854 小型風力發(fā)電機總體結構的設計

854 小型風力發(fā)電機總體結構的設計,小型,風力發(fā)電機,總體,整體,結構,設計 小型風力發(fā)電機總體結構的設計開題報告班級（學號）： 姓名：指導老師： 一、綜述1.課題研究的目的和意義能源是發(fā)展國民經(jīng)濟和提高人民生活的重要物質基礎，是經(jīng)濟發(fā)展的“火車頭” ，能源已成為制約國民經(jīng)濟發(fā)展的重要因素。社會經(jīng)濟發(fā)展推動能源需求的持續(xù)增長，要求不斷開發(fā)新的能源。雖然，人類的技術進步旨在提高能源的利用效率、減少能源的消耗，但現(xiàn)今的能源生產量依然滿足不了人類發(fā)展的需求。由于對能源的渴求，人們無節(jié)制地開采石油、煤炭、天然氣等這些埋在地層深處的維系人類生存的“能源食糧” ，不僅嚴重地污染了我們的生存空間，惡化了自然環(huán)境，而且?guī)砹烁膳碌膼汗茉纯萁?。傳統(tǒng)化石能源資源的減少，引發(fā)的石油危機和石油總體價格的攀升，已在向世人警示能源安全問題,引起對能源安全的廣泛擔憂?，F(xiàn)實告誡人們，要生存就必須尋求開發(fā)新能源。[1]我國地域遼闊，廣大邊遠山區(qū)、沿海島嶼和少數(shù)民族地區(qū)地廣人稀、交通不便，利用大電網(wǎng)的延伸解決供電問題非常困難，而這些地區(qū)風力資源往往又比較豐富。充分利用這些地區(qū)的風力資源來解決無電、缺電問題，對改善當?shù)厝嗣竦纳钏?，發(fā)展地方經(jīng)濟具有深遠的意義。小型風力發(fā)電系統(tǒng)具有機組投資小，使用靈活，非常適用于解決居住相對分散、風力資源較好的無電地區(qū)居民的基本生活用電及部分小型生產用電問題。[2]小型風力發(fā)電技術作為農村能源的組成部分，它的進一步推廣應用，將會推動農村能源的發(fā)展，對于改善用能結構，特別是邊遠山區(qū)等的生產、生活用能，推動生態(tài)和環(huán)境建設諸領域的發(fā)展將發(fā)揮積極作用，具有廣闊的市場前景。[3]風能具有隨機性和不確定性，風力發(fā)電系統(tǒng)是一個復雜系統(tǒng)。簡化小型風力發(fā)電系統(tǒng)的結構、降低成本、提高可靠性及實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化運行，具有重要的理論意義和實際應用價值。2.課題的研究現(xiàn)狀及已有成果風能的利用有著悠久的歷史。近年來,資源的短缺和環(huán)境的日趨惡化使世界各國開始重視開發(fā)和利用可再生、且無污染的風能資源。自80年代以來,風能利用的主要趨勢是風力發(fā)電。風力發(fā)電最初出現(xiàn)在邊遠地區(qū),應用的方式主要有:1)單獨使用小型風力發(fā)電機供家庭住宅使用;2)風力發(fā)電機與其它電源聯(lián)用可為海上導航設備和遠距離通信設備供電;3)并入地方孤立小電網(wǎng)為鄉(xiāng)村供電。[4]風電場是由多臺并網(wǎng)型風力發(fā)電機組,并按一定規(guī)律排列組成的風力發(fā)電機群。每臺風力發(fā)電機組一般包括風力機、異步發(fā)電機和中間的傳動連接機構:輪轂、齒輪箱、連軸器。通常機端還有并聯(lián)電容器,提供異步發(fā)電機運行時所需的無功功率,以提高發(fā)電場的功率因數(shù)。[5]1 風力機現(xiàn)代風力機從基本結構上分為兩類,即水平軸風機(HAWT)和立軸風機(VAWT),如圖1所示，這兩類風機都是利用空氣動力升力原理來獲取風能的。目前水平軸風機較多采用。水平軸風機輪轂上有三個或兩個風翼,也稱葉片。葉片用強化聚酯玻璃纖維、膠合板、鋁或鋼制造。[6]風力機通過葉片捕獲風能,將風能轉換為作用在輪轂上的機械轉矩。風力機的特性通常用風能利用系數(shù)CP—尖速比λ曲線來表示,如圖2所示。不同漿距角β時,風能利用系數(shù)CP對應的尖速比λ不同。這里尖速比λ=ωmR/V,R為葉片半徑(m),ωm是風機的機械轉速(r/s),V是作用于風輪機的迎面風速(m/s)。對于同一CP,風輪機可能有兩個運行點,它們分別對應于風輪機的高風速運行區(qū)和低風速運行區(qū)。當風速變化時風輪機的運行點將要發(fā)生變化。對一臺實際的風力機,其捕獲風能轉變?yōu)闄C械輸出功率Pm的表達式為Pm= 0.5ρACPV3式中 ρ——空氣密度,kg/m3A——掃掠面積,m2風力機的整體設計和相應的運行控制策略應盡可能追求CP最大,從而增加其輸出功率。然而實際應用中輸出功率的提高卻受到兩方面的限制:一方面是電氣回路中元器件的功率限制;另一方面是機械傳動系統(tǒng)元件存在轉速上限。因此風機存在三個典型運行狀態(tài):保證恒定CP,控制風力機轉速(維持λ不變)直到轉速達到極限;風力機以恒定速度運行,通過調節(jié)風力機可使CP具有較大數(shù)值,直到最大輸出功率;當風速過大,輸出功率達到極限時風力機按恒定功率控制,使輸出功率限制在額定值附近。[7]2 風力機的功率調節(jié)功率調節(jié)是風輪機的關鍵技術之一,目前投入運行的機組主要有兩類功率調節(jié)方式:一類是定漿距失速控制;另一類是變漿距控制。1)漿距失速控制風力機的功率調節(jié)完全依靠葉片的氣動特性,稱為定漿距風力發(fā)電機組。這種機組的輸出功率隨風速的變化而變化,從CP的關系看,難以保證在額定風速之前CP最大,特別是在低風速段。這種機組通常設計有兩個不同功率,不同極對數(shù)的異步發(fā)動機。大功率高轉速的發(fā)動機工作于高風速區(qū),小功率低轉速的發(fā)動機工作于低風速區(qū),由此來調整λ,追求最佳CP。當風速超過額定風速時,通過葉片的失速或偏航控制降低CP,從而維持功率恒定。實際上難以做到功率恒定,通常有些下降,如圖3所示。2)變漿距控制為了盡可能提高風力機風能轉換效率和保證風力機輸出功率平穩(wěn),風力機將進行漿距調整。在定漿距基礎上加裝漿距調節(jié)環(huán)節(jié),稱為變漿距風力機組。變漿距風力發(fā)電機組的功率調節(jié)不完全依靠葉片的氣動特性,它要依靠與葉片相匹配的葉片攻角改變來進行調節(jié)。在額定風速以下時攻角處于零度附近,此時,葉片角度受控制環(huán)節(jié)精度的影響,變化范圍很小,可看作等同于定漿距風機。在額定風速以上時,變漿距機構發(fā)揮作用,調整葉片攻角,保證發(fā)動機的輸出功率在允許范圍以內。變漿距風力機的起動風速較定漿距風力機低,停機時傳動機械的沖擊應力相對緩和。風機正常工作時,主要采用功率控制。[9]3 發(fā)電機目前風力發(fā)電所采用的發(fā)電機主要有兩種:同步發(fā)電機和異步發(fā)電機。而采用最多的是籠型異步發(fā)電機?；\型異步發(fā)電機既可以孤立運行,也可以聯(lián)網(wǎng)運行。由于它的低耗、高可靠性、無需勵磁裝置和電刷、結構簡單尺寸小、堅固耐用、基本上無需維修,它已成為風力及其它發(fā)電系統(tǒng)的最理想設備。異步發(fā)電機作為并網(wǎng)型發(fā)電設備的方案可分為兩類:恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)和變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)。1)恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)恒速運行的風力機轉速不變,而風速經(jīng)常變化,因此葉尖比λ不可能經(jīng)常保持在最佳值(即使采用變漿距葉片),CP值往往與最大值相差很大,使風力機常常運行于低效狀態(tài)。恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中,多采用籠型異步電機作為并網(wǎng)運行的發(fā)電機,在并網(wǎng)后其輸出功率在輸出功率P(或轉矩)與轉速n/ns曲線的穩(wěn)定區(qū)內運行,如圖4所示。異步發(fā)電機的轉子速度高于同步轉速。當風力機傳給發(fā)電機的機械功率隨風速而增加時,發(fā)電機的輸出功率及其反轉矩也相應增大,運行點發(fā)生改變。當轉子速度高于同步轉速3%~5%時達到最大值,若超過這個轉速,異步發(fā)電機進入不穩(wěn)定區(qū),產生的反轉矩減小,導致轉速迅速升高,引起飛車,這是十分危險的。異步發(fā)電機并網(wǎng)運行時,一方面向電網(wǎng)輸出有功功率,另一方面又必須從電網(wǎng)吸收落后的無功功率。異步發(fā)電機向電網(wǎng)輸出的電流大小及功率因數(shù),取決于轉差率及電機的參數(shù)。轉差率與異步發(fā)電機負荷的大小有關,電機的參數(shù)無法改變。[8]風力發(fā)電機多采用機端并聯(lián)電容器以提高功率因數(shù),如圖5所示。運行中當發(fā)電機和并聯(lián)電容器與電網(wǎng)突然斷開時,電容器的過勵和異步發(fā)電機轉速上升可能引起有害的自勵現(xiàn)象。自勵產生的過電壓可能危及發(fā)電機和電容器的絕緣,必須予以重視。一方面應從最不利的過速情況來選擇電容器的電容量,另一方面在保護線路上要采取措施。2)變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)雖然目前風力發(fā)電系統(tǒng)采用最多的異步發(fā)電機都屬于恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng),但變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)可以使風力機在很大風速范圍內按最佳效率運行的重要優(yōu)點越來越引起人們的重視。從風力機的運行原理可知,這就要求風力機的轉速正比于風速保護并保持一個恒定的最佳葉尖比λ,從而使風力機的風能利用系數(shù)CP保持最大值不變,風力發(fā)電機組輸出最大的功率。例如目前已投入應用的一項變速技術是通過調節(jié)發(fā)電機轉子電流的大小和相位來追求CP最優(yōu)和輸出。[10]二、研究內容小型風力發(fā)電機系統(tǒng)是一個典型的機電一體化系統(tǒng)。小型風力發(fā)電系統(tǒng)效率很高，但它不是只由一個發(fā)電機頭組成的，而是一個有一定科技含量的小系統(tǒng)：風力發(fā)電機＋充電器＋數(shù)字逆變器。風力發(fā)電機由機頭、轉體、尾翼、葉片組成。每一部分都很重要，各部分功能為：葉片用來接受風力并通過機頭轉為電能；尾翼使葉片始終對著來風的方向從而獲得最大的風能；轉體能使機頭靈活地轉動以實現(xiàn)尾翼調整方向的功能；機頭的轉子是永磁體，定子繞組切割磁力線產生電能。風機工作穩(wěn)定是一個非常重要的問題，通過回顧過去成功的小型風力發(fā)電機組的設計，就可以發(fā)現(xiàn)它們的共同特點是簡單，只有簡單才可能做到活動部件少，應力連續(xù)而無突變，才能使小型風力發(fā)電機工作穩(wěn)定。所以本課題是設計一款結構簡單、使用方便、成本低、易維修、使用壽命長的小型風力發(fā)電機。其研究內容具體如下：(1) 小型風力發(fā)電機整體方案設計；(2) 進行小型風力發(fā)電機的機械裝配圖設計；(3) 對裝置的運動過程進行仿真計算分析；(4) 根據(jù)功能要求進行修改，進一步的優(yōu)化；(5) 恒速控制系統(tǒng)方案設計；(6) 試制原理模型裝置。三、實現(xiàn)方法及其預期目標本課題研制的是小型風力發(fā)電機總體結構設計，總體要求是結構簡單、使用方便、易維修、使用壽命長。在滿足功能要求的前提下，盡可能使發(fā)電機外型美觀、可靠性強、制造簡單、價格低廉。目標：1.完成小型風力發(fā)電機組總體結構的設計方案并試進行模型驗證。2.完成小型風力發(fā)電機恒速控制的系統(tǒng)設計方案。該小型風力發(fā)電機的主體部分包括風輪、發(fā)電機、調向機構、調速機構和停車機構、塔架、蓄電池。具體如下：1)風輪用2～3個葉片組成,它把風能轉化為機械能。2)發(fā)電機采用永磁式交流發(fā)電機,風輪驅動發(fā)電機產生交流電,經(jīng)過整流后變成直流電儲存在蓄電池中?？刂破骱湍孀兤?)調向機構、調速機構和停車機構為了從風中獲取能量,風輪旋轉面應垂直于風向,在小型風力機中,這一功能靠風力機的尾翼作為調向機構來實現(xiàn)。同時隨著風速的增加,要對風輪的轉速有所限制,這是因為既要防止過快的轉速對風輪和風力機的其他部件造成損壞。在風速較大時,特別是蓄電池已經(jīng)充滿的情況下,應人工控制風力機停機。小型風力機中設計有手動剎車機構,在實踐中可采用側偏停機方式,即在尾翼上固定一軟繩,當需要停機時,拉動尾翼,使風輪側向于風向,從而達到停機的目的。4)塔架由塔管和3～4根拉索組成。5)蓄電池采用汽車用鉛酸電瓶,也可用近年來國內開發(fā)出的適用于風能太陽能應用的專用鉛酸蓄電池。6)控制器和逆變器控制器的功能是控制和顯示風力機對蓄電池的充電,使其不至于過充放,以保證正常使用和整個系統(tǒng)的可靠工作。逆變器是把直流電(12 V、24 V、36 V、48 V)變成220 V交流電的裝置。四、對進度的具體安排1．第1-3周 調研，查閱資料，學習相關理論，研究總體方案。2．第 4 周 撰寫并提交調研報告和開題報告；3．第5-7周 確定總體方案，完成相關計算；4．第8-11周 完成結構設計圖；5．第12-15周 完成恒速控制系統(tǒng)方法的設計；6．第16-17周 撰寫并提交畢業(yè)論文、審閱、評審并修改畢業(yè)論文；7．第 18 周 完成畢業(yè)答辯。五、參考文獻1、　陳通漠. 世界風電20 年及發(fā)展趨向. 風力發(fā)電, 1999(3) .2、　周篁. 馬勝紅1 世界風力發(fā)電簡況. 風力發(fā)電, 1999(4) .3、 陳宗器.風力發(fā)電綜述與我國的開發(fā)設想.電機與控制學報.1997. (1)4、　周小謙. 中國電力工業(yè)發(fā)展的前景. 中國電力, 1999,32(10) .5、 符亞杰.淺談小型風力發(fā)電系統(tǒng).風力發(fā)電.2007.(8)6、　肖勁松. 風力機組控制理論研究的現(xiàn)狀與展望. 風力發(fā)電, 2000(2) .7、 牛山泉.三野正洋著.小型風車手冊.汪淑貞譯. 1987.34一368、 中國農業(yè)機械化科學院主編.中國風力機圖冊[M].1983 .234一2409、 章瑋. 無刷雙饋電機電動狀態(tài)下的能量分析. 電機及控制學報, 2000(2) .10、 潘文霞. 風力發(fā)電機的發(fā)展現(xiàn)狀.中小型電機. 2001,28(4) 指導老師： 年 月 日督導老師： 年 月 日領導小組審查意見：審查人簽字： 年 月 日 摘要I摘要基于開發(fā)風能資源在改善能源結構中的重要意義，本論文對風力機的特性作了簡要的介紹，且對風力機的各種參數(shù)和風力機類型作了必要的說明。在此基礎上，對風力發(fā)電機的原理和結構作了細致的分析。首先，對風力發(fā)電機的總體機械結構進行了設計，并且設計了限速控制系統(tǒng)。本課題設計的是一種新型的立式垂直軸小型風力發(fā)電機，由風機葉輪、立柱、橫梁、變速機構、離合裝置和發(fā)電機組成。這種發(fā)電機有體積小、噪音小、使用壽命長、價格低的特點，適合在有風能資源地區(qū)的樓房頂部，供應家庭用電，例如照明：燈泡,節(jié)能燈；家用電器:電視機、收音機、電風扇、洗衣機、電冰箱。其次，在老師的幫助下制作了限速控制的模型。通過模型驗證了小型垂直式風力發(fā)電機限速控制系統(tǒng)總體方案在實踐中的效果，并且驗證了程序是否正確，以及電路的設計是否合理。最后，模型驗證的結果表明我設計的限速控制系統(tǒng)方案可行，程序正確，電路設計合理。為該類型風力發(fā)電機的設計和商品生產提供了理論依據(jù)。關鍵詞：風力發(fā)電；限速控制系統(tǒng)；小型風力發(fā)電機；小型垂直軸風力發(fā)電機。摘要IIAbstractExploiting wind energy resources is of great significance in improving energy structure. In the discourse，the characters of wind generator are introduced briefly，while parameters and types of wind generators are also narrated. Base on these， the theory and constitution of the wind generator are meticulously analyzed. Firstly，Has carried on the design to wind-driven generator's overall mechanism, And has designed the regulating control system. What I design is one kind of new vertical axis small wind-driven generator, by the air blower impeller, the column, the crossbeam, the gearshift mechanism, the engaging and disengaging gear and the generator is composed. This kind of generator has the volume to be small, the noise is small, the service life is long, the price low characteristic, suits in has the wind energy resources area building crown, the supply family uses electricity, For example illumination: The light bulb, conserves energy the lamp; Domestic electric appliances: Television, radio, electric fan, washer, electric refrigerator.Secondly，I have manufactured the regulating control model. Through model verification small perpendicular wind-driven generator regulating control system overall concept effect in reality, and has confirmed the procedure to be whether correct, as well as electric circuit's design to be whether reasonable.Finally，Model verification's result indicated I design the regulating control system plan is feasible, the procedure is correct, the circuit design is reasonable. It provides according as theory for qualitative design and commercial manufacture of this type of wind generator.Key words：Wind power generation；Regulating control system；Small wind-driven generator；Small vertical axis wind-driven generator.小型風力發(fā)電機機械結構及限速控制系統(tǒng)設計1第一章 概述1.1 風力發(fā)電機概況風能的利用有著悠久的歷史。近年來, 資源的短缺和環(huán)境的日趨惡化使世界各國開始重視開發(fā)和利用可再生、且無污染的風能資源。自80年代以來, 風能利用的主要趨勢是風力發(fā)電。風力發(fā)電最初出現(xiàn)在邊遠地區(qū), 應用的方式主要有 : 1) 單獨使用小型風力發(fā)電機供家庭住宅使用; 2) 風力發(fā)電機與其它電源聯(lián)用可為海上導航設備和遠距離通信設備供電; 3) 并入地方孤立小電網(wǎng)為鄉(xiāng)村供電。隨著現(xiàn)代技術的發(fā)展, 風力發(fā)電迅猛發(fā)展。以機組大型化 (50kW～ 2MW )、集中安裝和控制為特點的風電場(也稱風力田、風田) 成為主要的發(fā)展方向。 20 年來, 世界上已有近30 個國家開發(fā)建設了風電場(是前期總數(shù)的3 倍) , 風電場總裝機容量約1400 萬kW (是前期總數(shù)的100 倍)。目前, 德國、美國、丹麥以及亞洲的印度位居風力發(fā)電總裝機容量前列, 且未來計劃投資有增無減。美國能源部預測2010 年風電至少達到國內電力消耗的10%。歐盟5 國要在 2000～ 2002 年達到本國總發(fā)電量的10%左右, 丹麥甚至計劃2030 年要達到40%。中國是一個風力資源豐富的國家, 風力發(fā)電潛力巨大。據(jù) 1998 年統(tǒng)計, 風力風電累計裝機22.36萬kW , 僅占全國電網(wǎng)發(fā)電總裝機的0.081% , 相對于可開發(fā)風能資源的開發(fā)率僅為0.088%。中國第一座風力發(fā)電場于1986 年在山東榮成落成, 總裝機較小, 為3×55kW。到1993 年我國風電場總裝機容量達17.1MW , 1999 年底, 我國共建了24 個風力發(fā)電場, 總裝機268MW。我國風力發(fā)電場主要分布在風能資源比較豐富的東南沿海、西北、東北和華北地區(qū), 其中風電裝機容量最多的是已達72.35kW。在未來2～ 3 年內, 我國計劃新增風電場裝機容量將在800MW 以上, 并且將會出現(xiàn)300～ 400MW 的特大型風力發(fā)電場。1.2 風力發(fā)電機的研究現(xiàn)狀1.2.1 國外風力發(fā)電機的研制情況美國從1974年起對風能進行系統(tǒng)的研究，能源部對風能項目的投資累計已達到25億美元。許多著名大學和研究機構都參加了風能的研究開發(fā)，目前己安裝了8個巨型風力發(fā)電機組。到19%年末，風力發(fā)電總裝機容量己達到170x kw，所提供的電力占全美電力需求量410的10%，居世界之首位，主要集中在加利福尼亞州。美國國會己通過了能源政策法，在能源部的規(guī)劃下，將會改變風力發(fā)電集中于加利福尼亞的局面，在年平均風速達5.6m/s的中西部12個州將建風力電站。據(jù)能源部預測，在未來15年內，風電將增加6倍。在今后2年內，在懷俄明、伊阿華、明尼蘇達、得克薩斯、佛蒙特、緬因州等修建大型風電場，這些風電場將使美國風力發(fā)電能力再增加40x kw，預計到2010年，風力發(fā)電總裝機容量將達到410630x kw，可滿足全美電力需求量的25%。410德國是歐洲風力發(fā)電增長最快的國家，近年風力發(fā)電量急增，尤其沿海各州，風力發(fā)電發(fā)展迅速，己超過丹麥，成為世界第二。到1995年己建成1035座風力發(fā)電裝置，裝機容量49.4x kw，1996年新裝機約950座，裝機容量為48x kw，到19%年底德國己擁有45004 410座風力發(fā)電裝置，總裝機容量達到約160x kw，1997年估計可增加5x kw，可為20多萬40410個家庭提供日常用電。這些風力發(fā)電裝置中的1600個是政府投資建設的。裝機容量超過小型風力發(fā)電機機械結構及限速控制系統(tǒng)設計21OO0kW的風電場有250個，300OkW的最大風電場已投入使用，發(fā)電能力63x kw，西部5x410kw風力發(fā)電計劃可望在2一3年內完成，并投入運行。德國80%的風力發(fā)電裝置都是安裝410在沿海地區(qū)，沿海各州已擬訂其風力發(fā)展規(guī)劃，下薩克森州計劃到2005年，將風力發(fā)電能力增至13Ox kw，斯雷蘇比克一霍爾斯泰因州議會決定到2010年建設120x kw風力發(fā)電4 410設備，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)內的風電場裝機已達33.7x kw，該公司也得到IPP(獨立系統(tǒng)發(fā)電業(yè)者)大力協(xié)助，預定進行198x kw風410 4電場的建設。丹麥是風力發(fā)電先進國家之一，它將風力發(fā)電作為國策，已有風力發(fā)電站近4000座，總裝機容量73x kw，發(fā)電總量達到634x w，相當于一個中等規(guī)模的核電站發(fā)電量，占4 610全國能源總消耗量的3.7%。丹麥政府在“能源2000計劃”中規(guī)定，到2005年，風力發(fā)電目標為150x kw，相當于國內電力消費量的10%，到2020年，風力+PV+波力確保電力需要的41025%，現(xiàn)在計劃有減緩的傾向。環(huán)境廳對各自治體提出要求，要求他們單獨提出風力發(fā)電裝置建設計劃，預計未來10年風力發(fā)電量將達到1500 w。610?荷蘭1986年開始實施風力發(fā)電研究，開發(fā)5年計劃NOW和引入風力發(fā)電5年計劃IPW。目標為1991年末總裝機容量達到5 kw，但計劃沒達到預定目標，只達到4.9x kw，318?410 410座，發(fā)電總量5.5x kw·h，其后決定實施1991一1996年目標為40x kw的TWI五年計劃。410 4計劃目標是1994年末風力發(fā)電能力達到14.4x kw，629座，發(fā)電量為24.7x kw.h，為4荷蘭總發(fā)電量的1.2%。到1996年末，風力發(fā)電裝機容量己達到3zx kw，2000年為41050x kw。410英國英倫三島的風力資源相當豐富，特別是蘇格蘭是世界風力資源最豐富的地區(qū)之一。英政府歷來重視風能等非化石燃料的開發(fā)，目前英國己有20多個風電場投入運行，到19%年總裝機容量己達到26.4x kw，2000年達到80x kw。410410瑞典從七十年代開始風力發(fā)電的開發(fā)，經(jīng)過20多年的努力，己成為該領域的領先者之一，到19%年底，裝機容量己達到9.5x kw。220多座風力發(fā)電站，大部分位于南部地區(qū)4和波羅的海的厄蘭島及哥德蘭島上，哥德蘭島的風力發(fā)電量可保證全島68%的能源需求。為了更充分地利用風力資源，瑞典成立了包括一系列電力供應公司的專門財團，目標是在近幾年內使風力發(fā)電量增加4倍。瑞典由于場地問題，致力于海洋風力發(fā)電。由于建設費和與輸電的連接費用高，所以規(guī)模有大型化的傾向。1.2.2 國內風力發(fā)電機的研制情況1.2.2.1 我國風力發(fā)電概況小型風力發(fā)電機機械結構及限速控制系統(tǒng)設計3中國利用風能己有悠久的歷史，古代甲骨文字中就有“帆”字存在，1800年前東漢劉熙著作里有“隨風張慢曰帆”的敘述，說明我國是利用風能最早的國家之一。1637年明崇幀十年《天工開物》書里有“揚郡以風帆數(shù)頁，侯風轉車，風息則止”的記載，表明在明代以前，我國勞動人民就會制作將線運動轉變?yōu)轱L輪旋轉運動的風車，在風能利用上前進了一大步。我國東南沿海向來有風力提水的使用習慣，江蘇省1959年曾有多達20余萬臺提水風車，后來大部分風車被柴油、電力所取代，但部分地區(qū)一直使用風力提水。50年代中期曾研制小型現(xiàn)代化風力提水裝置，50年代后期開始研究小型風力發(fā)電機組，但限于當時技術經(jīng)濟條件，小型機組在試驗中受挫而停頓。至70年代，先后試制了1、2、10、12、18、20千瓦樣機，其中18千瓦機組于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)運轉發(fā)電，一直運行到1986年8月。1978年將研制風電設備列為國家重點科研項目后，進展加快，先后研制生產了微型和1一200千瓦風電機組，其中以戶用微型機組技術最為成熟，己有100、150、200、300和500瓦微型機組系列定型和批量生產，產品質量良好，不但可滿足國內需要，還遠銷國外。1998年底，全國安裝微型機組178574臺，約計1.7萬千瓦，還有獨立供電機組，已有1.2、2.5、5、7.5和10千瓦機組，以銷定產小批量生產。在網(wǎng)外無電地區(qū)，推廣微型、小型風電機組，是解決無電農牧民用電的有效途徑，有其獨特的優(yōu)越性，也是中國發(fā)展微型、小型風電機組的特色。在網(wǎng)外地區(qū)利用風柴蓄聯(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)，將促進風力從為生活服務轉向為生產提供電力，從而跨上一個新水平。風/光互補發(fā)電系統(tǒng)，能有效地利用自然資源。在我國很多地區(qū)，冬半年風大，太陽輻射強度??；夏半年風小，太陽輻射強度大，兩種能源的分布季節(jié)正好相反，互補利用可滿足用戶用電需求。在國際上，80年代中期，商品機組以55一150千瓦為主，山東榮成進口3 55千瓦機組，?1986年并網(wǎng)發(fā)電，達阪城和廣東南澳進口90千瓦、100千瓦和150千瓦機組計17臺，裝機容量4490千瓦，均于1989年并網(wǎng)發(fā)電。90年代初期國外商品機組單機容量200一300千瓦，1992一1996年我國進口風電機組以200一300千瓦機組為主，1996年建成17個風電場，裝機合計57700千瓦。90年代中期500一600千瓦商品機組推向市場，批量生產，標志著商品機組技術日臻成熟，造價相應下降。1996年，國家在“雙加”工程中，按照扶強扶優(yōu)的原則，選擇了達阪城二廠、輝騰錫勒、括蒼山和張北四個風電場進行重點改造，進口133x600千瓦、13x300千瓦機組，合計83700千瓦，分別于1997一1998年竣工驗收。同年，國家計委又制定乘風計劃” ，旨在以技貿結合形式，與國外組建合資企業(yè)，在建設24萬千瓦風電場的同時，引進技術，消化吸收，達到自主開發(fā)、自行設計制造大型風電機組的能力。1996年采用招標評議方式確定“中國第一拖拉機工程機械(集團) 公司” 和“西安航空發(fā)動機集團公司”為大型風電機組總裝廠;1998 年上述中標公司分別同外商合資成立“洛陽美德風電設備有限公司”和“西安維德風電設備有限公司” ，標志著中國風力發(fā)電事業(yè)揭開了嶄新的一頁。我國風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 100一300W ，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1一5kw。這種方式也可供無電風區(qū)邊防哨所、氣象臺站、雷達站、電視差轉臺以及無電區(qū)小火車站使用。三是建立風電場，聯(lián)網(wǎng)后輸出，有的與柴油發(fā)電機組或太陽能電站聯(lián)合，有穩(wěn)定的輸出。目前己有14座稍具規(guī)模的風電場，他們是達坂城、廣東南澳島、內蒙呼和浩特輝騰錫勒、內蒙朱日和、內蒙商都大山灣、遼寧瓦房店東崗、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、內蒙錫林、廣東海陵島等。小型風力發(fā)電機機械結構及限速控制系統(tǒng)設計4風電的特點是一次性投資高，每千瓦約需1000一1200美元，再加上進口關稅12%、進口環(huán)節(jié)增值稅17%，使設備成本提高 31%。據(jù)內蒙古電管局反映，不含稅風電價為 0.63元kw.h，比火電價高出0.35元。目前主要是小規(guī)模的開發(fā)，如果要進一步發(fā)展，已遇到資金短缺、設備不過關、進口關稅過重等三大困難。1.2.2.2 我國風力機械行業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢據(jù)不完全統(tǒng)計，到1993年底，全國生產風電機組、風力提水機組及配套件的工廠共39家，其中主機27家;職工近4000 人，工程技術人員400余人 ;從事科研開發(fā)有35家院校，科技人員250人。商品化風電機組有9種，從100w 到5kw ，年生產能力 3萬臺，累計出口近1000臺小型風電機。1995年全國生產風電機組8190臺，風力提水機組50臺。目前全國小型風電機組保有量巧萬臺，居世界首位。近幾年來己建立14處規(guī)模不等的大中型風電場，至1995年共安裝55kw以上機組186臺，總裝機容量為 37Mw。預測到 2000年，需要小型風電機(1okw以下)22 萬臺;大中型風電機組(20kw以上)4000 臺; 風力提水機組 6000臺。行業(yè)存在的主要問題有:(l)產品品種不全目前雖然我國己能大批量生產小型風電機組，1995年并出口印尼100W及300W小型風電機各250臺，價值340余萬元，但還停留在研究開發(fā)55kw、250kW的風電機階段。國外現(xiàn)在已做到600kW機組商品化，正在準備批量生產750kw、1MW 機組。(2)科研生產能力薄弱風力機械行業(yè)歸口于畜牧機械，稍具規(guī)模的企業(yè)只有內蒙商都牧機廠和內蒙動力機廠，缺少先進設備，影響產品質量和經(jīng)濟效益的提高。隨著風電事業(yè)的發(fā)展，已有不少實力雄厚的單位加入，并取得初步成果。例如200kW風電機組的研制由浙江機電研究院、杭州發(fā)電設備廠、上海玻璃鋼研究所、中國空氣動力研究中心、同濟大學、清華大學等8個單位聯(lián)合承擔。樣機于1995年9月在浙江蒼南風電場完成2000小時運行考核，1997年4月19日通過國家科委的鑒定，不久將實施中試生產。又如第一拖拉機工程機械集團704分廠承擔了250kw風電機組的研制及組裝任務，保定 550廠協(xié)作生產葉片，該項目屬于一拖與德國胡蘇姆造船廠合作生產協(xié)議，總框架為200臺，首批10臺得到了德國政府補貼，1995年12月4臺電風機己在內蒙錫林浩特風電場并網(wǎng)發(fā)電。再如1996年2月9日北京萬電公司(隸屬于中國運載火箭技術研究院) 與奧地利比爾公司簽訂引進風力發(fā)電技術，專門從事500kw以上風電機的生產。1996 年10月還簽訂3項合同，內容為:由電力局與丹麥維斯塔思公司，內蒙古電管局、浙江省電力局與丹麥麥康公司合作，除引進122臺600kw風電機之外，還將在國內組裝生產600kw 風電機組。今后風力發(fā)電機發(fā)展趨勢如何?一是增加風輪的直徑和塔架的高度，向超大型風力發(fā)電機發(fā)展，目前世界上最大的風力發(fā)電機建立在美國北卡羅來納州的蘭嶺山上，發(fā)電功率是兩千瓦，年發(fā)電量是330萬度，相當3300噸煤發(fā)出的電量；另一方面是向新型立體式風力發(fā)電機發(fā)展。立體式風力發(fā)電機即風力發(fā)電機的軸和風的方向垂直。它克服了一般風力發(fā)電機葉片需要不斷增長和提高塔架以及在材料和加工工藝等方面的困難。這樣來自任何方向的風都可以充分利用，提高了風能利用率。又可以降低高大的支撐鐵塔，結果造價低，重量也輕了許多。1.3 研究風力發(fā)電機的目的和意義中國是世界上最大的煤炭生產國和消費國，能源利用以煤炭為主。在當前以石化能源為主體的能源結構中，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，石油探明儲量預測僅能開采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，如果不趁早調整以石化能源為主體的能源結構，勢必形成對數(shù)億年來地球積累的生物石化遺產更大規(guī)模的挖小型風力發(fā)電機機械結構及限速控制系統(tǒng)設計5掘、消耗，由此將導致有限的石化能源趨于枯竭，人類生態(tài)環(huán)境質量下降的惡性循環(huán)，不利于經(jīng)濟、能源、環(huán)境的協(xié)調發(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，把風力發(fā)電作為優(yōu)化我國電力工業(yè)結構跨世紀的戰(zhàn)略發(fā)展目標。八屆人大四次會議批準的我國經(jīng)濟和社會發(fā)展“九五”計劃和2010年遠景目標綱要中提出“積極發(fā)展風能、海陽能、地熱能等新能源發(fā)電”的指導方針，為我國發(fā)展多能互補的能源結構新格局起到了指導和促進作用。風能是對人類生存環(huán)境影響最小的能源。除此之外，風能資源非常豐富，取之不盡，用之不竭。據(jù)統(tǒng)計，太陽向地球輻射的巨大能量中，約有1% 轉化為風能。這些能量相當于全球每年消耗的煤、石油等化石燃料能量的總和，可見風能的潛力是非常大的。隨著風力發(fā)電技術日趨成熟，風力發(fā)電規(guī)模也不斷擴大，美國加州由數(shù)家風能公司提供給電網(wǎng)的電量，足以供應舊金山這樣的大城市的居民需求。我國風電事業(yè)近年來發(fā)展較快，已有16萬臺微型風力發(fā)電機用于邊遠山區(qū)、牧區(qū)、海島，初步解決了地處邊遠，居住分散，電網(wǎng)難以到達地區(qū)的居民用電問題。同時也遏制了微型汽油發(fā)電機的發(fā)展，在節(jié)約石化燃料的同時，避免了各種有害氣體的排放。國家“九五”新能源發(fā)展計劃提出， “九五”期間全國風力發(fā)電的總裝機容燕山大學工學碩士學位論文量要突破40萬千瓦。為此，國家從宏觀規(guī)劃角度出發(fā)，制定了“乘風計劃” ，面向國內外市場發(fā)展風力發(fā)電。 “乘風計劃”不僅會大大促進我國風電事業(yè)的發(fā)展，而且對減排有害污染物，促進環(huán)境的改善有著重要意義。風力發(fā)電近幾年發(fā)展如此之快，是因為它有許多優(yōu)點：1.設備簡單，投資少，成本低，風力發(fā)電機的整個設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、三年內就可以收回全產投資；2.節(jié)省燃料和運輸費用。在風力資源豐富的地區(qū)，風力是取之不盡，用之不竭的，可就地建立風力發(fā)電站，就地用電，這樣就可以節(jié)省大量的輸電設備和能源。許多燃料是十分重要的化學原料，把它白白的燃掉是十分可惜的。我國資源并不十分豐富，充分利用風力資源意義就更重大了；3.利用風力可以減少對大氣的污染，保護我們人類賴以生存的自然環(huán)境?；瘜W燃料不斷向大氣中排放對生物有害物質，嚴重的威脅人們健康，而風力能源則沒有任何影響人類健康的有害物質。由于它是清潔能源，對環(huán)境無污染，又由于我們國家地形復雜，人口又多，居住分散，對于電網(wǎng)涉及不到的地區(qū)，特殊行業(yè)，可以補充大電網(wǎng)的缺陷，起到拾遺補缺的作用，可以利用小型風機風力發(fā)電的地方主要有：(l)航運系統(tǒng)我們有長江等水系幾條大河流，如長江航運中的拖船，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。使用風力發(fā)電機對蓄電池補充充電效果很好，這方面有成功的經(jīng)驗。但是，由于國有運輸企業(yè)的不景氣，影響了市場。另外，我們大小河流湖泊上的船舶數(shù)量驚人，用小型風力發(fā)電機解決它們的照明、收視電視、聽廣播，有很重要的意義和市場。(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個觀察站，西南也有幾百個高山觀察站，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廣播、看電視頗為費神。由于山高、道路狹窄歧嶇、運輸困難，又不能使用明火，使用小型風力發(fā)電機可以基本解決觀察站的照明及娛樂用電。90年代初，個別觀察站曾使用過小型風力發(fā)電機。由于風力發(fā)電機的某些技術問題及使用人員的素質因素，沒有得到推廣。(3)無人值守的差轉臺和微波站。(4)東南沿海各孤立的島嶼。(5)圍網(wǎng)養(yǎng)殖系統(tǒng)。(6)農牧區(qū)。(7)國際市場。小型風力發(fā)電機機械結構及限速控制系統(tǒng)設計61.4 我國的風能資源及其分布風能是地球表面空氣移動時產生的動能。由于風速是一個隨機性很大的量，必須通過長時間的觀測才能算出平均風功率密度。根據(jù)風的氣候特點，一般選取10年風速資料中年平均風速最大、最小和中間的3個年份為代表年份，分別計算該3個年份的風功率密度然后加以平均，其數(shù)值可以作為當?shù)亻L年風功率密度平均值。中國氣象科學研究院計算了全國900余個氣象站的年平均風功率密度值，該值反映出全國風能資源分布狀況，以及各個地區(qū)風能資源潛力。中國10m高度層的風能總儲量為3226GW，這個儲量稱作風能“理論可開發(fā)總量”。實際可供開發(fā)的量按上述總量的1/lO估計，并考慮風能轉換裝置風輪的實際掃掠面積，再乘以面積系數(shù)O.785(即直徑為lm的圓面積是邊長為lm的正方形面積的0.785)，得到中國10m高度層實際可開發(fā)的風能儲量為253GW。這個數(shù)量比1996年全國發(fā)電總裝機容量還大，說明中國風能資源豐富，但是可供經(jīng)濟開發(fā)的風能儲量數(shù)據(jù)尚需進一步查明。中國風能豐富的地區(qū)主要分布在西北、華北和東北的草原或戈壁，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。中國風力大小的出現(xiàn)規(guī)律是冬、春季風大，降雨量少;夏季風小，降雨量大。這一特點恰與水電的枯水期和豐水期有著較好的互補性。圖1-1示出了中國有效風能密度分布狀況。由于我國地形復雜，風的地區(qū)性差異很大，有必要將我國的風能資源的大體分布列出，以便于人們了解哪些地區(qū)有開發(fā)利用風能的潛力。中國風能資源豐富的省區(qū)于表1一l。一般風能資源的潛力和特征用有效風能密度和可利用年積累小時數(shù)兩個指標表示。根據(jù)有關氣象資料，我國可利用風能地區(qū)有三個，即風能豐富區(qū)、較豐富區(qū)、可利用區(qū)，列表1一2如下:圖1-1 中國有效風能密度分布狀況表1一1 中國風能資源比較豐富的地區(qū)小型風力發(fā)電機機械結構及限速控制系統(tǒng)設計7表1-2 我國風能資源分布情況小型風力發(fā)電機機械結構及限速控制系統(tǒng)設計8第二章 風力機理論2.1 基本公式2.1.1 風能利用系數(shù)風力機從自然風能中吸收的能量大小程度用風能利用系數(shù) 表示。橫截面積為s( )的pC2m氣流的動能為2.1.2 風壓強如圖2-1a，根據(jù)伯努力方程，風中物體受到的風壓Q為2.1.3 阻力式風力機的最大效率建立簡單的理想模型，一個平板在風的氣動壓力作用下沿著風速方向運動，如圖2-lb，并規(guī)定平板上游一定距離上的風速為 ，平板的運動速度為v，那么平板吸收的功率fV可以表示為小型風力發(fā)電機機械結構及限速控制系統(tǒng)設計9圖2-1 平板模型對給定的上游風速玲，可以寫出以平板的運動速度V為函數(shù)的功率變化關系式，對v進行微分得從上式中可以看出，阻力式風力機的效率是比較低的，提高效率的唯一辦法是設法提高風的阻力系數(shù)C。2.2 工作風速與輸出功率2.2.1 風力發(fā)電機的輸出效率最理想的風力機也不可能吸收全部的風能，而只能吸收部分風能。如上一節(jié)推導的那樣，有一個最大風能利用系數(shù) 。但是，風力機在制做過程中，由于受到各種條件的pmaxC限制，做不到完全理想的形狀。因此實際的風力機和理想的風力機之間也有差異。實際風力機吸收的功率與理想風力機吸收的功率的比值叫做風力機的效率。用 表示。另外還有1?傳動機構的效率甲 和發(fā)電機的效率 等，所以實際風力發(fā)電機輸出的效率，可以表示2?3?為2.2.2 工作風速與輸出功率風力機啟動時，為了克服其內部的摩擦阻力而需要一定的力矩。這一最低力矩值叫做風力機的啟動力矩。啟動力矩主要與風力機本身的傳動機構摩擦阻力有關·因此風力機有小型風力發(fā)電機機械結構及限速控制系統(tǒng)設計10一最低工作風速稱 ，只有風速大于 時風力機才能工作。fminVfminV當風速超過某一值的時候，基于安全上的考慮(主要是塔架和槳葉強度)，風力機應該停止運轉，所以每一臺風力機都規(guī)定有最高風速 ，最高風速 與風力機的設計強faxfminV度有關，是設計時給定的參數(shù)。最小風速稱 ，和最大風速 之間的風速叫做風力機的工作風速，相應于工作fminVfmax風速風力機有功率輸出。當風力機的輸出功率達到標稱功率時的工作風速叫做該風力機的額定風速。2.2.3 啟動風速和額定風速的選定如何根據(jù)風能資源來選用風力機，使風力機的運行狀態(tài)最佳，確定起動風速和額定風速是關鍵。2.2.3.1 雙參數(shù)威布爾分布 風能就是流動空氣具有的動能。單位時間通過垂直于空氣流的單位面積的空氣流所具有的動能叫風能密度，設 為空氣密度，v為風速，則風能密度?p=0.5 ， 隨v的立方增大，變化非常快，故知道風速的變化情況是利用風能的先決條3?件。風速V是隨機變量，經(jīng)研究專家們多認為用雙參數(shù)威布爾概率密度函數(shù)擬合風速頻率分布最好腳。威布爾分布函數(shù)形如下式其中K為形狀參數(shù)，無量綱，C為尺度參數(shù)，量綱為m 。不同地區(qū)，不同時期參數(shù)1s?K、C是不同的，可根據(jù)某地連續(xù)30年的風資料算出該地的K、C參數(shù)，威布爾分布函數(shù)曲線見圖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。小型風力發(fā)電機機械結構及限速控制系統(tǒng)設計11圖2-2 威布爾分布函數(shù)曲線上式滿足2.2.3.2 起動風速 啟動風速為風力機風輪由靜止開始轉動并能連續(xù)運轉的最小風速:風力機分水平軸和垂直軸兩大類，每一類又有多種形式，同一形式還有若干種規(guī)格，只有科學地選擇適合當?shù)仫L能資源的風力機，才能以較少的投資獲取較多的風能。根據(jù)國內外100多種風力機，起動風速的范圍是2m ，至6m ，這一范圍能滿足風能1s?1?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)曲線峰值對應的凡就是起動風速(圖2-2)。對上式求一階導數(shù)且令其等于O有小型風力發(fā)電機機械結構及限速控制系統(tǒng)設計12解得證明氣是出現(xiàn)概率最大的風速。使用起動力風速大于上式計算的氣的風力機會損失小風速這一區(qū)段的風能，使用起動風速小于上式計算的咋的風力機是否更好呢?表面看低風速的風能得到更多的利用，深入研究可知在之氣的較高風速區(qū)風能利用率下降，總體上是得不償失，故選用盡可能接近上式結果的風力機最為理想。2.2.3.3 額定風速 額定風速的選定直接影響風能利用系統(tǒng)整體的效率和經(jīng)濟性，是風力發(fā)電機設計中的重要參數(shù)。己知風能密度p=12 ，對一臺效率為 ，槳葉半徑為廠的風力機，輸出功率w(V)的3v??威布爾分布函數(shù)為w(V)峰值對應之風速 應是額定風速，此時風力機提取的風能最多。pv令2.2.3.4 風力機的工作風速、輸出功率與風能的關系 風力機的工作風速、輸出功率與風能的關系可以簡單地如圖2一3來表示(注:圖中縱坐標表示輸出功率，單位為:w/ ;橫坐標2m表示風能，單位為:m/s)小型風力發(fā)電機機械結構及限速控制系統(tǒng)設計13A一理論風能曲線B一扣除空氣動力損失后的風力機吸收的功率C一計算傳動損失和機械能轉換損失后的功率曲線D一發(fā)電機實際輸出功率曲線圖2一3 功率與風速的關系2.3 風能利用與氣象2.3.1 風的觀測對風能利用的意義在前面已經(jīng)講述過，風能與風速的三次方成正比。所以，當風速測量有10%的誤差時，風力機輸出功率的誤差將擴大到33%。在風力機的設計中，輸出功率出現(xiàn)30%以上的誤差，將帶來很大的經(jīng)濟損失。風速隨時間變化很大，而且地區(qū)性差異也很大，正確把握風況并不是一件容易的事情。所以在風力機設計計劃中，對風的觀測非常受重視。2.3.2 風能利用中需要的氣象調查在風能利用中，需要進行四項氣象調查:(l)風能密度調查 結合風能的地區(qū)分布和可設立風力機地區(qū)面積的調查，在全國范圍內對可利用的風能量進行估算。(2)選定適合地點 在一年中，對通過強風場所的調查。(3)風速的頻率分布調查 在風力機的設計中，為了估算平均出力和運轉時間等量，必須了解風力機軸高處的風況。(4)為了風力機設計強度和安全系數(shù)的氣象調查 異常的強風出現(xiàn)的概率、風的不定向性以及突風程度，冰暴、鹽害等的調查。2.4 風的觀測風的觀測，因其目的不同而有各自的特點。對于風能利用，通過對風的觀測，可以估算出該地區(qū)可利用的風能大小，為風力機的設計和性能研究以及開發(fā)的經(jīng)濟性等提供條件。風速的測量包括風向和風速的測量。因為風速隨時間變化很大，而且變化不定，所以測量時取一定時間內的風速大小的平均值和最長時間的風向。我國現(xiàn)行的風速觀測有兩種方法:一種是每日定時4次兩分鐘平均風速觀測;一種是一日24次自記10分鐘平均風速觀測。實際測量結果表明，前一種方法的誤差比較大，因此在風力發(fā)電機的設計中采用后一種測量方法得到的數(shù)據(jù)。小型風力發(fā)電機機械結構及限速控制系統(tǒng)設計14第三章 風力發(fā)電機方案和結構設計3.1 小型垂直式風力發(fā)電機方案設計現(xiàn)在，各個發(fā)達國家均大力發(fā)展新能源產業(yè)，雖然太陽能一直是新能源商業(yè)化的首選，因為太陽能的設置地點較靈活，不會產生噪音，可以和建筑進行一體化設計。但是風力發(fā)電較太陽能而言，它的成本優(yōu)勢明顯。傳統(tǒng)的風力發(fā)電機啟動風速要求較高，發(fā)電噪音也很大，所以只能將風力發(fā)電機放在人跡罕至的地方或風力較大的地方。設備也是往大型風力發(fā)電機發(fā)展，專門建設大型風力發(fā)電場，這樣，小型風力發(fā)電在相當長的時間里未得到較好的發(fā)展。所以，如何使風力發(fā)電和建筑進行一體化設計，降低小型風力發(fā)電機噪音，使其安裝在建筑周圍而不影響人的生活質量，已成為各個國家研究的焦點！我設計的是一種新型的立式垂直軸小型風力發(fā)電機，由風機葉輪、立柱、橫梁、變速機構、離合裝置和發(fā)電機組成。如下圖所示：小型風力發(fā)電機機械結構及限速控制系統(tǒng)設計15漿 葉 固定架變速箱星形齒輪加速器電磁離合器 發(fā)電機整流器 蓄電池 逆變器 負 載圖 3-1 小型垂直軸風力發(fā)電機框圖該小型垂直軸風力發(fā)電機的發(fā)電原理為：在風的吹動下，風輪轉動起來，使空氣動力能轉變成了機械能（轉速+扭矩）。通過增速系統(tǒng)和離合器使轉矩和扭矩傳遞到風力發(fā)電機軸上，帶動發(fā)電機軸旋轉，從而使永磁三相發(fā)電機發(fā)出三相交流電。風速的不斷變化、忽大忽小，發(fā)電機發(fā)出的電流和電壓也隨著變化。發(fā)出的電經(jīng)過控制器的整流，由交流電變成了具有一定電壓的直流電，并向蓄電池進行充電。從蓄電池組輸出的直流電，通過逆變器后變成了 220 伏的交流電，供給用戶的家用電器。應用范圍：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、收音機、電風扇、洗衣機、電冰箱；該新型垂直軸風力發(fā)電機的特點為：１．額定功率（ｗ）：300２．輸出電壓（v）：24３．啟動風速（m/s）：2４．額定風速（m/s）：6 小型風力發(fā)電機機械結構及限速控制系統(tǒng)設計16５．最大使用風速（m/s）：20發(fā)電機為額定功率 300w，輸出電壓 24v。該新型垂直軸風力發(fā)電機的優(yōu)點為：１． 結構簡單２． 易維護３． 運行平穩(wěn)安全４． 抗強風能力強５． 操作簡單６． 價格低廉3.2 風葉采用帆翼式風葉，帆翼式是英國發(fā)展的一種立軸帆翼式風力機，結構簡單、性能較高。帆翼的形狀如下圖所示。由于其制造簡單，成本低，性能好，所以適于推廣使用。圖 3-2 帆翼式3.3 行星齒輪加速器設計計算3.3.1 設計要求設計壽命 5 年，單班，一年 360 天，中等傳動，傳動逆轉，齒輪對稱布置，不允許點蝕，無嚴重過載，閉式傳動。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 選加速器類型小型風力發(fā)電機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)定的設備。在選擇行星齒輪時，我選擇 NGW 型星形齒輪加速器，因為這個型號的齒輪傳動效率高，體積小，重量輕，結構簡單，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。小型風力發(fā)電機機械結構及限速控制系統(tǒng)設計17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)： =3wN通過查表法確定了齒輪的齒數(shù)（機械手冊）：總傳動比 i =5.4太陽輪齒數(shù) =20sZ內齒輪齒數(shù) =88r行星輪齒數(shù) =34P3.3.4 壓力角( )的選擇?我們國家和許多國家都把齒輪的標準壓力角規(guī)定為 ，因此，本次設計的變速箱采20?用 壓力角，以提高加工刀具的通用性。20?3.3.5 齒寬系數(shù)的選擇對于硬齒面齒輪的齒寬系數(shù)應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 = = =1eN?60sNpRY取 =380MlimF?aPl. 相對齒根的圓角敏感系數(shù) STYrelTY?查表得 太陽輪、行星輪、齒圈的敏感系數(shù)均為 =1relTY?m. 相對齒根表面狀況系數(shù) RrelT查表得 =0.9RrelTYn.應力修正系數(shù) =2So.齒輪的彎曲疲勞極限 ,limF?由公式 =,limFliNSTXRrellTY?小型風力發(fā)電機機械結構及限速控制系統(tǒng)設計23=460 1 2 1 1 0.9=828（M ）,limFs??aP=322 1 2 1 1 0.9=579.6（M ）,lip=380 1 2 1 1 0.9=684（M ）,limFR a安全系數(shù) S= = =2.32s,liFsS?8356.7= = =1.57P,limFC9.= = =1.87RS,liF?6843.按具有高可靠性要求取最小安全系數(shù) =1.5 從而可看出：limFS〉 〉 〉sSminFPSinRinF所以彎曲強度校核通過。（2） 接觸疲勞強度校核a. 接觸強度的齒間載荷分配系數(shù) HK?太陽輪與行星輪嚙合時總重合度 1.47 查表得 =1.2???Hk?齒圈與行星輪嚙合時的總重合度 1.583 查表得 =1.2??b.節(jié)點區(qū)域系數(shù) HZ計算 = 2,1cosbtg?得 =2.3186HZc.彈性系數(shù) ?可由公式 =Z?43??得太陽輪與行星輪嚙合時 = =0.918Z?41.73?小型風力發(fā)電機機械結構及限速控制系統(tǒng)設計24齒圈與行星輪嚙合時 = =0.8975Z?41.583?d.接觸疲勞強度極限 limH?太陽輪與行星輪是合金鋼滲碳處理， 取 1500MlimH?aP齒圈是合金鋼氮化處理， 取 1200Mliae.壽命系數(shù) NZ=60rnt>5 所以 = = =1e?710NsZpNRf.潤膜影響系數(shù) 太陽輪和行星輪為 8 級精度，齒圈為 9 級精度，選用 =115 /sLVR 40v2m的礦物油，則查表得：太陽輪和行星輪為 =0.9，齒圈為 =0.8LVRLVRZg.齒面工作硬化系數(shù) =1wZh.尺寸系數(shù) =1xi.齒輪的接觸疲勞極限 ,limH?由公式 =,limHliNZLVRWX=1500 1 0.9 1 1=1350M,liS??aP=1500 1 0.9 1 1=1350M,limHp=1500 1 0.8 1 1=9600M,liR aj.安全系數(shù) S= = =1.05s,limHs?350286.= = =1.05pS,lipc1.= = =1.47R,limHB?9605.按具有高可靠性要求取最小安全系數(shù) =1.0 從而看出齒輪滿足使用要求。limHS3.4 電磁離合器設計計算小型風力發(fā)電機機械結構及限速控制系統(tǒng)設計253.4.1 選型為滿足風力發(fā)電機工作環(huán)境的需要，在風力發(fā)電系統(tǒng)中我選擇牙嵌式電磁離合器，因為牙嵌式電磁離合器有外形尺寸小，傳遞轉矩大，無空轉轉矩，無摩擦發(fā)熱，無磨損，不需調節(jié)，傳動比恒定無滑差，使用壽命長，脫開快，干、濕兩用的特點。 （電源為 12v 直流電）3.4.2 牙嵌式電磁離合器的動作特性如圖所示，通電后，當激磁電流按指數(shù)曲線上升時，由于銜鐵被吸引，線圈中電感增大，引起電流第一次短時間下降，以后還會由于銜鐵吸引后尚不能起動負載轉矩，出現(xiàn)牙間嵌合、脫開和再嵌合的滑跳現(xiàn)象，致使電流發(fā)生多次跳動，直到能帶動負載轉矩時才趨向穩(wěn)定。對于靜態(tài)接合，起動時間的長短主要與銜鐵吸引時間有關，而對動態(tài)起動，則與相對轉速、負載特性、負載的增加情況以及牙的相對位置等因素有關。離合器的脫開時間就是從切斷激磁電流開始到牙完全脫開嵌合，傳遞力矩消失所經(jīng)歷的時間，此時電流也按指數(shù)曲線衰減。3.4.3 離合器的計算轉矩CTK?式中 T-離合器傳遞的理論轉矩，它包括工作轉矩和起動的慣性轉矩 T=2168（Nm） ；K-工作情況系數(shù) K=1.5所以 1.5 2168=3252（Nm）C?3.4.4 離合器的外徑=1332350.81cDT???3.4.5 離合器牙間的壓緊力Q ??2tancmT???式中 -牙形角， =?30?-摩擦角， =?8?-牙的平均直徑mD-銜鐵摩擦面的摩擦系數(shù)1?-銜鐵導向孔直徑d-彈簧推力， =40Fd3.4.6 線圈槽高度=20mm2310nsHwhft?????A式中 -線圈槽高度比， =5小型風力發(fā)電機機械結構及限速控制系統(tǒng)設計26-傳熱系數(shù)， =11s?s-填充系數(shù)， =0.6 HfHf-電阻系數(shù)， =0.017??2/m3.4.7 磁軛底部厚度= =4mm2hAd?3.4.8 銜鐵厚度=8mm2xb??一般取余量 =4A第四章 限速控制系統(tǒng)方案設計4.1 設計限速控制系統(tǒng)的目的功率調節(jié)是風力發(fā)電機的關鍵技術之一，我設計限速電磁離合器就是為了盡可能提高風力機風能轉換效率和保證風力機輸出功率平穩(wěn),并且防止因瞬時電量過大而毀壞發(fā)電機和小型風力發(fā)電機機械結構及限速控制系統(tǒng)設計27電力設施的現(xiàn)象出現(xiàn)。4.2 限速控制系統(tǒng)方案分析本課題設計的限速控制系統(tǒng)是一個機電一體化系統(tǒng)，從控制觀點來看，整個系統(tǒng)可分為六部分:電磁離合器機構、電路、單片機、程序、編碼器、環(huán)境，其中的電路、單片機、程序、編碼器等部分構成了控制系統(tǒng)。目前風力發(fā)電機中投入運行的機組主要有兩類功率調節(jié)方式:一類是定漿距失速控制;另一類是變漿距控制。定漿距失速控制是指大功率高轉速的發(fā)動機工作于高風速區(qū),小功率低轉速的發(fā)動機工作于低風速區(qū), 通過葉片的失速或偏航控制來追求最高的發(fā)電效率。實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改變與葉片相匹配的葉片攻角來調節(jié)風力機發(fā)電效率。這兩種公路調節(jié)方式都存在反應慢而造成瞬時過載的缺點。我設計的電磁離合器控制系統(tǒng)是通過程序對電磁離合控制，當風力發(fā)電機轉速超過額定轉速時，控制系統(tǒng)會使電磁離合器分離，當速度降低到額定轉速時電磁離合器將閉合，帶動發(fā)電機發(fā)電。這個系統(tǒng)有反應速度快、準確、成本低的特點。4.3 單片機本課題模型采用的單片機是 AT89C51，單片機是指一個集成在一塊芯片上的完整計算機系統(tǒng)。盡管他的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個完整計算機所需要的大部分部件：CPU、內存、內部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會具有外存。同時集成諸如通訊接口、定時器，實時時鐘等外圍設備。而現(xiàn)在最強大的單片機系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡、復雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。 4.4 信號采集本課題模型用編碼器來采集信號，把編碼器高低電平的變化的信號傳入單片機，單片機對信號進行分析，判斷電磁離合器通電還是斷電。4.5 電路本模型的電路包括單片機最小電路和上電復位電路，這個裝置可以用匯編語言來指導自動化運作與電腦差不多，讀入數(shù)據(jù)后，依據(jù)半導體進行邏輯運算，并把結果輸出。從而達到根據(jù)轉速控制電磁離合器的目的。小型風力發(fā)電機機械結構及限速控制系統(tǒng)設計28圖4-1 電磁離合器控制系統(tǒng)電路圖4.6 限速控制程序4.6.1 定時器周期本模型設計 50ms 為一個周期，所以定時器必須工作于方式 1。定時器初值為：TC=M-T/ = =15536=3CB0HT計 數(shù) 16250ms/??4.6.2 程序流程圖小型風力發(fā)電機機械結構及限速控制系統(tǒng)設計29圖4-2 程序流程圖4.6.3 限速控制程序4.6.3.1 主程序ORG 0000HLJMP STARTORG 000BHLJMP DingshiChushi: SuduH DATA 20HSuduL DATA 21HMOV TMOD, #51HMOV TH0, #3CHMOV TL0, #0B0HMOV IE, #82HSETB TRO小型風力發(fā)電機機械結構及限速控制系統(tǒng)設計30START: MOV A, #00HCJNE A, SuduH, Buxiangdeng1Xiangdeng1: MOV A, #02HCJNE A, SuduL, Buxiangdeng2Xiangdeng2: LJMP MiedengBuxiangdeng1:JC LiangdengLjmp MiedengBuxiangdeng2:JC LiangdengLjmp MiedengLiangdeng: MOV P1.0, #00HLJMP STARTMiedeng: MOV P1.0, #0FFHLJMP START4.6.3.2 中斷服務程序：Dingshi: MOV SuduH, TH1MOV SuduL, TL1CLR TH1CLR TL1MOV TH0, #3CHMOV TL0, #0B0HRETIEND小型風力發(fā)電機機械結構及限速控制系統(tǒng)設計31第五章 實驗和模型設計5.1 實驗和模型設計的目的實驗和模型設計的目的是檢驗小型垂直式風力發(fā)電機中限速控制系統(tǒng)總體方案在實踐中的效果，并且驗證程序是否正確，以及電路的設計是否合理。為了達到驗證程序并且降低成本的目的，對小型垂直式風力發(fā)電機進行了改進設計。5.2 模型設計5.2.1 設計技術指標在本課題中給出了下列技術指標:1． 額定功率（ｗ）：3002． 輸出電壓（v）：243． 啟動風速（m/s）：24． 額定風速（m/s）：6 5． 最大使用風速（m/s）：20由于本模型驗證的是控制電磁離合器限制發(fā)電機轉速的程序，所以在達到檢驗控制系統(tǒng)設計方案目的同時降低成本的原則下，我用電動機取代了風力發(fā)電機中行星齒輪加速器，也就是電動機軸的轉速模擬了風力發(fā)電機系統(tǒng)中行星齒輪加速器輸出軸的轉速。5.2.2 模型設計器件5.2.2.1 電機本模型選擇的電動機最高轉速是 800r/min，所以我假設 200r/min 為額定轉速，當電機轉速高于額定轉速時電磁離合器就斷開，當電機轉速在額定轉速之內時點戲離合器就閉合。5.2.2.2 程序本模型設計 50ms 為一個周期，定時器必須工作于方式 1。這樣控制系統(tǒng)的反應就很快，可以及時使電磁離合器分離，避免危險發(fā)生。5.2.2.3 電路本模型采用上電復位電路作為初始化電路。只要電路一通電控制系統(tǒng)就自動開始工作，在實踐中不用工人去開啟，這樣可以提高安全性，避免因工人失誤而造成危害。5.2.2.4 編碼器編碼器屬于傳感器，用于感知電機的轉數(shù)，從而得到機構各連桿之間的相對位置信息。在模型中我購買的是無錫市瑞普編碼器，脈沖周期： （N 為每轉輸出脈沖數(shù) N=1） 360/?電源：12v 直流電，輸出信號與單片機相連。5.2.2.5 單片機模型中采用的單片機是 AT89C51。 5.2.2.6 電磁離合器本模型選擇的電磁離合器有傳動和制動兩個功能，在模型中我用綠色燈泡代表傳動，綠燈泡亮時代表傳動邊的離合器閉合。黃色燈泡代表制動，黃燈亮時代表制動離合閉合并且傳動離合斷開。5.2.2.7 電源本模型采用的是可同時提供 12V2A 和 5V3A 直流電的電源。12V2A 電源為編碼器供電，5V3A 為電路板提供電源。5.3 電路板小型風力發(fā)電機機械結構及限速控制系統(tǒng)設計32圖5-1 電路板5.4 限速控制程序裝置圖5-2 電路小型風力發(fā)電機機械結構及限速控制系統(tǒng)設計335.5 實驗模型結果分析完成了方案設計的限速控制系統(tǒng)模型制作。制作的模型中電路、程序以及各元器件工作正常，并且很好的驗證了程序，程序可以完成預設的任務。當電機轉速在額定值200r/min之內時，電路板中綠燈亮。當電機轉速大于額定值200r/min時，電路板中綠燈滅。當按下制動開關時，電路板上綠燈滅，并且黃燈亮。綜上所述，模型設計和制作成功，裝置的限速控制程序正確。小型風力發(fā)電機機械結構及限速控制系統(tǒng)設計34第六章 結束語本課題設計的小型立式垂直軸風力發(fā)電機是一種新型結構形式的風力發(fā)電機，它的限速控制系統(tǒng)是集電磁離合器、單片機、編碼器、匯編程序在一起的機電一體化系統(tǒng)。本論文對其結構原理進行分析、研究，并且制作了模型對限速控制系統(tǒng)進行了驗證，得到了如下的結論:（1） 本課題設計的限速控制系統(tǒng)電路合理、可用；（2） 程序正確；（3） 機構簡單；（4） 反應靈敏；（5） 安全系數(shù)高；（6） 重量輕、容易拆卸，并且成本低。（7） 本課題設計的小型風力發(fā)電機適用性好，可以在樓房、平房頂使用。彌補了由風力資源城市風力發(fā)電的空缺。本論文在理論方面通過模型論證了實際應用的可行性、可靠性，為該類型風力發(fā)電機的設計和商品生產提供了理論依據(jù)。但是，在機械部件方面沒有模型，沒有進行實踐驗證，所以這個設計還存在很大的不足之處。希望以后做出機械模型，進行測量、計算從而逐步完善該型風力發(fā)電機。小型風力發(fā)電機機械結構及限速控制系統(tǒng)設計35致謝本論文是在導師許寶杰教授的親切關懷和精心指導下完成的。在接受許老師指導的近半年的時間里，他那淵博的知識，縝密的邏輯，活躍的思維，敏銳的洞察力，嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度以及民主的作風給我留下了深刻的印象，為我開闊了視野，豐富了學識，并將受益終身。至此論文完成之際，對許老師曾經(jīng)給予的學術上的指導，生活上的關心和幫助致以最誠摯的謝意!感謝同學和朋友們的大力支持和幫助!最后，衷心感謝機電工程系全體老師的辛勤培養(yǎng)和教誨!小型風力發(fā)電機機械結構及限速控制系統(tǒng)設計36參考文獻[1]世界能源理事會.新的可再生能源一未來發(fā)展指南.北京海洋出版社，1998[2]中國國家科委一歐盟能源總司.中國一歐洲聯(lián)盟能源合作大會文集，1996[3]中華人民共和國國家發(fā)展計劃委員會基礎產業(yè)發(fā)展司編.中國新能源與可再生能源1999白皮書.中國計劃出版社，2000[4]國家經(jīng)貿委可再生能源發(fā)電及熱利用研究項目組.中國可再生能源技術評價.中國環(huán)境科學出版社，1999[5]胡蛟抨.取之不盡的風力發(fā)電.生態(tài)經(jīng)濟，2001[6]黃素逸.能源科學導論.中國電力出版社，1999[7]國家經(jīng)貿委可再生能源發(fā)展經(jīng)濟激勵政策研究組中國可再生經(jīng)濟激勵政策研究.中國環(huán)境科學出版社，1998[8]張煥芬.喜文華.先進國家的風力發(fā)電現(xiàn)狀及其前景.甘肅科學學報，1998[9]江文.政府的支持推動新能源快速發(fā)展.能源政策研究，1997[10]張廣盛.風能的利用.青?？萍迹?997[11]郭繼高.風能發(fā)電一小型風能發(fā)電及其發(fā)電機(1).微特機，1999[12]NREL.Renewable Data Overview.Renewable Energy Annual，1997[13]Energy Policies of IEA Countries. 1997 Review.OECD，1997[14]ENEL.Renewable energy Soure in the Intemal EuroPean Proeeding Milan Conferenee.1996[15]姚興佳，依雪峰.風力發(fā)電在跨世紀能源結構中的地位.節(jié)能，1997[16]中國能源情報網(wǎng)主編.中國新能源的開發(fā)與利用.能源出版社1996 [17]胡成春，劉鶴守，張國成著.新能源利用.重慶能源出版社，1997[18]陳宗器.風力發(fā)電綜述與我國的開發(fā)設想.電機與控制學報，1999[19]倪受元.風力發(fā)電機的講座一第一講.風力機的類型與結構.太陽能，2000[20] (日)牛山泉，三野正洋著.小型風車手冊.汪淑貞譯.機械工社，1987[21]呼和浩特牧機所編.國外風能利用機械.內蒙古人民出版社，1987[22]郭繼高.小型風能發(fā)電及其發(fā)電機(1).風能發(fā)電，1999[23]Maleolm，D.J.Dynamieally soft Darrleus rotors.Wind Engineering，1992[24]張廣盛.風能的利用.青?？萍?，1997[25]梁水林.風能資源的評估及風電場場址的選擇.電力勘測，1997[26]王錦俠.車茂隆.風能利用裝置的設計基礎.機械工業(yè)出版，1986[27]張鵬舉.風電場空氣密度對風電機輸出功率的影響.電力勘測，1999[28]張照煌.劉衍平，李林.關于風力發(fā)電技術的幾點思考.電力情報1998[29]吳望一.流體力學.北京:北京大學出版社，1989[30]朱兆瑞.風壓計算的研究.科學出版社，1976[31]中國農業(yè)機械化科學院主編.中國風力機圖冊，1983