小型風(fēng)力發(fā)電機組動力結(jié)構(gòu)設(shè)計 1 畢業(yè)設(shè)計

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1、小型風(fēng)力發(fā)電機動力結(jié)構(gòu)設(shè)計 第一章 概述 1.1課題研究的目的和意義 數(shù)千年來，風(fēng)能技術(shù)發(fā)展緩慢，也沒有引起人們足夠的重視。但自1973年世界石油危機以來，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足的發(fā)展。風(fēng)能作為一種無污染和可再生的新能源有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，特別是對沿海島嶼，交通不便的邊遠山區(qū)，地廣人稀的草原牧場，以及遠離電網(wǎng)和近期內(nèi)電網(wǎng)還難以達到的農(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。 當前，全球都面臨著能源枯竭、環(huán)境惡化、氣溫升高等問題，日益增長的能源需求、能源安全問題受到世界各國廣泛關(guān)注。風(fēng)能是一種可再

2、生能源，它資源豐富，是一種永久性的本地資源，可為人類提供長期穩(wěn)定的能源供應(yīng);她安全、清潔，沒有燃料風(fēng)險，更不會在使用中破壞環(huán)境。為此，世界各國都在加快風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究，以緩解越來越重的能源與環(huán)境壓力，中國也不例外。 中國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費國，能源利用以煤炭為主。在當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)太平洋煤炭會議資料介紹，按目前的技術(shù)水平和采掘速度計算，全球煤炭資源還可開采200年。此外，石油探明

3、儲量預(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、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)跨世紀的戰(zhàn)略發(fā)展目標①。 表1-1 1996-2005年世界風(fēng)電市場增長 從表1-1可以看出，世界上的風(fēng)電能源增長的非常迅速，10年平均增長率達到了29.77。截止2005年底，

4、全世界并網(wǎng)運行的風(fēng)力發(fā)電機總裝機容量達到59237 MW ,是1996年裝機容量的9.76倍②。 風(fēng)力發(fā)電近幾年發(fā)展如此之快，是因為它有許多優(yōu)點:1.設(shè)備簡單，投資少，成本低，風(fēng)力發(fā)電機的整個設(shè)備成本不足功率相當?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)省燃料和運輸費用。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)力可以減少對大氣的污染，保護我們?nèi)祟愘囈陨娴淖?/p>

5、然環(huán)境。化學(xué)燃料不斷向大氣中排放對生物有害物質(zhì)，嚴重的威脅人們健康，而風(fēng)力能源則沒有任何影響人類健康的有害物質(zhì)③。 1.2 課題的研究現(xiàn)狀及已有成果 1.2.1研究現(xiàn)狀 我國風(fēng)電的利用大體上采用三種方式，一是戶用式，可獨立運行，用蓄電池，直流輸出或逆變交流輸出;單機容量為100～300W，可基本滿足照明、電視等家用電器的生活用電需要。其次是孤立的小居民區(qū)用，獨立運行，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，單機容量為1～５kW。這種方式也可供無電風(fēng)區(qū)邊防哨所、氣象臺站、雷達站、電視差轉(zhuǎn)臺以及無電區(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

6、油發(fā)電機組或太陽能電站聯(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 1)性能特點 FD2.5—300型風(fēng)力發(fā)電機是低速型風(fēng)機。該機具有發(fā)電效率高，結(jié)構(gòu)簡單，維護方便，可靠性高等待點，是大電網(wǎng)以外而風(fēng)力資源豐富的農(nóng)牧區(qū)、海島、邊防哨所及氣象臺站等較理想的小功率風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，也是迄今我國銷售量最多的小型風(fēng)力發(fā)電機。它可為用戶的照明、彩色電視機、音響設(shè)備、洗衣機、電冰箱、組合收錄機、航標燈等電器提供穩(wěn)定可靠的電源。參見圖1和圖2。 圖1 FD2.5—300型風(fēng)力發(fā)電機 圖2 FD2.5—300型風(fēng)力發(fā)電機輸

7、出特性 2）主要技術(shù)指標 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)電機型式：三相交流永磁式發(fā)電機 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％ 儲能方式：120安·時，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)機高度：5米 整機重量：175千克 1.2.2.

8、2 FD7—5000／9型風(fēng)力發(fā)電機 1) 性能特點 FD7一5000／9型風(fēng)力發(fā)電機組屬水平軸、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。機組發(fā)出的三相交流電可用來給蓄電池充電貯能、給電阻器加熱、驅(qū)動異步電動機或輸入電網(wǎng)。參見圖3、圖4。 圖3 FD7-5000/9型風(fēng)力發(fā)電機 圖4 FD7-5000/9型風(fēng)力發(fā)電機輸出特性 2)主要技術(shù)指標 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)輪標定轉(zhuǎn)速(額定轉(zhuǎn)速)：

9、195/分 風(fēng)輪最高允許轉(zhuǎn)速：250/分 啟動風(fēng)速：4米/秒 額定風(fēng)速：9米/秒 最高安全運行風(fēng)速：60米/秒 發(fā)電機型式：電容勵磁異步 額定功率：5000瓦 額定電壓：交流380伏 機頭重量(塔架以上部分)：560千克 利用方式：BAT(充電儲能式)；CHA(電阻加熱式)；MOT(驅(qū)動電動機式)；RES(并網(wǎng)式) 蓄電池容量：350安·時 塔架高：12米 整機重量：2500千克 1.3本課題的研究內(nèi)容 本課題研制的小型風(fēng)力發(fā)電機主要定位于它可為用戶的照明、彩色電視機、音響設(shè)備、洗衣機、電冰箱、組合收錄機、航標燈等電器提供穩(wěn)定可靠的電源。總體要求是在

10、滿足功能要求的前提下，使用簡單，外型明快，可靠性強，低成本。 從能量轉(zhuǎn)換的角度看，風(fēng)力發(fā)電機組由兩大部分組成。其一是風(fēng)力機，它的功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能;其二是發(fā)電機，它的功能是將機械能轉(zhuǎn)換為電能。大型風(fēng)力發(fā)電機組發(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)電機一般將風(fēng)力發(fā)電機組發(fā)出的電能用儲能設(shè)備儲存起來(一般用蓄電池)，需要時再提供給負載(可直流供電，亦可用逆變器變換為交流供給用戶)，其簡要的系統(tǒng)圖如圖5。 風(fēng)力機 負載（電網(wǎng)） 發(fā)電機 風(fēng) 儲能設(shè)備 圖5 風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)方框圖 本課題的研究內(nèi)容包括: 1、進行小型風(fēng)力發(fā)電機的總體功能需求分析，進行整體方案

11、設(shè)計，力求實現(xiàn)機與電的完美結(jié)合和統(tǒng)一。 2、進行機器的機械裝配圖設(shè)計，功能完備后，然后進行機械零件的詳盡設(shè)計。 根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機葉片設(shè)計理論及實際風(fēng)能情況，設(shè)計出合適的風(fēng)力發(fā)電機葉片，并利用三維建模軟件Solidworks建立葉片的三維實體模型。 3、根據(jù)功能要求設(shè)計一變速器裝置，其實達到改變方向的功能。 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)，誰都會說出很多切身的體會。如微風(fēng)吹過臉頰時的舒爽，狂風(fēng)刮過時的樹葉紛飛、飛沙走石的情景，如果遇上可怕

12、的龍卷風(fēng)，那將是拔樹毀屋的恐怖景象，凡是見過的人無不“談風(fēng)色變”?？傊L(fēng)有時友好有時又不近人情，來無影去無蹤讓人捉摸不透。風(fēng)到底是什么，用科學(xué)的說法就是：地球表面的空氣水平運動稱之為風(fēng)。太陽輻射對地球表面不均勻件加熱是形成風(fēng)的主要成因。 太陽對地球的輻射，透過厚厚的大氣層，到達地球表面，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)，這時空氣從高氣壓區(qū)向低氣壓區(qū)流動，這就產(chǎn)生了風(fēng)。地形、地貌的差異，

13、 地球自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)的影響，更加劇了空氣流動的力量和流動方向的多變性，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)頻等基本指標來表述。 (1)風(fēng)速：空氣在單位時間內(nèi)運動的距離，用米/秒或千米/時作為計量單位。例如空氣在1秒鐘內(nèi)運動了3米，那么風(fēng)速就是3米/秒。由于風(fēng)是不斷變化的，通常所說的風(fēng)速是指一段時間內(nèi)各瞬時風(fēng)速的算術(shù)平均值，即平均風(fēng)速。風(fēng)速可由測風(fēng)儀測量得到。 (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

14、過實驗，我們常用的計算風(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。對于風(fēng)

15、力發(fā)電的風(fēng)能利用而言，為了有利于風(fēng)力發(fā)電機平穩(wěn)運行，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)能的特點和限制性 2.2.1風(fēng)能的特點 大家可能深有體會，在大風(fēng)中會站立不穩(wěn)，說明風(fēng)具有能量。風(fēng)所具有的動能我們稱為風(fēng)能，是指空氣相對地面做水平運動的時候所產(chǎn)生的動能。根據(jù)理論計算和實踐結(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發(fā)，用來做功(如發(fā)電)，我們把這一范圍的風(fēng)稱為有效風(fēng)能或風(fēng)能資源。因為風(fēng)速低于3米/秒時，它的能量太小，沒

16、有利用的價值，而風(fēng)速大于20米/秒時，它對風(fēng)力發(fā)電機的破壞性很大，很難利用。那么風(fēng)速和我們常常聽到的“幾級風(fēng)”有什么關(guān)系呢？世界氣象組織將風(fēng)力分為13個等級，如表2-1所示，在沒有風(fēng)速計的時候，可以根據(jù)它來粗略估計風(fēng)速⑥。 表2-1 風(fēng)力等級表 續(xù)表

17、 大風(fēng)所具有的能量是很大的。風(fēng)速為9—10米/秒的5級風(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級風(fēng)，吹到物體表面上的力，每平方米約為50千克；風(fēng)所含的能量比人類迄今為止所能控制的能量要大得多。 2.2.2 風(fēng)能的優(yōu)點和局限性 風(fēng)能與其他能源相比，有明顯的優(yōu)點，但也合其突出的局限性。 Ⅰ.風(fēng)能的優(yōu)點 ①蘊藏量大：我們已知道風(fēng)能是太陽能的一種轉(zhuǎn)換形式，是取之不盡、用之不竭的可再生能源，根據(jù)計算，太陽至少還可以像現(xiàn)在一樣照射地球60億年左右。 ②無污染：在風(fēng)能轉(zhuǎn)

18、換為電能的過程中，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)能是靠空氣的流動而產(chǎn)生的，這種能源依賴于太陽的存在。只要太陽存在，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、無需運輸：在邊遠地區(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)的人民群眾帶來諸多不便，而且由于地處偏遠、交通不便，即使從外界運輸燃料也十分困難。因此，利用風(fēng)能發(fā)電可就地取材、無需運輸，具有很大的優(yōu)越性。 ⑤適應(yīng)性強、發(fā)展?jié)摿Υ螅何覈衫玫娘L(fēng)力資源區(qū)域占全國國土面積的76％，在我國發(fā)展小型風(fēng)力發(fā)電，潛力巨大、

19、前景廣闊。 Ⅱ.風(fēng)能的限制性 ①能量密度低：由于風(fēng)能來源于空氣的流動，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)時有時無，時大時小，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我國風(fēng)能資源區(qū)劃 根據(jù)國家氣象局氣象研究院的估算，我國的地面風(fēng)能潛力理論可開發(fā)的總量全國32．26億千瓦，10米高度層實際可供開發(fā)量為253億千瓦，可開發(fā)的風(fēng)能資源是十分豐富的。 為了充

20、分開發(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，進行了風(fēng)能資源區(qū)劃，為設(shè)計、生產(chǎn)部門研制風(fēng)力機以及廣大用戶選購風(fēng)力機提供科學(xué)依據(jù)，并為政府部門制定能源規(guī)劃提供參考⑦。 我國風(fēng)能資源區(qū)劃。 在我國的不同地區(qū)，風(fēng)能資源是不同的。分為4種類型： (1)風(fēng)能資源豐富區(qū)：這一區(qū)域的有效風(fēng)能功率密度在200瓦/米2以上，風(fēng)速不低于3．5米/秒的時間，全年為7000—8000小時左右。 (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/秒的時間，全年為4000小時以上。 (3)風(fēng)能資源可利用區(qū)：這一區(qū)域的

21、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/秒的時間，全年為2000小時以上。 (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/秒的時間，全年為2000小時以下。 根據(jù)全國氣象臺站風(fēng)能資料的統(tǒng)計和計算，表2-2給出我國風(fēng)能區(qū)占全國面積的百分比。 表2-2 我國風(fēng)能區(qū)占全國面積的百分比 2.4什么樣的風(fēng)能對人類有用 風(fēng)雖然隨處可見，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，至少目前沒有什么利用價值。年平均風(fēng)速在2—4米/秒的地區(qū)，是風(fēng)能

22、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，除去一些破壞性極大的風(fēng)(如臺風(fēng)、龍卷風(fēng)等)，絕大多數(shù)風(fēng)速在2米/秒以上的風(fēng)能都是對人類有用的風(fēng)能。 目前，國內(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)電機組，即大型風(fēng)力發(fā)電機組。在這些機組中。我國一般選用單機容量600千瓦以亡的機組建設(shè)風(fēng)電場。這樣才能保證機組多發(fā)電，經(jīng)濟效益才能顯著

23、。獨立運行的小型風(fēng)力發(fā)電機組啟動風(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、我國有相當部分農(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)電機組的設(shè)計方案確定 3.1風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu) 風(fēng)力發(fā)電機從結(jié)構(gòu)上可分為兩類。其—是水平軸風(fēng)力機，葉片安裝在水平軸上，葉片接受風(fēng)能轉(zhuǎn)動去驅(qū)動所要驅(qū)動的機械。水平軸風(fēng)力機分多葉片低速風(fēng)力機和1-3個葉片的高速風(fēng)力機。如圖3-1所示。其二是垂直軸風(fēng)力機，風(fēng)輪軸是垂直布置的，葉片帶動風(fēng)輪軸轉(zhuǎn)動再驅(qū)動所要驅(qū)動的機械。如圖3-2所示。 風(fēng)力發(fā)電機就是利用風(fēng)力機驅(qū)動的發(fā)電機組。 圖3-1 水平

24、軸風(fēng)力機葉片形式 (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世紀末，風(fēng)力發(fā)電機得到了不斷地完善、發(fā)展，技術(shù)成熟，已經(jīng)達到微機自控?zé)o人現(xiàn)場值守的程度。工業(yè)發(fā)達國家的風(fēng)力發(fā)電機已達到商品化生產(chǎn)。 圖3-2 垂直軸風(fēng)力機葉片形式 (a) 垂直軸索旺尼斯型葉片；(b)一般型葉片 (c)垂直軸杯型（d）達里厄風(fēng)輪 3.2風(fēng)力發(fā)電機的分類 3.2.1．按風(fēng)力發(fā)電機的功率分類

25、 (1)微型風(fēng)力發(fā)電機，其額定功率為50—1000W。 (2)小型風(fēng)力發(fā)電機，其額定功率為1.0—10.0KW。 (3)中型風(fēng)力發(fā)電機，其額定功率為10.0—100.0KW。 (4)大型風(fēng)力發(fā)電機，其額定功率大于100.0KW。 3.2.2．按風(fēng)輪軸安裝形式分類 風(fēng)力發(fā)電機按風(fēng)輪軸不同可分為水平軸風(fēng)力發(fā)電機和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機兩種。 3.2.2.1水平軸風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu) 水平軸風(fēng)力發(fā)電機是目前世界各國風(fēng)力發(fā)電機最為成功的一種形式，而生產(chǎn)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的國家很少，主要原因是垂直軸風(fēng)力發(fā)電機效率低、需啟動設(shè)備，同時還有些技術(shù)問題尚待解決。 水平軸風(fēng)力發(fā)電機主要由風(fēng)輪、風(fēng)輪

26、軸、低速聯(lián)軸器、增速器、高速軸聯(lián)軸器、發(fā)電機、塔架、調(diào)速裝置、調(diào)向裝置、制動器等結(jié)構(gòu)組成⑨。 典型結(jié)構(gòu)見圖3-3。 圖3-3 美國MOD-0型風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu) 1-左調(diào)向電機；2-左調(diào)向減速器；3-右調(diào)向電機；4-右調(diào)向減速器；5-調(diào)向傳動軸；6-發(fā)電機；7-高速軸；8-高速軸結(jié)合器；9-低速制動器；10-低速軸；11-調(diào)速裝置；12-增速器；13-調(diào)向制動盤；14-調(diào)向制動器；15-葉片 1、風(fēng)輪 葉片安裝在輪鼓上稱作風(fēng)輪，它包括葉片、輪鼓等。風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機接受風(fēng)能的部件?，F(xiàn)代的風(fēng)力發(fā)電機的葉片數(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)電機接受風(fēng)能的

27、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)電機轉(zhuǎn)速高，為匹配發(fā)電機，要在低速的風(fēng)輪軸與高速的發(fā)電機軸之間接一個增速器。增速器就是一個使轉(zhuǎn)速提高的變速器。增速器的增速比i是發(fā)電機額定轉(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)軸器與制動器設(shè)計在一起。風(fēng)輪軸與增速器之間也有用聯(lián)軸器的，稱低速聯(lián)軸器。 4、制動器 制動器是使風(fēng)力發(fā)電機停止運轉(zhuǎn)的裝置，也稱剎車。制動器有手制動器、電磁制動器和液壓制動器。當采用電磁制動器時

28、，需有外電源；當采用液壓制動器時，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 葉片接受風(fēng)能而轉(zhuǎn)動最終傳給發(fā)電機，發(fā)電機是將風(fēng)能最終轉(zhuǎn)變成電能的設(shè)備。 風(fēng)力發(fā)電機上常用的發(fā)電機有四種： (1)直流發(fā)電機，常用在微、小型風(fēng)力發(fā)電機上。直流電壓12，24，36V等。中型風(fēng)力發(fā)電機也有用直流發(fā)電機的。 (2)永磁發(fā)電機，常用在小型風(fēng)力發(fā)電機上，電壓一般為115，127V等，有直流也有交流。水磁交流發(fā)電機在中、大型風(fēng)力發(fā)電機上尚未得到使用，主要有些技術(shù)問題還未解 決?，F(xiàn)在我國已經(jīng)發(fā)明了交流電壓440／240V的高效永磁交流發(fā)電機，可以做

29、成多級低轉(zhuǎn)速。特別適合風(fēng)力發(fā)電機。 (3)同步交流發(fā)電機，它的電樞磁場與主磁場同步旋轉(zhuǎn)，同步轉(zhuǎn)速nD＝60f/p。 (4)異步交流發(fā)電機，它的電樞磁場與主磁場不同步旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速比同步轉(zhuǎn)速略低。當并網(wǎng)時轉(zhuǎn)速應(yīng)提高。 6、塔架 塔架是支撐風(fēng)力發(fā)電機的支架。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)速也會隨風(fēng)速的

30、變化而變化。為了使風(fēng)輪運轉(zhuǎn)在所需要的額定轉(zhuǎn)速下的裝置稱為調(diào)速裝置。 當風(fēng)速超過停機風(fēng)速時，調(diào)速裝置會使風(fēng)力發(fā)電機停機。調(diào)速裝置只在額定風(fēng)速以上時調(diào)速。 目前世界各國所采用的調(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)輪正常運轉(zhuǎn)時一直使風(fēng)輪對準風(fēng)向的裝置。風(fēng)力發(fā)電機的調(diào)向有很多種形式，總的說來有五種形式：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（伺服電機)調(diào)向和液壓驅(qū)動調(diào)向。 3.2.2.

31、2垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu) 現(xiàn)代垂直軸風(fēng)力發(fā)電機尚未商品化生產(chǎn)。主要原因是效率低，需啟動設(shè)備。但垂直軸風(fēng)力發(fā)電機優(yōu)點很多，增速器、聯(lián)軸器、制動器、發(fā)電機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)電機主要有達里厄垂直軸風(fēng)力發(fā)電機和旋翼式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機，如圖3-4及圖3-5。 達里厄垂直軸風(fēng)力發(fā)電機主要由葉片、垂直軸、增速器、聯(lián)軸器、制動器、發(fā)電機、塔架及拉線等組成。 旋翼垂直軸風(fēng)力發(fā)電機由—上支撐、葉片、鋼架、翼片致動器、下支撐、塔架、增速器、發(fā)電機等組成。 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機有很多水平軸風(fēng)力發(fā)電機所不具備的優(yōu)點，但是也存在一些難以解決的技術(shù)難

32、題。比如達里厄垂直軸風(fēng)力發(fā)電機葉片變槳距問題，需要啟動設(shè)備問題。旋翼式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機葉片在風(fēng)向不同位置變換葉片迎角問題，而現(xiàn)在僅能通過翼片致動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。達里厄葉片在轉(zhuǎn)動中葉片各位置距轉(zhuǎn)動中心的半徑不同，難以做到按不同風(fēng)速變換葉片迎角和葉片弦長。這些問題還有待研究解決⑩。 圖3-4 達里厄垂直軸風(fēng)力發(fā)電機 圖3-5 旋翼式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機 1- 塔架；2-發(fā)電機；3-制動器；4-聯(lián)軸器； 1-發(fā)電機；2-增速器

33、；3-塔架； 5-增速器；6-垂直軸；7-葉片；8-拉線 4-下支撐；5-翼片致動器；6-鋼架； 7-葉片；8-上支撐 通過上述介紹及其所查資料顯示，水平軸風(fēng)力發(fā)電機的研究遠遠多于垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的研究，水平軸風(fēng)力發(fā)電機已有大量資料可用來進行設(shè)計計算，而垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的研究卻沒有較大進展，雖然垂直軸風(fēng)力發(fā)電機有很多缺點，但其優(yōu)點是水平軸風(fēng)力發(fā)電機所不能替代的，所以在下一章節(jié)將重點介紹本課題研究的內(nèi)容，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組的部分零部件的設(shè)計。

34、 第四章 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組部分零部件的設(shè)計 一定速度前進的風(fēng)吹在靜止的風(fēng)力機葉片上做功并驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，將風(fēng)能有效地轉(zhuǎn)變成電能。風(fēng)力發(fā)電機就是由風(fēng)力機驅(qū)動發(fā)電機的機組。本章將對風(fēng)力發(fā)電機的部分結(jié)構(gòu)進行設(shè)計計算。 4.1風(fēng)力機的基本原理 4.2小型風(fēng)力發(fā)電機部分零部件的設(shè)計 在貝茨(Betz) 基本理論的基礎(chǔ)上，通過實踐設(shè)計小型風(fēng)力發(fā)電機的部分零部件。 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機不受風(fēng)向限制，不用調(diào)向，發(fā)電機、增速器、聯(lián)軸器、離合器、制動器等可直接安裝在地面上，具有結(jié)構(gòu)簡單，維修方便等優(yōu)點，致使一些國家不遺余力地研究。但垂直軸風(fēng)力發(fā)電機啟動困難，需其他動力來啟動，且效率較

35、水平軸風(fēng)力發(fā)電機低。所以其發(fā)展受到限制，目前世界發(fā)達國家商品風(fēng)力發(fā)電機都是水平軸。尚未見到垂直軸風(fēng)力發(fā)電機商品。 下面介紹本課題中垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機的部分零部件的設(shè)計。 4.2.1葉片 4.2.1.1．風(fēng)輪功率的確定 經(jīng)驗公式給出風(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

36、 S= Ne/0.25 v3 （4-8） 還可以表達為 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-

37、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)動中心不同半徑的尖速比； ri--葉片至轉(zhuǎn)動中心不同位置的半徑，m； R--葉片最大轉(zhuǎn)動半徑，m。 4.2.1.6葉片弦長L 根據(jù)加拿大涅太華的J．TemPlin(J·

38、騰普林)試驗結(jié)果 葉片弦長可由下式給出 L=5R/K λ2 （4-13） 式中 L--葉片弦長，m； K--葉片數(shù)。 4.2.1.7葉片距轉(zhuǎn)動中心不同位置的半徑的弦長Li Li=5ri/kλi2 （4-14） 式中 Li--葉片距轉(zhuǎn)動中心不同半徑的弦長，m； r

39、i--葉片距轉(zhuǎn)動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)計計算 本課題所設(shè)計的葉片如圖4-2所示，a）、b）為二維圖，c）為三維圖。 其總長為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

40、 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，可通過熱處理來強化。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)驗和所查資料設(shè)計出垂直軸小型風(fēng)力發(fā)

41、電機的軸轂部分，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，設(shè)計了其連接件--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，設(shè)計了支撐架，有效地分散了風(fēng)力機的重量，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)力機設(shè)計中標準零部件的選型 4.2.5.1

42、風(fēng)力機軸承的選型 垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機安裝的是推力調(diào)心滾子軸承。 設(shè)計時，必須合理選擇軸承的潤滑方式和潤滑路徑。加工支撐架上的油路時，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。 對于雙列軸承，箱體的油孔應(yīng)對準雙列軸承中間的入油孔，使油液能夠準確流入軸承的內(nèi)部。有入油孔就必然對應(yīng)有出油孔，入油孔開設(shè)在方便安裝的地方。 潤滑方式有：油液循環(huán)潤滑、脂潤滑、油霧潤滑、噴射潤滑等。其中油脂潤滑（如高級鋰基脂）是目前最常用的方式。油脂封入量通常為軸承空間容積的10％，如果填得太滿會加劇軸承發(fā)熱。對于油液循環(huán)潤滑，一般用于中等轉(zhuǎn)速的主軸上，多用于后支承上，設(shè)計時注意油路布局合理，

43、既暢通、方便，又不影響其它結(jié)構(gòu)件的剛度。 設(shè)計時，選擇合理的密封方式。 4.2.5.2風(fēng)力機主軸上鍵的選型 根據(jù)結(jié)構(gòu)需求主軸與軸轂的之間通過鍵來傳遞扭矩，在這里采用的是楔鍵連接，其尺寸 為28*16*180。 4.2.5.3風(fēng)力機軸轂上銷的選型 根據(jù)結(jié)構(gòu)需求用銷來固定軸轂與軸的相對位置，采用的是開尾錐銷，其尺寸為16*200。 垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)力機部分的三維圖如圖4-6所示。 圖4-6垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)力機部分的三維圖 4.2.6變向器 由于本課題所設(shè)計的垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)力機隨風(fēng)轉(zhuǎn)動后，其扭矩是豎直傳遞的，所以需設(shè)計一裝

44、置使其轉(zhuǎn)化成水平傳遞的才能滿足設(shè)計要求，根據(jù)結(jié)構(gòu)需要設(shè)計了一變向器。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)計計算。 4.2.6.1錐齒輪的設(shè)計 變向器的作用只是將垂直的輸出量轉(zhuǎn)化成水平輸出，無需變速，所以其錐齒輪的齒數(shù)比為1，在以下的計算中只列出其中一個錐齒輪的數(shù)據(jù)，另一個錐齒輪數(shù)據(jù)與其相同。 計算如下： 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=4

45、2.42 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=θf2=θf1 齒根角θf1=arctan(hf1/Re)=3.24° 頂錐角 δa1=δ1+δf2=48.24°

46、根錐角 δf1=δ1-θf1=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） 端面當量齒數(shù) Zv1=z1/cosδ1=42.43 4.2.6.2箱體 箱體采用以垂直軸的圓錐齒輪的軸線為對稱中心的對稱機構(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 兩個錐齒輪軸均安裝32312型圓錐滾子軸承。這是因為該系列圓錐滾子軸承接觸角較大，承受軸向力的能

47、力較強，并能對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。 軸承的剛度計算：軸承在零間隙時的變形和剛度，可以按下列公式計算。 線接觸的滾子軸承 式中： ——徑向與周向變形（）； ——徑向與周向剛度（）； ——軸承的徑向和軸向載荷（N）； ——接觸角（°）； db——球徑（mm）； ——滾子有效長度（mm）; ——列數(shù)和每列滾動體數(shù)； ——單個滾動體的徑向和軸向載荷（N）； 軸承的剛度不是一個定值，而是載荷的函數(shù)，載荷越大，剛度也越大。 由于球軸承載荷對剛度的影響比滾子軸承的影響大，所以，球軸承在計算時應(yīng)該同時考慮

48、預(yù)緊力。 計算時，當外載荷無法確定時，常取軸承額定動載荷的0.1倍作為軸承的載荷。 主動錐齒輪軸上的圓錐滾子軸承，系軸向游動軸承，因此，將其外圈以可移動方式配合于H6級精度的外殼孔內(nèi)。另一個圓錐滾子軸承，一般用端蓋通過外圈進行調(diào)整，因此應(yīng)將外圈間隙配合于H6級的外殼孔中。安裝在輸出軸上的圓錐滾子軸承，為適應(yīng)軸的熱伸長，也應(yīng)將外殼孔加工到H6級精度。 兩根軸上所有軸承的內(nèi)圈，均受循環(huán)載荷，故全部采用過盈配合的方式，安裝在k5級精度的軸上。當載荷很大時，可將軸的精度降為m6。 由于錐齒輪的線速度已超過2m/s，因此該變向器里的全部軸承均采用飛濺潤滑。即依靠錐齒輪的旋轉(zhuǎn)，將油甩到箱體內(nèi)壁上，

49、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)把大錐齒輪的整個齒寬，至少0.7倍齒寬浸入油中 為了防止變向器周圍環(huán)境中的灰塵、水氣、酸氣、和其他雜質(zhì)浸入軸承內(nèi)，同時防止箱內(nèi)潤滑油外漏，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)軸器相連的兩個鍵為16*10*70，主動軸與錐齒輪連接的鍵為16*10*56，從動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)計計算。

50、 第五章 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機正常工作的條件 5.1垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的調(diào)速 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機調(diào)速的方式也很多，如改變?nèi)~片轉(zhuǎn)動半徑以改變?nèi)~片掃掠面達到調(diào)速的目的；用改變?nèi)~片的迎風(fēng)角來調(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)電機獲得恒定扭矩達到發(fā)電機運行在額定轉(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 安裝二臺或更多臺發(fā)電機。當風(fēng)輪所獲得的風(fēng)能滿足1臺發(fā)電機時接通1臺，當風(fēng)速增大，能滿足2臺發(fā)電機功率時接通2臺……，所發(fā)交流

51、電經(jīng)交一交逆變器達到并網(wǎng)的頻率。 5.2垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的啟動 垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機不能自行啟動，需外部動力啟動后方能自行運轉(zhuǎn)。 大、中型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)的并且調(diào)速穩(wěn)定，可以采用異步發(fā)電機。當啟動時，電網(wǎng)向發(fā)電機供電，發(fā)電機成為電動機轉(zhuǎn)動啟動風(fēng)輪轉(zhuǎn)動，風(fēng)輪轉(zhuǎn)動后再切斷電網(wǎng)供電。 不并網(wǎng)的單機使用的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機，應(yīng)附加啟動裝置。一般在增速器與發(fā)電機之間安裝離合器并安裝啟動裝置，動力由直流或交流電機供給。啟動后將啟功電機分離，再將增速器與發(fā)電機之間的離合器結(jié)合，實現(xiàn)發(fā)電機正常運轉(zhuǎn)發(fā)電。單機使用的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機應(yīng)備有儲存電能的蓄電池，將多余電能經(jīng)整流(交流發(fā)電機

52、)或直接(直流發(fā)電機)向蓄電池充電，用以啟動和無風(fēng)時向用電器供電。 5.3垂直軸風(fēng)力發(fā)電機制動器的設(shè)計 一般微型和小型風(fēng)力發(fā)電機不設(shè)制動器，中大型風(fēng)力發(fā)電機大部分的制功器采用液壓或電磁制動器，也有備用手制動器的。 為了使風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單、重量輕，一般將聯(lián)軸器與制動器設(shè)計在一起，并且置于增速器與發(fā)電機之間的高速軸部位，很少有布置在低速軸位置的，因為低速軸的制動力矩大。 我國制功器已有標準并且有商品可供應(yīng)。但我國制定制動器標準時沒有考慮風(fēng)力發(fā)電機，主要適合于通用機械、起重機械等制動用，制動器通常既大又重。 風(fēng)力發(fā)電機用制動器應(yīng)具有重量輕、制動力矩大、經(jīng)久耐用、制動可

53、靠等特點。 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)電機來供電，會出現(xiàn)供電時有時無、忽高忽低現(xiàn)象，這種電能是無法使用的。為建立一個供電電壓穩(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)電機和用電器之間設(shè)置儲能裝置，把風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出的電儲存起來，穩(wěn)定地向用電器供電。 理想的電能儲存裝置應(yīng)當具有大的儲存密度和容量；儲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；運行要便于控制和維護；使用安全，無污染；有良好的經(jīng)濟性和較長的使用壽命。 現(xiàn)在，正在研究、開發(fā)和應(yīng)用的電能貯存

54、方式有改進型鉛蓄電池和新型蓄電池儲能；飛輪儲能；水位儲能；壓縮空氣儲能；超導(dǎo)線圈儲能等形式。 從目前小型風(fēng)力發(fā)電機的實際應(yīng)用看，最方便、經(jīng)濟和有效的儲能方式是采用蓄電池儲能。 蓄電池又稱“電瓶”，它能夠把電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲存起來，使用時再把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽儞Q過程是可逆的，充電和放電過程可以重復(fù)循環(huán)、反復(fù)使用，因此蓄電池又稱為“二次電池”。 5.4.2．現(xiàn)在使用的蓄電池 現(xiàn)在使用的蓄電池，雖然從外形看有大有小，形狀不一，但從電解液的性質(zhì)來區(qū)分，主要分為酸性蓄電池和堿性蓄電池兩大類酸性蓄電池也叫鉛蓄電池，它是各種二次電池中使用最多的一種。由于鉛的資源豐富，鉛蓄電池的造價較低

55、，因而應(yīng)用非常廣泛。 作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的儲能設(shè)備，無論是酸性蓄電池還是堿性蓄電池，只有用戶了解它們的性能和使用操作方法，才能延長蓄電他的使用壽命。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，其性能不斷提高，目前充放電次數(shù)已超過500次，使用壽命可達3—4年，不過蓄電池的實際使用壽命和能否正確使用維護有很大關(guān)系。若能正確操作使用，按時維護．有的鉛蓄電池可使用5年以上。 5.5發(fā)電機系統(tǒng)中的防雷擊設(shè)施 風(fēng)力發(fā)電機安裝在室外，塔架加風(fēng)輪和輪轂高度達十幾米，遭受雷擊屢見不鮮，特別是在雷電多發(fā)地區(qū)，電閃雷鳴，釋放出巨大能量，雷擊會造成風(fēng)

56、力發(fā)電機葉片損壞，井常常引起發(fā)電系統(tǒng)過電壓，造成發(fā)電機擊穿、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)電機的安全運行。因此，我們在安裝風(fēng)力發(fā)電機時，一定要注意做好防雷擊措施。 小型風(fēng)力發(fā)電機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，達到防雷擊效果。 結(jié)束語 根據(jù)導(dǎo)師布置的課題，本文對小型風(fēng)力發(fā)電機部分零部件的設(shè)計進行了研究和探討，針對垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機的葉片、軸轂、支撐架、變向器等重要部件的結(jié)構(gòu)進行了研究。其主要內(nèi)容如下： 1、 根據(jù)現(xiàn)有理論和條件要求設(shè)計出了合適的葉片，并利用Solidworks軟件建立葉片的三維模型，葉

57、片是設(shè)計的重點也是難點，它直接影響所設(shè)計的小型風(fēng)力發(fā)電機的工作效率。 2、 根據(jù)設(shè)計需求，設(shè)計出了軸轂、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)計需求，設(shè)計出了變向器裝置，并合理地選擇了軸承、鍵等配套零部件。 待解決的問題: 由于個人時間和知識水平的限制，雖然通過努力完成了上述內(nèi)容的研究，但對于垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機尚有以下3個問題需要進一步研究： 1、葉片三維模型的氣動特性模擬與仿真。目前國內(nèi)外對氣動特性的模擬與仿真主要集中在二維葉素的研究上，針對三維模型特別是旋轉(zhuǎn)的葉輪模型的氣動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

58、間。 2、葉片氣動實驗研究。主要利用風(fēng)洞實驗等空氣動力學(xué)研究的常用方法對葉片在實際運行情況下的各項特性進行研究，如流場情況、風(fēng)輪的啟動情況、高風(fēng)速下的失速特性、噪音大小等，這些指標的好壞將能夠全方位反映葉片的設(shè)計制造水平。 3、小型風(fēng)力發(fā)電機的手動制動系統(tǒng)。雖然小型風(fēng)力發(fā)電機有單片機控制的制動系統(tǒng)，可以不設(shè)計手動剎車系統(tǒng)，但為了維修方便，最好設(shè)計出相應(yīng)的手動剎車系統(tǒng)。 展望： 隨著石油、煤炭等化石能源的日益枯竭及越來越嚴重的環(huán)境污染問題，21世紀必將是風(fēng)能快速發(fā)展的世紀，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也必將得到快速提高，因此對于小型風(fēng)力發(fā)電機來說充滿著機遇與挑戰(zhàn)，性能優(yōu)越的風(fēng)力發(fā)電機將越來越廣泛的應(yīng)

59、用到人們的日常生活中，因此對垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機的研究有著非常重要的現(xiàn)實意義，對此作以下展望: (1) 垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機的研究將繼續(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)高強的方向發(fā)展，碳纖維將越來越多的使用到小型發(fā)電機葉片的制造中來。 (2)計算機技術(shù)，特別是有限元技術(shù)將會更多的用到風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計與制造及分析中來，其中將會出現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機葉片設(shè)計制造與分析的專門軟件，風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計將更加專門化和商業(yè)化。 參考文獻 [1]王承熙,張源.風(fēng)力發(fā)電[M].北京：中國電力出版社，2004,① [2]周鶚，電機學(xué)（第三版）[M]. 北京：中國電力出版社

60、，1995,② [3]肖勁松，風(fēng)力機組控制理論研究的現(xiàn)狀與展望，風(fēng)力發(fā)電，2002,③ [4]《機械設(shè)計手冊—齒輪傳動》，機械工業(yè)出版社，2007 [5]《機械設(shè)計手冊—減速器和變速器》，機械工業(yè)出版社，2007 [6]《機械設(shè)計手冊--》，機械工業(yè)出版社，2007 [7]葉偉昌，機械工程及自動化簡明設(shè)計手冊，機械工業(yè)出版社，2001 [8]李俊峰等,風(fēng)力12在中國〔M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005,④ [9]張希良,風(fēng)能開發(fā)利用「M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005 [10] D.勒古里雷斯，施鵬飛譯.風(fēng)力機的理論與設(shè)計〔M].北京:機械工業(yè)出版社，1987 [11]蘇

61、紹禹.風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計與運行維護.中國電力出版社，2003年1月，北京. [12]楊繡媛，梁貴書.風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展及其市場前景[J].電網(wǎng)技術(shù)，2003,⑤ [13]劉文強,對我國風(fēng)電發(fā)展戰(zhàn)略及政策措施的思考[J].可再生能源，2003 [14]陳振千,歐洲各國風(fēng)力發(fā)電發(fā)展情況及有關(guān)政策的考察和幾點建議「J].能源技術(shù)，2004 [15]施鵬飛,從世界趨勢展望我國風(fēng)力發(fā)電前景[J].中國電力, 2003,⑥ [16]劉文強,對我國風(fēng)力發(fā)電戰(zhàn)略及政策措施的思考[[J].可再生能源.2003,⑦ [17]潘文霞，陳允平，沈祖治.風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)展現(xiàn)狀〔J].中小型電機, 2001,⑧ [18]馬振基，林育鋒.復(fù)合材料在風(fēng)力發(fā)電上的應(yīng)用與發(fā)展[[J].高科技纖維與應(yīng)用，2005 [19]趙稼樣,復(fù)合材料在風(fēng)力發(fā)電機上的應(yīng)用[J].高科技纖維與應(yīng)用, 2003,⑨ [20]羅益鋒,世界風(fēng)能及其葉片材料發(fā)展概況與趨勢[J].高科技纖維與應(yīng)用，2003 [21]錢富江,大型鋁合金葉片金屬型鑄造工藝分析[J].特種鑄造及有色合金,2005,⑩ 33