小功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝置

1實(shí)用小功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝置設(shè)計(jì)摘要風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，國(guó)內(nèi)外都很重視利用風(fēng)力來(lái)發(fā)電，開(kāi)發(fā)新能源。小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，廣泛使用在多風(fēng)的海島和偏僻的鄉(xiāng)村。石油天然氣輸送管線沿途設(shè)立有很多檢測(cè)站，地處偏遠(yuǎn)山區(qū)，供電困難。本設(shè)計(jì)完成小型風(fēng)力發(fā)電裝置，為地處偏僻的石油天然氣管線檢測(cè)站提供所需電源。本文內(nèi)容主要包括兩個(gè)部分，機(jī)械部分和限速控制部分。通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理的掌握，以及對(duì)水平軸和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的比較，設(shè)計(jì)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)械部分。限速控制系統(tǒng)通過(guò)電磁離合器控制風(fēng)速，利用單片機(jī)系統(tǒng)及其外圍電路對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)整流器向蓄電池充電，最后通過(guò)逆變器向負(fù)載輸出交流電，達(dá)到發(fā)電目的。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；垂直式；限速控制AbstractWindenergyasaclean,renewableenergy,bothdomesticandinternationalattentiontotheuseofwindtogenerateelectricity,developmentofnewenergy.Smallwindturbinesarewidelyusedinthewindyislandsandremotevillages.Oilandgaspipelines,manytestingstationssetupalongtheway,islocatedinremotemountainousareas,powersupplydifficulties.Thesmall-scalewindpowerplantdesigniscompleted,theremotelocationoftheoilandgaspipelineinspectionstationtoprovidethenecessarypower.Thismainlyconsistsoftwoparts,mechanicalpartsandcontrolpartofthespeedlimit.

Throughtheprincipleofwindturbinecontrol,andthehorizontalaxisandverticalaxiswindturbinecomparedtothedesignofverticalaxiswindturbinemechanicalparts.

Speedlimitcontrolsystem,throughtheelectromagneticclutchcontrolwindspeed,usingSCMsystemanditsperipheralcircuitsforprocessingthecollectedsignals,throughtherectifiertothebatterycharging,thefinaloutputtotheloadthroughtheACinvertertoachievepowergenerationpurposes.Keywords:windpower;vertical;SpeedLimits目錄TOC\o"1-3"\h\u8278摘要 I11127Abstract II12915目錄 III85981緒論 141821.1選題的意義 1302801.2國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究現(xiàn)狀 1147961.2.1國(guó)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研制情況 1111101.2.2國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研制情況 234821.3風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 4162921.4風(fēng)力發(fā)電機(jī)的制造技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 4262461.4.1葉尖速度的個(gè)性化設(shè)計(jì) 497411.4.2變漿距和變速更具發(fā)展優(yōu)勢(shì) 5187861.4研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)的目的和意義 5323421.5擬采用的設(shè)計(jì)思路 7298391.5.1總體設(shè)計(jì) 7155731.5.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪總體設(shè)計(jì) 7257601.5.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì) 8100121.5.4整機(jī)可靠性設(shè)計(jì)要求 9161251.6設(shè)計(jì)（論文）預(yù)期的結(jié)果 9293242風(fēng)電機(jī)理論 10232242.1基本公式 10318352.1.1風(fēng)能利用系數(shù) 1084342.1.2風(fēng)壓強(qiáng) 1038032.1.3阻力式風(fēng)力機(jī)的最大效率 1024362.2工作風(fēng)速與輸出功率 1115522.2.1工作風(fēng)速 11240032.2.2啟動(dòng)風(fēng)速和額定風(fēng)速的選定 12301632.4風(fēng)的觀測(cè) 15313872.5水平軸風(fēng)力機(jī)與垂直軸風(fēng)力機(jī)的比較 16179302.5.1水平軸與垂直軸比較分析 16215933小功率垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì) 1976253.1小功率垂直式風(fēng)力發(fā)電機(jī)方案設(shè)計(jì) 19209473.2風(fēng)輪 21318313.2.1相關(guān)概念 214713.2.2翼型的選擇 2159883.2.3計(jì)算風(fēng)能利用系數(shù) 2212843.3行星齒輪加速器設(shè)計(jì)計(jì)算 2260123.3.1設(shè)計(jì)要求 22235403.3.2選加速器類(lèi)型 23166553.3.3確定行星輪數(shù)和齒數(shù) 23286493.3.4壓力角的選擇 24101883.3.5模數(shù)選擇 24220213.3.6嚙合角 2482233.3.7齒輪尺寸設(shè)計(jì) 24433.4電磁離合器設(shè)計(jì)計(jì)算 25120103.4.1選型 25225813.4.2牙嵌式電磁離合器的動(dòng)作特性 2554233.4.3離合器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩 25264683.4.4離合器的外徑 26313053.4.5線圈槽高度 26302743.4.6磁軛底部厚度 26124933.4.7銜鐵厚度 27206004限速控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 28131874.1設(shè)計(jì)限速控制系統(tǒng)的目的 28297994.2單片機(jī) 2889894.3信號(hào)采集 28298344.4電路 2847454.5限速控制系統(tǒng)方案分析 28166174.6控制原理 2979684.7風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝容量設(shè)計(jì) 292954.8發(fā)電機(jī) 30314854.9整流器 31112454.10蓄電池 328224.11逆變器 3311968致謝 342268參考文獻(xiàn) 351緒論1.1選題的意義風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，國(guó)內(nèi)外都很重視利用風(fēng)力來(lái)發(fā)電，開(kāi)發(fā)新能源。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(duì)蓄電瓶充電。如果需要將直流電變?yōu)榻涣麟?，需要用有保護(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。因此，小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是由：風(fēng)力發(fā)電機(jī)＋充電器＋蓄電池組＋數(shù)字逆變器等電器元件組成。上世紀(jì)三十年代，美國(guó)成功地研制了一些小型風(fēng)力發(fā)電裝置。這種小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，廣泛使用在多風(fēng)的海島和偏僻的鄉(xiāng)村。石油天然氣輸送管線沿途設(shè)立有很多檢測(cè)站，地處偏遠(yuǎn)山區(qū)，供電困難。本設(shè)計(jì)完成小型風(fēng)力發(fā)電裝置，為地處偏僻的石油天然氣管線檢測(cè)站提供所需電源。1.2國(guó)內(nèi)外風(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)，目前己安裝了8個(gè)巨型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。到1999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(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(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(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1999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160xkw，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(chǎng)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(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150xkw，相當(dāng)于國(guó)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(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(guó)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(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)容量己達(dá)到26.4xkw，2000年達(dá)到80xkw。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)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(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)模有大型化的傾向。1.2.2國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研制情況中國(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，已有1.2、2.5、5、7.5和10千瓦機(jī)組，以銷(xiāo)定產(chǎn)小批量生產(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??；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。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、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;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(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%、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。1.3風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量繼續(xù)增大，兆瓦級(jí)機(jī)組與百千瓦級(jí)機(jī)組比小型機(jī)組由更好的經(jīng)濟(jì)效益；風(fēng)力發(fā)電機(jī)組槳葉增長(zhǎng)，具有更大的捕捉風(fēng)能的能力；塔架高度上升，在50米高度捕捉的風(fēng)能要比30米高處多20%；風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)采用變速風(fēng)機(jī)，在平均風(fēng)速6.7米/秒時(shí)，比恒速風(fēng)機(jī)多捕捉15%的風(fēng)能；海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)取得進(jìn)展，丹麥、德國(guó)、西班牙、瑞典等國(guó)都在建設(shè)大規(guī)模的海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目，同等容量裝機(jī)，海上比陸上成本增加60%，但電量增加50%以上，并且，每向海洋前進(jìn)10千米，風(fēng)力發(fā)電量增加30%左右；隨著風(fēng)電技術(shù)水平的不斷提高，其經(jīng)濟(jì)性逐步提高。一般估計(jì)，2020年風(fēng)力發(fā)電基本上可以和清潔的煤電相競(jìng)爭(zhēng)。1.4風(fēng)力發(fā)電機(jī)的制造技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)1.4.1葉尖速度的個(gè)性化設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)的葉尖速度是轉(zhuǎn)速和葉片半徑的乘積。噪聲會(huì)隨著葉尖速度的增加而急速加大，因此較高夜間速度的風(fēng)力發(fā)電機(jī)比低葉尖速度的風(fēng)力發(fā)電機(jī)噪聲要大得多。對(duì)于陸上市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，噪聲是一個(gè)主要限制。2兆瓦以上的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般是以海上市場(chǎng)為目標(biāo)的。海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉尖速度與以陸地應(yīng)用為目的的平均葉尖速度進(jìn)行對(duì)比，一個(gè)明顯的葉尖速度范圍的增長(zhǎng)，大約從10%達(dá)到30%?？紤]到海上風(fēng)電場(chǎng)對(duì)噪聲的敏感度較小，這種現(xiàn)象就使人能夠理解了，因?yàn)槟切╋L(fēng)電場(chǎng)距離陸地都可能是30千米以上。增長(zhǎng)的葉尖速度降低了與任何給定功率等級(jí)相關(guān)的轉(zhuǎn)矩，并且允許在動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中大大地降低體積和成本。1.4.2變漿距和變速更具發(fā)展優(yōu)勢(shì)變漿距調(diào)節(jié)是大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最佳選擇。因?yàn)樽儩{距調(diào)節(jié)提供了較好的輸出功率品質(zhì)，并且每一葉片調(diào)節(jié)器的獨(dú)立調(diào)漿技術(shù)允許葉片可以被認(rèn)為是兩個(gè)獨(dú)立的制動(dòng)系統(tǒng)，并且可以獨(dú)立調(diào)節(jié)。通過(guò)控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，能使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉尖速比接近最佳值，從而最大限度的利用風(fēng)能，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率。在不同速度下運(yùn)行，增加了“網(wǎng)間友善”。變速運(yùn)行可以通過(guò)很多方式實(shí)現(xiàn)，首選的系統(tǒng)就是DFIG（雙饋感應(yīng)電機(jī)），也被稱(chēng)為繞線式感應(yīng)發(fā)電機(jī)。它提供了全范圍變速驅(qū)動(dòng)的所有優(yōu)點(diǎn)，只有總功率的1/3，并且它的損耗也有近似比例的減小。在這種模式中，發(fā)電機(jī)的定子直接與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子電路通過(guò)電力變換器與電網(wǎng)相連。這是經(jīng)典的Karmer或者Scherbius系統(tǒng)的現(xiàn)代模式。1.4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(guó)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?lèi)賴(lài)以生存的自然環(huán)境。化學(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(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，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(lè)用電。90年代初，個(gè)別觀察站曾使用過(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)。1.5擬采用的設(shè)計(jì)思路1.5.1總體設(shè)計(jì)根據(jù)市場(chǎng)需求論證總體設(shè)計(jì)任務(wù)和技術(shù)要求，最后以用戶(hù)詳細(xì)要求和現(xiàn)有技術(shù)等綜合因素確定機(jī)組型式、布局和主要性能參數(shù)等總體設(shè)計(jì)要求。一般來(lái)說(shuō)，在總體設(shè)計(jì)階段應(yīng)在全面分析基礎(chǔ)上，確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)的初步技術(shù)方案。通過(guò)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)外形分析和必要試驗(yàn)確定優(yōu)化的基本尺寸和外形，并把風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的有關(guān)方面進(jìn)行全面綜合考慮，確定所設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的幾何尺寸、重量和性能等基本特性。整體總機(jī)結(jié)構(gòu)方案：包括對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)承力件的布置，傳力路線的分析，主要承力構(gòu)件的承力形式分析，設(shè)計(jì)分離面和對(duì)接形式的選擇，和各種結(jié)構(gòu)材料的選擇等。整機(jī)總體結(jié)構(gòu)方案可結(jié)合總體布置一起進(jìn)行，并在整機(jī)總體布置圖上加以反映，也可繪制一些附加的圖紙。各部件和系統(tǒng)的方案應(yīng)包括對(duì)各部件和系統(tǒng)的要求、組成、原理分析、結(jié)構(gòu)形式、參數(shù)及附近的選擇等工作。最后，應(yīng)繪制有關(guān)部件的理論圖和有關(guān)系統(tǒng)的原理圖，并編寫(xiě)有關(guān)的報(bào)告和技術(shù)說(shuō)明。整機(jī)重量計(jì)算、重量分配和重心定位包括整機(jī)總重量的確定、各部分重量的確定、重心和慣量計(jì)算等工作。最后應(yīng)提交有關(guān)重量和重心等計(jì)算報(bào)告，并繪制重心定位圖。1.5.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪總體設(shè)計(jì)風(fēng)輪葉片數(shù)B一般風(fēng)輪葉片數(shù)取決于風(fēng)輪的尖速比λ。目前用于風(fēng)力發(fā)電一般屬于高速風(fēng)力發(fā)電機(jī)，即λ=4～7，葉片數(shù)一般取3~5。設(shè)計(jì)風(fēng)速V1風(fēng)輪設(shè)計(jì)風(fēng)速是一個(gè)非常重要的參數(shù)，直接影響到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的尺寸和成本。設(shè)計(jì)風(fēng)速取決于安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)地區(qū)的風(fēng)能資源。風(fēng)能資源既要考慮到平均風(fēng)速的大小，又要考慮風(fēng)速的頻度。知道了平均風(fēng)速和頻度，就可以確定風(fēng)速V1的大小，可以按全年獲得最大能量為原則來(lái)確定涉及風(fēng)速。尖速比風(fēng)輪的尖速比是風(fēng)輪葉尖速度和設(shè)計(jì)風(fēng)速之比。尖速比是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的一個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù)，通常在風(fēng)力發(fā)電機(jī)總體設(shè)計(jì)時(shí)提出。它是根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的類(lèi)型、葉片的形狀和電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)來(lái)確定的。不同的尖速比意味著所選用或設(shè)計(jì)的風(fēng)輪實(shí)度具有不同的數(shù)值。設(shè)計(jì)要求的尖速比，是指在此尖速比上，所有的空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)接近于它們的最佳值，以及風(fēng)輪效率達(dá)到最大值。當(dāng)確定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)尖速比范圍之后，要根據(jù)風(fēng)輪設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)選擇齒輪箱傳動(dòng)比，最后再用公式λ=RΩ/V進(jìn)行尖速比的計(jì)算，確定其設(shè)計(jì)參數(shù)。1.5.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)動(dòng)載荷作用于風(fēng)輪葉片上的周期性氣動(dòng)載荷會(huì)引起葉片的響應(yīng)，而此響應(yīng)又反饋于外部氣動(dòng)載荷，因此這實(shí)質(zhì)上是一個(gè)氣彈耦合的響應(yīng)問(wèn)題，是風(fēng)輪疲勞問(wèn)題的根源。各片葉片的動(dòng)載荷合成為風(fēng)輪的動(dòng)載荷，又是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要振源。振動(dòng)風(fēng)輪的振動(dòng)載荷作用在機(jī)體上引起其振動(dòng)響應(yīng)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)始終要承受持續(xù)的周期性的振動(dòng)。因此，除風(fēng)輪外，電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)及其支撐結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)都應(yīng)考慮振動(dòng)問(wèn)題。因?yàn)檎駝?dòng)會(huì)引起結(jié)構(gòu)的疲勞、降低設(shè)備的可靠性，以至增加維護(hù)工作量。動(dòng)力穩(wěn)定性多方面的復(fù)雜的耦合關(guān)系導(dǎo)致了各種動(dòng)力穩(wěn)定性問(wèn)題。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展史上，運(yùn)行時(shí)風(fēng)輪/機(jī)體耦合的機(jī)構(gòu)不穩(wěn)定性問(wèn)題造成了許多嚴(yán)重的后果。風(fēng)輪的動(dòng)力不穩(wěn)定性，包括變矩/揮舞不穩(wěn)定性、變矩/擺振不穩(wěn)定性及揮舞/擺振不穩(wěn)定性等。1.5.4整機(jī)可靠性設(shè)計(jì)要求可靠性是風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本質(zhì)量標(biāo)志，是產(chǎn)品質(zhì)量重要組成部分。可靠性是來(lái)自設(shè)計(jì)、制造和使用維護(hù)、設(shè)計(jì)可靠性是影響產(chǎn)品可靠性的重要因素。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可靠性量化指標(biāo)是以機(jī)組運(yùn)行可利用率來(lái)度量，并屬于廣義可靠性，包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可靠性和維修性。因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可利用率是固有可靠性和使用管理可靠性的綜合度量指標(biāo)。1.6設(shè)計(jì)（論文）預(yù)期的結(jié)果1.6.1了解國(guó)內(nèi)外有關(guān)風(fēng)力發(fā)電方面的研究及發(fā)展，完成文獻(xiàn)綜述。1.6.2完成風(fēng)力發(fā)電裝置總圖。1.6.3完成風(fēng)力裝置機(jī)械傳動(dòng)裝置部件圖（或結(jié)構(gòu)圖）。1.6.4完成風(fēng)力發(fā)電裝置充電系統(tǒng)電路圖。1.6.5提交繪制CAD圖樣并和電子文檔。1.6.6完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，在設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)中應(yīng)列出理論依據(jù)和分析計(jì)算，列出求解步驟，并提交設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的電子文檔。2風(fēng)電機(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)能為式中——空氣的密度，kg/m3V——風(fēng)速，m/s如果風(fēng)力機(jī)實(shí)際獲得的軸功率為P，那么風(fēng)能利用系數(shù)為式中P——風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)際獲得的功率，W。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為式中CP——空氣阻力系數(shù)，與物體形狀有關(guān)，平板一般取2——風(fēng)與平板的相對(duì)速度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-l，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式中F——板受到的風(fēng)壓力，NS——平板的面積，圖2-1平板模型所以對(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)行微分得令dP/dV=0，可以得到兩個(gè)解：沒(méi)有物理意義；對(duì)應(yīng)于最大值。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工作風(fēng)速風(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(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。2.2.2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。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(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=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(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)形如下式圖2-2威布爾分布函數(shù)曲線其中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)曲線見(jiàn)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。上式滿(mǎn)足威布爾概率累積函數(shù)g（V）為顯然，風(fēng)速≥V的概率為啟動(dòng)風(fēng)速啟動(dòng)風(fēng)速為風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪由靜止開(kāi)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。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有因?yàn)镃≠0，K≠0，只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。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/s，至6m/s，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。2.3風(fēng)能利用與氣象2.3.1風(fēng)的觀測(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)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)的觀測(cè)風(fēng)的觀測(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)行的風(fēng)速觀測(cè)有兩種方法:一種是每日定時(shí)4次兩分鐘平均風(fēng)速觀測(cè);一種是一日24次自記10分鐘平均風(fēng)速觀測(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)。圖2-3中國(guó)有效風(fēng)能密度分布狀況2.5水平軸風(fēng)力機(jī)與垂直軸風(fēng)力機(jī)的比較2.5.1水平軸與垂直軸比較分析從“風(fēng)能利用率”分析。目前，大型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用率絕大部分是由葉片設(shè)計(jì)方法計(jì)算所得，一般在40%以上。對(duì)于小型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用率，中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心曾作過(guò)相關(guān)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，實(shí)測(cè)的利用率在23%-29%左右.由于以前一直用葉素理論計(jì)算垂直軸風(fēng)輪的風(fēng)能利用率，得出了利用率不如水平軸的結(jié)論，但是通過(guò)CFD模擬結(jié)果來(lái)看，垂直軸風(fēng)輪的風(fēng)能利用率不比水平軸的低，國(guó)外也有機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)表明垂直軸風(fēng)輪的風(fēng)能利用率在40%以上。另外，在實(shí)際環(huán)境中風(fēng)向是經(jīng)常變化的，水平軸風(fēng)輪的迎風(fēng)面不可能始終對(duì)著風(fēng)，這就引起了“對(duì)風(fēng)損失”，而垂直軸風(fēng)輪則不存在這個(gè)問(wèn)題，因此在考慮了“對(duì)風(fēng)損失”之后，垂直軸風(fēng)輪的風(fēng)能利用率完全有可能超過(guò)水平軸風(fēng)輪。從“啟動(dòng)風(fēng)速”來(lái)看。一般認(rèn)為水平軸風(fēng)輪的起動(dòng)性能較為穩(wěn)定，但根據(jù)中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心對(duì)一系列國(guó)產(chǎn)小型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)所做的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)來(lái)看，起動(dòng)風(fēng)速一般在今5米/秒之間，最大的居然達(dá)到了5.9米/秒，這樣波動(dòng)的起動(dòng)性能顯然是不能令人滿(mǎn)意的。具有商業(yè)意義的升力型垂直軸風(fēng)輪的起動(dòng)性能差也是目前業(yè)內(nèi)的共識(shí)，特別是對(duì)于達(dá)里厄式各型風(fēng)輪，完全沒(méi)有自起動(dòng)能力，這也是限制垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用的一個(gè)原因圈，但學(xué)者己經(jīng)探討出很多相對(duì)有效的方法來(lái)改善其的啟動(dòng)性能。從“結(jié)構(gòu)特點(diǎn)”來(lái)看。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片在旋轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中，受慣性力和重力的綜合作用，慣性力的方向是隨時(shí)變化的，而重力的方向始終不變，這樣葉片所受的就是一個(gè)交變載荷，這對(duì)于葉片的疲勞強(qiáng)度是非常不利的圈。另外，水平軸的發(fā)電機(jī)都置于幾十米的高空，這給發(fā)電機(jī)的安裝和維護(hù)檢修帶來(lái)了很多的不便。垂直軸風(fēng)輪的葉片在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中的受力情況要比水平軸的好的多，由于慣性力與重力的方向始終不變，所受的是一恒定載荷，因此疲勞壽命要比水平軸的長(zhǎng)。同時(shí)，垂直軸的發(fā)電機(jī)可以放在風(fēng)輪的下部或是地面，便于安裝維護(hù)。從“環(huán)境和諧”來(lái)看。雖然風(fēng)力發(fā)電也號(hào)稱(chēng)是清潔能源，能起到很好的環(huán)保作用，但是隨著越來(lái)越多大型風(fēng)電場(chǎng)的建立，一些由風(fēng)力發(fā)電機(jī)引發(fā)的環(huán)保問(wèn)題也凸顯出來(lái)。這些問(wèn)題主要集中體現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是噪音問(wèn)題，二是對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的影響。水平軸風(fēng)輪的尖速比一般在5~7左右，在這樣的高速下葉片切割氣流將產(chǎn)生很大的氣動(dòng)噪音，同時(shí)很多鳥(niǎo)類(lèi)在這樣的高速葉片下也難幸免閱。垂直軸風(fēng)輪的尖速比則要比水平軸的小的多，一般在LS~2之間，這樣的低轉(zhuǎn)速基本上不產(chǎn)生氣動(dòng)噪音，完全達(dá)到了靜音的效果。無(wú)噪音帶來(lái)的好處是顯而易見(jiàn)的，以前因?yàn)樵胍魡?wèn)題不能應(yīng)用風(fēng)力發(fā)電機(jī)的場(chǎng)合(如城市公共設(shè)施、民宅等)，現(xiàn)在可以應(yīng)用垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)來(lái)解決，因此，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)比水平軸有更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。低尖速比帶來(lái)的好處不僅僅是環(huán)保上面的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于風(fēng)機(jī)的整體性能也是非常有利的。從“空氣動(dòng)力學(xué)”上看。物體速度越快，外形對(duì)流場(chǎng)的影響越大。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在戶(hù)外運(yùn)行時(shí)，葉片上不可避免的受到污染，這種污染實(shí)際上是改變了葉片的外形。對(duì)于水平軸風(fēng)輪來(lái)講，即使這種外形變化很微小，也很大的降低了風(fēng)輪的風(fēng)能利用率，而垂直軸風(fēng)輪因?yàn)檗D(zhuǎn)速低，所以對(duì)外形的改變沒(méi)那么敏感，這種葉片的污染基本上對(duì)風(fēng)輪的氣動(dòng)性能沒(méi)有影響。2.5.2發(fā)電機(jī)在以下三個(gè)方面有突出的優(yōu)勢(shì)。⑴維護(hù)保養(yǎng)方便維修保養(yǎng)方面小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的客戶(hù)越來(lái)越需要壽命長(zhǎng)，高可靠，易維修的產(chǎn)品.首先，水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片運(yùn)轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度大;而垂直軸風(fēng)輪的葉片在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中由于慣性力與重力的方向恒定，因此疲勞壽命要比水平軸的長(zhǎng)。其次，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的構(gòu)造緊湊，活動(dòng)部件少于水平軸風(fēng)力機(jī)，所以可靠性較高。再次，水平軸系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)都置于幾米到幾十米的高空，日常維護(hù)和故障檢修都不方便，而垂直軸系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)可以放在風(fēng)輪下部很遠(yuǎn)甚至在地面上，便于維護(hù)。⑵風(fēng)能利用率高風(fēng)能利用效率方面對(duì)于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于桿架高度限制和周?chē)孛惨l(fā)的亂流，常常處于風(fēng)向和風(fēng)強(qiáng)變化劇烈的情況下，豎直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于不需要對(duì)風(fēng)在克服“對(duì)風(fēng)損失”和“疲勞損耗”上有水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，也更適應(yīng)華北地區(qū)的風(fēng)力特點(diǎn)。⑶噪音小與環(huán)境的和諧方面對(duì)于應(yīng)用于城鎮(zhèn)等人口密集地區(qū)的小型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，對(duì)噪音和外觀都有較高的要求，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的低噪音和外形美觀多樣的優(yōu)點(diǎn)是水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)難以比擬的.垂直軸風(fēng)輪的尖速比則要比水平軸的小的多，這樣的低轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的氣動(dòng)噪音很小，可以達(dá)到靜音的效果。加上垂直軸風(fēng)力機(jī)的外形更容易進(jìn)行美化，所以小型垂直軸風(fēng)電設(shè)備比水平軸的有更廣闊的應(yīng)用范圍。表2-1水平軸和垂直軸的比較3小功率垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)3.1小功率垂直式風(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（ｗ）：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。3.2風(fēng)輪風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機(jī)最重要的部件之一。風(fēng)力發(fā)電機(jī)利用風(fēng)輪把風(fēng)所具有的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能而加以利用。因此，風(fēng)輪的設(shè)計(jì)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)油很大影響，風(fēng)輪直接決定風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重要性能指標(biāo)——風(fēng)能利用系數(shù)。3.2.1相關(guān)概念尖速比：風(fēng)輪葉片尖端的線速度與該風(fēng)速之比稱(chēng)為尖速比，可表示為：式中：ω——旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；R——風(fēng)輪的半徑，m；n——風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，r/min；V——風(fēng)速，m/s。設(shè)定風(fēng)輪的半徑為1m，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為100r/min，風(fēng)速為額定風(fēng)速6m/s，則葉尖比為：尖速比決定了風(fēng)輪的功率，合理的選取最優(yōu)尖速比可使風(fēng)輪功率達(dá)到峰值。對(duì)于定漿距風(fēng)輪，隨風(fēng)速的增加其轉(zhuǎn)速也增加。在這種情況下，輸出功率也增加。3.2.2翼型的選擇采用帆翼式風(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3-3帆翼式風(fēng)輪葉片的尺寸選擇2000*700型風(fēng)輪的面積3.2.3計(jì)算風(fēng)能利用系數(shù)其中空氣密度為ρ=1.29kg/m3，風(fēng)速為額定風(fēng)速V=6m/s1.983.3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:20CrMnTi，整體滲碳淬火處理，滲碳層深1.5-2.0mm，硬度為56~60HRC。軸材料：20CrMnTi，整體滲碳淬火處理，滲碳層深1.5-2.0mm，硬度為56~60HRC。3.3.2選加速器類(lèi)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(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)。輸入軸輸入軸輸出軸RSRP圖3-4NGW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傳動(dòng)比的計(jì)算該行星輪系為周轉(zhuǎn)輪系，傳動(dòng)比可以按公式計(jì)算傳動(dòng)比由于加速器是逆用減速器，所以傳動(dòng)比小于1。3.3.4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。3.3.5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(lèi)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:表3-1行星傳動(dòng)變速箱模數(shù)統(tǒng)計(jì)表通過(guò)以上比較，我確定本次設(shè)計(jì)變速箱的模數(shù)為:m=2.5。3.3.6嚙合角==3.3.7齒輪尺寸設(shè)計(jì)太陽(yáng)輪分度圓直徑=m=2.5*20=50mm齒頂圓直徑mm齒厚mm行星輪分度圓直徑mm齒頂圓直徑mm齒厚mm內(nèi)輪分度圓直徑mm齒頂圓直徑mm齒厚mm3.4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，不需調(diào)節(jié)，傳動(dòng)比恒定無(wú)滑差，使用壽命長(zhǎng)，脫開(kāi)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(kāi)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(zhǎng)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(kāi)時(shí)間就是從切斷激磁電流開(kāi)始到牙完全脫開(kāi)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)矩轉(zhuǎn)矩的計(jì)算式中T——轉(zhuǎn)矩，Nm；P——輸出功率，Kwn——電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。可以計(jì)算發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩Nm離合器的轉(zhuǎn)矩式中TC-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=19.1（Nm）K-工作情況系數(shù)K=1.5所以1.519.1=28.65（Nm）3.4.4離合器的外徑=133mm3.4.5線圈槽高度式中-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)，=0.017mm3.4.6磁軛底部厚度==4mm3.4.7銜鐵厚度mm一般取余量Δ=44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(guò)大而毀壞發(fā)電機(jī)和電力設(shè)施的現(xiàn)象出現(xiàn)。4.2單片機(jī)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。4.3信號(hào)采集 本課題模型用編碼器來(lái)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。4.4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(yǔ)言來(lái)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。4.5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(lái)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(lèi)功率調(diào)節(jié)方式:一類(lèi)是定漿距失速控制;另一類(lèi)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(guò)葉片的失速或偏航控制來(lái)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(guò)改變與葉片相匹配的葉片攻角來(lái)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(guò)載的缺點(diǎn)。4.6控制原理我設(shè)計(jì)的限速系統(tǒng)是通過(guò)程序?qū)﹄姶烹x合控制。系統(tǒng)通過(guò)發(fā)電機(jī)相電壓頻率來(lái)間接測(cè)量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)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，使系統(tǒng)保持在一種動(dòng)態(tài)平衡的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下。這個(gè)系統(tǒng)有反應(yīng)速度快、準(zhǔn)確、成本低的特點(diǎn)。圖4-1限速控制原理框圖4.7風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝容量設(shè)計(jì)考慮某一地區(qū)有風(fēng)和無(wú)風(fēng)情況，統(tǒng)計(jì)出每天的風(fēng)速數(shù)據(jù)為：假設(shè)每天風(fēng)速>4m/s為7小時(shí)，風(fēng)速>6m/s為3小時(shí)。用電對(duì)象為單一家庭用戶(hù)，統(tǒng)計(jì)平均功率為1000W，平均每天用電5小時(shí)。這樣，負(fù)載用電量情況統(tǒng)計(jì)如下：負(fù)載功率:1kW日總耗電量：1kW*5h=5kWh；月總耗電量：5kWh*30=150kWh；年總耗電量：150kWh*12=1800kWh。根據(jù)要設(shè)計(jì)的小功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定功率為300W、額定風(fēng)速為6m/s可以計(jì)算風(fēng)力發(fā)電機(jī)的平均輸出功率。式中：P——風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定輸出功率，W；V——額定風(fēng)速，m/s；V1——實(shí)際風(fēng)速，m/s。風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電能為式中：——機(jī)組輸出總電能，kWh；——平均風(fēng)速為m時(shí)的輸出功率，W；——平均風(fēng)速為m時(shí)的時(shí)間，h。當(dāng)風(fēng)速為4m/s時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的平均功率為kW當(dāng)風(fēng)速為6m/s時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的平均功率為這樣，風(fēng)力發(fā)電機(jī)每天發(fā)出的電能為風(fēng)力發(fā)電機(jī)每年發(fā)出的電能為4.8發(fā)電機(jī)在發(fā)電機(jī)部分，可以應(yīng)用直-交-直系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)有反饋式感應(yīng)發(fā)電機(jī)、感應(yīng)式、永磁同步發(fā)電機(jī)等形式。反饋式感應(yīng)發(fā)電機(jī)一般用于較大功率系統(tǒng)，感應(yīng)電機(jī)則用于中低功率系統(tǒng)，稀土永磁同步發(fā)電機(jī)則最常被用于小功率系統(tǒng)。稀土永磁同步發(fā)電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定性好；不需要外加直流勵(lì)磁電源；構(gòu)造簡(jiǎn)單，裝置成本低；易于操作與維修成本低；適用于小型直驅(qū)式風(fēng)力機(jī)；無(wú)電刷式轉(zhuǎn)子，堅(jiān)固耐用。所以我設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)選擇用小功率的稀土永磁同步發(fā)電機(jī)。表4-1STC類(lèi)型同步發(fā)電機(jī)這里選擇STC-3型同步發(fā)電機(jī)作為本設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)。4.9整流器獨(dú)立運(yùn)行的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，有風(fēng)輪驅(qū)動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)，需要配以適合的整流器，才能對(duì)蓄電池充電。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的容量不同，整流器分為可控與不可控兩種，可控