垂直軸機(jī)械式變攻角風(fēng)力發(fā)電機(jī)

1、目錄第 1 章 緒論················································&#

2、183;········21.1 風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀介紹·······································&

3、#183;·········21.2 各種創(chuàng)新型風(fēng)力發(fā)電······································

4、;·········3第 2 章 風(fēng)能資源·······································

5、··············52.1風(fēng)能的計(jì)算··································

6、83;····················52.2山東省各市統(tǒng)計(jì)平均風(fēng)速、風(fēng)向和風(fēng)向頻率·························

7、3;·5第 3 章 垂直軸變攻角風(fēng)輪裝置·········································63.1裝置的介紹···&#

8、183;·················································&#

9、183;·6第 4 章 solidworks flow simulation在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用·····························74.1solidworks flow simulation簡(jiǎn)介·······&#

10、183;·······························74.2solidworks flow simulation 在本項(xiàng)目中的應(yīng)用············

11、;···············74.3solidworks flow simulation對(duì)模型的流體分析···························7第 5章 發(fā)電機(jī)

12、和整流穩(wěn)壓電路·········································105.1發(fā)電機(jī)的選用······

13、···············································105.2整流濾波升壓電路·

14、;················································11第 6 章 項(xiàng)目總

15、體情況·················································126

16、.1項(xiàng)目完成情況················································

17、3;····126.2項(xiàng)目成果············································&

18、#183;············126.3項(xiàng)目的目的意義、達(dá)到的目標(biāo)和學(xué)習(xí)收獲·····························136.4對(duì)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目的建議·

19、3;·········································13參考文獻(xiàn)·······

20、3;·················································

21、3;·······13第 1 章 緒論能源緊缺促進(jìn)新能源技術(shù)的開發(fā)和利用，相對(duì)于其他能源，風(fēng)能以其清潔和容易利用而受到人們的青睞，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)輕便、效率高、能源免費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)非常適合家庭照明和其他低功率用途。只需要初期投資建設(shè)費(fèi)用，后期基本不需要維護(hù)，而得到源源不斷的清潔免費(fèi)的風(fēng)電?，F(xiàn)在市面上銷售的風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于價(jià)格較高而得不到推廣，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)風(fēng)速又比較高風(fēng)速較低時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)就成了擺設(shè)，根本不發(fā)電。垂直軸阻力型風(fēng)力發(fā)電機(jī)啟動(dòng)風(fēng)速減小，但效率普遍較低。本項(xiàng)目的目的是設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單的成本較低同時(shí)效率較高的垂直軸攻角可變的風(fēng)力發(fā)

22、電機(jī)，嘗試通過利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和分析，減少項(xiàng)目開發(fā)的成本和時(shí)間。1.1 風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀介紹現(xiàn)在風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用還是比較多的，有很多大型的風(fēng)電場(chǎng)，風(fēng)力發(fā)電是一種制作比較簡(jiǎn)單，制作成本和維護(hù)成本較高的發(fā)電方式，它的優(yōu)點(diǎn)是綠色環(huán)保，理想的綠色能源。目前主流風(fēng)輪有三種：右圖是水平軸大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，翼型的扇葉有效提高風(fēng)能利用效率，主要用于大型風(fēng)電場(chǎng)，常年風(fēng)力較大而且風(fēng)向不變，這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)效率較高維護(hù)成本低。右圖是一種比較常見的垂直軸升力型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，適合家庭使用，需要風(fēng)力較大，風(fēng)速高時(shí)效率是最高的，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單維護(hù)成本低，低風(fēng)速時(shí)優(yōu)勢(shì)不明顯，翼型加工較困難。總的來說是非常好的設(shè)計(jì)。右圖是垂直軸阻力型風(fēng)力發(fā)電機(jī)

23、，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單制作容易而且維護(hù)成本低，缺點(diǎn)是效率較低，弧面回程時(shí)受阻力，降低了風(fēng)輪的風(fēng)能利用率。1.2 各種創(chuàng)新型風(fēng)力發(fā)電在尾部裝上對(duì)風(fēng)裝置的水平軸發(fā)電機(jī)也有非常高的效率，但它也有自己的缺點(diǎn)，受力不平衡，尾舵可以保證扇葉時(shí)刻對(duì)著風(fēng)。尾舵在小型發(fā)電機(jī)中有很大的作用，大大提高小型發(fā)電機(jī)的效率。升阻混合型的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)既具有垂直軸升力型發(fā)電機(jī)高風(fēng)速時(shí)的高效率，同時(shí)也具有垂直軸阻力型發(fā)電機(jī)的地啟動(dòng)性，很巧妙的設(shè)計(jì)。在垂直軸阻力型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上加上對(duì)風(fēng)擋風(fēng)裝置是一種非常好的創(chuàng)意，有效減小阻力，提高效率。哈爾濱某大學(xué)大學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，利用頂部的對(duì)風(fēng)裝置得到風(fēng)向，再利用單片機(jī)和伺服系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)葉片的角

24、度，減小阻力提高風(fēng)能利用率，但是它的缺點(diǎn)也是顯而易見的，電控系統(tǒng)消耗電能，系統(tǒng)過于復(fù)雜，造價(jià)高。但不失為一個(gè)很好的創(chuàng)意。第 2 章 風(fēng)能資源2.1風(fēng)能的計(jì)算風(fēng)垂直作用于平板上的力可由下面的公式計(jì)算出來正壓力: Wp=1/2v2 ( ：空氣密度，v：風(fēng)速)風(fēng)的動(dòng)能: P=1/2sv3 ( ：空氣密度，v：風(fēng)速)2.2山東省各市統(tǒng)計(jì)平均風(fēng)速、風(fēng)向和風(fēng)向頻率由表上可知青島市的風(fēng)能資源相對(duì)還是比較豐富的，風(fēng)的平均動(dòng)能P=1/2*1*1.16*63=125.3 （w/m2） 第 3 章 垂直軸變攻角風(fēng)輪裝置3.1裝置的介紹裝置的最初設(shè)計(jì)如右圖，四個(gè)扇葉分別有自己的控制鎖塊，利用中間的螺紋機(jī)構(gòu)使鎖塊周期性

25、起落鎖定和釋放扇葉，但由于機(jī)構(gòu)過于復(fù)雜，我對(duì)它進(jìn)行較大的改動(dòng)，將鎖定裝置換成如圖固定的桿，扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)過程中會(huì)周期性被桿擋住，而另一邊可以自由旋轉(zhuǎn)，在風(fēng)的作用下，會(huì)自己調(diào)到一個(gè)和風(fēng)作用力最小的位置，即和風(fēng)的方向平行，減小回程時(shí)的阻力。起初扇葉設(shè)計(jì)成升力型是想增加效率，經(jīng)過solidworks flow simulation分析和實(shí)踐證明該設(shè)計(jì)不合理，升力會(huì)使葉片繞行星軸偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生阻力，同時(shí)升力型扇葉有誘導(dǎo)阻力。將升力型扇葉改成鈍頭的葉片后基本不受到升力了，在試驗(yàn)中葉片與風(fēng)的夾角基本為零，有效減小了回程阻力，為了加快扇葉對(duì)風(fēng)的敏感程度和迅速自轉(zhuǎn)，故將行星軸設(shè)計(jì)得更偏離扇葉的軸心，在小風(fēng)速下扇葉便可自轉(zhuǎn)

26、。第 4 章 solidworks flow simulation在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用4.1solidworks flow simulation簡(jiǎn)介SolidWorks Flow Simulation 是第一種完全內(nèi)置于 SolidWorks 軟件中的液流仿真和熱分析程序，易用性首屈一指。用solidworks先把你要分析的三維模型建好,無需劃分網(wǎng)格,只要打開SolidWorks Flow Simulation插件,選上一些重要參數(shù),便可對(duì)模型進(jìn)行流體分析。大大提高對(duì)設(shè)計(jì)分析的簡(jiǎn)便性。4.2 SolidWorks Flow Simulation在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用我是先對(duì)最初的設(shè)計(jì)模型進(jìn)行機(jī)構(gòu)上的優(yōu)化，再

27、參考SolidWorks Flow Simulation分析結(jié)果和實(shí)際模型的工作狀態(tài)，進(jìn)行扇葉軸的位置和葉形進(jìn)行優(yōu)化分析能較直觀地反映出風(fēng)輪的運(yùn)轉(zhuǎn)情況和原因，通過模型試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)分析結(jié)合來設(shè)計(jì)生產(chǎn)產(chǎn)品是最經(jīng)濟(jì)可靠的。4.3對(duì)模型的流體分析以下各圖的分析時(shí)定義的風(fēng)速都是6m/s下圖是一般垂直軸阻力型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的模型的周圍的速度場(chǎng)分布，迎風(fēng)的弧面收到一個(gè)較大的阻力，使得能量的利用率下降，故人們做了像右圖一樣的裝置來減少這個(gè)回程阻力。下圖是我的一個(gè)模型的一個(gè)分析結(jié)果，風(fēng)葉回程時(shí)由于角度可變，不再是固定的，阻力是有效減小了，但是升力型的葉片回程時(shí)會(huì)有一個(gè)繞行星軸的一個(gè)力矩，使葉片偏轉(zhuǎn)，增大了回程的阻力

28、，在實(shí)際試驗(yàn)中，用泡沫塑料制作的葉片偏轉(zhuǎn)角度非常大，以至風(fēng)輪無法得到足夠的力矩來旋轉(zhuǎn)。這與行星軸的位置還有葉片的形狀有很大關(guān)系。同時(shí)在最右邊的葉片現(xiàn)在已經(jīng)是到達(dá)它的臨界偏轉(zhuǎn)狀態(tài)了，當(dāng)它偏轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)對(duì)流場(chǎng)有一個(gè)瞬時(shí)的破壞，引起風(fēng)輪的周期性震動(dòng)和噪音，引起機(jī)械磨損，這是本裝置的一個(gè)缺陷。本裝置只是想怎么去減小回程阻力，但是在解決掉這個(gè)問題的同時(shí)，也帶來了其他裝置沒有的缺點(diǎn)。下圖是將升力型葉片換成鈍頭型的葉片后的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)分布，在實(shí)際模型制作中，該裝置在自然風(fēng)中達(dá)到了較高的轉(zhuǎn)速，回程葉片不再有偏轉(zhuǎn)角，由于行星軸更偏葉片的心，噪音和震動(dòng)還是比較明顯的，但是葉片翻轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)流場(chǎng)的破壞減小了，翻葉動(dòng)作只是在

29、低壓區(qū)進(jìn)行，不會(huì)產(chǎn)生大的阻力。第 5章 發(fā)電機(jī)和整流穩(wěn)壓電路5.1發(fā)電機(jī)的選用選用24V 100rpm左右的永磁有刷直流減速電機(jī), 成本較低，低轉(zhuǎn)速時(shí)輸出電壓較高，利于低轉(zhuǎn)速時(shí)電能的收集。具體功率大小應(yīng)與風(fēng)輪風(fēng)葉和風(fēng)速匹配。但缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率低，電壓變化大，輸出不穩(wěn)定。這些缺點(diǎn)大部分都可以通過下面的電路來整流處理，輸出可調(diào)的穩(wěn)定的直流電壓。5.2整流直流升壓電路由于風(fēng)輪具有正反轉(zhuǎn)的能力,這是這套裝置的一個(gè)缺點(diǎn)，所以輸出電壓有時(shí)正有時(shí)負(fù)的，經(jīng)二極管橋式整流電路得到正負(fù)穩(wěn)定的電壓，再經(jīng)升壓整流電路輸出穩(wěn)定的電壓，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)95%，蓄電池可選36V以下的。發(fā)電機(jī)的整流升壓電路如下圖示: 整流部分電路采用橋式二極管整流電路，二極管選用5A整流鍺管(壓降低)或是5A橋式整流堆。整流電路的作用是將發(fā)動(dòng)機(jī)輸來的方向變化的電壓轉(zhuǎn)成直流電壓，通過電容器消去尖峰脈沖，電容器起濾波作用，選用50V470F的即可。直流升壓模塊是一個(gè)購買的成品，最大輸出電流是3A，最大輸出電壓是36V，輸出性能是由管子性能決定的，它的功能是將低轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的低電壓轉(zhuǎn)化成高電壓，從而給蓄電池充電，在一定程度上提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。下圖是用LM2577的非常常見的整流升壓電路第 6 章 項(xiàng)目總體情況6.1項(xiàng)目完成情況前期在網(wǎng)絡(luò)上搜集大量資