小型风力发电机结构的设计【5张图/18700字】【优秀机械毕业设计论文】

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文档包括:说明书一份。55页。18700字左右。实习报告一份。开题报告一份。中期检查报告一份。图纸共5张，如下所示A0-加速器.dwgA0-总装图.dwgA0-离合器.dwgA1-输入轴.dwgA2-输出轴.dwg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。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.目录前言1第一章概述21.1 风力发电机概况21.2 风力发电机的研究现状31.2.1 国外风力发电机的研制情况31.2.2 国内风力发电机的研制情况6 我国风力发电概况61.3 研究风力发电机的目的和意义101.4 我国的风能资源及其分布12第二章风力机理论162.1 基本公式162.1.1 风能利用系数162.1.2 风压强162.1.3 阻力式风力机的最大效率162.2 工作风速与输出功率182.2.1 风力发电机的输出效率182.2.2 工作风速与输出功率182.2.3 启动风速和额定风速的选定19 起动风速20 额定风速21 风力机的工作风速、输出功率与风能的关系222.3 风能利用与气象232.3.1 风的观测对风能利用的意义232.3.2 风能利用中需要的气象调查232.4 风的观测23第三章风力发电机方案和结构设计253.1 小型垂直式风力发电机方案设计253.2 风轮的结构设计273.2.1风轮设计273.2.2 风轮桨叶的结构设计29第四章行星齿轮加速器设计计算314.1 设计要求314.2 选加速器类型314.3 确定行星轮数和齿数324.4 压力角( )的选择324.5 齿宽系数的选择334.6 模数选择334.7 预设啮合角334.8 太阳轮与行星轮之间的传动计算334.9 行星轮与内齿轮之间的传动计算344.10 行星排各零件转速及扭矩的计算354.11 行星排上各零件受力分析及计算364.12 行星齿轮传动的强度校核计算374.12.1弯曲疲劳强度校核374.12.2接触疲劳强度校核40第五章电磁离合器设计计算435.1 选型435.2 牙嵌式电磁离合器的动作特性435.3 离合器的计算转矩435.4 离合器的外径445.5 离合器牙间的压紧力445.6 线圈槽高度445.7 磁轭底部厚度445.8 衔铁厚度45第六章结束语46致谢47参考文献48

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关键词：: 小型风力发电机结构设计优秀优良机械毕业设计论文

资源描述：

文档包括:
说明书一份。55页。18700字左右。
实习报告一份。
开题报告一份。
中期检查报告一份。

图纸共5张，如下所示
A0-加速器.dwg
A0-总装图.dwg
A0-离合器.dwg
A1-输入轴.dwg
A2-输出轴.dwg

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
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
起动风速 20
额定风速 21
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

小型风力发电机结构的设计[KT][3A0]

内容简介：: 河南理工大学万方科技学院本科毕业设计（论文）中期检查表指导教师：韩晓明职称：副教授所在院（系）：机械与动力工程学院教研室（研究室）：机械设计教研室题目小型风力发电机的结构设计学生姓名高歌专业班级机设 07号 0720050024 一、选题质量：（主要从以下四个方面填写： 1、选题是否符合专业培养目标，能否体现综合训练要求； 2、题目难易程度； 3、题目工作量； 4、题目与生产、科研、经济、社会、文化及实验室建设等实际的结合程度）此次所选择的题目为小型风力发电机的结构设计，内容涉及到对发电机的总体布置和理论研究，局部机械零件和传动机构的设计，计算与校核，同专业课程紧密联系，符合专业培养目标，在设计工作中，需要对所学知识综合地加以运用，使之能够熟练应用有关参考资料、计算图表、手册；熟悉有关的国家标准和部颁标准，体现了综合训练的要求。工作量大，与实际运用，风力发电等结合紧密，选题质量较高。二、开题报告完成情况：从适合实际工作环境出发，确定了明确的毕业设计方向；并对小型风力发电机在实际使用过程中出现的问题进行理论性研究和设计，且进行了大量的设计计算；已经开始对课题进行设计计算，并有了突破性的进展，设计过程已经快速地展开，确定了工作的内容和方法；同时，已完成了对相关资料的查阅，对课题有了总体的分析。开题报告顺利完成。三、阶段性成果：总体布置方案和主要结构参数已确定，并完成一些标准件的选型及和大多数零部件的设计计算工作。结构设计和校核工作正在进行中，部分零件图的绘制已经基本完成，已开始制作设计说明书的工作。四、存在主要问题：运行受到工作环境的限制，另外还与风速、天气和发电机的外形尺寸有关。作环境的限制，导致发电机内部零件，尺寸，和相关的常用件都与平时学习的知识有一定的不同，比较多的时候是从新学习有关发电机零件的设计和计算，对自己的知识掌握和知识学习能力是一个考察。计内容不够连贯，系统性不强；在整体结构及零部件结构设计上存在一定问题；在选用零件和确定结构工艺参数时缺少经验。致所获得的资料不够充分，对后期的数据校验和验证带来不便。五、指导教师对学生在毕业实习中，劳动、学习纪律及毕业设计（论文）进展等方面的评语指导教师：（签名）年月日毕业实习报告 1 目录目录 . 1 1 实习目的 . 2 2 实习意义 . 2 外研究状况 . 3 内研究状况 . 4 4 主流风力发电机类型 . 8 型风力发电机种类 . 8 平轴风力发电机 . 8 直轴风力发电机 . 9 里厄式风轮 . 9 馈型感应发电机 . 10 格努斯效应风轮 . 11 流双轮效应风轮 . 12 5 风力发电机原理 . 13 力发电机结构 . 13 6 风力发电技术指标 . 15 能计算公式 15 茨（论 16 度、大气压力和空气密度 16 7 风力发电的发展趋势 . 16 力发电成本将大幅降低 17 术装备国产化比例必然提高 18 上风力发电悄然兴起并将成为重要能源形式 18 力发电机组不断向大型化发展 19 8 实习总结 . 19 参考文献 . 20 毕业实习报告 2 1 实习目的经过大学近四年的学习，现在我们都快要毕业了，在这最后一学期，我们将进行毕业设计。毕业实习是我们机械设计专业知识结构中不可缺少的组成部分，并作为一个独立的项目列入专业教学计划中的。其目的在于通过实习使我们获得基本生产的感性知识，理论联系实际，扩大知识面；了解这些工厂的生产情况，与本专业有关的各种知识，各厂工人的工作情况等等。亲身感受了所学知识与实际的应用；同时毕业实习又是锻炼和培养我们业务能力及素质的重要渠道，培养当代大学生具有吃苦耐劳的精神，也是我们接触社会、了解产业状况、了解国情的一个重要途径，逐步实现由学生到社会的转变，培养我们初步担任技术工作的能力、初步了解企业管理的基本方法和技能；体验企业工作的内容和方法。这些实际知识，对我们学习后面的课程乃至以后的工作，都是十分必要的基础。 2 实习意义风是一种潜力很大的新能源，十八世纪初，横扫英法两国的一次狂暴大风，吹毁了四百座风力磨坊、八百座房屋、一百座教堂、四百多条帆船，并有数千人受到伤害，二十五万株大树连根拔起。仅就拔树一事而论，风在数秒钟内就发出了一千万马力 (即 750 万千瓦；一马力等于 0 75 千瓦 )的功率 !有人估计过，地球上可用来发电的风力资源约有 100 亿千瓦，几乎是现在全世界水力发电量的 10 倍。目前全世界每年燃烧煤所获得的能量，只有风力在一年内所提供能量的三分之一。因此，国内外都很重视利用风力来发电，开发新能源。利用风力发电的尝试，早在二十世纪初就已经开始了。三十年代，丹麦、瑞典、苏联和美国应用航空工业的旋翼技术，成功地研制了一些小型风力发电装置。这种小型风力发电机，广泛在多风的海岛和偏僻的乡村使用，它所获得的电力成本比小型内燃机的发电成本低得多。不过，当时的发电量较低，大都在 5 千瓦以下。毕业实习报告 3 目前，据了解，国外已生产出 15， 40， 45， 100， 225 千瓦的风力发电机了。1978 年 1 月，美国在新墨西哥州的克莱顿镇建成的 200 千瓦风力发电机，其叶片直径为 38 米，发电量足够 60 户居民用电。而 1978 年初夏，在丹麦日德兰半岛西海岸投入运行的风力发电装置，其发电量则达 2000 千瓦，风车高 57 米，所发电量的 75%送入电网，其余供给附近的一所学校用。 1979 年上半年，美国在北卡罗来纳州的蓝岭山，又建成了一座世界上最大的发电用的风车。这个风车有十层楼高，风车钢叶片的直径 60 米；叶片安装在一个塔型建筑物上，因此风车可自由转动并从任何一个方向获得电力；风力时速在 38公里以上时，发电能力也可达 2000 千瓦。由于这个丘陵地区的平均风力时速只有29 公里，因此风车不能全部运动。据估计，即使全年只有一半时间运转，它就能够满足北卡罗来纳州七个县 1%到 2%的用电需要。 3 国内外研究现况外研究状况目前，中、大型风力发电机组已在世界上 40多个国家陆地和近海并网运行，风电增长率比其它电源增长率高的趋势仍然继续。如表 1所示，截止 2005年 12月 31日世界装机容量已达 58,982装机容量为 11,310长率为 24%；风力发电量占全球电量的 1%，部分国家及地区已达 20%甚至更多。 2005年世界风电累计毕业实习报告 4 装机容量最多的十个国家见表 2，前十名合计 2005年国际风电市场份额的分布多样化进程呈持续发展趋势：有 11个国家的装机容量已高于 1,000中 7个欧洲国家（德国、西班牙、意大利、丹麦、英国、荷兰、葡萄牙）， 3个亚洲国家（印度、中国、日本），还有美国。亚洲正成为发展全球风电的新生力量，其增长率为 48%。 2002年欧洲风能协会（绿色和平组织（表了一份标题为“风力 12（ 2）”的报告，勾画了风电在 2020年达到世界电量 12%的蓝图。报告声明这份文件不是预测，而是从世界风能资源、世界电力需求的增长和电网容量、风电市场发展趋势和潜在的增长率、与核电和大水电等其他电源技术发展历程的比较以及减排证了风电达到世界电量 12%的可能性。报告还指出中国 2020年风电装机有可能达到内研究状况根据国家气象科学院的估算，我国陆地地面 10 米高度层风能的理论可开发量为32 亿际可开发量为上风能可开发量是陆地风能储量的 3毕业实习报告 5 倍。 2005 年中国除台湾省外新增风电机组 592 台，装机容量 2004年当年新增装机比， 2005 年当年新增装机增长率为 254%。截至2005 年底，中国除台湾省外累计风电机组 1864 台，装机容量电场 62 个。分布在 15 个省（市、自治区、特别行政区），它们按装机容量排序如表3 所示。与 2004 年累计装机比， 2005 年累计装机增长率为 2005 年风电上网电量约从各地区发展来看，截止到 2009 年 12 月 31 日，中国风电累计装机超过1000省份超过 9 个，其中超过 2000省份 4 个，分别为内蒙古（河北（辽宁（吉林（内蒙古 2009 年当年新增装机计装机现 150%的大幅度增长。省（自治区、直辖市）和地区 2008 年累计 2009 新增 2009 年累计内蒙古北宁林龙江东肃 48 苏疆夏 89 东建西 93 江南 38 京 8 海南 2 西 42 42 84 河南北庆业实习报告 6 湖南西港计湾地区计料来源：中国风能专业委员会 2010 年统计中国“十一五”国家科技支撑计划重大项目“大功率风电机组研制与示范”支持上双馈式变速恒频风电机组的研制；上直驱式变速恒频风电机组的研制；上风电机组叶片、齿轮箱、双馈式发电机、直驱式永磁发电机的研制及产业化；上双馈式风电机组控制系统及变流器、直驱式风电机组控制系统及变流器的研制及产业化；近海风电场建设关键技术的研究；近海风电机组安装及维护专用设备的研制；大型风电机组相关标准制定及风电技术发展分析等 16 个课题的研究。“十一五”末，我国风电技术的自主研发能力将接近世界前沿水平。毕业实习报告 7 根据对国内正在制造和生产的风电机组的调查分析，其主要技术来源大致可分为以下五类：第一类：引进国外的设计图纸和技术，或者是与国外设计技术公司联合设计，在国内进行制造和生产。象金风科技引进的驱风电机组，现在已在国内大批量生产和供货。还有浙江华仪、广东明阳、国电联合动力的庆海装、上海电气的 2馈风电机组等都是采取这种方式引进的，现在这些公司的产品有的已经批量生产，有的样机已经下线。第二类：购买国外成熟的风电技术，在国内进行许可生产。象金风科技和浙江运达的 754桨距风电机组，华锐风电、东方汽轮机的双馈风电机组，都在国内成功大批量生产并实现产业化，这些机组是国内的主力机型。还有重庆海装的 850定惠德、武汉国测、吴忠仪表的 1海电气的重的 2都是采取这种方式引进的，现在这些公司的产品已经批量生产。第三类：与国外公司合资，引进国外的成熟技术在国内进行生产。象航天安迅能、恩德风电的 1500馈风电机组，在国内已成功生产并实现产业化。还有湘电风能、瑞能北方的 2000公司都是采取这种方式引进的，现在这些公司的产品有的已经批量生产，有的样机已投入试运行。第四类：国外的风电机组制造公司在国内建立独资企业，将其成熟的设计制造技术，在国内进行生产。象歌美飒风电的 850司兰的 1250用电气的1500斯塔斯的 2000组都是采取这种方式进行生产的，目前已经投入大批量生产。第五类：采用国内大学和科技公司自行开发的设计制造技术，在国内进行生产的风电机组。例如：沈阳华创、江苏新誉、浙江运达、三一重工开发的组，上海万德的组都是采取这种方式进行生产的。目前，沈阳华创、江苏新誉、浙江运达开发的馈风电机组都已经投入批量生产，并在风电场进行运行。（中国风力发电网文摘）毕业实习报告 8 4 主流风力发电机类型型风力发电机种类尽管风力发电机多种多样，但归纳起来可分为两类：水平轴风力发电机，风轮的旋转轴与风向平行；垂直轴风力发电机，风轮的旋转轴垂直于地面或者气流方向。平轴风力发电机水平轴风力发电机科分为升力型和阻力型两类。升力型风力发电机旋转速度快，阻力型旋转速度慢。对于风力发电，多采用升力型水平轴风力发电机。大多数水平轴风力发电机具有对风装置，能随风向改变而转动。对于小型风力发电机，这种对风装置采用尾舵，而对于大型的风力发电机，则利用风向传感元件以及伺服电机组成的传动机构。风力机的风轮在塔架前面的称为上风向风力机，风轮在塔架后面的则成为下风向风机。水平轴风力发电机的式样很多，有的具有反转叶片的风轮，有的再一个塔架上安装多个风轮，以便在输出功率一定的条件下减少塔架的成本，还有的水平轴风力发电机在风轮周围产生漩涡，集中气流，增加气流速度。毕业实习报告 9 直轴风力发电机垂直轴风力发电机在风向改变的时候无需对风，在这点上相对于水平轴风力发电机是一大优势，它不仅使结构设计简化，而且也减少了风轮对风时的陀螺力。利用阻力旋转的垂直轴风力发电机有几种类型，其中有利用平板和被子做成的风轮，这是一种纯阻力装置； S 型风车，具有部分升力，但主要还是阻力装置。这些装置有较大的启动力矩，但尖速比低，在风轮尺寸、重量和成本一定的情况下，提供的功率输出低。里厄式风轮是法国里厄于 19 世纪 30 年代发明的。在 20 世纪 70 年代，加拿大国家科学研究院对此进行了大量的研究，现在是水平轴风力发电机的主要竞争者。达里厄式风轮是一种升力装置，弯曲叶片的剖面是翼型，它的启动力矩低，但尖速比可以很高，对于给定的风轮重量和成本，有较高的功率输出。现在有多种达里厄式风力发电机，如型，型， Y 型和 H 型等。这些风轮可以设计成单叶片，双叶片，三叶片或者多叶片。毕业实习报告 10 馈型感应发电机随着电力电子技术的发展，双馈型感应发电机（风能发电中的应用越来越广。这种技术不过分依赖于蓄电池的容量，而是从励磁系统入手，对励磁电流加以适当的控制，从而达到输出一个恒频电能的目的。双馈感应发电机在结构上类似于异步发电机，但在励磁上双馈发电机采用交流励磁。我们知道一个脉振磁势可以分解为两个方向相反的旋转磁势，而三相绕组的适当安排可以使其中一个磁势的效果消去，这样一来就得到一个在空间旋转的磁势，这就相当于同步发电机中带有直流励磁的转子。双馈发电机的优势就在于，交流励磁的频率是可调的，这就是说旋转励磁磁动势的频率可调。这样当原动机的转速不定时，适当调节励磁电流的频率，就可以满足输出恒频电能的目的。由于电力电子元器件的容量越来越大，所以双馈发电机组的励磁系统调节能力也越来越强，这使得双馈机的单机容量得以提高。虽然，部分理论还在完善当中，但是双馈反应发电机的广泛应用这一趋势将越来越明显。风力发电，不合国情国内纷纷上马的风力发电厂大多是形象工程。工信部副部长苗圩近日语出惊人，他认为中国风沙伴存，风电设备受风沙磨损大，上马太多风电项目不合我国国情。苗圩说，国外有风地方没有沙，比如说是海洋风。苗圩说：中国是有风的地方就有沙，风沙对风力发电设备磨损非常厉害。现在风能发电风机应该是 20年的寿命，但是如果有风沙的侵蚀寿命还到不了 20年。再过 5年，寿命肯定要出问题，特别是甘肃那个千万千瓦级的风力发电站典型的形象工程。就此话题，苗圩表示，能源布局的重点，应该是供给端和使用端要做到平衡。而现状是高级能源拉着低级能源运转。苗圩举例说，湖北本来水电是优势，三峡的电应该更多留在湖北用，这是最好的清洁能源。但是现在却把湖北的电运到东部区，湖北再从周边买煤运到湖北，引发一连串的效应，河南就不够用了，就再到山西、山东甚至到新疆去运煤。进行全国大旅行，全国铁路货运一半用来运送煤炭。这是多大的物流成本，多大的浪费。据报道，甘肃酒泉千万千瓦级风电基地于 2008年 8月全面启动，标志着中国正式步入了打造风电三峡工程阶段。据气象部门最新风能评估结果表明，酒泉风能资源总储量为开发量 4000万千瓦以上，可利用面毕业实习报告 11 积近 1万平方公里。格努斯效应风轮马格努斯效应风轮，由自旋的圆柱体组成，当它在气流中工作时，产生的移动力是由于马格努斯效应引起的，其大小与风速成正比。有的垂直轴风轮使用管道或者漩涡发生器塔，通过套管或者扩压器使水平气流变成垂直气流，以增加速度，偶写还利用太阳能或者燃烧某种燃料，是水平气流变成垂直方向的气流。毕业实习报告 12 流双轮效应风轮径流双轮效应或叫双轮效应是一种新型风能转化方式。首先它是一种双轮结构，相对于水平轴流式风机，它是径流式的，同已有的立轴式风机一样都是沿长轴布设桨叶的，直接利用风的推力旋转工作的 ,单轮立轴风轮因轴两侧桨叶同时接受风力而扭矩相反，相互抵消，输出力矩不大。设计为双轮结构并靠近安装，同步运转，就将原来的立轴力矩输出对桨叶流体力学形状的依赖进而改变为双轮间的利用转动产生涡流力的利用，两轮相互借力，相互推动；而对吹向两轮间的逆向风流可以互相遮挡，进而又依次轮流将其分拨于两轮的外侧，使两轮外侧获得有叠加的风流，因此使双轮的外缘线速度可以高于风速，双轮结构的这种互相助力，主动利用风力的特点产生了“双轮效应”。相比有些单轮式结构风机中采用外加的遮挡法、活动式变桨矩等被动式减少叶轮回转复位阻力的设计，体现了积极利用风力的特点。因此这一发明的不仅具有实用作用，促进风力利用的研究和发展，而且具有新的流体力学方面的意义。它开辟了风能发展的新空间，是一项带有基础性质的发明，这种双轮风机具有的设计简捷，易于制造加工，转数较低，重心下降，安全性好，运行成本低，维护容易，无噪音污染等明显特点，可以广泛普及推广，适应中国节能减排需求，大有市场前景。毕业实习报告 13 5 风力发电机原理是将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。广义地说，它是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机。风力发电利用的是自然能源。相对柴油发电要好的多。但是若应急来用的话，还是不如柴油发电机。风力发电不可视为备用电源，但是却可以长期利用。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；我国也在西部地区大力提倡。小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统：风力发电机充电器数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。风力发电机因风量不稳定，故其输出的是 13 25V 变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流 220V 市电，才能保证稳定使用。机械连接与功率传递水平轴风机桨叶通过齿轮箱及其高速轴与万能弹性联轴节相连 ,将转矩传递到发电机的传动轴 ,此联轴节应按具有很好的吸收阻尼和震动的特性，表现为吸收适量的径向、轴向和一定角度的偏移，并且联轴器可阻止机械装置的过载。另一种为直驱型风机桨叶不通过齿轮箱直接与电机相连风机电机类型。力发电机结构机舱：机舱包容着风力发电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。维护人员可以通过风力发电机塔进入机舱。机舱左端是风力发电机转子，即转子叶片及轴。转子叶片：捉获风，并将风力传送到转子轴心。现代 600千瓦风力发电机上，每个转子叶片的测量长度大约为 20米，而且被设计得很象飞机的机翼。毕业实习报告 14 轴心：转子轴心附着在风力发电机的低速轴上。低速轴：风力发电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。在现代 600千瓦风力发电机上，转子转速相当慢，大约为 19至 30转每分钟。轴中有用于液压系统的导管，来激发空气动力闸的运行。齿轮箱：齿轮箱左边是低速轴，它可以将高速轴的转速提高至低速轴的 50倍。高速轴及其机械闸：高速轴以 1500转每分钟运转，并驱动发电机。它装备有紧急机械闸，用于空气动力闸失效时，或风力发电机被维修时。发电机：通常被称为感应电机或异步发电机。在现代风力发电机上，最大电力输出通常为 500至 1500千瓦。偏航装置：借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。图中显示了风力发电机偏航。通常，在风改变其方向时，风力发电机一次只会偏转几度。电子控制器：包含一台不断监控风力发电机状态的计算机，并控制偏航装置。为防止任何故障（即齿轮箱或发电机的过热），该控制器可以自动停止风力发电机的转动，并通过电话调制解调器来呼叫风力发电机操作员。液压系统：用于重置风力发电机的空气动力闸。冷却元件：包含一个风扇，用于冷却发电机。此外，它包含一个油冷却元件，用于冷却齿轮箱内的油。一些风力发电机具有水冷发电机。塔：风力发电机塔载有机舱及转子。通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速越大。现代 600千瓦风汽轮机的塔高为 40至 60米。它可以为管状的塔，也可以是格子状的塔。管状的塔对于维修人员更为安全，因为他们可以通过内部的梯子到达塔顶。格状的塔的优点在于它比较便宜。风速计及风向标：用于测量风速及风向。毕业实习报告 15 6 风力发电技术指标能的计算公式空气运动具有动能。风能是指风所具有的动能。如果风力发电机叶轮的断面积为 A，则当风速为 V 的风流经叶轮时，单位时间风传递给叶轮的风能为 E(风能密度） = (1/2)* *V3 (W / 风能密度与平均风速 V 的三次方成正比 P = E * A * ：风能密度 A：风轮面积 = R2 轮效率，按论最大理论值为中：单位时间质量流量 m= 业实习报告 16 茨（论贝茨理论 (于理想风轮能够吸收的最大风能的理论。由名。他假设 :风轮是一个平面桨盘 ;气流均匀垂直流过风轮 ;风轮旋转时没有摩擦阻力 ;风轮前未受扰动的气流静压同风轮后的气流静压相等 ;风轮后尾流不旋转 ;风轮的流动模型简化成一个单元流管。据此，贝茨由一元定常的动量方程可导出理想风轮能吸收最大风的能量，即最大风轮输出劝率为 : P=,式中为空气密度 (kg/取 m3， S 为风轮扫掠面积 ( v 为平均风速 (m/s)。此表达式称为贝茨公式。根据这一理论，一个理想风轮的最大风能利用系数 . 593，此值称为贝茨极限。它说明，风力机从自然风中所能索取的能量是有限的，其功率损失部分可以解释为留在尾流中的旋转动能。能量的转换将导致功率的下降，它随所采用的风力机和发电机的型式而异，因此，风力机的实际风能利用系数。度、大气压力和空气密度通过温度计和气压计测试出实验地点的环境温度和大气压，由下式计算出空气密度。 =h/中：空气密度， kg/ h 当地大气压力， t 温度，。从空气密度公式可以看出，空气密度的大小与大气压力、温度有关。 7 风力发电的发展趋势毕业实习报告 17 风力发电是一种主要的风能利用形式，风力发电已经开展了多年，随着能源环境的变化和风力发电产业的成熟，未来几年风力发电将呈现新的趋势。力发电成本将大幅降低风力发电相对于太阳能、生物质等可再生能源技术更为成熟、成本更低、对环境破坏更小。在过去 20多年里，风力发电技术不断取得突破，规模经济性日益明显。根据美国国家可再生能源实验室 1980年至 2005年期间，风力发电的成本下降超过 90%，下降速度快于其他几种可再生能源形式。根据丹麦从 1981 2002年间，风力发电成本由计 2010年度电成本下降至 3欧分 /2020年降低至随着风力发电技术的改进，风力发电机组将越来越便宜和高效。增大风力发电机组的单机容量就减少了基础设施的投入费用，而且同样的装机容量需要更少数目的机组，这也节约了成本。随着融资成本的降低和开发商的经验丰富，项目开发的成本也相应得到降低。风力发电机组可靠性的改进也减少了运行维护的平均成毕业实习报告 18 本。总体上，风力发电成本将得到大幅降低。术装备国产化比例必然提高实现风力发电技术装备国产化的目的是提高我国风力发电装备的制造能力和技术水平，降低风力发电成本，提高市场竞争能力，为推动我国风力发电技术大规模商业化发展奠定基础。加大风力发电机组的国产化力度，一方面可为风力发电场建设采用国产设备提供优质廉价的选择；另一方面，也可迫使国外同类企业在参与我国市场竞争时大幅度降低产品价格。风力发电技术装备国产化的指导思想是以市场为导向，以工程为依托，在引进消化吸收国际先进技术的基础上，进行创新提高，开发具有自主知识产权的风力发电设备。实现风力发电机组国产化 70%，预计可降低风力发电机组成本 15%，在不改变其它条件的前提下，可使风力发电成本降至全部实现风力发电机组国产化，预计可降低风力发电机组成本 30%，在不改变其它条件的前提下，可使风力发电成本降至此，国家必须加大科研开发投资力度，在目前条件下以风力发电场建设投资比例支持我国的风力发电技术科研开发和国产化是适宜的。其重要意义不仅仅在于降低风力发电成本，还将推动我国风力发电机组产业的形成，利用我们的优势走向国际市场。上风力发电悄然兴起并将成为重要能源形式海上有丰富的风能资源和广阔平坦的区域，使得近海风力发电技术成为近来研究和应用的热点。多兆瓦级风力发电机组在近海风力发电场的商业化运行是国内外风能利用的新趋势。国际上，到 2003年末，围绕欧洲海岸线，海上风力发电总装机 600中在丹麦、瑞典、荷兰和英国。目前最大的海上风力发电场是位于丹麦南海岸的量为 72台 2003年 12月开始发电。预计到 2010年，欧洲海上风力发电的装机容量将达到10000上风速大且稳定，利用小时数可达到 3000小时以上。同容量装机，海上比陆上成本增加 60%，电量增加 50%以上。随着风力发电的发展，陆地上的风机总数已经趋于饱和，海上风力发电场将成为未来发展的重点。海上发电是近年来国际毕业实习报告 19 风力发电产业发展的新领域，是“方向中的方向”。海上风能资源储量远大于陆地风能，储量 10亿且距离电力负荷中心很近。目前上海已开始海上风力发电项目的建设，到2010年，上海的风力发电总装机容量将达到 200 300兆瓦。为达到这一目标，第一座长距离跨海大桥东海大桥两侧将建成内地首个海上风力发电场。随着海上风力发电场技术的发展成熟，经济上可行，将来必然会成为重要的可持续能源。力发电机组不断向大型化发展随着现代风力发电技术发展的日趋成熟，风力发电机组正不断向大型化发展。 2002年前后，国际风力发电市场上主流机型已经达到 1500千瓦以上。目前，欧洲已批量安装 3600千瓦风力发电机组，美国已研制成功 7000千瓦风力发电机组，而英国正在研制巨型风力发电机组。目前风力发电机组的规模一直在不断增大，国际上主流的风力发电机组已达到 22004年比 2003年略有上升，是2000年的两倍。大体上大型风力发电机组有两种发展模式。陆地风力发电，其方向是低风速发电技术，主要机型是 2 5 种模式关键是向电网输电。近海风力发电，主要用于比较浅的近海海域，安装 5置大规模的风力发电场，这种模式的主要制约因素是风力发电场的规划和建设成本，但是近海风力发电的优势是明显的，即不占用土地，海上风力资源较好。 8 实习总结本次毕业实习，开阔了我们的视野，使我们的理论和实践结合在一起，也使我们对课本一些比较模糊的概念、抽象的原理有了一个崭新的认识和理解。使我们对以往所学的知识有了更进一步的巩固，对以前没接触过的知识有了深刻地了解，让毕业实习报告 20 我们对所设计的课程的具体结构有了深入认识。同时，我们对工艺有了更深一不得了解，为我们以后从事工艺方面的工作打下了坚实的基础。通过这一段时间的毕业习，我们学到很多课本上没有的知识，我们也亲身体会到，工人师傅们对待工作一丝不苟的精神，就如同我们应该对待学习一样，特别是我们学工科，知识的掌握不允许有一点马虎，否则，后果不堪设想。通过实习，我们对现代加工方法有了一定的认识，与传统的加工方法相比，提高了加工生产效率，大大减少了劳动力，减轻了劳动工人的作业强度。也让我们真正认识到科学技术是第一生产力的重要性。同时，我们也认识了机械方面的先进技术和高科技领域，使我们以后从事机械方面的发展有了新的认识。本次实习为我们毕业设计提供了一些新的思想和发展空间，同时也为我们以后的工作打下了良好的基础。在此感谢我的实习老师邓老师，在实习中邓老师给了我很多帮助，也感谢我们毕业设计同组的同学们，是他们的帮助这次实习才能顺利完成，在此一并表示感谢！参考文献 1 李志清 .浅谈风力发电机的工作原理 .宁夏电力 2 姚兴佳 . 风力发电机组原理与应用 . 机械工业出版社 3 李长青，丁立新，赵书强 .仿真技术在风力发电系统中的应用 4 陈海平 .风力发电机三风机叶片旋转效应与动力学分析 . 新疆大学 5 刘晓燕 .风力机叶片设计和稳定性分析 D. 西北工业大学 2004 6 姜香梅 ,曾杰 .风力机及其零部件载荷的确定方法 J. 新疆农业大学学报 2002年 02期 7 王承煦 ,张源主编 .风力发电 M. 中国电力出版社 , 2003出版河南理工大学万方科技学院本科毕业设计（论文）开题报告题目名称小型风力发电机结构的设计学生姓名专业班级 07 机设 1 班学号一、选题的目的和意义：目的：我国风能资源丰富，可开发利用的风能储量约 10亿中，陆地上风能储量约地上离地 10海上可开发和利用的风能储量约计 10亿 2003年底全国电力装机约风是没有公害的能源之一。而且它取之不尽，用之不竭。对于缺水、缺燃料和交通不便的沿海岛屿、草原牧区、山区和高原地带，因地制宜地利用风力发电，非常适合，大有可为。意义：中国风力等新能源发电行业的发展前景十分广阔，预计未来很长一段时间都将保持高速发展，同时盈利能力也将随着技术的逐渐成熟稳步提升。 2009年该行业的利润总额将保持高速增长，经过 2009年的高速增长，预计 2010、 2011年增速会稍有回落，但增长速度也将达到 60%以上。风电发展到目前阶段，其性价比正在形成与煤电、水电的竞争优势。风电的优势在于：能力每增加一倍，成本就下降 15%，近几年世界风电增长一直保持在 30%以上。随着中国风电装机的国产化和发电的规模化，风电成本可望再降。 2 二、国内外研究综述：风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风能约为 109中可利用的风能为 2 107地球上可开发利用的水能总量还要大 10倍。在过去的 5年间，风电发展不断超越其预期的发展速度，而且一直保持着世界增长最快能源的地位。2005年以来，全球风电累计装机容量年平均增长率为新增装机容量年平均增长率为据丹麦业总额达到 500亿欧元。截至2009年底，全世界风电累积装机总容量约为比上年增长 31%电的年发电量约 3400亿力发电量已经占到世界总发电量的 2% 以上。在累计装机容量上，欧洲仍然是风力发电市场的领导者，截至 2009年底，其累积装机总容量为全世界风电总装机的提前超额完成了到 2010年风电装机容量达到 4000万是，在 2009年新增装机容量方面，欧洲只占北美洲达到亚洲达到 30%0，欧洲已经失去其领先的地位了，中国和美国成了推动全球风电产业的火车头。目前，德国、西班牙和意大利三国的风电机组的装机容量约占到欧洲总量的 65。近年来，在欧洲大力发展风电产业的国家还有法国、英国、葡萄牙、丹麦、荷兰、奥地利、瑞典、爱尔兰。欧洲之外，发展风电的主要国家有美国、中国、印度、加拿大和日本。迄今为止，世界上已有 82个国家在积极开发和应用风能资源。风电在未来 20年内将是世界上发展最快的能源。 3 三、毕业设计（论文）所用的主要技术与方法： 1. 毕业设计所用的方法是：类比设计、优化设计，经验设计以及数据计算法等方法。在资料和信息获取过程中进行相关数据得分析和调研。 2. 在绘图过程中运用计算机绘图（包括图），和电脑三维建模（）。括所有与风力发电机相关的论文、书籍等，并进行整理。 4. 车的外形、动力、结构、工作原理等进行分析和研究。 5. 对风车进行设计分析计算，绘制相关图纸和建立三维机械模型。 6. 对以上几步分块，详细整理，建立好电子文档，并修改和完善其中不足之处，直到老师审核。四、主要参考文献与资料获得情况： 1 李志清 .浅谈风力发电机的工作原理 .宁夏电力二期 2 姚兴佳 . 风力发电机组原理与应用 . 机械工业出版社 3 李长青，丁立新，赵书强 .仿真技术在风力发电系统中的应用 4 陈海平 .风力发电机三风机叶片旋转效应与动力学分析 . 新疆大学 5 刘晓燕 .风力机叶片设计和稳定性分析 D. 西北工业大学 2004 6 姜香梅 ,曾杰 .风力机及其零部件载荷的确定方法 J. 新疆农业大学学报 2002 年 02 期 7 王承煦 ,张源主编 .风力发电 M. 中国电力出版社 , 2003 出版 4 五、毕业设计（论文）进度安排（按周说明） 1. 2011 年 4 月 1 日至 4 月 25 日：选择课题，并着手于相关数据及文献的收集，完成开题报告，确定论文题目。 2. 2011 年 4 月 26 至 5 月 10 日：查阅相关文献及数据，构思文章基本框架、观点及研究思路，并最终确定初稿。 3. 2011 年 5 月 11 日至 6 月 5 日：对文章进行修改，并在指导老师的指导下修改文中的缺陷及格式。 4. 2011 年 6 月 6 日至 6 月 10 日：根据指导老师的意见最终定稿，准备答辩。五、指导教师审批意见：指导教师：（签名）年月日本科毕业设计（论文）题目院（系部）专业名称年级班级学生姓名指导教师年月日 1 河南理工大学万方科技学院毕业设计（论文）任务书专业班级学生姓名一、题目二、主要任务与要求三、起止日期年月日至年月日指导教师签字（盖章）系主任签字（盖章）年月日 2 河南理工大学万方科技学院毕业设计（论文）评阅人评语专业班级学生姓名题目评阅人签字（盖章）职称工作单位年月日 3 河南理工大学万方科技学院毕业设计（论文）评定书专业班级学生姓名题目指导教师签字（盖章）职称年月日 4 河南理工大学万方科技学院毕业设计（论文）答辩许可证经审查，专业班同学所提交的毕业设计（论文），符合学校本科生毕业设计（论文）的相关规定，达到毕业设计（论文）任务书的要求，根据学校教学管理的有关规定，同意参加毕业设计（论文）答辩。指导教师签字（盖章）年月日根据审查，准予参加答辩。答辩委员会主席（组长）签字（盖章）年月日 5 河南理工大学万方科技学院毕业设计（论文）答辩委员会（小组）决议院（系）专业班同学的毕业设计（论文）于年月日进行了答辩。题目答辩委员会成员主席（组长）委员（成员）委员（成员）委员（成员）委员（成员）委员（成员）委员（成员）答辩前向毕业设计答辩委员会（小组）提交了如下资料：、设计（论文）说明共页、图纸共张、评阅人意见共页、指导教师意见共页 6 根据学生所提供的毕业设计（论文）材料、评阅人和指导教师意见以及在答辩过程中学生回答问题的情况，毕业设计（论文）答辩委员会（小组）做出如下决议。一、毕业设计（论文）的总评语二、毕业设计（论文）的总评成绩毕业设计答辩委员会主席（组长）签名委员（组员）签名年月日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。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 generators 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 circuits design to be whether reasonable.Finally，Model verifications 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.2河南理工大学万方科技学院本科毕业论文目录前言1第一章概述21.1 风力发电机概况21.2 风力发电机的研究现状31.2.1 国外风力发电机的研制情况31.2.2 国内风力发电机的研制情况61.2.2.1 我国风力发电概况61.3 研究风力发电机的目的和意义101.4 我国的风能资源及其分布12第二章风力机理论162.1 基本公式162.1.1 风能利用系数162.1.2 风压强162.1.3 阻力式风力机的最大效率162.2 工作风速与输出功率182.2.1 风力发电机的输出效率182.2.2 工作风速与输出功率182.2.3 启动风速和额定风速的选定192.2.3.2 起动风速202.2.3.3 额定风速212.2.3.4 风力机的工作风速、输出功率与风能的关系222.3 风能利用与气象232.3.1 风的观测对风能利用的意义232.3.2 风能利用中需要的气象调查232.4 风的观测23第三章风力发电机方案和结构设计253.1 小型垂直式风力发电机方案设计253.2 风轮的结构设计273.2.1风轮设计273.2.2 风轮桨叶的结构设计29第四章行星齿轮加速器设计计算314.1 设计要求314.2 选加速器类型314.3 确定行星轮数和齿数324.4 压力角()的选择324.5 齿宽系数的选择334.6 模数选择334.7 预设啮合角334.8 太阳轮与行星轮之间的传动计算334.9 行星轮与内齿轮之间的传动计算344.10 行星排各零件转速及扭矩的计算354.11 行星排上各零件受力分析及计算364.12 行星齿轮传动的强度校核计算374.12.1弯曲疲劳强度校核374.12.2接触疲劳强度校核40第五章电磁离合器设计计算435.1 选型435.2 牙嵌式电磁离合器的动作特性435.3 离合器的计算转矩435.4 离合器的外径445.5 离合器牙间的压紧力445.6 线圈槽高度445.7 磁轭底部厚度445.8 衔铁厚度45第六章结束语46致谢47参考文献482前言自然界的风是可以利用的资源，然而，我们现在还没有很好的对它进行开发。这就向我们提出了一个课题：我们如何开发利用风能？自然风的速度和方向是随机变化的，能具有不确定特点，如何是风力发电机的输出功率稳定，是风力发电技术的一个重要课题。迄今为止，已提出了多种改善风力品质的方法，例如采用变转速控制技术，可以利用风轮的转动惯量平滑输出功率。由于变转速风力发电组采用的是电力电子装置，当它将电能输出输送给电网时，会产生变化的电力谐波，并使功率因素恶化。因此，为了满足在变速控制过程中良好的动态特性，并使发电机想电网提供高品质的电能，发电机和电网之间的电力电子接口应实现以下功能：一，在发电机和电网上产生尽可能低的谐波电波；二，具有单位功率因素或可控的功率因素；三，使发电机输出电压适应电网电压的变化；四，向电网输出稳定的功率；五，发电机磁转矩可控。此外，当电网中并入的风力点亮达到一定程度，会引起电压不稳定。特别是电网发生短时故障是，电压突降，风力发电机组就无法向电网输送能量，最终由于保护动作而从电网解列。在风能占较大比例的电网中，风力发电机组的突然解列，会导致电网的不稳定。因此，用合理的方法使风力发电机组电功率平稳具有非常重要的意义。本文通过对风力发电机的总体设计，叶片、轮毂机构的设计，水平回转机构的设计，齿轮箱系统的设计，以达到利用风能发电的目的，有效利用风能资源，减少对不可再生资源的消耗，降低对环境的污染。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: 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355KW。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。1.2.2 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。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355千瓦机组，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1997-1998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100-300W，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15KW。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1000-1200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，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(10KW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。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。中国有效风能密度分布如图1-1，中国风能资源丰富的省区如表1-l。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:表1-2 我国风能资源分布情况表1-3风力等级表风级和符号名称风速（米/秒）陆地物象海面波浪浪高（米）0无风0.0-0.2船静，烟直上平静0.01软风0.3-1.5烟示风向，风向标不转动微波峰无飞沫 0.12轻风 1.6-3.3感觉有风，树叶微响小波峰未破碎0.23微风 3.4-5.4树叶树枝摇摆，旌旗展开小波峰顶破裂0.64和风5.5-7.9吹起尘土纸张灰尘小浪白沫波峰1.05轻劲风8.0-10.7 小树摇摆，负面泛小波中浪折沫峰群2.06强风10.8-13.8树枝摇动，电线有声，举伞困难大浪到个飞沫3.07疾风13.9-17.1步行困难，大树摇动破峰白沫成条4.08大风17.2-20.7折毁树枝，前行感觉阻力很大浪长高有浪花5.59烈风 20.8-24.4屋顶受损，瓦片吹飞浪峰倒卷7.010狂风24.5-28.4拔起树木，摧毁房屋海浪翻滚咆哮9.011暴风28.5-32.6损毁普遍，房屋吹走波峰全呈飞沫11.512台风（亚太平洋西北部和南海海域）或飓风（大西洋及北太平洋东部）32.7- 陆上极少，造成巨大灾害海浪滔天14.0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表示。横截面积为s()的气流的动能为式中 -空气密度， -风速，如果风力机实际获得的轴功率,那么风能利用系数为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为式中 -空气阻力系数，与物体形状有关，平板一般取2 -风与平板的相对速度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，平板的运动速度为v，那么平板吸收的功率可以表示为式中 -板受到的风压力， -平板的面积，图2-1 平板模型所以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进行微分得令,可以得到两个解：（1）没有物理意义；（2）对应于最大值从上式中可以看出，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。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。用表示。另外还有传动机构的效率甲和发电机的效率等，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，只有风速大于时风力机才能工作。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，最高风速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，和最大风速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，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。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。图2-2 威布尔分布函数曲线上式满足威布尔概率累计函数为显然，风速的概率为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，至6m，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有因为,只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，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w(V)峰值对应之风速应是额定风速，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/;横坐标表示风能，单位为:m/s)图2一3 功率与风速的关系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。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。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：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 风轮的结构设计3.2.1风轮设计风速的大小、方向随时间总是在不断变化，为保证风轮机稳定工作，必须有一个装置跟踪风向变化，使风轮随风向变化自动相应转动，保持风轮与风向始终垂直。这种装置就是风轮机迎风装置。 (3-1) (3-2) 式中 -风轮机输出功率， KW；-空气密度， kg/ ；-风轮半径， m； -风能利用系数，最大值是贝兹极限59.3% ；-风速， m/s；n- 风轮转速， r/min；-风轮角速度，，。由式（3-1）和（3-2）可知风轮机的输出功率与风速立方成正比，转速与风速一次方成正比。因此，风速变化将引起出力和转速的变化。风轮迎风装置有三种方法：尾舵法、舵轮法和偏心法。风向变化时，机身上受三个扭力矩作用，机头转动的摩擦力矩，斜向风作用于主轴上的扭力矩，尾舵轮扭力矩。与机头质量、支持轴承有关，决定于风斜角、距离L，尾舵力矩由下式近似计算（3-3）式中 -尾舵升力、阻力合力系数由实验曲线查得； -尾舵面积，；-风轮的圆周速率，m/s； K-风速损失系数约0.75； L-尾舵距离，m。机头转动条件（3-4）尾舵面积（3-5）式中 -尾舵轮扭力矩，；-机头转动的摩擦力矩，；-斜向风作用于主轴上的扭力矩，；按上式设计的尾舵面积就可以保证风轮机桨叶永远对准风向。舵轮法是用自动测风装置测定风向，按风向偏差信号控制同步电动机转动风轮，此方法也可保证风轮机桨叶永远对准风向。在本设计中把尾舵取消增加桨叶轴与圆盘角度到7角这样可以加大与斜向风的接触面积增大斜向风对主轴的转矩当斜向风的转矩为零时风轮机桨叶对准风向。3.2.2 风轮桨叶的结构设计帆翼式风叶，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

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