小型風(fēng)力發(fā)電機總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計

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小型風(fēng)力發(fā)電機總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計摘要基于開發(fā)風(fēng)能資源在改善能源結(jié)構(gòu)中的重要意義，本論文對風(fēng)力機的特性作了簡要的介紹，且對風(fēng)力機的各種參數(shù)和風(fēng)力機類型作了必要的說明。在此基礎(chǔ)上，對風(fēng)力發(fā)電機的原理和結(jié)構(gòu)作了細致的分析。首先，對風(fēng)力發(fā)電機的總體機械結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，并且設(shè)計了限速控制系統(tǒng)。本課題設(shè)計的是一種新型的立式垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機，由風(fēng)機葉輪、立柱、橫梁、變速機構(gòu)、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(fēng)能資源地區(qū)的樓房頂部，供應(yīng)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(fēng)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(fēng)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(shè)計是否合理。最后，模型驗證的結(jié)果表明我設(shè)計的限速控制系統(tǒng)方案可行，程序正確，電路設(shè)計合理。為該類型風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計和商品生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；限速控制系統(tǒng)；小型風(fēng)力發(fā)電機；小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機。AbstractExploiting 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.目錄摘要 ⅠABSTRACT .Ⅱ第一章 概述 .11.1 風(fēng)力發(fā)電機概況 11.2 風(fēng)力發(fā)電機的研究現(xiàn)狀 11.2.1 國外風(fēng)力發(fā)電機的研制情況 .11.2.2 國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機的研制情況 21.3 研究風(fēng)力發(fā)電機的目的和意義 .41.4 我國的風(fēng)能資源及其分布 .5第二章 風(fēng)力機理論 82.1 基本公式 82.1.1 風(fēng)能利用系數(shù) 82.1.2 風(fēng)壓強 82.1.3 阻力式風(fēng)力機的最大效率 82.2 工作風(fēng)速與輸出功率 92.2.1 風(fēng)力發(fā)電機的輸出效率 .92.2.2 工作風(fēng)速與輸出功率 92.2.3 啟動風(fēng)速和額定風(fēng)速的選定 .102.3 風(fēng)能利用與氣象 122.3.1 風(fēng)的觀測對風(fēng)能利用的意義 .122.3.2 風(fēng)能利用中需要的氣象調(diào)查 .132.4 風(fēng)的觀測 13第三章 風(fēng)力發(fā)電機方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計 143.1 小型垂直式風(fēng)力發(fā)電機方案設(shè)計 143.2 風(fēng)葉 143.3 行星齒輪加速器設(shè)計計算 143.3.1 設(shè)計要求 .153.3.2 選加速器類型 .163.3.3 確定行星輪數(shù)和齒數(shù) 163.3.4 壓力角( )的選擇 16?3.3.5 齒寬系數(shù)的選擇 173.3.6 模數(shù)選擇 173.3.7 預(yù)設(shè)嚙合角 173.3.8 太陽輪與行星輪之間的傳動計算 173.3.9 行星輪與內(nèi)齒輪之間的傳動計算 183.3.10 行星排各零件轉(zhuǎn)速及扭矩的計算 183.3.11 行星排上各零件受力分析及計算 193.3.12 行星齒輪傳動的強度校核計算 203.4 電磁離合器設(shè)計計算 .243.4.1 選型 243.4.2 牙嵌式電磁離合器的動作特性 243.4.3 離合器的計算轉(zhuǎn)矩 243.4.4 離合器的外徑 243.4.5 離合器牙間的壓緊力 .243.4.6 線圈槽高度 .243.4.7 磁軛底部厚度 253.4.8 銜鐵厚度 .25第四章 限速控制系統(tǒng)方案設(shè)計 264.1 設(shè)計限速控制系統(tǒng)的目的 .264.2 限速控制系統(tǒng)方案分析 .264.3 單片機 264.4 信號采集 .264.5 電路 .264.6 限速控制程序 .274.6.1 定時器周期 274.6.2 程序流程圖 274.6.3 限速控制程序28第五章 控制系統(tǒng)總體分析 30 5.1 實驗和模型設(shè)計的目的 305.2 模型設(shè)計 305.2.1 設(shè)計技術(shù)指標(biāo) 305.2.2 模型設(shè)計器件 .305.3 電路板 305.4 限速控制程序裝置 315.5 實驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)果分析 32第六章 結(jié)束語 33致謝 .34參考文獻 35第一章 概述1.1 機電一體化概要機電一體化是指在機構(gòu)得主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進電子技術(shù)，將機械裝置與電子化設(shè)計及軟件結(jié)合起來所構(gòu)成的系統(tǒng)的總稱。機電一體化發(fā)展至今也已成為一門有著自身體系的新型學(xué)科，隨著科學(xué)技術(shù)的不但發(fā)展，還將被賦予新的內(nèi)容。但其基本特征可概括為：機電一體化是從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，綜合運用機械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)、傳感測控技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)、信息變換技術(shù)以及軟件編程技術(shù)等群體技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)功能目標(biāo)和優(yōu)化組織目標(biāo)，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高質(zhì)量、高可靠性、低能耗的意義上實現(xiàn)特定功能價值，并使整個系統(tǒng)最優(yōu)化的系統(tǒng)工程技術(shù)。由此而產(chǎn)生的功能系統(tǒng)，則成為一個機電一體化系統(tǒng)或機電一體化產(chǎn)品。因此， “機電一體化” 涵蓋“ 技術(shù) ”和“產(chǎn)品”兩個方面。只是，機電一體化技術(shù)是基于上述群體技術(shù)有機融合的一種綜合技術(shù)，而不是機械技術(shù)、微電子技術(shù)以及其它新技術(shù)的簡單組合、拼湊。這是機電一體化與機械加電氣所形成的機械電氣化在概念上的根本區(qū)別。機械工程技術(shù)有純技術(shù)發(fā)展到機械電氣化，仍屬傳統(tǒng)機械，其主要功能依然是代替和放大的體力。但是發(fā)展到機電一體化后，其中的微電子裝置除可取代某些機械部件的原有功能外，還能賦予許多新的功能，如自動檢測、自動處理信息、自動顯示記錄、自動調(diào)節(jié)與控制自動診斷與保護等。即機電一體化產(chǎn)品不僅是人的手與肢體的延伸，還是人的感官與頭腦的眼神，具有智能化的特征是機電一體化與機械電氣化在功能上的本質(zhì)區(qū)別。1.2 風(fēng)力發(fā)電機的研究現(xiàn)狀1.2.1 國外風(fēng)力發(fā)電機的研制情況美國從1974年起對風(fēng)能進行系統(tǒng)的研究，能源部對風(fēng)能項目的投資累計已達到25億美元。許多著名大學(xué)和研究機構(gòu)都參加了風(fēng)能的研究開發(fā)，目前己安裝了8個巨型風(fēng)力發(fā)電機組。到19%年末，風(fēng)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(fēng)力發(fā)電集中于加利福尼亞的局面，在年平均風(fēng)速達5.6m/s的中西部12個州將建風(fēng)力電站。據(jù)能源部預(yù)測，在未來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、得克薩斯、佛蒙特、緬因州等修建大型風(fēng)電場，這些風(fēng)電場將使美國風(fēng)力發(fā)電能力再增加40x kw，預(yù)計到2010年，風(fēng)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(fēng)力發(fā)電增長最快的國家，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(fēng)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多萬410410個家庭提供日常用電。這些風(fēng)力發(fā)電裝置中的1600個是政府投資建設(shè)的。裝機容量超過1OO0kW的風(fēng)電場有250個，300OkW的最大風(fēng)電場已投入使用，發(fā)電能力63x kw，西部5x4kw風(fēng)力發(fā)電計劃可望在2一3年內(nèi)完成，并投入運行。德國80%的風(fēng)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(fēng)力發(fā)展規(guī)劃，下薩克森州計劃到2005年，將風(fēng)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(shè)120x kw風(fēng)力發(fā)電4 410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(yù)定進行198x kw風(fēng)410 4電場的建設(shè)。丹麥?zhǔn)秋L(fēng)力發(fā)電先進國家之一，它將風(fēng)力發(fā)電作為國策，已有風(fēng)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(dāng)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(fēng)力發(fā)電目標(biāo)為150x kw，相當(dāng)于國內(nèi)電力消費量的10%，到2020年，風(fēng)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(fēng)力發(fā)電裝置建設(shè)計劃，預(yù)計未來10年風(fēng)力發(fā)電量將達到1500 w。610?荷蘭1986年開始實施風(fēng)力發(fā)電研究，開發(fā)5年計劃NOW和引入風(fēng)力發(fā)電5年計劃IPW。目標(biāo)為1991年末總裝機容量達到5 kw，但計劃沒達到預(yù)定目標(biāo)，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(biāo)為40x kw的TWI五年計劃。410 4計劃目標(biāo)是1994年末風(fēng)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(fēng)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(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。英政府歷來重視風(fēng)能等非化石燃料的開發(fā)，目前英國己有20多個風(fēng)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(fēng)力發(fā)電的開發(fā)，經(jīng)過20多年的努力，己成為該領(lǐng)域的領(lǐng)先者之一，到19%年底，裝機容量己達到9.5x kw。220多座風(fēng)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(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)公司的專門財團，目標(biāo)是在近幾年內(nèi)使風(fēng)力發(fā)電量增加4倍。瑞典由于場地問題，致力于海洋風(fēng)力發(fā)電。由于建設(shè)費和與輸電的連接費用高，所以規(guī)模有大型化的傾向。機電一體化的發(fā)展?fàn)顩r機電一體化的發(fā)展大體可以分為3個階段。20世紀(jì)60年代以前為第一階段，這一階段稱為初級階段。在這一時期，人們自覺不自覺地利用電子技術(shù)的初步成果來完善機械產(chǎn)品的性能。特別是在第二次世界大戰(zhàn)期間，戰(zhàn)爭刺激了機械產(chǎn)品與電子技術(shù)的結(jié)合，這些機電結(jié)合的軍用技術(shù)，戰(zhàn)后轉(zhuǎn)為民用，對戰(zhàn)后經(jīng)濟的恢復(fù)起了積極的作用。那時研制和開發(fā)從總體上看還處于自發(fā)狀態(tài)。由于當(dāng)時電子技術(shù)的發(fā)展尚未達到一定水平，機械技術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合還不可能廣泛和深入發(fā)展，已經(jīng)開發(fā)的產(chǎn)品也無法大量推廣。20世紀(jì)70~80年代為第二階段，可稱為蓬勃發(fā)展階段。這一時期，計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，為機電一體化的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路和微型計算機的迅猛發(fā)展，為機電一體化的發(fā)展提供了充分的物質(zhì)基礎(chǔ)。這個時期的特點是：①mechatronics一詞首先在日本被普遍接受，大約到 20世紀(jì)80年代末期在世界范圍內(nèi)得到比較廣泛的承認；②機電一體化技術(shù)和產(chǎn)品得到了極大發(fā)展；③各國均開始對機電一體化技術(shù)和產(chǎn)品給以很大的關(guān)注和支持。20世紀(jì)90年代后期，開始了機電一體化技術(shù)向智能化方向邁進的新階段，機電一體化進入深入發(fā)展時期。一方面，光學(xué)、通信技術(shù)等進入了機電一體化，微細加工技術(shù)也在機電一體化中嶄露頭腳，出現(xiàn)了光機電一體化和微機電一體化等新分支；另一方面對機電一體化系統(tǒng)的建模設(shè)計、分析和集成方法，機電一體化的學(xué)科體系和發(fā)展趨勢都進行了深入研究。同時，由于人工智能技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及光纖技術(shù)等領(lǐng)域取得的巨大進步，為機電一體化技術(shù)開辟了發(fā)展的廣闊天地。這些研究，將促使機電一體化進一步建立完整的基礎(chǔ)和逐漸形成完整的科學(xué)體系。我國是從20世紀(jì)80年代初才開始在這方面研究和應(yīng)用。國務(wù)院成立了機電一體化領(lǐng)導(dǎo)小組并將該技術(shù)列為“863計劃” 中。在制定“ 九五”規(guī)劃和2010年發(fā)展綱要時充分考慮了國際上關(guān)于機電一體化技術(shù)的發(fā)展動向.1.3 機電一體化技術(shù)產(chǎn)品的優(yōu)越性1.3.1使用性能改善機電一體化產(chǎn)品普遍采用程序控制和數(shù)據(jù)顯示，操作按鈕和手柄數(shù)量顯著減少，使得操作大大簡化，機電一體化產(chǎn)品的工作過程根據(jù)預(yù)設(shè)的程序逐步由電子控制系統(tǒng)之魂實現(xiàn)。高級的機電一體化產(chǎn)品可通過被控告對象的數(shù)學(xué)模型以及外界參數(shù)的變化隨機自尋最佳工作程序，實現(xiàn)自動最優(yōu)化操作。1.3.2生產(chǎn)能力和工作質(zhì)量提高機電一體化產(chǎn)品大都具有信息自動處理和自動控制功能，其控制和檢測的靈敏度，精度以及范圍都有很大程度的提高，通過自動控制系統(tǒng)可精確的保證機械的執(zhí)行機構(gòu)按照設(shè)計的要求完成預(yù)定的工作，使之不受機械操作者主觀因素的影響，從而實現(xiàn)最佳操作，保證最佳的工作質(zhì)量和產(chǎn)品合格率，同事，由于機電一體化產(chǎn)品實現(xiàn)了工作的自動化，使得生產(chǎn)能力大大提高。例如，數(shù)控機床對公建的加工和穩(wěn)定性大大提高，生產(chǎn)效率比普通機床提高了5~6倍。1.3.3使用安全性和可靠性提高機電一體化產(chǎn)品一般都具有自動監(jiān)視 報警 自動診斷等功能在工作過程中，遇到過載 過壓 過流 短路等電力故障時，能自動采用保護措施，避免和減少人身和設(shè)備事故，顯著提高設(shè)備的使用安全性。1.3.3具有復(fù)合功能并且適用面廣機電一體化產(chǎn)品跳出了機電產(chǎn)品的單技術(shù)和單功能限制，具有復(fù)合技術(shù)和復(fù)合功能，使產(chǎn)品的功能水平和自動化程度大大提高。機電一體化產(chǎn)品一般具有自動化控制，自動補償，自動校驗，自動調(diào)節(jié)，自動保護等功能，能應(yīng)用于不同的場合和不同的領(lǐng)域，滿足用戶需求的應(yīng)變能力較強。例如，電子式空氣斷路器具有保護特性可調(diào)，選擇性脫扣，正常通過電流與脫扣時電流的測量，顯示和故障自動診斷等功能，使應(yīng)用范圍大為擴大。第二章 風(fēng)力機理論2.1 基本公式2.1.1 風(fēng)能利用系數(shù)風(fēng)力機從自然風(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pC2m氣流的動能為2.1.2 風(fēng)壓強如圖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)力機的最大效率建立簡單的理想模型，一個平板在風(fēng)的氣動壓力作用下沿著風(fēng)速方向運動，如圖2-lb，并規(guī)定平板上游一定距離上的風(fēng)速為 ，平板的運動速度為v，那么平板吸收的功率fV可以表示為圖2-1 平板模型對給定的上游風(fēng)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(guān)系式，對v進行微分得從上式中可以看出，阻力式風(fēng)力機的效率是比較低的，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 風(fēng)力發(fā)電機的輸出效率最理想的風(fēng)力機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，有一個最大風(fēng)能利用系數(shù) 。但是，風(fēng)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(fēng)力機和理想的風(fēng)力機之間也有差異。實際風(fēng)力機吸收的功率與理想風(fēng)力機吸收的功率的比值叫做風(fēng)力機的效率。用 表示。另外還有1?傳動機構(gòu)的效率甲 和發(fā)電機的效率 等，所以實際風(fēng)力發(fā)電機輸出的效率，可以表示2?3?為2.2.2 工作風(fēng)速與輸出功率風(fēng)力機啟動時，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)力機的啟動力矩。啟動力矩主要與風(fēng)力機本身的傳動機構(gòu)摩擦阻力有關(guān)·因此風(fēng)力機有一最低工作風(fēng)速稱 ，只有風(fēng)速大于 時風(fēng)力機才能工作。fminVfminV當(dāng)風(fēng)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(fēng)力機應(yīng)該停止運轉(zhuǎn)，所以每一臺風(fēng)力機都規(guī)定有最高風(fēng)速 ，最高風(fēng)速 與風(fēng)力機的設(shè)計強faxfminV度有關(guān)，是設(shè)計時給定的參數(shù)。最小風(fēng)速稱 ，和最大風(fēng)速 之間的風(fēng)速叫做風(fēng)力機的工作風(fēng)速，相應(yīng)于工作fminVfmax風(fēng)速風(fēng)力機有功率輸出。當(dāng)風(fēng)力機的輸出功率達到標(biāo)稱功率時的工作風(fēng)速叫做該風(fēng)力機的額定風(fēng)速。2.2.3 啟動風(fēng)速和額定風(fēng)速的選定如何根據(jù)風(fēng)能資源來選用風(fēng)力機，使風(fēng)力機的運行狀態(tài)最佳，確定起動風(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(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?？?，故知道風(fēng)速的變化情況是利用風(fēng)能的先決條3?件。風(fēng)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(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(fēng)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。圖2-2 威布爾分布函數(shù)曲線上式滿足2.2.3.2 起動風(fēng)速 啟動風(fēng)速為風(fēng)力機風(fēng)輪由靜止開始轉(zhuǎn)動并能連續(xù)運轉(zhuǎn)的最小風(fēng)速:風(fēng)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(xué)地選擇適合當(dāng)?shù)仫L(fēng)能資源的風(fēng)力機，才能以較少的投資獲取較多的風(fēng)能。根據(jù)國內(nèi)外100多種風(fēng)力機，起動風(fēng)速的范圍是2m ，至6m ，這一范圍能滿足風(fēng)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(yīng)的凡就是起動風(fēng)速(圖2-2)。對上式求一階導(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。使用起動力風(fēng)速大于上式計算的氣的風(fēng)力機會損失小風(fēng)速這一區(qū)段的風(fēng)能，使用起動風(fēng)速小于上式計算的咋的風(fēng)力機是否更好呢?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)濟性，是風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計中的重要參數(shù)。己知風(fēng)能密度p=12 ，對一臺效率為 ，槳葉半徑為廠的風(fēng)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(yīng)之風(fēng)速 應(yīng)是額定風(fēng)速，此時風(fēng)力機提取的風(fēng)能最多。pv令2.2.3.4 風(fēng)力機的工作風(fēng)速、輸出功率與風(fēng)能的關(guān)系 風(fēng)力機的工作風(fēng)速、輸出功率與風(fēng)能的關(guān)系可以簡單地如圖2一3來表示(注:圖中縱坐標(biāo)表示輸出功率，單位為:w/ ;橫坐標(biāo)2m表示風(fēng)能，單位為:m/s)A一理論風(fēng)能曲線B一扣除空氣動力損失后的風(fēng)力機吸收的功率C一計算傳動損失和機械能轉(zhuǎn)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(fēng)速的關(guān)系2.3 風(fēng)能利用與氣象2.3.1 風(fēng)的觀測對風(fēng)能利用的意義在前面已經(jīng)講述過，風(fēng)能與風(fēng)速的三次方成正比。所以，當(dāng)風(fēng)速測量有10%的誤差時，風(fēng)力機輸出功率的誤差將擴大到33%。在風(fēng)力機的設(shè)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(fēng)速隨時間變化很大，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)力機設(shè)計計劃中，對風(fēng)的觀測非常受重視。2.3.2 風(fēng)能利用中需要的氣象調(diào)查在風(fēng)能利用中，需要進行四項氣象調(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)力機地區(qū)面積的調(diào)查，在全國范圍內(nèi)對可利用的風(fēng)能量進行估算。(2)選定適合地點 在一年中，對通過強風(fēng)場所的調(diào)查。(3)風(fēng)速的頻率分布調(diào)查 在風(fēng)力機的設(shè)計中，為了估算平均出力和運轉(zhuǎn)時間等量，必須了解風(fēng)力機軸高處的風(fēng)況。(4)為了風(fēng)力機設(shè)計強度和安全系數(shù)的氣象調(diào)查 異常的強風(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)的觀測風(fēng)的觀測，因其目的不同而有各自的特點。對于風(fēng)能利用，通過對風(fēng)的觀測，可以估算出該地區(qū)可利用的風(fēng)能大小，為風(fēng)力機的設(shè)計和性能研究以及開發(fā)的經(jīng)濟性等提供條件。風(fēng)速的測量包括風(fēng)向和風(fēng)速的測量。因為風(fēng)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(nèi)的風(fēng)速大小的平均值和最長時間的風(fēng)向。我國現(xiàn)行的風(fēng)速觀測有兩種方法:一種是每日定時4次兩分鐘平均風(fēng)速觀測;一種是一日24次自記10分鐘平均風(fēng)速觀測。實際測量結(jié)果表明，前一種方法的誤差比較大，因此在風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計中采用后一種測量方法得到的數(shù)據(jù)。第三章 風(fēng)力發(fā)電機方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1 小型垂直式風(fēng)力發(fā)電機方案設(shè)計現(xiàn)在，各個發(fā)達國家均大力發(fā)展新能源產(chǎn)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(shè)置地點較靈活，不會產(chǎn)生噪音，可以和建筑進行一體化設(shè)計。但是風(fēng)力發(fā)電較太陽能而言，它的成本優(yōu)勢明顯。傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機啟動風(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)電機發(fā)展，專門建設(shè)大型風(fēng)力發(fā)電場，這樣，小型風(fēng)力發(fā)電在相當(dāng)長的時間里未得到較好的發(fā)展。所以，如何使風(fēng)力發(fā)電和建筑進行一體化設(shè)計，降低小型風(fēng)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(zhì)量，已成為各個國家研究的焦點！我設(shè)計的是一種新型的立式垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機，由風(fēng)機葉輪、立柱、橫梁、變速機構(gòu)、離合裝置和發(fā)電機組成。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)電機整流器 蓄電池 逆變器 負 載圖 3-1 小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機框圖該小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)電原理為：在風(fēng)的吹動下，風(fēng)輪轉(zhuǎn)動起來，使空氣動力能轉(zhuǎn)變成了機械能（轉(zhuǎn)速+扭矩）。通過增速系統(tǒng)和離合器使轉(zhuǎn)矩和扭矩傳遞到風(fēng)力發(fā)電機軸上，帶動發(fā)電機軸旋轉(zhuǎn)，從而使永磁三相發(fā)電機發(fā)出三相交流電。風(fēng)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(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、收音機、電風(fēng)扇、洗衣機、電冰箱；該新型垂直軸風(fēng)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(fēng)速（m/s）：2４．額定風(fēng)速（m/s）：6 ５．最大使用風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機的優(yōu)點為：１． 結(jié)構(gòu)簡單２． 易維護３． 運行平穩(wěn)安全４． 抗強風(fēng)能力強５． 操作簡單６． 價格低廉3.2 風(fēng)葉采用帆翼式風(fēng)葉，帆翼式是英國發(fā)展的一種立軸帆翼式風(fēng)力機，結(jié)構(gòu)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(shè)計計算3.3.1 設(shè)計要求設(shè)計壽命 5 年，單班，一年 360 天，中等傳動，傳動逆轉(zhuǎn)，齒輪對稱布置，不允許點蝕，無嚴(yán)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(fēng)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(shè)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(jié)構(gòu)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。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(nèi)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(biāo)準(zhǔn)壓力角規(guī)定為 ，因此，本次設(shè)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(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 = = =1eN?610NsYpR取 =380MlimF?aPl. 相對齒根的圓角敏感系數(shù) STYrelT?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) RrelTY查表得 =0.9RrelTn.應(yīng)力修正系數(shù) =2So.齒輪的彎曲疲勞極限 ,limF?由公式 =,limFliNSTXRrellTY?=460 1 2 1 1 0.9=828（M ）,lis?aP=322 1 2 1 1 0.9=579.6（M ）,limFp?=380 1 2 1 1 0.9=684（M ）,liR a安全系數(shù) S= = =2.32s,limFsS?8356.7= = =1.57P,liFC9.= = =1.87RS,limF?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????Hk?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?齒圈與行星輪嚙合時 = =0.8975?.58d.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=60rnt5 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??aP=1500 1 0.8 1 1=9600M,liRj.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(shè)計計算3.4.1 選型為滿足風(fēng)力發(fā)電機工作環(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，因為牙嵌式電磁離合器有外形尺寸小，傳遞轉(zhuǎn)矩大，無空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，無摩擦發(fā)熱，無磨損，不需調(diào)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(dāng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān)，而對動態(tài)起動，則與相對轉(zhuǎn)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(guān)。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(zhuǎn)矩CTK?式中 T-離合器傳遞的理論轉(zhuǎn)矩，它包括工作轉(zhuǎn)矩和起動的慣性轉(zhuǎn)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(dǎo)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-傳熱系數(shù)， =11ss-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(shè)計4.1 設(shè)計限速控制系統(tǒng)的目的功率調(diào)節(jié)是風(fēng)力發(fā)電機的關(guān)鍵技術(shù)之一，我設(shè)計限速電磁離合器就是為了盡可能提高風(fēng)力機風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率和保證風(fēng)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)電機和電力設(shè)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(shè)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(gòu)、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(gòu)成了控制系統(tǒng)。目前風(fēng)力發(fā)電機中投入運行的機組主要有兩類功率調(diào)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(zhuǎn)速的發(fā)動機工作于高風(fēng)速區(qū),小功率低轉(zhuǎn)速的發(fā)動機工作于低風(fēng)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(diào)節(jié)風(fēng)力機發(fā)電效率。這兩種公路調(diào)節(jié)方式都存在反應(yīng)慢而造成瞬時過載的缺點。我設(shè)計的電磁離合器控制系統(tǒng)是通過程序?qū)﹄姶烹x合控制，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速時，控制系統(tǒng)會使電磁離合器分離，當(dāng)速度降低到額定轉(zhuǎn)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(yīng)速度快、準(zhǔn)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(nèi)存、內(nèi)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(shè)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(luò)、復(fù)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(fù)位電路，這個裝置可以用匯編語言來指導(dǎo)自動化運作與電腦差不多，讀入數(shù)據(jù)后，依據(jù)半導(dǎo)體進行邏輯運算，并把結(jié)果輸出。從而達到根據(jù)轉(zhuǎn)速控制電磁離合器的目的。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(shè)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 程序流程圖圖4-2 程序流程圖