)帆6QW-120
120
12
33
810
圖4-8 鉛酸蓄電池主流產(chǎn)品
蓄電池的容量，是指充滿電的蓄電池用一定的電流放電至規(guī)定放電終止電壓的放電量，通常用如下表示方法;
安時容量=放電電流*放電時間。
所以這里我們選擇駱駝GMF-200型，其功率為：200AH×12V=2.4KWh
所選蓄電池塊數(shù)為10KW/2.4KW=5塊
6.3 制動器的選擇
制動器是指使機(jī)械中的運(yùn)動件停止或減速的機(jī)械零件，俗稱剎車、閘。制動器主要由制動架、制動件和操縱裝置等組成。有些制動器還裝有制動件間隙的自動調(diào)整裝置。為了減小制動力矩和結(jié)構(gòu)尺寸，制動器通常裝在設(shè)備的高速軸上，但對安全性要求較高的大型設(shè)備(如礦井提升機(jī)、電梯等)則應(yīng)裝在靠近設(shè)備工作部分的低速軸上[7]。
有些制動器已標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，并由專業(yè)工廠制造以供選用。
電磁制動器是現(xiàn)代工業(yè)中一種理想的自動化執(zhí)行元件，在機(jī)械傳動系統(tǒng)中主要起傳遞動力和控制運(yùn)動等作用。具有結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡單，響應(yīng)靈敏，壽命長久，使用可靠，易于實現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制等優(yōu)點。如下圖所示：
圖4-9
該制動器要求在一定風(fēng)速下能夠?qū)嵭兄苿樱凑诊L(fēng)速最大要求進(jìn)行計算，設(shè)定風(fēng)速為12級（30m/s），計算此時力矩以便選定制動器：
按照此扭矩選用標(biāo)準(zhǔn)型號為250N?m的電磁制動器。
第七章 塔架的設(shè)計計算
支承風(fēng)力發(fā)電機(jī)的架子稱為塔架，它具有一定的高度，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)處在較為理想的水平高度上運(yùn)轉(zhuǎn)，它還需要有足夠的剛度與強(qiáng)度，在臺風(fēng)或暴風(fēng)襲擊時，要保證它不會使風(fēng)力發(fā)電機(jī)被傾倒破壞。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，塔架支撐著發(fā)電機(jī)主體。從成本上看，塔架占機(jī)組總設(shè)備費的30%，小型風(fēng)力機(jī)近于50%，所以塔架的設(shè)計、制造和安裝等也是機(jī)組設(shè)計、安裝、運(yùn)行燈整個過程的一個重要環(huán)節(jié)[9]。
7.1 塔架的主要形式
1、桁架結(jié)構(gòu)式
桁架式塔架是由角鋼螺栓或鋼管連接而成的，底部大頂端小的桁架，其斷面常采用正方形或多邊形。該結(jié)構(gòu)一般不帶拉線，沿著桁架立柱的腳手架可爬往機(jī)艙。該結(jié)構(gòu)的塔架一般在下風(fēng)向布置的中、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中被應(yīng)用。
2、桁架拉線結(jié)構(gòu)式
桁架拉線式結(jié)構(gòu)的塔架通常在小、中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中被應(yīng)用。它由角鋼螺栓或鋼管連接而成的桁架，再以3-4根輔助拉線組成。桁架的斷面形狀最常見的有等邊三角形與正方形兩種。為了便于整機(jī)起吊，塔架的底部都成鉸接式，拉線可采用鍍鋅鋼絞線或鋼絲繩，拉線上應(yīng)裝有拉緊用的花籃螺栓。
3、圓臺（或棱臺）結(jié)構(gòu)式
圓臺結(jié)構(gòu)塔架是由鋼板卷制（軋制）焊接而成的由下而上逐漸縮小的圓臺。機(jī)組的控制柜與動力盤一般吊掛在塔架的內(nèi)壁上或置于塔底內(nèi)，塔內(nèi)設(shè)置有通往機(jī)艙的直梯。這種塔架結(jié)構(gòu)緊湊、外形美觀，得到了廣泛的應(yīng)用，主要被應(yīng)用于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上。塔架常被分成兩層或者三層，各層之間老式的用法蘭相連，新式的利用本身的錐度進(jìn)行套裝。
4、單管拉線結(jié)構(gòu)形式
單管拉線式結(jié)構(gòu)主要由一根光管和3-4條拉線組成，它具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安裝運(yùn)輸輕便、使用簡單等優(yōu)點。為進(jìn)一步降低成本，可將塔架的管子作為泵體，連桿就在管子中間，這樣簡化了總體結(jié)構(gòu)。
考慮到這幾種方式，這里我們最終選擇了單管拉線結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)形式廣泛應(yīng)用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中。
7.2 高度的確定
通常情況下，隨著高度的增加風(fēng)速不斷增大，塔架越高，風(fēng)力發(fā)電機(jī)單位面積所捕捉的風(fēng)能也就越多，地面渦流對風(fēng)輪的影響也越小，但技術(shù)要求、吊裝的難度以及造價也相對要增加。所以風(fēng)力發(fā)電機(jī)的塔架高度的選取要綜合考慮當(dāng)?shù)丨h(huán)境、技術(shù)與經(jīng)濟(jì)等因素。一般來講，塔架的最低高度H由下式?jīng)Q定
H=L+h+Rh
這里我們?nèi)為2米，風(fēng)輪高度為3m，設(shè)定最近障礙物的高度為4米，則塔架高度為9m.
L為障礙物最高點到風(fēng)輪掃掠面最低點的距離（L常取1.5-2米），h為最近障礙物距離風(fēng)力發(fā)電機(jī)的高度，Rh為風(fēng)輪高度。
塔架高度也直接影響到機(jī)組的輸出功率。人們知道，風(fēng)輪的功率與風(fēng)俗的立方成正比，即
而風(fēng)速與高度的關(guān)系為
因此，風(fēng)輪功率高度的關(guān)系為
式中，V、P為高度為H處的風(fēng)速和風(fēng)輪功率，H為參考高度，一般取海拔高度為10m,V、P為高度為H處的風(fēng)速和風(fēng)輪功率。
塔基的理想高度與安裝地點的地形、地貌關(guān)系有很大關(guān)系。因此，同一型號的風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝在不同的地點，其高度也不同。此外，風(fēng)力機(jī)裝置多設(shè)置在山頂或平原開闊地，因此容易被雷擊，為確保人身和設(shè)備的安全，塔架上必須安裝避雷針。
7.2 塔架的強(qiáng)度校核
塔架結(jié)構(gòu)采用無縫鋼管栓接而成，且下截面尺寸大于上截面尺寸。截面中最容易發(fā)生危險的位置是塔架的根部。其應(yīng)力為
H1為風(fēng)輪中心島塔架上部的距離，W1為塔架根部抗彎截面模量；G1為塔架上方所受重力；G2塔架的自身重力，A1塔架根部截面積，ψ為變截面塔架的長度折減系數(shù)，
H為塔架高度
7.3 塔架基礎(chǔ)的設(shè)計
塔架地基應(yīng)有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，可以承受設(shè)計所要求的動靜載荷。塔架地基不能發(fā)生顯著的尤其是不均勻的下沉。如果基礎(chǔ)一旦下沉，整個塔架將會發(fā)生傾斜。如在極細(xì)的砂土層上安裝時，下沉的可能性最大。為了使塔架不發(fā)生傾斜，需要保證基礎(chǔ)所承受的重量合力與風(fēng)力發(fā)電機(jī)重心垂線重合。塔架地基需用混凝土砌筑。碎石、砂子、和水泥的比例為5：2.5:1。澆灌基礎(chǔ)時，最重要的是要保證塔架垂直于地面，因此基礎(chǔ)表面要水平。地錨的預(yù)埋、基礎(chǔ)的砌筑以及地窖螺栓的連接要同時進(jìn)行。
結(jié)論
畢業(yè)設(shè)計這幾個月來收獲頗豐，讓我對書本上的知識有了更深的理解，也讓我把書本上學(xué)到的知識更好的應(yīng)用到實際上來。這些對于我以后的工作或?qū)W習(xí)都將會起到很大的促進(jìn)作用！
具體的來說，在畢業(yè)設(shè)計中我知道了如何從接到一個新課題到一步一步分析，提出解決方案。再執(zhí)行提出的方案，最后形成成果。也知道了如何在遇到難題時調(diào)動自己的知識儲備來分析解決難題。還讓我知道了怎樣獲取想要的急需的信息和知識。
在本設(shè)計的開題論證、課題研究、論文撰寫和論文審校整個過程中，我學(xué)到許多新知識，但是也發(fā)現(xiàn)了不少存在的問題。在這次的畢業(yè)設(shè)計中，能否看懂圖紙是關(guān)鍵，要了解圖紙上所標(biāo)注的是何含義，有何作用。
在這次畢業(yè)設(shè)計過程中，也犯了不少原本可以避免的錯誤，但在老師的精心指導(dǎo)下，逐漸糾正了這些錯誤，也說明了繪圖時規(guī)范性。編制工序?qū)ξ襾碚f，還處于理論方面的知識，在實踐中還是有所欠缺的。當(dāng)拿到任務(wù)后，卻不知該從何下手了。使我感到十分困惑。但是在學(xué)校技工培訓(xùn)實習(xí)期間已對各個方面都有了一定的認(rèn)識。
在做設(shè)計的過程中，我學(xué)會運(yùn)用CAD、STEP7等軟件，并按時完成了所要完成的任務(wù)。在本次設(shè)計過程中最應(yīng)該感謝的是我們的指導(dǎo)老師！這幾個月來老師一直不辭辛苦的耐心的給我們指導(dǎo)、講解，給我們演示，多方面給予我們支持。在他的幫助下，我克服了設(shè)計中遇到許多難題，也少走了許多彎路。同學(xué)們也給了我很大的幫助和啟發(fā)，在此一并對他們表示深切的謝意。
這次畢業(yè)設(shè)計是我們在學(xué)校的最后一次課。它將我們平時所學(xué)相互結(jié)合起來，為我們將來進(jìn)入工作做準(zhǔn)備。它讓我們了解了更多的新知識。感謝老師、系領(lǐng)導(dǎo)和學(xué)校的關(guān)心和指導(dǎo)，在設(shè)計過程中，結(jié)合工作體會和經(jīng)歷，為我完成設(shè)計給予了極大的幫助，為我們上了最后一次重要的課程。
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