小型家用風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)

1、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(lái), 資源的短缺和環(huán)境的日趨惡化使世界各國(guó)開(kāi)始重視開(kāi)發(fā)和利用可再生、且無(wú)污染的風(fēng)能資源。自80年代以來(lái), 風(fēng)能利用的主要趨勢(shì)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(chǎng)(也稱(chēng)風(fēng)力田、風(fēng)田) 成為主要的發(fā)展方向。20 年來(lái), 世界上已有近30 個(gè)國(guó)家開(kāi)發(fā)建設(shè)了風(fēng)電

2、場(chǎng)(是前期總數(shù)的3 倍) , 風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量約1400 萬(wàn)kW (是前期總數(shù)的100 倍)。目前, 德國(guó)、美國(guó)、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(lái)計(jì)劃投資有增無(wú)減。美國(guó)能源部預(yù)測(cè)2010 年風(fēng)電至少達(dá)到國(guó)內(nèi)電力消耗的10%。歐盟5 國(guó)要在2000 2002 年達(dá)到本國(guó)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(guó)是一個(gè)風(fēng)力資源豐富的國(guó)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(wàn)kW , 僅占全國(guó)電網(wǎng)發(fā)電總裝機(jī)的0.081% , 相對(duì)于可開(kāi)發(fā)風(fēng)能資源的開(kāi)發(fā)率僅為0.088%。中國(guó)第一座風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)于1986 年在山東榮成落成,

3、 總裝機(jī)較小, 為355kW。到1993 年我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量達(dá)17.1MW , 1999 年底, 我國(guó)共建了24 個(gè)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng), 總裝機(jī)268MW。我國(guó)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)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)容量最多的是新疆已達(dá)72.35kW。在未來(lái)2 3 年內(nèi), 我國(guó)計(jì)劃新增風(fēng)電場(chǎng)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(chǎng)。1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究現(xiàn)狀1.2.1 國(guó)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研制情況美國(guó)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(kāi)發(fā)，目前己

4、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170 xkw，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(guó)國(guó)會(huì)己通過(guò)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2個(gè)州將建風(fēng)力電站。據(jù)能源部預(yù)測(cè)，在未來(lái)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(chǎng)，這些風(fēng)電場(chǎng)將使美國(guó)風(fēng)力發(fā)電能力再增加40 xkw，預(yù)計(jì)到2010年，風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到630 xkw，可滿(mǎn)足全美電力需求量的25%。德國(guó)是歐洲風(fēng)力發(fā)電增長(zhǎng)最快的國(guó)家，近年風(fēng)力發(fā)電量急增，尤

5、其沿海各州，風(fēng)力發(fā)電發(fā)展迅速，己超過(guò)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(guó)己擁有4500座風(fēng)力發(fā)電裝置，總裝機(jī)容量達(dá)到約160 xkw，1997年估計(jì)可增加5xkw，可為20多萬(wàn)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(guò)1OO0kW的風(fēng)電場(chǎng)有250個(gè)，300OkW的最大風(fēng)電場(chǎng)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(guó)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

6、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)120 xkw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(chǎng)裝kw，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(chǎng)的建設(shè)。丹麥?zhǔn)秋L(fēng)力發(fā)電先進(jìn)國(guó)家之一，它將風(fēng)力發(fā)電作為國(guó)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(guó)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150 xkw，相當(dāng)于國(guó)內(nèi)電力消費(fèi)量的10%，到2

7、020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(lái)10年風(fēng)力發(fā)電量將達(dá)到1500w。荷蘭1986年開(kāi)始實(shí)施風(fēng)力發(fā)電研究，開(kāi)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(méi)達(dá)到kwh，其后決定實(shí)施1991一1996年目標(biāo)為40 xkw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)kw，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50 xkw。英國(guó)英倫三島的風(fēng)力資源相當(dāng)豐富

8、，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(lái)重視風(fēng)能等非化石燃料的開(kāi)發(fā)，目前英國(guó)己有20多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)投入運(yùn)行，到19%年總裝機(jī)容量kw，2000年達(dá)到80 xkw。瑞典從七十年代開(kāi)始風(fēng)力發(fā)電的開(kāi)發(fā)，經(jīng)過(guò)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)kw。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(zhuān)門(mén)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(chǎng)地問(wèn)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

9、的傾向。國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研制情況1.2.2.1 我國(guó)風(fēng)力發(fā)電概況中國(guó)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(shuō)明我國(guó)是利用風(fēng)能最早的國(guó)家之一。1637年明崇幀十年天工開(kāi)物書(shū)里有“揚(yáng)郡以風(fēng)帆數(shù)頁(yè)，侯風(fēng)轉(zhuǎn)車(chē)，風(fēng)息則止”的記載，表明在明代以前，我國(guó)勞動(dòng)人民就會(huì)制作將線(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的風(fēng)車(chē)，在風(fēng)能利用上前進(jìn)了一大步。我國(guó)東南沿海向來(lái)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(wàn)臺(tái)提水風(fēng)車(chē)，后來(lái)大部分風(fēng)車(chē)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(kāi)始研究小型風(fēng)力

10、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(guó)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(hù)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(mǎn)足國(guó)內(nèi)需要，還遠(yuǎn)銷(xiāo)國(guó)外。1998年底，全國(guó)安裝微型機(jī)組178574臺(tái)，約計(jì)1.7萬(wàn)千瓦，還有獨(dú)立供電機(jī)組，以銷(xiāo)定產(chǎn)小批

11、量生產(chǎn)。在網(wǎng)外無(wú)電地區(qū)，推廣微型、小型風(fēng)電機(jī)組，是解決無(wú)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(guó)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(guó)很多地區(qū)，冬半年風(fēng)大，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度小；夏半年風(fēng)小，太陽(yáng)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(mǎn)足用戶(hù)用電需求。在國(guó)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，新疆達(dá)阪城和廣東南澳進(jìn)口90千瓦、100千瓦

12、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(guó)外商品機(jī)組單機(jī)容量200一300千瓦，1992一1996年我國(guó)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(chǎng)，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(chǎng)，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(guó)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(chǎng)、輝騰錫勒、括蒼山和張北四個(gè)風(fēng)電場(chǎng)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(guó)家計(jì)委又制定乘風(fēng)計(jì)劃”，旨在以

13、技貿(mào)結(jié)合形式，與國(guó)外組建合資企業(yè)，在建設(shè)24萬(wàn)千瓦風(fēng)電場(chǎng)的同時(shí)，引進(jìn)技術(shù)，消化吸收，達(dá)到自主開(kāi)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(guó)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(chǎng);1998年上述中標(biāo)公司分別同外商合資成立“洛陽(yáng)美德風(fēng)電設(shè)備 ”和“西安維德風(fēng)電設(shè)備 ”，標(biāo)志著中國(guó)風(fēng)力發(fā)電事業(yè)揭開(kāi)了嶄新的一頁(yè)。我國(guó)風(fēng)電的利用大體上采用三種方式，一是戶(hù)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(mǎn)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

14、交流輸出，統(tǒng)一向各家各戶(hù)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(wú)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(wú)電區(qū)小火車(chē)站使用。三是建立風(fēng)電場(chǎng)，聯(lián)網(wǎng)后輸出，有的與柴油發(fā)電機(jī)組或太陽(yáng)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(chǎng)，他們是新疆達(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?yáng)|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(zhǎng)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

15、%、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(kāi)發(fā)，如果要進(jìn)一步發(fā)展，已遇到資金短缺、設(shè)備不過(guò)關(guān)、進(jìn)口關(guān)稅過(guò)重等三大困難。1.2.2.2 我國(guó)風(fēng)力機(jī)械行業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到1993年底，全國(guó)生產(chǎn)風(fēng)電機(jī)組、風(fēng)力提水機(jī)組及配套件的工廠(chǎng)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(kāi)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(wàn)臺(tái)，累計(jì)出口近1000臺(tái)小型風(fēng)電機(jī)。1995年全國(guó)生產(chǎn)風(fēng)電機(jī)組8190臺(tái)，風(fēng)力提水機(jī)組50臺(tái)

16、。目前全國(guó)小型風(fēng)電機(jī)組保有量巧萬(wàn)臺(tái)，居世界首位。近幾年來(lái)己建立14處規(guī)模不等的大中型風(fēng)電場(chǎng)，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(cè)到2000年，需要小型風(fēng)電機(jī)(1okw以下)22萬(wàn)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(wèn)題有:(l)產(chǎn)品品種不全目前雖然我國(guó)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(wàn)元，但還停留在研究開(kāi)發(fā)55kw、250kW的風(fēng)電機(jī)階段。國(guó)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

17、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(chǎng)和內(nèi)蒙動(dòng)力機(jī)廠(chǎng)，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(chǎng)、上海玻璃鋼研究所、中國(guó)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(chǎng)完成2000小時(shí)運(yùn)行考核，1997年4月19日通過(guò)國(guó)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(chǎng)承擔(dān)了250kw風(fēng)電機(jī)組的研制及組裝任務(wù)，保定550廠(chǎng)協(xié)作生產(chǎn)葉片，該項(xiàng)目屬于一拖與德國(guó)胡蘇姆造船廠(chǎng)合作生產(chǎn)協(xié)議，總框架為200

18、臺(tái)，首批10臺(tái)得到了德國(guó)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(chǎng)并網(wǎng)發(fā)電。再如1996年2月9日北京萬(wàn)電公司(隸屬于中國(guó)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(zhuān)門(mén)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:由新疆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(guó)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(shì)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(guó)北卡羅來(lái)納州的蘭嶺山上，發(fā)電功率是兩千瓦，年發(fā)電量是33

19、0萬(wàn)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(zhǎng)和提高塔架以及在材料和加工工藝等方面的困難。這樣來(lái)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(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，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(lèi)所用的石

20、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(kāi)采200年。此外，石油探明儲(chǔ)量預(yù)測(cè)僅能開(kāi)采34年，天然氣約能開(kāi)采60年。隨著人口的增長(zhǎng)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(shì)必形成對(duì)數(shù)億年來(lái)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(lèi)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(guó)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(guó)經(jīng)濟(jì)和社

21、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(yáng)能、地?zé)崮艿刃履茉窗l(fā)電”的指導(dǎo)方針，為我國(guó)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(lèi)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(yáng)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(jiàn)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(guó)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(guó)風(fēng)電事業(yè)近年來(lái)發(fā)展較快，已有16萬(wàn)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

22、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(wèn)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(guó)家“九五”新能源發(fā)展計(jì)劃提出，“九五”期間全國(guó)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(wàn)千瓦。為此，國(guó)家從宏觀(guān)規(guī)劃角度出發(fā)，制定了“乘風(fēng)計(jì)劃”，面向國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)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(guó)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(jiǎn)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

23、產(chǎn)投資輸費(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(guó)資源并不十分豐富，充分利用風(fēng)力資源意義就更減少對(duì)大氣的污染，保護(hù)我們?nèi)祟?lèi)賴(lài)以生存的自然環(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(méi)有任何影響人類(lèi)健康的有害物質(zhì)。由于它是清潔能源，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，又由于我們國(guó)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

24、長(zhǎng)江等水系幾條大河流，如長(zhǎng)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(guó)有運(yùn)輸企業(yè)的不景氣，影響了市場(chǎng)。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(tīng)廣播，有很重要的意義和市場(chǎng)。(2)森林防火高山觀(guān)察站據(jù)林業(yè)部防火指揮部介紹，東北約有400個(gè)觀(guān)察站，西南也有幾百個(gè)高山觀(guān)察站，各省市都有一些森林高山防火觀(guān)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(tīng)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

25、，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(guān)察站的照明及娛樂(lè)用電。90年代初，個(gè)別觀(guān)察站曾使用過(guò)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(wèn)題及使用人員的素質(zhì)因素，沒(méi)有得到推廣。(3)無(wú)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(guó)際市場(chǎng)。1.4 我國(guó)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(guò)長(zhǎng)時(shí)間的觀(guān)測(cè)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(zhǎng)年風(fēng)功率密度平

26、均值。中國(guó)氣象科學(xué)研究院計(jì)算了全國(guó)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(guó)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(guó)10m高度層的風(fēng)能總儲(chǔ)量為3226GW，這個(gè)儲(chǔ)量稱(chēng)作風(fēng)能“理論可開(kāi)發(fā)總量”。實(shí)際可供開(kāi)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(zhǎng)為lm的正方形面積的0.785)，得到中國(guó)10m高度層實(shí)際可開(kāi)發(fā)的風(fēng)能儲(chǔ)量為253GW。這個(gè)數(shù)量比1996年全國(guó)發(fā)電總裝機(jī)容量還大，說(shuō)明中國(guó)風(fēng)能資源豐富，但是可供經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)的風(fēng)能儲(chǔ)量數(shù)據(jù)尚需進(jìn)一步查明。中國(guó)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，

27、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(guó)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(guó)有效風(fēng)能密度分布狀況。由于我國(guó)地形復(fù)雜，風(fēng)的地區(qū)性差異很大，有必要將我國(guó)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(kāi)發(fā)利用風(fēng)能的潛力。中國(guó)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(guó)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(guó)有效風(fēng)能密度分布狀況表1一1 中國(guó)風(fēng)能資源比較豐

28、富的地區(qū)表1-2 我國(guó)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(jiǎn)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(xiě)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

29、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 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(guò)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

30、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(chēng)，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(guò)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(chēng)，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(chēng)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(lái)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。

31、單位時(shí)間通過(guò)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，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(zhuān)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(wú)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(xiàn)見(jiàn)圖2-2。參數(shù)K、C影響曲線(xiàn)形狀，K大C大曲線(xiàn)陡峻，峰右移，反之亦然。圖2-2 威布爾分布函數(shù)曲線(xiàn)上式滿(mǎn)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(kāi)

32、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(lèi)，每一類(lèi)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(guó)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(mǎn)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(xiàn)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

33、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(chǎng)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(jiǎn)單地如圖2一3來(lái)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(xiàn)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

34、失和機(jī)械能轉(zhuǎn)換損失后的功率曲線(xiàn)D一發(fā)電機(jī)實(shí)際輸出功率曲線(xiàn)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(guān)測(cè)對(duì)風(fēng)能利用的意義在前面已經(jīng)講述過(guò)，風(fēng)能與風(fēng)速的三次方成正比。所以，當(dāng)風(fēng)速測(cè)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(lái)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(guān)測(cè)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(guó)范圍內(nèi)對(duì)

35、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(guò)強(qiáng)風(fēng)場(chǎng)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(guān)測(cè)風(fēng)的觀(guān)測(cè)，因其目的不同而有各自的特點(diǎn)。對(duì)于風(fēng)能利用，通過(guò)對(duì)風(fēng)的觀(guān)測(cè)，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(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)性等提供條件。風(fēng)速的測(cè)量包括風(fēng)向和風(fēng)速的測(cè)量。因?yàn)轱L(fēng)速隨時(shí)間變化很大，而且變化不定，所以測(cè)量時(shí)取一定時(shí)間內(nèi)的風(fēng)速大小的平均值和最長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)向。我國(guó)現(xiàn)行

36、的風(fēng)速觀(guān)測(cè)有兩種方法:一種是每日定時(shí)4次兩分鐘平均風(fēng)速觀(guān)測(cè);一種是一日24次自記10分鐘平均風(fēng)速觀(guān)測(cè)。實(shí)際測(cè)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(cè)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(guó)家均大力發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)，雖然太陽(yáng)能一直是新能源商業(yè)化的首選，因?yàn)樘?yáng)能的設(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(yáng)能而言，它的成本優(yōu)勢(shì)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(zhuān)門(mén)建設(shè)大

37、型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，這樣，小型風(fēng)力發(fā)電在相當(dāng)長(zhǎng)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?chē)挥绊懭说纳钯|(zhì)量，已成為各個(gè)國(guó)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(lái)，使空氣動(dòng)力能轉(zhuǎn)變成了機(jī)械能（轉(zhuǎn)速+扭矩）。通過(guò)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

38、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(guò)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(guò)逆變器后變成了220伏的交流電，供給用戶(hù)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：額定功率（）：300輸出電壓（v）：24啟動(dòng)風(fēng)速（m/s）：2額定風(fēng)速（m/s）：6 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

39、：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易維護(hù)運(yùn)行平穩(wěn)安全抗強(qiáng)風(fēng)能力強(qiáng)操作簡(jiǎn)單價(jià)格低廉3.2 風(fēng)葉采用帆翼式風(fēng)葉，帆翼式是英國(guó)發(fā)展的一種立軸帆翼式風(fēng)力機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能較高。帆翼的形狀如下圖所示。由于其制造簡(jiǎn)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(chēng)布置，不允許點(diǎn)蝕，無(wú)嚴(yán)重過(guò)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(lèi)型小型

40、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(jiǎn)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)：=3通過(guò)查表法確定了齒輪的齒數(shù)（機(jī)械手冊(cè)）：太陽(yáng)輪齒數(shù) =20 內(nèi)齒輪齒數(shù) =88 行星輪齒數(shù) =343.3.4 壓力角()的選擇我們國(guó)家和許多國(guó)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。 齒寬

41、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3 所以 =1取=380Ml. 相對(duì)齒根的圓角敏感系數(shù) 查表得 太陽(yáng)輪、行星輪、齒圈的敏感系數(shù)均為=1m. 相對(duì)齒根表面狀況系數(shù)查表得 =2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=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(guò)。（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(yáng)輪與行星輪嚙合時(shí)總重合度1.47 查表得 齒圈與行星輪嚙合時(shí)的總重合度1.583 查表得 計(jì)算=得

42、可由公式=得太陽(yáng)輪與行星輪嚙合時(shí)=齒圈與行星輪嚙合時(shí)=極限太陽(yáng)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=60rnt5 所以 =1太陽(yáng)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(yáng)輪和行星輪為=0.9，齒圈為系數(shù)=1=1勞極限由公式=150010.911=1350M=150010.911=1350M=150010.811=9600M = 按具有高可靠性要求取最小安全系數(shù)輪滿(mǎn)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(mǎn)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(wú)空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，無(wú)摩擦發(fā)熱，無(wú)磨損，