小型风力发电机总体结构的设计【5张CAD图纸】【优秀】

小型风力发电机总体结构的设计

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摘要

　　　基于开发风能资源在改善能源结构中的重要意义，本论文对风力机的特性作了简要的介绍，且对风力机的各种参数和风力机类型作了必要的说明。在此基础上，对风力发电机的原理和结构作了细致的分析。首先，对风力发电机的总体机械结构进行了设计，并且设计了限速控制系统。本课题设计的是一种新型的立式垂直轴小型风力发电机，由风机叶轮、立柱、横梁、变速机构、离合装置和发电机组成。这种发电机有体积小、噪音小、使用寿命长、价格低的特点，适合在有风能资源地区的楼房顶部，供应家庭用电，例如照明：灯泡,节能灯；家用电器:电视机、收音机、电风扇、洗衣机、电冰箱。

　　其次，在老师的帮助下对这种小型风力发电机的机构有了进一步的明确。通过查阅资料，使得该小型风力发电机的设计更具有实用性。

　　关键词：风力发电；小型风力发电机；小型垂直轴风力发电机。

Abstract

　　　Exploiting 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.

目录

前言1

第一章    概述2

1.1  风力发电机概况2

1.2  风力发电机的研究现状3

1.2.1  国外风力发电机的研制情况3

1.2.2 国内风力发电机的研制情况6

1.2.2.1 我国风力发电概况6

1.3 研究风力发电机的目的和意义10

1.4 我国的风能资源及其分布12

第二章     风力机理论16

2.1  基本公式16

2.1.1  风能利用系数16

2.1.2 风压强16

2.1.3 阻力式风力机的最大效率16

2.2  工作风速与输出功率18

2.2.1  风力发电机的输出效率18

2.2.2 工作风速与输出功率18

2.2.3 启动风速和额定风速的选定19

2.2.3.2 起动风速20

2.2.3.3 额定风速21

2.2.3.4 风力机的工作风速、输出功率与风能的关系22

2.3 风能利用与气象23

2.3.1 风的观测对风能利用的意义23

2.3.2 风能利用中需要的气象调查23

2.4 风的观测23

第三章  风力发电机方案和结构设计25

3.1 小型垂直式风力发电机方案设计25

3.2 风轮的结构设计27

3.2.1　风轮设计27

3.2.2 风轮桨叶的结构设计29

第四章 行星齿轮加速器设计计算31

4.1 设计要求31

4.2 选加速器类型31

4.3 确定行星轮数和齿数32

4.4 压力角()的选择32

4.5 齿宽系数的选择33

4.6 模数选择33

4.7 预设啮合角33

4.8 太阳轮与行星轮之间的传动计算33

4.9 行星轮与内齿轮之间的传动计算34

4.10 行星排各零件转速及扭矩的计算35

4.11 行星排上各零件受力分析及计算36

4.12 行星齿轮传动的强度校核计算37

4.12.1弯曲疲劳强度校核37

4.12.2接触疲劳强度校核40

第五章 电磁离合器设计计算43

5.1 选型43

5.2 牙嵌式电磁离合器的动作特性43

5.3 离合器的计算转矩43

5.4 离合器的外径44

5.5 离合器牙间的压紧力44

5.6 线圈槽高度44

5.7 磁轭底部厚度44

5.8 衔铁厚度45

第六章  结束语46

致谢47

参考文献48

1.1  风力发电机概况

　　　风能的利用有着悠久的历史。近年来, 资源的短缺和环境的日趋恶化使世界各国开始重视开发和利用可再生、且无污染的风能资源。自80年代以来, 风能利用的主要趋势是风力发电。风力发电最初出现在边远地区, 应用的方式主要有: 单独使用小型风力发电机供家庭住宅使用；  风力发电机与其它电源联用可为海上导航设备和远距离通信设备供电；  并入地方孤立小电网为乡村供电。

　　　随着现代技术的发展, 风力发电迅猛发展。以机组大型化(50KW～ 2MW )、集中安装和控制为特点的风电场(也称风力田、风田) 成为主要的发展方向。20 年来, 世界上已有近30 个国家开发建设了风电场(是前期总数的3 倍) , 风电场总装机容量约1400 万KW (是前期总数的100 倍)。目前, 德国、美国、丹麦以及亚洲的印度位居风力发电总装机容量前列, 且未来计划投资有增无减。美国能源部预测2010 年风电至少达到国内电力消耗的10%。欧盟5 国要在2000～ 2002 年达到本国总发电量的10%左右, 丹麦甚至计划2030 年要达到40%。

　　　中国是一个风力资源丰富的国家, 风力发电潜力巨大。据1998 年统计, 风力风电累计装机22.36万KW , 仅占全国电网发电总装机的0.081% , 相对于可开发风能资源的开发率仅为0.088%。

　　　中国第一座风力发电场于1986 年在山东荣成落成, 总装机较小, 为3×55KW。到1993 年我国风电场总装机容量达17.1MW , 1999 年底, 我国共建了24 个风力发电场, 总装机268MW。我国风力发电场主要分布在风能资源比较丰富的东南沿海、西北、东北和华北地区, 其中风电装机容量最多的是新已达72.35KW。在未来2～ 3 年内, 我国计划新增风电场装机容量将在800MW 以上, 并且将会出现300～ 400MW 的特大型风力发电场。

1.2  风力发电机的研究现状

　　1.2.1  国外风力发电机的研制情况

　　　随着蒸汽机的出现，以及煤、石油、天然气的大规模开采和廉价电力的获得，各种曾经被广泛使用的风力机械，由于成本高、效率低、使用不方便等，无法与蒸汽机、内燃机和电动机等相竞争，渐渐被淘汰。欧洲到中世纪才广泛利用风能，荷兰人发展了水平轴风车。18世纪荷兰曾用近万座风车排水，在低洼的海滩上造出良田，成为著名的风车之国。德国、丹麦、西班牙、英国、荷兰、瑞典、印度加拿大等国在风力发电技术的研究与应用上投入了相当大的人力及资金，充分综合利用空气动力学、新材料、新型电机、电力电子技术、计算机、自动控制及通信技术等方面的最新成果，开发建立了评估风力资源的测量及计算机模拟系统，发展了变浆距控制及失速控制的风力机设计理论，采用了新型风力机设计理论，采用了新型风力机叶片材料及叶片翼型，研制出了变极、变滑差、变速、恒频及低速永磁等新型发电机，开发了由微机控制的单台及多台风力发电机组成的机群的自动控制技术，从而大大提高了风力发电的效率及可靠性。到了19世纪末，开始利用风力发电，这在解决农村电气化方面显示了重要的作用，特别是20世纪70年代以后，利用风力发电更进入了一个蓬勃发展的阶段。

　　　美国从1974年起对风能进行系统的研究，能源部对风能项目的投资累计已达到25亿美元。许多著名大学和研究机构都参加了风能的研究开发，目前己安装了8个巨型风力发电机组。到1999年末，风力发电总装机容量己达到1700MW，所提供的电力占全美电力需求量的10%，居世界之首位，主要集中在加利福尼亚州。美国国会己通过了能源政策法，在能源部的规划下，将会改变风力发电集中于加利福尼亚的局面，在年平均风速达5.6m/s的中西部12个州将建风力电站。据能源部预测，在未来15年内，风电将增加6倍。在今后2年内，在怀俄明、伊阿华、明尼苏达、得克萨斯、佛蒙特、缅因州等修建大型风电场，这些风电场将使美国风力发电能力再增加400MW，预计到2010年，风力发电总装机容量将达到6300MW，可满足全美电力需求量的25%。

　　　德国是欧洲风力发电增长最快的国家，近年风力发电量急增，尤其沿海各州，风力发电发展迅速，己超过丹麦，成为世界第二。到1995年己建成1035座风力发电装置，装机容量494MW，1996年新装机约950座，装机容量为480MW，到19%年底德国己拥有4500座风力发电装置，总装机容量达到约1600MW，1997年估计可增加50MW，可为20多万个家庭提供日常用电。这些风力发电装置中的1600个是政府投资建设的。装机容量超过1OO0KW的风电场有250个，300OKW的最大风电场已投入使用，发电能力630MW，西部50MW风力发电计划可望在2一3年内完成，并投入运行。2001年，德国共拥有9400座风力蜗轮发电机，发电总量近6100MW，占欧洲大陆风能发电总量的50%，全球风能发电总量的三分之一。德国80%的风力发电装置都是安装在沿海地区，沿海各州已拟订其风力发展规划，下萨克森州计划到2005年，将风力发电能力增至13O0MW，斯雷苏比克一霍尔斯泰因州议会决定到2010年建设1200MW风力发电设备，要求该地区配电公司、Schleswag电力公司大力配合，该公司管辖区内的风电场装机已达337MW，该公司也得到IPP(独立系统发电业者)大力协助，预定进行1980MW风电场的建设。

　　　丹麦是风力发电先进国家之一，它将风力发电作为国策，已有风力发电站近4000座，总装机容量730MW，发电总量达到6340MW，相当于一个中等规模的核电站发电量，占全国能源总消耗量的3.7%。丹麦政府在“能源2000计划”中规定，到2005年，风力发电目标为1500MW，相当于国内电力消费量的10%，到2020年，风力+PV+波力确保电力需要的25%，现在计划有减缓的倾向。环境厅对各自治体提出要求，要求他们单独提出风力发电装置建设计划，预计未来10年风力发电量将达到1500MW。

　　　荷兰1986年开始实施风力发电研究，开发5年计划NOW和引入风力发电5年计划IPW。目标为1991年末总装机容量达到50MW，但计划没达到预定目标，只达到49MW，318座，发电总量55MW，其后决定实施1991一1996年目标为400MW的TWI五年计划。计划目标是1994年末风力发电能力达到144MW，629座，发电量为247MW，为荷兰总发电量的1.2%。到1996年末，风力发电装机容量己达到30MW，2000年为500MW。

　　　英国英伦三岛的风力资源相当丰富，特别是苏格兰是世界风力资源最丰富的地区之一。英政府历来重视风能等非化石燃料的开发，目前英国己有20多个风电场投入运行，到19%年总装机容量己达到264MW，2000年达到800MW。

　　　瑞典从七十年代开始风力发电的开发，经过20多年的努力，己成为该领域的领先者之一，到1999年底，装机容量己达到95MW。220多座风力发电站，大部分位于南部地区和波罗的海的厄兰岛及哥德兰岛上，哥德兰岛的风力发电量可保证全岛68%的能源需求。为了更充分地利用风力资源，瑞典成立了包括一系列电力供应公司的专门财团，目标是在近几年内使风力发电量增加4倍。瑞典由于场地问题，致力于海洋风力发电。由于建设费和与输电的连接费用高，所以规模有大型化的倾向。1.3 研究风力发电机的目的和意义

　　　中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，能源利用以煤炭为主。在当前以石化能源为主体的能源结构中，煤炭占73.8%，石油占18.6%，天然气占2%，其余为水电等其它资源。在电力的能源消费中，也是以煤炭为主，燃煤发电量占总发电量的80%。但是，能为人类所用的石化资源是有限的，据第二届环太平洋煤炭会议资料介绍，按目前的技术水平和采掘速度计算，全球煤炭资源还可开采200年。此外，石油探明储量预测仅能开采34年，天然气约能开采60年。随着人口的增长和经济的发展，能源供需矛盾加剧，如果不趁早调整以石化能源为主体的能源结构，势必形成对数亿年来地球积累的生物石化遗产更大规模的挖掘、消耗，由此将导致有限的石化能源趋于枯竭，人类生态环境质量下降的恶性循环，不利于经济、能源、环境的协调发展。电力部己制定“大力发展水电，继续发展火电，适当发展核电，积极发展新能源发电”的基本原则，把风力发电作为优化我国电力工业结构跨世纪的战略发展目标。八届人大四次会议批准的我国经济和社会发展“九五”计划和2010年远景目标纲要中提出“积极发展风能、海阳能、地热能等新能源发电”的指导方针，为我国发展多能互补的能源结构新格局起到了指导和促进作用。

　　　风能是对人类生存环境影响最小的能源。除此之外，风能资源非常丰富，取之不尽，用之不竭。据统计，太阳向地球辐射的巨大能量中，约有1%转化为风能。这些能量相当于全球每年消耗的煤、石油等化石燃料能量的总和，可见风能的潜力是非常大的。随着风力发电技术日趋成熟，风力发电规模也不断扩大，美国加州由数家风能公司提供给电网的电量，足以供应旧金山这样的大城市的居民需求。我国风电事业近年来发展较快，已有16万台微型风力发电机用于边远山区、牧区、海岛，初步解决了地处边远，居住分散，电网难以到达地区的居民用电问题。同时也遏制了微型汽油发电机的发展，在节约石化燃料的同时，避免了各种有害气体的排放。国家“九五”新能源发展计划提出，“九五”期间全国风力发电的总装机容燕山大学工学硕士学位论文量要突破40万千瓦。为此，国家从宏观规划角度出发，制定了“乘风计划”，面向国内外市场发展风力发电。“乘风计划”不仅会大大促进我国风电事业的发展，而且对减排有害污染物，促进环境的改善有着重要意义。

　　　风力发电近几年发展如此之快，是因为它有许多优点：设备简单，投资少，成本低，风力发电机的整个设备成本不足功率相当的火力发电，水力发电和核电站成本的1/4，在二、三年内就可以收回全产投资；节省燃料和运输费用。在风力资源丰富的地区，风力是取之不尽，用之不竭的，可就地建立风力发电站，就地用电，这样就可以节省大量的输电设备和能源。许多燃料是十分重要的化学原料，把它白白的燃掉是十分可惜的。我国资源并不十分丰富，充分利用风力资源意义就更重大了；利用风力可以减少对大气的污染，保护我们人类赖以生存的自然环境。化学燃料不断向大气中排放对生物有害物质，严重的威胁人们健康，而风力能源则没有任何影响人类健康的有害物质。

　　　由于它是清洁能源，对环境无污染，又由于我们国家地形复杂，人口又多，居住分散，对于电网涉及不到的地区，特殊行业，可以补充大电网的缺陷，起到拾遗补缺的作用，可以利用小型风机风力发电的地方主要有：

　　　(l)航运系统我们有长江等水系几条大河流，如长江航运中的拖船，一般在100--200吨，经常被搁置在江中间的锚地上，用电主要靠蓄电池。使用风力发电机对蓄电池补充充电效果很好，这方面有成功的经验。但是，由于国有运输企业的不景气，影响了市场。

　　　另外，我们大小河流湖泊上的船舶数量惊人，用小型风力发电机解决它们的照明、收视电视、听广播，有很重要的意义和市场。

　　　(2)森林防火高山观察站据林业部防火指挥部介绍，东北约有400个观察站，西南也有几百个高山观察站，各省市都有一些森林高山防火观察站，站上的工作人员，在防火期从10月到第二年4、5月期间昼夜在站上值勤，解决他们的照明及听广播、看电视颇为费神。由于山高、道路狭窄歧岖、运输困难，又不能使用明火，使用小型风力发电机可以基本解决观察站的照明及娱乐用电。90年代初，个别观察站曾使用过小型风力发电机。由于风力发电机的某些技术问题及使用人员的素质因素，没有得到推广。

　　　(3)无人值守的差转台和微波站。

　　　(4)东南沿海各孤立的岛屿。

　　　(5)围网养殖系统。

　　　(6)农牧区。

　　　(7)国际市场。

1.4 我国的风能资源及其分布

　　　风能是地球表面空气移动时产生的动能。由于风速是一个随机性很大的量，必须通过长时间的观测才能算出平均风功率密度

　　　根据风的气候特点，一般选取10年风速资料中年平均风速最大、最小和中间的3个年份为代表年份，分别计算该3个年份的风功率密度然后加以平均，其数值可以作为当地长年风功率密度平均值。中国气象科学研究院计算了全国900余个气象站的年平均风功率密度值，该值反映出全国风能资源分布状况，以及各个地区风能资源潜力。

　　　中国10m高度层的风能总储量为3226GW，这个储量称作风能“理论可开发总量”。实际可供开发的量按上述总量的1/lO估计，并考虑风能转换装置风轮的实际扫掠面积，再乘以面积系数O.785(即直径为lm的圆面积是边长为lm的正方形面积的0.785)，得到中国10m高度层实际可开发的风能储量为253GW。这个数量比1996年全国发电总装机容量还大，说明中国风能资源丰富，但是可供经济开发的风能储量数据尚需进一步查明。

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