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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，在老师的帮助下制作了限速控制的模型。通过模型验证了小型垂直式风力发电机限速控制系统总体方案在实践中的效果，并且验证了程序是否正确，以及电路的设计是否合理。
最后，模型验证的结果表明我设计的限速控制系统方案可行，程序正确，电路设计合理。为该类型风力发电机的设计和商品生产提供了理论依据。
关键词：风力发电；限速控制系统；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
摘要 ....................................................................ⅠABSTRACT ...............................................................Ⅱ
第一章 概述 ...........................................................1
1.1 风力发电机概况 ....................................................1
1.2 风力发电机的研究现状 ............................................1
1.2.1 国外风力发电机的研制情况 .....................................1
1.2.2 国内风力发电机的研制情况 ....................................2
1.3 研究风力发电机的目的和意义 .......................................4
1.4 我国的风能资源及其分布 ...........................................5
第二章 风力机理论 ....................................................8
2.1 基本公式 ........................................................8
2.1.1 风能利用系数 ................................................8
2.1.2 风压强 ......................................................8
2.1.3 阻力式风力机的最大效率 ......................................8
2.2 工作风速与输出功率 ..............................................9
2.2.1 风力发电机的输出效率 .........................................9
2.2.2 工作风速与输出功率 ............................................9
2.2.3 启动风速和额定风速的选定 .....................................10
2.3 风能利用与气象 ..................................................12
2.3.1 风的观测对风能利用的意义 .....................................12
2.3.2 风能利用中需要的气象调查 .....................................13
2.4 风的观测 ........................................................13
第三章 风力发电机方案和结构设计 ....................................14
3.1 小型垂直式风力发电机方案设计 ....................................14
3.2 风叶 ............................................................14
3.3 行星齿轮加速器设计计算 ..........................................14
3.3.1 设计要求 .....................................................15
3.3.2 选加速器类型 .................................................16
3.3.3 确定行星轮数和齿数 ............................................16
3.3.4 压力角()的选择 ..............................................16
3.3.5 齿宽系数的选择 ................................................17
3.3.6 模数选择 ......................................................17
3.3.7 预设啮合角 ....................................................17
3.3.8 太阳轮与行星轮之间的传动计算 ..................................17
3.3.9 行星轮与内齿轮之间的传动计算 ..................................18
3.3.10 行星排各零件转速及扭矩的计算 ..................................18
3.3.11 行星排上各零件受力分析及计算 ..................................19
3.3.12 行星齿轮传动的强度校核计算 ....................................20
3.4 电磁离合器设计计算 ...............................................24
3.4.1 选型 ..........................................................24
3.4.2 牙嵌式电磁离合器的动作特性 ....................................24
3.4.3 离合器的计算转矩 ..............................................24
3.4.4 离合器的外径 ..............................................24
3.4.5 离合器牙间的压紧力 ...........................................24
3.4.6 线圈槽高度 ...................................................24
3.4.7 磁轭底部厚度 ................................................25
3.4.8 衔铁厚度 ...................................................25
第四章 限速控制系统方案设计 ..........................................26
4.1 设计限速控制系统的目的 ...........................................26
4.2 限速控制系统方案分析 .............................................26
4.3 单片机 ............................................................26
4.4 信号采集 .........................................................26
4.5 电路 .............................................................26
4.6 限速控制程序 ...................................................27
4.6.1 定时器周期 ....................................................27
4.6.2 程序流程图 ....................................................27
4.6.3 限速控制程序....................................................28
第五章 控制系统总体分析 ..............................................30 5.1 实验和模型设计的目的 ............................................30
5.2 模型设计 ........................................................30
5.2.1 设计技术指标 ................................................30
5.2.2 模型设计器件 ...................................................30
5.3 电路板 ..........................................................30
5.4 限速控制程序装置 ................................................31
5.5 实验模型结果分析 ................................................32
第六章 结束语 ....................................................33
致谢 .....................................................................34
参考文献 ..........................................................35
第一章 概述
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: 1) 单独使用小型风力发电机供家庭住宅使用; 2) 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; 3) 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
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19%年末，风力发电总装机容量己达到170xkw，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40xkw，预计到2010年，风力发电总装机容量将达到630xkw，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49.4xkw，1996年新装机约950座，装机容量为48xkw，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160xkw，1997年估计可增加5xkw，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63xkw，西部5xkw风力发电计划可望在2一3年内完成，并投入运行。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13Oxkw，斯雷苏比克一霍尔斯泰因州议会决定到2010年建设120xkw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33.7xkw，该公司也得到IPP(独立系统发电业者)大力协助，预定进行198xkw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73xkw，发电总量达到634xw，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150xkw，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1500w。
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