机械毕业设计1476小型风力发电机总体结构的设计
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机械毕业设计1476小型风力发电机总体结构的设计,机械毕业设计论文
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小型风力发电机机械结构及限速控制系统设计 1 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疆已达 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 170x 410 kw，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 40x 410 kw，预计到 2010年，风力发电总装机容量将达到 630x 410 kw，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49.4x 410 kw， 1996年新装机约 950座，装机容量为 48x 410 kw，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 160x 410 kw， 1997年估计可增加 5x 410 kw，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 63x 410 kw，西部 5x 410 kw风nts小型风力发电机机械结构及限速控制系统设计 2 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13Ox 410 kw，斯雷苏比克一霍尔斯泰因州议会决定到 2010年建设 120x 410 kw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33.7x 410 kw，该公司也得到 IPP(独立系统发电业者 )大力协助，预定进行 198x 410 kw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 73x 410 kw，发电总量达到 634x 610 w，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150x 410 kw，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 1500 610 w。 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 5 410 kw，但计划没达到预定目标，只达到 4.9x 410 kw， 318座，发电总量 5.5x 410 kw h，其后决定实施 1991一 1996年目标为 40x 410 kw的 TWI五年计 划 。计划目标是 1994年末风力发电能力达到 14.4x 410 kw， 629座，发电量为 24.7x 410 kw.h，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 3zx 410 kw， 2000年为 50x 410 kw。 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 26.4x 410 kw， 2000年达到 80x 410 kw。 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 19%年底，装机容量 己达到 9.5x 410 kw。 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。 1.2.2 国内 风力发电机 的研制情况 1.2.2.1 我国风力发电概况 中国利用风能己有悠久的历史，古代甲骨文字中就有“帆”字 存在， 1800年前东汉刘熙著作里有“随风张慢曰帆”的叙述，说明我国是利用风能最早的国家之一。 1637年明崇帧十年天工开物书里有“扬郡以风帆数页，侯风转车，风息则止”的记载，表明在明代 以前，我国劳动人民就会制作将线运动转变为风轮旋转运动的风车 ，在风能利用上前进了一大步。 nts小型风力发电机机械结构及限速控制系统设计 3 我国东南沿海向来有风力提水的使用习惯，江苏省 1959年曾有多达 20余万台提水风车，后来大部分风车被柴油、电力所取代，但部分地区一直使用风力提水。 50年代中期曾研制小型现代化风力提水装置， 50年代后期开始研究小型风力发电机组，但限于当时技术 经济条件，小型机组在试验中受挫而停顿。至 70年代，先后试制了 1、 2、 10、 12、 18、 20千瓦样机，其中 18千瓦机组于 1972年 7月安装在浙江省绍兴县雄鹅峰上， 1976年 11月迁装到底泅县菜园镇运转发电，一直运行到 1986年 8月。 1978年将研制风电设备列为国家重点科研项目后，进展加快，先后研制生产了微型和 1一 200千瓦风电机组，其中以户用微型机组技术最为成熟，己有 100、 150、 200、 300和 500瓦微型机组系列定型和批量生产，产品质量良好，不但可满足国内需要，还远销国外。 1998年底，全国安装微型机组 178574台，约计 1.7万千瓦，还有独立供电机组，已有 1.2、 2.5、 5、 7.5和 10千瓦机组，以销定产小批量生产。在网外无电地区，推广微型、小型风电机组，是解决无电农牧民用电的有效途径，有其独特的优越性，也是中国发展微型、小型风电机组的特色。在网外地区利用风柴蓄联合发电系统，能获得稳定的电力，又有明显的节油效果，发展该系统，将促进风力从为生活服务转向为生产提供电力，从而跨上一个新水平。风 /光互补发电系统，能有效地利用自然资源。在我国很多地区，冬半年风大，太阳辐射强度小 ； 夏半年风小，太阳辐射强度大，两种能 源的分布季节正好相反，互补利用可满足用户用电需求。 在国际上， 80年代中期，商品机组以 55一 150千瓦为主，山东荣成进口 3 55千瓦机组，1986年并网发电，新疆达阪城和广东南澳进口 90千瓦、 100千瓦和 150千瓦机组计 17台，装机容量 4490千瓦，均于 1989年并网发电。 90年代初期国外商品机组单机容量 200一 300千瓦， 1992一 1996年我国进口风电机组以 200一 300千瓦机组为主， 1996年建成 17个风电场，装机合计57700千瓦。 90年代中期 500一 600千瓦商品机组推向市场，批量生产，标志着商品机组技术日臻成熟，造价相应下降。 1996年，国家在“双加”工程中，按照扶强扶优的原则，选择了达阪城二厂、辉腾锡勒、括苍山和张北四个风电场进行重点改造，进口 133x600千瓦、 13x300千瓦机组，合计 83700千瓦，分别于 1997一 1998年竣工验收。同年，国家计委又制定乘风计划”，旨在以技贸结合形式，与国外组建合资企业，在建设 24万千瓦风电场的同时，引进技术，消化吸收，达到自主开发、自行设计制造大型风电机组的能力。 1996年采用招标评议方式确定“中国第一 拖拉机工程机械 (集团 )公司”和“西安航空发动机集团公司”为大型风电机组总装厂 ;1998年上述中标公司分别同外商合资成立“洛阳美德风电设备有限公司”和“西安维德风电设备有限公司”，标志着中国风力发电事业揭开了崭新的一页。 我国风电的利用大体上采用三种方式，一是户用式，可独立运行，用蓄电池，直流输出或逆变交流输出 ;单机容量为 100一 300W，可基本满足照明、电视等家用电器的生活用电需要。其次是孤立的小居民区用，独立运行，有蓄电池、直流输出或逆变交流输出，统一向各家各户供电或每天为其更换蓄电池，单机容量为 1一 5kw。这种方式也可供无电风区边防哨所、气象台站、雷达站、电视差转台以及无电区小火车站使用。三是建立风电场，联网后输出，有的与柴油发电机组或太阳能电站联合，有稳定的输出。目前己有 14座稍具规模的风电场，他们是新疆达坂城、广东南澳岛、内蒙呼和浩特辉腾锡勒、内蒙朱日和、内蒙商都大山湾、辽宁瓦房店东岗、瓦房店横山、福建平潭、浙江嗓泅、浙江大陈岛、山东荣成马兰、山东长岛、海南东方、浙江苍南鹤顶山。正 在筹建中的还有浙江临海括苍山、浙江舟山、内蒙锡林、广东海陵岛等 。 风电的特点是一次性投资高，每千瓦约需 1000一 1200美 元，再加上进口关税 12%、进口环节增值税 17%，使设备成本提高 31%。据内蒙古电管局反映，不含税风电价为 0.63元 kw.h，比火电价高出 0.35元。目前主要是小规模的开发，如果要进一步发展，已遇到资金短缺、设备不过关、进口关税过重等三大困难。 1.2.2.2 我国风力机械行业现状和发展趋势 nts小型风力发电机机械结构及限速控制系统设计 4 据不完全统计，到 1993年底，全国生产风电机组、风力提水机组及配套件的工厂共 39家，其中主机 27家 ;职工近 4000人，工程技术人员 400余人 ;从事科研开发有 35家院校，科技人员 250人。商品化风电机组有 9种，从 100w到 5kw，年生产能力 3万台，累计出口近 1000台小型风电机。 1995年全国生产风电机组 8190台，风力提水机组 50台。目前全国小型风电机组保有量巧万台，居世界首位。近几年来己建立 14处规模不等的大中型风电场，至 1995年共安装 55kw以上机组 186台，总装机容量为 37Mw。预测到 2000年，需要小型风电机 (1okw以下 )22万台 ;大中型风电机组 (20kw以上 )4000台 ;风力提水机组 6000台。 行业存在的主要问题有 : (l)产品品种不全目前虽然我国己能大批量生产小型风电机组， 1995年并出口印尼 100W及 300W小型风电机各 250台，价值 340余万元，但还停留在研究开发 55kw、 250kW的风电机阶段。国外现在已做到 600kW机组商品化，正在准备批量生产 750kw、 1MW机组。 (2)科研生产能力薄弱风力机械行业归口于畜牧机械，稍具规模的企业只有内蒙商都牧机厂和内蒙动力机厂，缺少先进设备，影响产品质量和经济效益的提高。随着风电事业的发展，已有不少实力雄厚的单位加入，并取得初步成果。例如 200kW风电机组的研制由浙江机电研究院、杭州发电设备厂、上海玻璃钢研究所、中国空气动力研究中心、同济大学、清华大学等 8个单位 联合承担。样机于 1995年 9月在浙江苍南风电场完成 2000小时运行考核， 1997年 4月 19日通过国家科委的鉴定，不久将实施中试生产。又如第一拖拉机工程机械集团 704分厂承担了 250kw风电机组的研制及组装任务，保定 550厂协作生产叶片，该项目属于一拖与德国胡苏姆造船厂合作生产协议，总框架为 200台，首批 10台得到了德国政府补贴， 1995年 12月 4台电风机己在内蒙锡林浩特风电场并网发电。再如 1996年 2月 9日北京万电公司 (隶属于中国运载火箭技术研究院 )与奥地利比尔公司签订引进风力发电技术，专门从事 500kw以上风电机的生产。 1996年 10月还签订 3项合同，内容为 :由新疆电力局与丹麦维斯塔思公司，内蒙古电管局、浙江省电力局与丹麦麦康公司合作，除引进 122台 600kw风电机之外，还将在国内组装生产 600kw风电机组。 今后风力发电机发展趋势如何 ?一 是增加风轮的直径和塔架的高度，向超大型风力发电机发展，目前世界上最大的风力发电机建立在美国北卡罗来纳州的兰岭山上，发电功率是两千瓦，年发电量是 330万度，相当 3300吨煤发出的电量 ； 另一方面是向新型立体式风力发电机发展。立体式风力发电机即风力发电机的轴和风的方向垂直。它克 服了一般风力发电机叶片需要不断增长和提高塔架以及在材料和加工工艺等方面的困难。这样来自任何方向的风都可以充分利用，提高了风能利用率。又可以降低高大的支撑铁塔，结果造价低，重量也轻了许多。 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nts小型风力发电机机械结构及限速控制系统设计 5 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 ： 1.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 ； 2.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 ； 3.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 100一 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nts小型风力发电机机械结构及限速控制系统设计 6 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。 中国风能丰富的地区主要分布在西北、华北和东北的草原或戈壁，以及东部和东南沿海及岛屿，这些地区一般都缺少煤炭等常规能源。中国风力大小的出现规律是冬、春季风大，降雨量少 ;夏季风小，降雨量大。这一特点恰与水电的枯水期和丰水期有着较好的互补性。图 1-1示出了中国有效风能密度分布状况。 由于我国地形复杂，风的地区性差异很大，有必要将我国的风能资源的大体分布列出，以便于人们了解哪些地区有开发利用风能的潜力。 中国风能资源丰富的省区于 表 1一 l。 一般风能资源的潜力和特征用有效风能密度和可利用年积累小时数两个指标表示。根据有关气象资料，我国可利用风能地区有三个，即风能丰富区、较丰富区、可利用区，列表1一 2如下 : 图 1-1 中国有效风能密度分布状况 表 1一 1 中国风能资源比较丰富的地区 nts小型风力发电机机械结构及限速控制系统设计 7 表 1-2 我国风能资源分布情况 nts小型风力发电机机械结构及限速控制系统设计 8 第 二 章 风力机理论 2.1 基本公式 2.1.1 风能利用系数 风力机从自然风能中吸收的能量大小程度用风能利用系数pC表示。横截面 积为 s( 2m )的气流的动能为 2.1.2 风压强 如图 2-1a，根据伯努力方程，风中物体受到的风压 Q为 2.1.3 阻力式风力机的最大效率 建立简单的理想模型，一个平板在风的气动压力作用下沿着风速方向运动，如图 2-lb，并规定平板上游一定距离上的风速为fV，平板的运动速度为 v，那么平板吸收的功率可以表示为 nts小型风力发电机机械结构及限速控制系统设计 9 图 2-1 平板模型 对给定的上游风速玲，可以写出以平板的运动速度 V为函数的功率变化关 系式 ， 对 v进行微分得 从 上 式中可以看出，阻力式风力机的效率是比较低的，提高效率的唯一办法是设法提高风的阻力系数 C。 2.2 工作风速与输出功率 2.2.1 风力发电机的输出效率 最理想的风力机也不可能吸收全部的风能，而只能吸收部分风能。如上一节推导的那样，有一个最大风能利用系数pmaxC。但是，风力机在制做过程中，由于受到各种条件的限制，做不到完全理想的形状。因此实际的风力机和理想的风力机之间也有差异。实 际风力机吸收的功率与理想风力机吸收的功率的比值 叫做风力机的效率 。 用1表示。另外还有传动机构的效率甲2和发电机的效率3等，所以实际风力发电机输出的效率，可以表示为 2.2.2 工作风速与输出功率 风力机启动时，为了克服其内部的摩擦阻力而需要一定的力矩。这一最低力矩值叫做风力机的启动力矩。启动力矩主要与风力机本身的传动机构摩擦阻力有关因此风力机有一最低工作风速称fminV，只有风速大于fminV时风力机才能工作。 nts小型风力发电机机械结构及限速控制系统设计 10 当风速超过某一值的时候，基于安全上的考虑 (主要是塔架和桨叶强度 )，风力机应该停止运转，所以每一台风力机都规定有最高风速fmaxV，最高风速fminV与风力机的设计强度有关，是设计时给定的参数。 最小风速称fminV，和最大风速fmaxV之间的风速叫做风力机的工作风速，相应于工作风速风力机有功率输出。当风力机的输出功率达到标称功率时的工作风速叫做该风力机的额定风速。 2.2.3 启动风速和额定风速的选定 如何根据风能资源来选用风力机，使风力机的运行状态最佳，确定起动风速和额定风速是关键。 2.2.3.1 双参数威布尔分布 风能就是流动空气具有的动能。单位时间通过垂直于空气流的单位面积的空气流所具有的动能叫风能密度 ， 设 为空气密度， v为风速，则风能密度p=0.5 3v ， 随 v的立方增大，变化非常快，故知道风速的变化情况是利用风能的先决条件。 风速 V是随机变量，经研究 专家们多认为用双参数威布尔概率密度函数拟合风速频率分布最好脚 。威布尔分布函数形如下式 其中 K为形状参数，无量纲， C为尺度参数，量纲为 m 1s 。不同地区，不同时期参数 K、 C是不同的，可根据某地连续 30年的风资料算出该地的 K、 C参数，威布尔分布函数曲线见图 2-2。参数 K、 C影响曲 线形状， K大 C大曲线陡峻，峰右移，反之亦然。 nts小型风力发电机机械结构及限速控制系统设计 11 图 2-2 威布尔分布函数曲线 上式满足 2.2.3.2 起动风速 启动风速为风力机风轮由静止开始转动并能连续运转的最小风速 :风力机分水平轴和垂直轴两大类，每一类又有多种形式，同一形式还有若干种规格，只有科学地选择适合当地风能资源的风力机，才能以较少的投资获取较多的风能。 根据国内外 100多种风力机，起动风速的范围是 2m 1s ，至 6m 1s ，这一范围能满足 风能丰富区、较丰富区、可利用区的不同需要。 双参数威布尔分布函数曲线峰值对应的凡就是起动风速 (图 2-2)。对 上 式求一阶导数且令其等于 O有 解得 证明气是出现概率最大的风速。使用起动力风速大于 上 式计算的气的风力机会损失小风速这一区段的风能，使用起动风速小于 上 式计算的咋的风力机是否更好呢 ?表面看低风速的风能得到更多的利用，深入研究可知在之气的较高风速区风能利用率下降，总体上是得不偿失，故选用尽可能接近 上 式结果的风力机最为理想。 2.2.3.3 额定风速 额定风速的选定直接影响风能利用系统整体的效率和经济 性，是风力发电机设计中的重要参数。 己知风能密度 p=12 3v ，对一台效率为 ，桨叶半径为厂的风力机，输出功率 w(V)的威布尔分布函数 为 nts小型风力发电机机械结构及限速控制系统设计 12 w(V)峰值对应之风速pv应是额定风速，此时风力机提取的风能最多。 令 2.2.3.4 风力机的工作风速、输出功率与风能的关系 风力机的工作风速、输出功率与风能的关系可以简单地如图 2一 3来表示 (注 :图中纵坐标 表示输出功率，单位为 :w/ 2m ;横坐标表示风能，单位为 :m/s) A一理论风能曲线 B一扣除空气动力损失后的风力机吸收的功率 C一计算传动损失和机械能转换损失后的功率曲线 D一发电机实际输出功率曲线 图 2一 3 功率与风速的关系 2.3 风能利用与气象 2.3.1 风的观测对风能利用的意义 在前面已经讲述过，风能与风速的三次方成正比。所以，当风速测量有 10%的误差时，风力机输出功率的误差将扩大到 33%。在风力机的设计中，输出功率出现 30%以上的误差，将带来很 大的经济损失。风速随时间变化很大，而且地区性差异也很大，正确把握风况并不是一件容易的事情。所以在风力机设计计划中，对风的观测非常受重视。 nts小型风力发电机机械结构及限速控制系统设计 13 2.3.2 风能利用中需要的气象调查 在风能利用中，需要进行四项气象调查 : (l)风能密度调查 结合风能的地区分布和可设立风力机地区面积的调查，在全国范围内对可利用的风能量进行估算。 (2)选定适合地点 在一年中，对通过强风场所的调查。 (3)风速的频率分布调查 在风力机的设计中，为了估算平均出力和运转时间等量，必须了解风力机轴高处的风况。 (4)为了风力机设计强度和安全 系数的气象调查 异常的强风出现的概率、风的不定向性以及突风程度，冰暴、盐害等的调查。 2.4 风的观测 风的观测，因其目的不同而有各自的特点。对于风能利用，通过对风的观测，可以估算出该地区可利用的风能大小，为风力机的设计和性能研究以及开发的经济性等提供条件。 风速的测量包括风向和风速的测量。因为风速随时间变化很大，而且变化不定，所以测量时取一定时间内的风速大小的平均值和最长时间的风向。我国现行的风速观测有两种方法 :一种是每日定时 4次两分钟平均风速观测 ;一种是一日 24次自记 10分钟平均风速观测。实际测量结果表 明，前一种方法的误差比较大，因此在风力发电机的设计中采用后一种测量方法得到的数据。 nts小型风力发电机机械结构及限速控制系统设计 14 第三 章 风力发电机 方案和结构设计 3.1 小型垂直式风力发电机方案设计 现在，各个发达国家均大力发展新能源产业， 虽然 太阳能一直是新能源商业化的首选，因为太阳能的设置地点较灵活，不会产生噪音，可以和建筑进行一体化设计。 但是 风力发电较太阳能而言，它的成本优势明显 。传统的风力发电机 启动风速要求较高，发电噪音也很大，所以只能将风力发电机放在人迹罕至的地方或风力较大的地方。设备也 是往大型风力发电机发展，专门建设大型风力发电场， 这样， 小型风力发电在相当长的时间里未得到较好的发展。所以， 如何使 风力发电和建筑进行一体化设计， 降低 小型风力发电机 噪音，使其安装在 建筑周围 而不影响人的生活质量， 已 成为 各个国家 研究的焦点！ 我设计的是 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 。如下图所示： 图 3-1 小型垂直轴风力发电机 框图 该 小型 垂直轴 风力发电机的发电原理 为： 在风的吹动下，风轮转动起来，使空气动 力能转变成了机械能（转速 +扭矩）。 通过增速系统和离合器使转矩和扭矩传递到风力 发电机轴浆 叶 固定架 变速箱 星形齿轮加速器 电磁离合器 发电机 整流器 蓄电池 逆变器 负 载 nts小型风力发电机机械结构及限速控制系统设计 15 上， 带动 发电机轴 旋转， 从而使 永磁三相发电机发出三相交流电。风速的不断变化、忽大忽小，发电机发出的电流和电压也随着变化。发出的电经过控制器的整流，由交流电变成了具有一定电压的直流电，并向蓄电池进行充电。从蓄电池组输出的直流电，通过逆变器后变成了 220 伏的交流电，供给用户的家用电器。应用范围： 提供 220 伏交流电或 24 伏、 36 伏或 48 伏直流电 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； 该 新型 垂直轴 风力发电机的特点为： 额定功率（）： 300 输出电压（ v）： 24 启动风速（ m/s）： 2 额定风速（ m/s）： 6 最大使用风速（ m/s）： 20 发电机为额定功率 300w，输出电压 24v。 该 新型 垂直轴风力发电机的优点为： 结构简单 易维护 运行平稳安全 抗强风能力强 操作简单 价格低廉 3.2 风叶 采用 帆翼式 风叶， 帆翼式是英 国发展的一种立轴帆翼式风力机，结构简单、性能较高。帆翼的形状 如 下 图 所示 。由于 其 制造简单， 成本低，性能好，所以 适于 推广使用。 图 3-2 帆翼式 3.3 行星齿轮加速器设计计算 3.3.1 设计 要求 nts小型风力发电机机械结构及限速控制系统设计 16 设计寿命 5 年，单班，一年 360 天，中等传动，传动逆转，齿轮对称布置，不允许点蚀，无严重过载，闭式传动。齿轮精度 8-7-7，齿轮材料 :20CrNiMoH，碳氮共渗处理，硬度为Hv740 以上。轴材料 :20NiCrMoH 或 20CrMnMo。齿圈材料 :42CrMo，氮化处理，硬度为 Hv40O以上。 3.3.2 选加速器类型 小型风力发电机是安装在楼顶或屋顶上的，所以尽量选择体积小、重量轻、性能稳定的设备。在选择行星齿轮时，我选择 NGW 型星形齿轮加速器，因为这个型号的齿轮传动效率高，体积小，重 量轻，结构简单，制造方便，传递功率范围大，轴向尺寸小，可用于各种工作条件的特点。 图 3-3 NGW 型行星齿轮加速器 3.3.3 确定行星轮数和齿数 在行星齿轮加速器中选择行星轮数：wN=3 通过查表法确定了齿轮的齿数（机械手册）： 总传动比 i =5.4 太阳轮齿数 sZ=20 内齿轮齿数 rZ=88 行星轮齿数 PZ=34 3.3.4 压力角 ( )的选择 我们国家和许多国家都把齿轮的标准压力角规定为 20 ，因此，本次设计的变速箱采用20 压力角，以提高加工刀具的通用性。 输入 轴 输出轴 R S C P nts小型风力发电机机械结构及限速控制系统设计 17 3.3.5 齿宽系数的选择 对于硬齿面齿轮的齿宽系数应小于软齿面的齿宽系数 。一般情况下，硬齿面值齿轮可取d 3 610 所以 NsY=NpY=NRY=1 取limF=380MaPl. STY相对齿根的圆角敏感系数relTY查表得 太阳轮、行星轮、齿圈的敏感系数均为relTY=1 m. 相对齿根表面状况系数RrelTYnts小型风力发电机机械结构及限速控制系统设计 22 查表得 RrelTY=0.9 n.应力修正系数 STY=2 o.齿轮的弯曲疲劳极限 ,limF由公式 ,limF=limF N S T X R relT relTY Y Y Y Y, limFs =460 1 2 1 1 0.9=828（ M aP ） , limFp =322 1 2 1 1 0.9=579.6（ M aP ） , limFR =380 1 2 1 1 0.9=684（ M aP ） 安全系数 S sS= ,limFsFS= 828356.78=2.32 PS= ,limFPPC= 579.6357.6=1.57 RS= ,limFRFR= 684364.6=1.87 按具有高可靠性要求取最小安全系数limFS=1.5 从而可看出： sSminFSPSminFSRSminFS所以弯曲强度校核通过。 （ 2） 接触疲劳强度校核 a. 接触强度的齿间载荷分配系数HK太阳轮与行星轮啮合时总重合度1.47 查表得 Hk=1.2 齿圈与行星轮啮合时的总重合度1.583 查表得 Hk=1.2 b.节点区域系数HZ计算HZ=2,12 coscos b ttg得HZ=2.3186 c.弹性系数 Znts小型风力发电机机械结构及限速控制系统设计 23 可由公式 Z= 43 得太阳轮与行星轮啮合时 Z= 4 1.473 =0.918 齿圈与行星轮啮合时 Z= 4 1.5833 =0.8975 d.接触疲劳强度极限limH太阳轮与行星轮是合金钢渗碳处理，limH取 1500MaP齿圈是合金钢氮化处理，limH取 1200MaPe.寿 命系数NZeN=60rnt5 710 所以 NsZ=NpZ=NRZ=1 f.润膜影响系数LVRZ太阳轮和行星轮为 8 级精度，齿圈为 9 级精度，选用40v=115 2mm /s 的矿物油，则查表得：太阳轮和行星轮为LVRZ=0.9，齿圈为LVRZ=0.8 g.齿面工作硬化系数wZ=1 h.尺寸系数xZ=1 i.齿轮的接触疲劳极限 ,limH由公式 ,limH=limH NZ LVRZ WZ XZ, limHS =1500 1 0.9 1 1=1350M aP , limHp =1500 1 0.9 1 1=1350M aP , limHR =1500 1 0.8 1 1=9600M aP j.安全系数 S sS= , limHsHs= 13501286.2=1.05 pS= , limHppc= 13501286.2=1.05 nts小型风力发电机机械结构及限速控制系统设计 24 RS= ,limHRRB= 960651.56=1.47 按具有高可靠性 要求取最小安全系数limHS=1.0 从而看出齿轮满足使用要求。 3.4 电磁离合器 设计 计算 3.4.1 选型 为满足风力发电机工作环境的需要，在风力发电系统中我选择牙嵌式电磁离合器，因为牙嵌式电磁离合器有外形尺寸小，传递转矩大，无空转转矩，无摩擦发热，无磨损，不需调节，传动比恒定无滑差，使用寿命长，脱开快，干、湿两用的特点。 （电源为 12v 直流电） 3.4.2 牙嵌式电磁离合器的动作特性 如图所示，通电后，当激磁电流按指数曲线上升时，由于衔铁被吸引，线圈中电感增大，引起电流第一次短时间下降，以后还会由于衔铁吸引后尚不能起动负载转矩，出现牙间嵌合、脱开和再嵌合的滑跳现象，致使电流发生多次跳动，直到能带动负载转矩时才趋向稳定。对于静态接合，起动时间的长短主要与衔铁吸引时间有关，而对动态起动，则与相对转速、负载特性、负载的增加情况以及牙的相对位置等因素有关。离合器的脱开时间就是从切断激磁电流开始到牙完全脱开嵌合，传递力矩消失所经历的时间，此时电流也按指数曲线衰减。 3.4.3 离合器的计算转矩 CT KT式中 T-离合器传递的理论转矩，它包括工作转矩和起动的惯性转矩 T=2168（ Nm）； K-工作情况系数 K=1.5 所以 CT1.5 2168=3252（ Nm） 3.4.4 离合器的外径 235 0 2 . 8 8 1 0cDT =133 3.4.5 离合器牙间的压紧 力 Q 2 t a ncmTD 式中 -牙形角， =30o -摩擦角， =8o mD-牙的平均直径 1-衔铁摩擦面的摩擦系数 1d-衔铁导向孔直径 dF-弹簧推力，dF=40 3.4.6 线圈槽高度 nts小型风力发电机机械结构及限速控制系统设计 25 223 102nsHwhftV=20mm 式中 -线圈槽高度比， =5 s-传热系数，s=11 Hf-填充系数， Hf=0.6 -电阻系数， =0.017 2 /mm m 3.4.7 磁轭底部厚度 2h=2Ad=4mm 3.4.8 衔铁厚度 2xbhV=8mm 一般取余量 V =4 nts小型风力发电机机械结构及限速控制系统设计 26 第四章 限速控制系统方案设计 4.1 设 计限速控制系统的目的 功率调节是风力发电机 的关键技术之一 ， 我设计限速电磁离合器就是 为了尽可能提高风力机风能转换效率和保证风力机输出功率平稳 ,并且防止因瞬时电量过大而毁坏发电机和电力设施的现象出现。 4.2 限速控制系统方案分析 本课题 设计的限速控制系统 是一个机电一体化系统，从控制观点来看，整个系统可分为六 部分 :电磁离合器机构、电路 、 单片机、 程序、编码器、环境 ，其中的 电路 、 单片机、 程序、编码器 等部分构成了控制系统。 目前 风力发电机中 投入运行的机组主要有两类功率 调节方式 :一类是定浆距失速控制 ;另一类是变浆距控制。定 浆距失速控制 是指 大功率高转速的发动机工作于高风速区 ,小功率低转速的发动机工作于低风速区 , 通过叶片的失速或偏航控制来 追求最高的发电效率 。实际上难以做到功率恒定 ,通常有些下降 , 变浆距控制 是指通过 改变与叶片相匹配的叶片攻角 来 调节 风力机发电效率。这两种公路调节方式都存在反应慢而造成瞬时过载的缺点。我设计的电磁离合器控制系统是通过程序对电磁离合控制，当风力发电机转速超过额定转速时，控制系统会使电磁离合器分离，当速度降低到额定转速时电磁离合器将闭合，带动发电机发 电。这个系统有反应速度快、准确、成本低的特点。 4.3 单片机 本课题 模型 采用的单片机是 AT89C51， 单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件： CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。 4.4 信号采集 本课题 模型 用编码器来采集信号，把编码器高低电平的变化的信号 传入单片机，单片机对信号进行分析，判断电磁离合器通电还是断电。 4.5 电路 本模型 的电路包括 单片机最小电路和上电复位电路，这个装置 可以用汇编语言来指导自动化运作与电脑差不多，读入数据后，依据半导体进行逻辑运算，并把结果输出。 从而达到根据转速控制电磁离合器的目的。 nts小型风力发电机机械结构及限速控制系统设计 27 图 4-1 电磁离合器控制系统电路图 4.6 限速控制 程序 4.6.1 定时器周期 本模型 设计 50ms 为一个周期，所以定时器必须工作于方式 1。 定时器初值为： TC=M-T/T计 数= 162 5 0 m s / 1 s =15536=3CB0H 4.6.2 程序流程图 nts小型风力发电机机械结构及限速控制系统设计 28 图 4-2 程序流程图 4.6.3 限速控制程序 4.6.3.1 主 程序 ORG 0000H LJMP START ORG 000BH LJMP Dingshi Chushi: SuduH DATA 20H SuduL DATA 21H MOV TMOD, #51H MOV TH0, #3CH MOV TL0, #0B0H MOV IE, #82H SETB TRO nts小型风力发电机机械结构及限速控制系统设计 29 START: MOV A, #00H CJNE A, SuduH, Buxiangdeng1 Xiangdeng1: MOV A, #02H CJNE A, SuduL, Buxiangdeng2 Xiangdeng2: LJMP Miedeng Buxiangdeng1:JC Liangdeng Ljmp Miedeng Buxiangdeng2:JC Liangdeng Ljmp Miedeng Liangdeng: MOV P1.0, #00H LJMP START Miedeng: MOV P1.0, #0FFH LJM
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