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垂直式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)
作 者 姓 名： XXX
指 導(dǎo) 教 師： XXX
單 位 名 稱： 機(jī)械工程與自動(dòng)化
專 業(yè) 名 稱： 機(jī)械工程及自動(dòng)化
X X 大 學(xué)
2017年6月
The design of wind turbines with vertical axis
by XXX
Supervisor: XXX
XXX University
June 201X
- 4 -
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：
垂直式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)(論文)的基本內(nèi)容：
1、確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案，完成總圖設(shè)計(jì)；
2、完成零部件的計(jì)算，完成二維圖的設(shè)計(jì)和繪制；
3、完成設(shè)計(jì)說(shuō)明的編制；
4、翻譯相關(guān)外文資料
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專題部分：
題目：
設(shè)計(jì)或論文專題的基本內(nèi)容
學(xué)生接受畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目日期
第 周
指導(dǎo)教師簽字：
年 月 日
xi
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘要
摘 要
風(fēng)能是一種取之不盡,無(wú)任何污染的可再生能源。地球上的風(fēng)能資源極其豐富，據(jù)專家估計(jì)，僅1%的地面風(fēng)力就能滿足全世界對(duì)能源的需求。
風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電一樣，最初是為了解決應(yīng)急電源和邊遠(yuǎn)地區(qū)供電而開(kāi)發(fā)出來(lái)的產(chǎn)品，因而在最初發(fā)展并不是很快。同時(shí)由于水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特性，小型風(fēng)力發(fā)電在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里未得到較好的發(fā)展。
本文介紹了一種小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，本系統(tǒng)主要面向沿海高層建筑或邊遠(yuǎn)地區(qū)不便于大規(guī)模供電的用戶。經(jīng)過(guò)查閱大量文獻(xiàn)資料結(jié)合必要的理論計(jì)算，系統(tǒng)采用四片型葉片構(gòu)成H型達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)，利用永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)過(guò)電力電子電路對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。文中對(duì)主要支撐件和傳動(dòng)件進(jìn)行了必要的結(jié)構(gòu)校核，對(duì)所用的兩個(gè)角接觸球軸承進(jìn)行了使用壽命校核。最后以垂直軸風(fēng)輪和永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)為主要對(duì)象，設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要零部件，并簡(jiǎn)要介紹其控制電路、選擇蓄電池型號(hào)。
關(guān)鍵詞： 垂直式；風(fēng)力發(fā)電機(jī)；達(dá)里厄；CLARK Y翼型
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） Abstract
Abstract
Wind energy is an inexhaustible renewable energy without any pollution. Earth's wind energy resources are extremely rich, according to experts estimate that only 1% of the ground wind will be able to meet the world's energy needs.
Wind power, like solar power, was originally developed to solve emergency power and remote areas of power supply, and thus in the initial development is not very fast. At the same time due to the characteristics of horizontal axis wind turbines, small wind power for a long period of time did not get better development.
This paper introduces a small vertical shaft wind power system design, the system is mainly for coastal high-rise buildings or remote areas is not easy to large-scale power supply users. After the access to a large number of literatures combined with the necessary theoretical calculations, the system uses four-piece blade to form the H-type Dali wind turbine, the use of permanent magnet direct drive synchronous generator mechanical energy into electricity, through the power electronic circuit to charge the battery. The main support and transmission parts of the necessary structural verification, the use of the two angular contact ball bearings were used to check the life. Finally, the vertical axis wind turbine and permanent magnet direct drive generator as the main object, the design of wind power system main parts, and briefly introduce its control circuit, select the battery model.
Keywords: Vertical; Wind Turbines; Dalière; CLARK Y airfoil
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目錄
目錄
任務(wù)書(shū) i
摘 要 ii
Abstract iii
第1章 緒論 1
1.1設(shè)計(jì)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的依據(jù)和意義 1
1.2國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 2
1.3本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)背景與應(yīng)用意義 4
第2章 小型風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)制造的基本理論 5
2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的分類 5
2.1.1 按風(fēng)輪軸的安裝形式分 5
2.1.2 按風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率分 5
2.1.3 按風(fēng)通過(guò)風(fēng)輪及塔架的先后次序分 5
2.1.4 按額定葉尖速度比分 5
2.2 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的概述 6
2.2.1 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)組成 6
2.2.2 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)各組成部分概述 7
2.3 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的概述 10
2.3.1 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)組成 10
2.3.2 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的各組成部分概述 11
2.4 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)與水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的比較 13
2.4.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及組成的比較 13
2.4.2 風(fēng)能利用率的比較 13
2.4.3 環(huán)保方面的比較 14
第3章 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的總體方案確定 15
3.1風(fēng)力機(jī)的選擇 15
3.2 垂直軸風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué) 16
3.2.1 風(fēng)能利用率 18
3.2.2 Cp-λ功率特性曲線 18
3.2.3 貝茨極限 19
3.2.4 葉尖速比 19
3.2.5 風(fēng)力機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)計(jì)算 20
3.3 葉片選型 21
3.3.1 葉片實(shí)度 22
3.3.2 葉片形狀及材料 24
第四章 電氣設(shè)備設(shè)計(jì) 25
4.1 基本原理 25
4.1.1 法拉第電磁感應(yīng)原理 25
4.1.2 相位角及功率因數(shù) 25
4.2 轉(zhuǎn)化裝置 26
4.1.1發(fā)電機(jī)的分類及設(shè)計(jì)類型選擇 26
4.2.2 直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī) 26
4.2.2 電氣系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 28
第5章 增速器設(shè)計(jì) 29
5.1 材料、種類選擇 29
5.2 傳動(dòng)比分配和模式確定 29
5.3 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 29
5.4 按齒根彎曲強(qiáng)度計(jì)算 31
5.5 比較結(jié)果和確定 32
第6章其他部件的選擇及設(shè)計(jì) 34
6.1 拉索的選擇及受力計(jì)算 34
6.2 蓄電池和選型 35
6.2.1 蓄電池的種類及工作基本原理 35
6.2.2 蓄電池選型 35
6.3箱體的設(shè)計(jì) 36
6.3.1 箱體的外形設(shè)計(jì) 36
6.3.2 箱體的防銹與密封 36
第7章 結(jié)論 37
致謝 38
參考文獻(xiàn) 39
附錄A 英文翻譯 40
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第1章 緒論
第1章 緒論
1.1設(shè)計(jì)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的依據(jù)和意義
隨著能源緊缺及化石燃料對(duì)環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，開(kāi)發(fā)新型能源成為各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵，目前可再生能源有太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮艿?。風(fēng)能發(fā)電是目前為止技術(shù)最為成熟，歷史最為悠久的發(fā)電方式，是具有大規(guī)模發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉?，有可能成為重要的替代能源。?3世紀(jì)起，水平軸風(fēng)車(chē)產(chǎn)業(yè)就成為了農(nóng)村經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的主要部分，而利用風(fēng)力發(fā)電的歷史可以追溯到19世紀(jì)晚期，美國(guó)的Brush研制了第一臺(tái)12kW的直流風(fēng)力機(jī)。Golding(1955)、Shepherd和Divone(1994)記錄了早期的風(fēng)力機(jī)發(fā)展史。1931年，蘇聯(lián)制造了一臺(tái)100kW、直徑30m的Balaclava(巴拉克拉法帽)風(fēng)力機(jī)；19世紀(jì)50年代早期，英國(guó)制造了一臺(tái)100kW、直徑24m的Andrea Enfield(安德魯-恩菲)風(fēng)力機(jī)。1956年，丹麥建造了一臺(tái)200kW、直徑24m的Gedser(蓋瑟)風(fēng)力機(jī)，1963年法國(guó)電力工業(yè)試驗(yàn)了一臺(tái)功率1.1MW、直徑35m的風(fēng)力機(jī)。在德國(guó)，Hutter(胡特)于19世紀(jì)50年代和60年代建立了一些新型的風(fēng)力機(jī)。由于石油價(jià)格突然上漲，美國(guó)開(kāi)始建造一系列示范風(fēng)力機(jī)組，如1975年的功率100kW、直徑38m的Mod-0風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和1987年的功率2.5MW、直徑97.5m的Mod-5B風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。目前世界上最大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)是德國(guó)制造的E-126，高達(dá)120m，風(fēng)輪直徑126m，每個(gè)葉片長(zhǎng)達(dá)61.4m，每片重18t，裝機(jī)功率達(dá)到5MW[1]，如圖1-1所示。
圖1-1 Enercon的E-126型風(fēng)力發(fā)電機(jī)
我國(guó)風(fēng)能資源豐富，根據(jù)第三次風(fēng)能普查結(jié)果，我國(guó)技術(shù)可開(kāi)發(fā)的陸地面積約為24×104km2?？紤]到風(fēng)電場(chǎng)中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的實(shí)際布置能力，按照5MW/km2計(jì)算，陸上技術(shù)可開(kāi)發(fā)量為120×104MW。目前我國(guó)風(fēng)能資源開(kāi)發(fā)利用的重點(diǎn)區(qū)域有內(nèi)蒙古自治區(qū)、遼寧省、河北省、吉林省、甘肅省、維吾爾自治區(qū)、江蘇省等，其中內(nèi)蒙古自治區(qū)技術(shù)可開(kāi)發(fā)量約為50×104MW，居全國(guó)之首[2]如圖1-2所示。
圖1-2 全年平均風(fēng)能密度分布
在國(guó)家可再生能源發(fā)展規(guī)劃和風(fēng)電裝備國(guó)產(chǎn)化等相關(guān)政策的支持下，我過(guò)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，截止到今年中國(guó)（不含臺(tái)灣省）新增風(fēng)電裝機(jī)10129臺(tái)，容量13803.2MW，年同比增長(zhǎng)124%；累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)21581臺(tái)，容量25805.3MW，年同比增長(zhǎng)114%。臺(tái)灣省當(dāng)年新增風(fēng)電裝機(jī)37臺(tái)，容量77.9MW；累計(jì)裝機(jī)227臺(tái)，容量436.05MW[3]。
1.2國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)
國(guó)際風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀自20世紀(jì)80年代起,美國(guó)等西方國(guó)家開(kāi)始研究并設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)備,著手使用風(fēng)能來(lái)發(fā)電,并切向著商業(yè)化而努力。在短短的時(shí)間內(nèi)，美國(guó)的風(fēng)電裝置的數(shù)量得到飛速的提高,但由于一些原因，美國(guó)在1986年突然停止了對(duì)風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)惠政策和鼓勵(lì)政策,風(fēng)電裝機(jī)容量的增長(zhǎng)勢(shì)頭出現(xiàn)放慢。相反在歐洲的一些國(guó)家卻不斷制定出了相對(duì)全面的包括利用風(fēng)能等的開(kāi)發(fā)新能源并利用的政策,使得歐洲的風(fēng)電裝置數(shù)量不斷增加,所以在總體上,世界的風(fēng)電裝機(jī)容量還是處于一個(gè)增長(zhǎng)的勢(shì)頭。由丹麥BTM咨詢公司提供的數(shù)據(jù),在1996~2001年中，每年裝機(jī)容量平均都增長(zhǎng)了約為32.6%。截止2001年底,全球累計(jì)總風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量已達(dá)到25 273 MW,而在短短的2001年，世界新增裝機(jī)容量就為6 824 MW。如表1-1所示。
表1-1 2001年世界累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量前10的國(guó)家
年份
1999
2000
2001
德國(guó)
4440
6110
8730
美國(guó)
2450
2610
4250
西班牙
1810
2840
3550
丹麥
1740
2340
2460
印度
1040
1220
1460
意大利
280
420
700
英國(guó)
360
430
530
荷蘭
430
470
520
中國(guó)
260
340
410
希臘
160
270
360
全世界
13932
18449
25273
從表1-1中，我們能發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)容量最多的國(guó)家是德國(guó), 2001年新增裝機(jī)容量為2 620 MW,總量為8 730 MW,為世界之首;西班牙的新增發(fā)電機(jī)為710 MW,總量為3 550 MW,處于世界第三;丹麥?zhǔn)鞘澜缟现圃祜L(fēng)力發(fā)電設(shè)備水平比較發(fā)達(dá)的國(guó)家之一,它擁有世界上較為先進(jìn)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造產(chǎn)業(yè)。除了這些,丹麥也大力發(fā)展自己國(guó)內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電事業(yè),使得丹麥的風(fēng)力發(fā)電機(jī)新增了120 MW,總量為2 460 MW,處于世界的第四位;世界第五位的是印度，它是發(fā)展中國(guó)家風(fēng)力發(fā)電事業(yè)最發(fā)達(dá)的國(guó)家,2001年一年中，新增了240 MW,總?cè)萘繛?460 MW。
70年代起，中國(guó)開(kāi)始進(jìn)行了并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究和開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。山東從1983年開(kāi)始著手引進(jìn)了3臺(tái)丹麥Vestas55 kW的風(fēng)力機(jī)組,進(jìn)行了并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)的試驗(yàn)。接著在1986和1989年在的達(dá)坂城分別安裝1臺(tái)丹麥制造的Micon 100 kW和13臺(tái)丹麥制造的Bonus150 kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,并且在內(nèi)蒙古的朱日和裝了5臺(tái)美國(guó)制造的Windower 100 kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,從此開(kāi)始了中國(guó)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行試驗(yàn)。2001年底,中國(guó)風(fēng)電總發(fā)電機(jī)量為410 MW,處于世界第九。中國(guó)蘊(yùn)藏著豐富的風(fēng)能,據(jù)統(tǒng)計(jì)，可利用的風(fēng)能約2·53億kW,但是，由于技術(shù)原因，我國(guó)的風(fēng)力資源還沒(méi)有得到十分充分的利用與開(kāi)發(fā)[5]。
“十五”期間，中國(guó)的并網(wǎng)風(fēng)電得到迅速發(fā)展。至2006年，中國(guó)風(fēng)電總?cè)萘恳呀?jīng)達(dá)到2600兆瓦，成為繼歐洲、美國(guó)和印度世界三巨頭之后，發(fā)展風(fēng)力發(fā)電的主要國(guó)家之一。2007年以來(lái)，中國(guó)的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)規(guī)模更是出現(xiàn)了暴發(fā)式增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。就2008年，中國(guó)新增的風(fēng)力發(fā)電容量就有7190兆瓦，增長(zhǎng)率108%，累計(jì)容量超過(guò)了13000兆瓦。山東、遼寧、內(nèi)蒙古、廣東、等地區(qū)由于豐富風(fēng)能資源，所以風(fēng)電產(chǎn)業(yè)得以飛快的發(fā)展。
中國(guó)風(fēng)能等利用新能源而發(fā)電的行業(yè)有很寬廣發(fā)展的前景，預(yù)計(jì)在未來(lái)的很長(zhǎng)一段時(shí)間力，我國(guó)的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)將繼續(xù)飛速發(fā)展，同時(shí)隨著技術(shù)的逐漸成熟，盈利的能力也能逐步提高。隨著中國(guó)風(fēng)電發(fā)電的規(guī)?；桶l(fā)電機(jī)的國(guó)產(chǎn)化，風(fēng)電的成本問(wèn)題將得到解決。所以風(fēng)電慢慢變成許多投資者的投資目標(biāo)。諸如風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的建設(shè)、并網(wǎng)發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的制造等許多領(lǐng)域?qū)⒊蔀橥顿Y的目標(biāo)，有良好的發(fā)展空間[6]。
1.3本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)背景與應(yīng)用意義
由于市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與城市化的推廣，城市、城郊的公共設(shè)施晚間燈箱指示越來(lái)越多，而其帶電電線的星羅棋布，十分容易造成安全隱患。若應(yīng)用低風(fēng)速小功率風(fēng)力發(fā)電蓄電供電，也就可消除不少不安全因素，同時(shí)又節(jié)能環(huán)保，減少城市用電負(fù)擔(dān)。
目前開(kāi)始普及的風(fēng)力發(fā)電路燈其風(fēng)力發(fā)電實(shí)際檢測(cè)均在風(fēng)速3m/s才能啟動(dòng)，如上海地區(qū)正常情況下，風(fēng)速2.3~2.5m/s的較多，因而也就造成了目前不少風(fēng)光互補(bǔ)路燈不能充分利用低速風(fēng)能，風(fēng)力發(fā)電時(shí)間較短的情況。
本課題來(lái)自于社會(huì)的需求，風(fēng)力是一種清潔能源，是一種環(huán)保能源。相對(duì)于傳統(tǒng)的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有設(shè)計(jì)方法先進(jìn)、風(fēng)能利用率高、起動(dòng)風(fēng)速低、無(wú)噪音等眾多優(yōu)點(diǎn)，具有更加廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景，相信在不久的將來(lái)，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)將大有作為[7]。
因此充分利用低速風(fēng)能的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)在提倡可持續(xù)發(fā)展的今天顯得尤為重要。
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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第2章 小型風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)制造的基本理論
第2章 小型風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)制造的基本理論
2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的分類
2.1.1 按風(fēng)輪軸的安裝形式分
(1) 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)(HAWT) ——風(fēng)輪軸線的安裝位置與水平面夾角不大于。其葉片翼形通常使用飛機(jī)翼形，它以類似螺旋槳式的葉片繞水平軸旋轉(zhuǎn)。風(fēng)輪的掃掠面與風(fēng)向垂直，并隨風(fēng)向變化而迎風(fēng)回轉(zhuǎn)[8]。
(2) 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)(VAWT) ——風(fēng)輪軸線的安裝位置與水平面垂直。其葉片繞垂直軸旋轉(zhuǎn)。
(3) 傾斜軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)(IAWT) ——風(fēng)輪軸線的安裝位置與水平面夾角為 (不包括)。它的應(yīng)用范圍較少。
2.1.2 按風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率分
(1) 微型風(fēng)力發(fā)電機(jī) ——額定功率在 ≤ 1000 W的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
(2) 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī) ——額定功率在 1.0 ~ 10.0 kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
(3) 中型風(fēng)力發(fā)電機(jī) ——額定功率在10.0 ~ 100.0 kW 的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
(4) 大型風(fēng)力發(fā)電機(jī) ——額定功率在 ≥ 100.0 kW 的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
2.1.3 按風(fēng)通過(guò)風(fēng)輪及塔架的先后次序分
(1) 上風(fēng)式風(fēng)力發(fā)電機(jī) ——使風(fēng)先通過(guò)風(fēng)輪再通過(guò)塔架的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
(2) 下風(fēng)式風(fēng)力發(fā)電機(jī) ——使風(fēng)先通過(guò)塔架再通過(guò)風(fēng)輪的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
2.1.4 按額定葉尖速度比分
(1) 高速風(fēng)力發(fā)電機(jī) ——額定葉尖尖速比 ≥ 3的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
(2) 低速風(fēng)力發(fā)電機(jī) ——額定葉尖尖速比 < 3的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
2.2 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的概述
本節(jié)將對(duì)目前技術(shù)最為成熟的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行概述。其目的在于給出一套較為全面的，系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、組成、工作原理等基本信息,并為本次垂直軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的畢業(yè)設(shè)計(jì)做好相應(yīng)的準(zhǔn)備。
2.2.1 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)組成
水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)由以下主要部分組成： 風(fēng)輪 、風(fēng)輪軸 、低速聯(lián)軸器 、增速器 、高速軸、高速聯(lián)軸器 、發(fā)電機(jī) 、塔架 、調(diào)速裝置 、調(diào)向裝置 、制動(dòng)器等。機(jī)械結(jié)構(gòu)圖如圖2-1。
圖2-1 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖
三維結(jié)構(gòu)圖如2-2，典型結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-3所示。
圖2-2 大型水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)三維結(jié)構(gòu)
圖2-3 水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
2.2.2 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)各組成部分概述
(1)風(fēng)輪
葉片裝在輪轂上，稱為風(fēng)輪。
它包括葉片，輪轂等，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接接受風(fēng)能的部件。葉片的數(shù)量與尖速比（風(fēng)輪葉尖速度與風(fēng)速之比）匹配并選取，常取1~4片，一般用2、3片居多。由于其為接受風(fēng)能的部件，所以葉片的扭曲、翼型的各種參數(shù)及結(jié)構(gòu)直接影響接受風(fēng)能的效率和其壽命[9]。
葉片尖端在風(fēng)輪傳動(dòng)中所形成圓的直徑稱為風(fēng)輪直徑，也稱葉片直徑。
葉片的典型結(jié)構(gòu)如圖2-4，圖2-5所示。
圖2-4 不同種類葉片的內(nèi)部材料
圖2-5 風(fēng)輪機(jī)葉片的典型構(gòu)造
又因?yàn)槿~片在轉(zhuǎn)動(dòng)中，距轉(zhuǎn)動(dòng)中心不同半徑的線速度也不同，接受的風(fēng)能也不同，為了使接受的風(fēng)能大體一致，一般做成從葉根至葉尖是漸縮型，并扭轉(zhuǎn)一定角度。
葉片裝于輪轂上，有一些結(jié)構(gòu)中調(diào)速裝置裝于輪轂中，也有一些結(jié)構(gòu)中裝于葉片上。
本論文后章節(jié)將會(huì)對(duì)葉片的基本概念、設(shè)計(jì)等多方面進(jìn)行敘述。
(2) 增速器
因?yàn)槟承╋L(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速低，而發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速高，為使它們匹配，便要在風(fēng)輪低速軸與發(fā)電機(jī)高速軸之間裝增速器。增速器就是一個(gè)將轉(zhuǎn)速變高的變速器。
增速器的增速比i就是發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速與風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速的比，即
(2-1)
設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量選擇多極、低轉(zhuǎn)數(shù)的發(fā)電機(jī)，以降低增速比。若需大增速比，而要體積小，就要選擇行星齒輪增速器來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。并且設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量使用斜齒輪以減少噪音，在滿足傳動(dòng)比的情況下使其體積小，重量輕，同時(shí)應(yīng)適當(dāng)選取材料、科學(xué)的工藝使使用壽命達(dá)到20年以上。
(3) 聯(lián)軸器
連接在增速器與發(fā)電機(jī)之間，起連接作用。為了減少整體的體積，一般與風(fēng)機(jī)的制動(dòng)裝置設(shè)計(jì)在一起。
(4) 制動(dòng)器
制動(dòng)器是一種能使風(fēng)力發(fā)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置。
制動(dòng)器一般分為液壓驅(qū)動(dòng)的制動(dòng)器，人力驅(qū)動(dòng)的制動(dòng)器和電磁驅(qū)動(dòng)的制動(dòng)器等。電磁驅(qū)動(dòng)的制動(dòng)器需外部電源。液壓驅(qū)動(dòng)的制動(dòng)器則需要一整套液壓系統(tǒng)。
(5) 發(fā)電機(jī)
發(fā)電機(jī)是將葉片接受的風(fēng)能最終轉(zhuǎn)化成電能的設(shè)備。
本論文后章節(jié)將會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)的基本特點(diǎn)、設(shè)計(jì)等多方面進(jìn)行敘述。
(6) 塔架
塔架是支撐風(fēng)力發(fā)電機(jī)的支架。
塔架一般有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，圓錐型鋼管結(jié)構(gòu)和型鋼桁架結(jié)構(gòu)等，如圖2-6所示。
圖2-6 2種典型塔架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
同時(shí)塔架又分為硬塔、柔塔、甚柔塔。其對(duì)塔架的固有頻率有如下要求：
(1) 硬塔的固有頻率 > kn
(2) 柔塔的固有頻率 kn ~ n在之間
(3) 甚柔塔的固有頻率 < n (其中k為葉片數(shù)，n為風(fēng)輪轉(zhuǎn)數(shù)，r/min)
為防止塔架生銹，往往需要對(duì)鋼制的塔架進(jìn)行熱鍍鋅處理。
2.3 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的概述
目前，由于在國(guó)內(nèi)外，垂直軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的相關(guān)技術(shù)仍處于發(fā)展探索階段，與其有關(guān)的概念、技術(shù)資料、設(shè)計(jì)資料、計(jì)算資料等還未系統(tǒng)化、理論化,故本節(jié)將在上節(jié)的概述基礎(chǔ)上，以已有的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，對(duì)其相關(guān)結(jié)構(gòu)、組成等進(jìn)行區(qū)別性論述。
2.3.1 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)組成
在已有的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，較為典型的有：達(dá)里厄(Darrieus)式垂直風(fēng)力發(fā)電機(jī)、旋翼式風(fēng)力發(fā)電機(jī)等[10]。
大型達(dá)里厄垂直風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要由風(fēng)輪、垂直軸、增速器、聯(lián)軸器、制動(dòng)器、發(fā)電機(jī)、塔架和拉線等組成。
圖2-7 大型達(dá)里厄Φ風(fēng)輪垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)
大型旋翼式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要由風(fēng)輪、上支撐、塔架、翼片制動(dòng)器、下支撐、增速器、發(fā)電機(jī)等組成。如圖2-8所示。
圖2-8 大型旋翼式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)
小型直驅(qū)式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由：風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、軸、聯(lián)軸器、塔架等組成。
2.3.2 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的各組成部分概述
根據(jù)此次畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求，將設(shè)計(jì)一臺(tái)微垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，故本小節(jié)將在此對(duì)該類型風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)中不包括在內(nèi)的，如調(diào)向裝置等，不加以描述；而對(duì)具有相同特征的，如塔架等，也不加以描述。
(1)風(fēng)輪
垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪主要分兩種類型，一種是利用空氣動(dòng)力阻力做功的阻力型風(fēng)輪，如S型風(fēng)輪。另一種是利用翼型升力做功的升力型風(fēng)輪，如達(dá)里厄型風(fēng)輪。如圖2-9。
圖2-9 典型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪形式
因?yàn)樽枇π惋L(fēng)輪受偏轉(zhuǎn)、安全極限應(yīng)力、風(fēng)能利用效率低等諸多限制因素，故在應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電機(jī)上時(shí)，采用可以克服上述問(wèn)題的升力型風(fēng)輪，其中最為典型的就是達(dá)里厄型風(fēng)輪。它由法國(guó)人達(dá)里厄(Darrieus)于1925年發(fā)明，但當(dāng)時(shí)未受人們注意。直到石油危機(jī)后，才得到加拿大國(guó)家科學(xué)研究委員會(huì)和美國(guó)圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的重視，并做了大量研究與發(fā)展，取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，發(fā)展了許多形式。
圖2-10 達(dá)里厄型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪結(jié)構(gòu)形式
圖2-10所示的5種風(fēng)輪，葉片基本上分為直葉片與彎葉片兩種，以H型和Φ型風(fēng)輪為典型風(fēng)輪。葉片具翼型剖面，空氣繞葉片流動(dòng)產(chǎn)生合力形成轉(zhuǎn)矩。
(2)調(diào)速裝置
垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的調(diào)速問(wèn)題一直是制約其發(fā)展的一個(gè)技術(shù)難題，但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，目前已有了許多應(yīng)對(duì)方法。
1．通過(guò)風(fēng)輪葉片進(jìn)行調(diào)速的有：調(diào)速電機(jī)變槳距調(diào)速裝置、推力彈簧式葉片調(diào)速等多形式彈簧變迎角調(diào)速裝置。
圖2-11 推力彈簧式葉片調(diào)速裝置
2．通過(guò)直接保護(hù)發(fā)電機(jī)不進(jìn)行調(diào)速的有：離心開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置。
3．通過(guò)調(diào)整軸轉(zhuǎn)速的有：超越離合器調(diào)速裝置。
2.4 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)與水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的比較
垂直式風(fēng)車(chē)很早就被應(yīng)用于人類的生活領(lǐng)域中，中國(guó)最早利用風(fēng)能的形式就是垂直軸風(fēng)車(chē)。但是垂直式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)明則要比水平軸的晚一些，直到20世紀(jì)20年代才開(kāi)始出現(xiàn)。由于人們普遍認(rèn)為垂直式的風(fēng)輪尖速比是小于 1的，引得風(fēng)能的利用率遠(yuǎn)比水平式風(fēng)力發(fā)電機(jī)低，從而使得垂直式風(fēng)力發(fā)電機(jī)在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，并不得到重視。
但隨著人們的認(rèn)知能力的增加和科學(xué)技術(shù)的不斷更新，人們慢慢認(rèn)識(shí)到垂直式的風(fēng)輪尖速比小于1 僅僅適用于阻力型風(fēng)輪 ，而升力型風(fēng)輪的尖速比能大于1，甚至能夠大于 6，并且垂直式對(duì)于風(fēng)能的利用率也不比水平式的差[11]。
2.4.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及組成的比較
在前面的概述中已經(jīng)提到，垂直式風(fēng)力發(fā)電機(jī)能接受四面八方的風(fēng)，無(wú)需調(diào)向裝置，這樣大大簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)。同時(shí)，使得外觀上更顯簡(jiǎn)潔、輕巧。
另外，水平式的發(fā)電機(jī)都置于幾十米的高空，這給發(fā)電機(jī)的安裝和維護(hù)檢修帶來(lái)了諸多不方便。而垂直式的發(fā)電機(jī)則能夠安置在風(fēng)輪的下部或是地面，便于安裝和日常維護(hù)、修理。
不僅如此，水平式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片每當(dāng)旋轉(zhuǎn)一周的，在其慣性和重力等的一同作用，由于而重力方向一直保持水平向下，慣性力方向是隨時(shí)間變化而變化，這兩個(gè)力產(chǎn)生一個(gè)交變的載荷作用于葉片上，這對(duì)十分容易破壞葉片的疲勞強(qiáng)度。相反，垂直式風(fēng)輪的葉片在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中的受力情況要比水平式的好的多，由于慣性力與重力的方向始終不變，所受的是一恒定載荷，因此疲勞壽命要比水平軸的長(zhǎng)。
2.4.2 風(fēng)能利用率的比較
目前，大型的水平式風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)于風(fēng)能的利用率很大程度上是由計(jì)算葉片的設(shè)計(jì)所得，普遍>40% 。前面已經(jīng)提到了，雖然許多設(shè)計(jì)如此，但這種設(shè)計(jì)方法本身是有缺陷在其中的，這樣計(jì)算所得的數(shù)據(jù)的正確性需要多多的推敲推敲。當(dāng)然，風(fēng)力發(fā)電廠的風(fēng)力發(fā)電機(jī)都是根據(jù)實(shí)際測(cè)量得到的風(fēng)速和實(shí)際風(fēng)機(jī)輸出功率去繪制出風(fēng)的功率曲線圖，雖然比起單單根據(jù)葉片的設(shè)計(jì)所得的數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，要正確許多，但是先繁瑣不說(shuō)，此法扯得風(fēng)速，已經(jīng)是經(jīng)過(guò)風(fēng)輪后，那些小于實(shí)際的風(fēng)的風(fēng)速，所以這樣測(cè)量出來(lái)的數(shù)據(jù)比實(shí)際的應(yīng)該要高些，應(yīng)當(dāng)需要修正。根據(jù)《風(fēng)力發(fā)電新技術(shù)與發(fā)電工程設(shè)計(jì)、運(yùn)行、維護(hù)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實(shí)用手冊(cè)》的修正方法修正后，水平式的風(fēng)能利用率要被削減大約30%-50% 。對(duì)于小型水平式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用率，有關(guān)部門(mén)曾作過(guò)對(duì)于的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，實(shí)際測(cè)量出，其利用率大約在23%-29%。
由于先前經(jīng)常采用葉素理論來(lái)計(jì)算設(shè)計(jì)垂直式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用率，可以得出利用率比水平式差的結(jié)論，但是通過(guò)上海麟風(fēng)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備有限公司的CFD模擬數(shù)據(jù)，垂直式風(fēng)輪的風(fēng)能利用率不比水平軸的低，國(guó)外也有機(jī)構(gòu)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，垂直式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用率在大于40% 。而且，在實(shí)際環(huán)境中，風(fēng)向是時(shí)常發(fā)生改變的，水平式的風(fēng)輪的迎風(fēng)面不可能始終對(duì)著風(fēng)，這就會(huì)引起了“對(duì)風(fēng)損失”，而垂直式風(fēng)輪則不存在這個(gè)問(wèn)題，因此在考慮了對(duì)風(fēng)損失之后，垂直式風(fēng)輪的風(fēng)能利用率可以超過(guò)水平式風(fēng)輪。
2.4.3 環(huán)保方面的比較
雖然風(fēng)力發(fā)電是清潔能源，能起到很好的環(huán)保作用，但是隨著越來(lái)越多大型風(fēng)電場(chǎng)的建立，一些由風(fēng)力發(fā)電機(jī)引發(fā)的環(huán)保問(wèn)題也凸顯出來(lái)。這些問(wèn)題主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面： 一是噪音問(wèn)題，二是對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的影響。
高尖速比的水平軸風(fēng)輪在高速運(yùn)行狀態(tài)下，葉片切割氣流會(huì)產(chǎn)生很大的氣動(dòng)噪音，給人們的生活帶來(lái)不便。不但如此，其產(chǎn)生的特殊聲音頻率還將吸引部分鳥(niǎo)類、蝙蝠等飛行類生物，致使它們慘死在風(fēng)輪之下。這就是為什么近年來(lái)生態(tài)學(xué)家，尤其是鳥(niǎo)類學(xué)家反對(duì)風(fēng)力發(fā)電的重要原因[12]。而低尖速比的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)就特別適合在城市中的公共設(shè)施、民宅等場(chǎng)所，它運(yùn)行時(shí)基本不產(chǎn)生噪音氣動(dòng)，甚至達(dá)到了靜音效果，因而有著更為廣闊的應(yīng)用范圍。
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第3章 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的總體方案確定論
第3章 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的總體方案確定
3.1風(fēng)力機(jī)的選擇
風(fēng)力機(jī)的分類方法很多，其中按風(fēng)力機(jī)主軸布置方向可分為水平軸風(fēng)力機(jī)和垂直軸風(fēng)力機(jī)，水平軸風(fēng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)主軸與風(fēng)向平行，如圖3-1所示。水平軸風(fēng)力機(jī)組有兩個(gè)主要優(yōu)勢(shì)：1.實(shí)度較低，能量成本低；2.葉輪掃掠面的平均高度可以更高，有利于增加發(fā)電量。
圖3-1 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)
垂直軸風(fēng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)主軸與風(fēng)向垂直，如圖3-2所示，垂直軸風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，風(fēng)輪無(wú)需對(duì)風(fēng)，其優(yōu)點(diǎn)有：1.可以接受任何風(fēng)向的風(fēng)，無(wú)需對(duì)風(fēng)；2.齒輪箱和發(fā)電機(jī)可以安裝在地面，檢修維護(hù)方便。
圖3-2 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)
按照槳葉受力方式分類可分為升力型風(fēng)力機(jī)和阻力型風(fēng)力機(jī)。升力型風(fēng)力機(jī)利用葉片的升力帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而轉(zhuǎn)化風(fēng)能為電能，這種風(fēng)力機(jī)目前較為常見(jiàn)，大部分水平軸風(fēng)力機(jī)都屬于升力型風(fēng)力機(jī)。目前大中型風(fēng)電主要采用水平軸風(fēng)力機(jī)，屬升力型風(fēng)力機(jī)，具有轉(zhuǎn)速高、風(fēng)的利用率較高等優(yōu)點(diǎn)，其葉尖速比通常在4以上，最大功率系數(shù)可達(dá)50%，如圖3-3所示。阻力型風(fēng)力機(jī)利用葉片上受到的阻力來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，大部分阻力型風(fēng)力機(jī)為垂直軸，目前較少，如圖3-4所示。
圖3-3 升力型風(fēng)力發(fā)電機(jī)
圖3-4 阻力型風(fēng)力發(fā)電機(jī)
垂直軸升力型風(fēng)力機(jī)既有垂直軸風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，又和升力型風(fēng)力機(jī)一樣具有較高轉(zhuǎn)速，風(fēng)能利用率有所提高。由于運(yùn)行過(guò)程中受力比水平軸好得多，疲勞壽命要更長(zhǎng)。
綜上，我們選擇垂直式升力型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
3.2 垂直軸風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)
如圖3-5所示建立平面坐標(biāo)系，假定風(fēng)速矢量為v，葉片端線速度矢量為u，葉片所在位置夾角為θ，則葉片的平均線速度為[5]
（3.1）
在圖3-5中，風(fēng)速矢量v=（0，-V），葉片速度矢量u=（-Usinθ,Ucosθ），風(fēng)對(duì)葉片的相對(duì)速度w=v+u，坐標(biāo)運(yùn)算后得w=（-Usinθ，-V+Ucosθ）。
圖3-5 垂直風(fēng)力機(jī)動(dòng)力原理
相對(duì)風(fēng)速的大小就是矢量w的模|w|，以表示w的單位矢量，表示u的單位矢量，則可以求出此時(shí)的攻角α，攻角就是相對(duì)風(fēng)速與葉片弦長(zhǎng)所在直線的夾角，按照矢量計(jì)算可推得：
（3.2）
在風(fēng)力的作用下，葉片在攻角α?xí)r受到的升力和阻力可以按以下公式計(jì)算：
（3.3）
（3.4）
將升力和阻力投影到風(fēng)輪切方向：
（3.5）
（3.6）
其中Flt為Fl在切向的分量；Fdt為Fd在切向的分量。
葉片受力分解如圖3-6所示[6]。
圖3-6 垂直風(fēng)力機(jī)的葉素力學(xué)模型
切向力的合力產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，葉片在位置角為θ時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為
（3.7）
3.2.1 風(fēng)能利用率
風(fēng)能利用系數(shù)Cp是表示風(fēng)力機(jī)效率的重要參數(shù)，由于風(fēng)通過(guò)風(fēng)輪的風(fēng)能不能完全轉(zhuǎn)化為風(fēng)輪機(jī)械能，其風(fēng)能利用率Cp為[7]
（3.8）
其中Pm為風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械功率；Pw為風(fēng)力機(jī)輸入的風(fēng)能。
目前大型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用率絕大部分是由葉片設(shè)計(jì)方計(jì)算得到的，一般在40%以上。由于之前一般都是利用葉素理論來(lái)計(jì)算垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用率，得出的結(jié)果不如水平軸，但是根據(jù)國(guó)外最新的實(shí)驗(yàn)表明垂直軸的風(fēng)能利用率不低于40%[8]，再加上水平軸風(fēng)力機(jī)受到風(fēng)向變化的影響，而垂直軸風(fēng)力機(jī)可以在任何風(fēng)速角下工作，因此有理由相信垂直軸風(fēng)力機(jī)的利用率能夠超過(guò)水平軸。
3.2.2 Cp-λ功率特性曲線
風(fēng)能利用系數(shù)Cp一般是變化的，它隨著風(fēng)速與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變化而變化，葉片尖端線速度與風(fēng)速之比叫做葉尖速比λ（將在第3.2.4節(jié)具體說(shuō)明），為了得到最佳的風(fēng)能利用率，一般根據(jù)Cp-λ曲線來(lái)選擇合適的葉尖速比，如圖3-7所示。
圖3-7 Cp-λ曲線圖
從圖3-7中看出，當(dāng)葉尖速比達(dá)到7.5左右時(shí)風(fēng)能利用系數(shù)最大，風(fēng)能利用率最高，Cp值有一個(gè)最大值，實(shí)際風(fēng)力機(jī)一般都達(dá)不到這么高的風(fēng)能利用率，所以我們先初定葉尖速比在λ=6，風(fēng)能利用率Cp=0.4時(shí)對(duì)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體的Cp-λ圖還需根據(jù)具體的風(fēng)力機(jī)葉片試驗(yàn)及攻角調(diào)整來(lái)確定。
3.2.3 貝茨極限
風(fēng)能利用系數(shù)縮短能達(dá)到的最大值就是貝茨極限，德國(guó)空氣動(dòng)力學(xué)家Albert Betz提出貝茨極限后,直到今天還沒(méi)有人能設(shè)計(jì)出超過(guò)這個(gè)極限的風(fēng)力機(jī)，該極限不是由于設(shè)計(jì)不足造成的，而是因?yàn)榱鞴懿坏貌辉谥聞?dòng)盤(pán)上游膨脹，使得自由流速比在圓盤(pán)處小，貝茨極限由一下微分方程得出[9]：
（3.9）
式中a為氣流誘導(dǎo)因子。
解微分方程可知當(dāng)a=1/3時(shí)，Cp最大，求得最大Cp=0.953。
3.2.4 葉尖速比
風(fēng)輪葉片尖端線速度與風(fēng)速之比稱為葉尖速比，阻力型風(fēng)力機(jī)葉尖速比一般為0.3至0.6，升力型風(fēng)力機(jī)葉尖速比一般為3至8。在升力型風(fēng)力機(jī)中，葉尖速比直接反映了相對(duì)風(fēng)速與葉片運(yùn)動(dòng)方向的夾角，即直接關(guān)系到葉片的攻角，是分析風(fēng)力機(jī)性能的重要參數(shù)。葉尖速比計(jì)算公式為
（3.10）
3.2.5 風(fēng)力機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)計(jì)算
1. 風(fēng)力機(jī)有效功率：風(fēng)力機(jī)有效功率可由下式求出：
式中： ——風(fēng)能利用系數(shù)，最大值是貝茲極限59.3%；
ρ——空氣密度，；
A——風(fēng)輪的掃掠面積，；
V——風(fēng)速，m/s。就本設(shè)計(jì)而言：取葉片數(shù)為4，葉尖速比λ=5，取，ρ=1.25，V=8m/s。
2.風(fēng)輪掃掠面積S及風(fēng)輪直徑D的設(shè)計(jì)
(1)風(fēng)力機(jī)功率的計(jì)算
發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率為500W，其中要經(jīng)過(guò)聯(lián)軸器，增速機(jī)構(gòu)，發(fā)電機(jī)，取聯(lián)軸器效率為0.99，滾動(dòng)軸承效率為0.99，閉式齒輪效率為0.97，發(fā)電機(jī)效率為0.71。故：
(2)風(fēng)輪的掃掠面積S的確定
風(fēng)力機(jī)有效功率 ，故風(fēng)輪掃掠面積S為：
式中 P為風(fēng)力機(jī)實(shí)際獲得總功率，W；ρ為空氣密度，kg/m3；取標(biāo)準(zhǔn)值1.25 kg/m3；S為風(fēng)輪的掃風(fēng)面積，m2；v為上游風(fēng)速，m/s。
(3)風(fēng)輪直徑D的確定
以上結(jié)果表明：通過(guò)風(fēng)功率為1384.02W的風(fēng)力機(jī)組，掃掠面積為4.325 m2，在風(fēng)速為8m/s的情況下發(fā)電功率為500W。風(fēng)輪高度與直徑的比值為風(fēng)輪的高徑比，應(yīng)該在輸出相同功率時(shí)葉片制造費(fèi)用最低的條件下，選擇高徑比，研究表明，高徑比為1附近時(shí)相同的材料掃風(fēng)面積最大，其中H為風(fēng)輪高度，D為風(fēng)輪直徑。
求出風(fēng)輪掃掠面積A后，便可計(jì)算出風(fēng)輪直徑：
由
得到H=2.2m，D=2.0m，產(chǎn)生的掃掠面積基本上能符合要求.
風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩：
（4）風(fēng)輪轉(zhuǎn)速n 的計(jì)算及增速比i 的確定
由《可再生能源及其發(fā)電技術(shù)》表3.15與表3.16取尖速比為5，葉片數(shù)為4。
風(fēng)輪轉(zhuǎn)速:角速度=線速度/半徑 (5-1)
= 8 m/s/ 1m
= 8 rad/s
轉(zhuǎn)速=角速度/ 2 (5-2)
= 1.4 r/s
= 84.3 r/min
故增速比
3.3 葉片選型
葉片是利用氣流通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的壓力差使葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的部件，具有空氣動(dòng)力學(xué)特性，其設(shè)計(jì)質(zhì)量對(duì)整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其他零部件有這直接影響，因此葉片是風(fēng)力機(jī)的重要部件。葉片的設(shè)計(jì)目標(biāo)主要有：
1. 良好的空氣動(dòng)力外形；
2. 可靠地結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；
3. 合理的葉片剛度；
4. 良好的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性和啟動(dòng)穩(wěn)定性；
5. 耐腐蝕、方便維修；
6. 滿足以上目標(biāo)前提下，盡可能減輕葉片重量，降低成本。
根據(jù)目前市場(chǎng)上同類型產(chǎn)品中廣泛采用的風(fēng)輪類型，故決定選用經(jīng)過(guò)大量風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和長(zhǎng)期實(shí)踐應(yīng)用都被認(rèn)為較為理想的CLARK Y翼型為剖面翼型、通過(guò)直徑為6mm不銹鋼棒兩頭均以螺紋方式將翼型葉片與連接器相連，構(gòu)成的4葉H型風(fēng)輪為本次風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)。
3.3.1 葉片實(shí)度
風(fēng)力機(jī)葉片的總面積與風(fēng)通過(guò)風(fēng)輪的面積（風(fēng)輪掃掠面積）之比稱為實(shí)度比（容積比），是風(fēng)力機(jī)的一個(gè)參考數(shù)據(jù)。垂直軸風(fēng)力機(jī)的葉片實(shí)度計(jì)算公式為：
（3.12）
升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)葉輪，C為葉片弦長(zhǎng)，N為葉片個(gè)數(shù)，R為風(fēng)輪半徑，L為葉片長(zhǎng)度，σ為實(shí)度比。合理選取實(shí)度比的原則是在保證風(fēng)輪氣動(dòng)特性的條件下，力求使制造葉片的費(fèi)用最低。為了最大限度提高動(dòng)效率，翼型特性應(yīng)具有下列要求：
1. 升力系數(shù)斜度大；
2. 阻力系數(shù)??；
3. 阻力系數(shù)與零升角對(duì)稱。
為了實(shí)際安裝面積等的需求，風(fēng)機(jī)整體尺寸不宜過(guò)大，通過(guò)多次迭代計(jì)算，確定風(fēng)輪掃掠直徑為2m，葉片的弦長(zhǎng)為0.25m。
3.5風(fēng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的計(jì)算
根據(jù)CLARK-Y翼型升力與阻力系數(shù)與迎角的關(guān)系曲線圖，如圖3-7所示：
圖3-7 CLARK-Y翼型升力與阻力系數(shù)與迎角的關(guān)系曲線
因?yàn)轱L(fēng)輪的連續(xù)工作性，使得其在某一微小時(shí)間內(nèi)總有一片葉片處于最佳迎角，所以最佳迎角13°時(shí)所獲風(fēng)動(dòng)能最大，即就是風(fēng)輪輸出的最大轉(zhuǎn)矩。如圖3-8所示。
由公式
(3-2)
(3-3)
(3-4)
式中: ——空氣密度，1.205 kg/m3
R——風(fēng)輪掃掠半徑，m
S——單個(gè)葉片受風(fēng)面積，m2
M——葉片接受風(fēng)能后形成的轉(zhuǎn)矩，N*m
N——葉片接受的風(fēng)能功率，W
解得：當(dāng)風(fēng)速為2.50m/s時(shí)，M = 1.6656 N*m
當(dāng)風(fēng)速為3.00m/s時(shí)，M = 2.3982 N*m
當(dāng)風(fēng)速為3.55m/s時(shí)，M = 3.3582N*m
當(dāng)風(fēng)速為4.26m/s時(shí)，M = 4.8360 N*m
3.3.2 葉片形狀及材料
1.葉片螺栓受力處采用杉木，其余有尺寸標(biāo)注的用Balsa木（輕木）填充，剩下的為泡沫材料填充，外蒙用E-玻璃纖維進(jìn)行3D編織而成的玻璃纖維蒙皮。
2.選擇直徑在３０厘米以上、樹(shù)干通直且外觀無(wú)缺陷的杉木新伐原木。
3.對(duì)杉木沿徑向方向下料。
4.將下料后的杉木徑切成適當(dāng)規(guī)格的毛坯板，并烘干至含水率低于１２％。
5.通過(guò)目測(cè)，選擇直紋理、材質(zhì)均勻、年輪寬度小于２ｍｍ且分部均勻、外觀無(wú)生長(zhǎng)缺陷和加工缺陷的毛坯板作為待加工件。
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第4章 電氣設(shè)備設(shè)計(jì)
第四章 電氣設(shè)備設(shè)計(jì)
4.1 基本原理
4.1.1 法拉第電磁感應(yīng)原理
磁通量的變化將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，閉合電路的一部分導(dǎo)線切割磁感線將產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種現(xiàn)象叫做電磁感應(yīng)，1820年H.C.奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)，之后許多科學(xué)家試圖解釋這一現(xiàn)象，1831年8月，法拉第認(rèn)為感應(yīng)電流是由與導(dǎo)體性質(zhì)無(wú)關(guān)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的，即使沒(méi)有回路沒(méi)有感應(yīng)電流，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)依然存在。法拉第電磁感應(yīng)定律可用以下公式表示：
（4.1）
其中：e為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，N為線圈匝數(shù)，為磁通量變化量。
導(dǎo)線切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可用以下公式表示：
（4.2）
其中B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，L為導(dǎo)線長(zhǎng)度,v為導(dǎo)線切割速度。
4.1.2 相位角及功率因數(shù)
瞬時(shí)電壓及瞬時(shí)電流由以下公式得到：
（4.3）
（4.4）
其中Um為電壓最大值，Im為電流最大值，φ是瞬時(shí)電壓與瞬時(shí)電流的夾角。
瞬時(shí)功率為：
（4.5）
在一個(gè)周期內(nèi)對(duì)瞬時(shí)功率積分獲得平均功率：
（4.6）
對(duì)于三相電流，每相電流等于的線圈電流，實(shí)際產(chǎn)生的功率為：
（4.7）
式中即為功率因數(shù)。
4.2 轉(zhuǎn)化裝置
4.1.1發(fā)電機(jī)的分類及設(shè)計(jì)類型選擇
發(fā)電機(jī)分為直流發(fā)電機(jī)和交流發(fā)電機(jī)兩大類。
直流發(fā)電機(jī)又分為有刷直流發(fā)電機(jī)與無(wú)刷直流發(fā)電機(jī)。雖然對(duì)于微小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，因其功率、電壓輸出較小，使得其經(jīng)常被采用，但根據(jù)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合上看，并不適宜用此類發(fā)電機(jī)。原因有：直流發(fā)電機(jī)由于有換向器、碳刷等額外結(jié)構(gòu)與組成部件，使其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜且較易發(fā)生故障。再加上有刷直流發(fā)電機(jī)還需定期不間斷地跟換碳刷，以及無(wú)刷直流發(fā)電機(jī)成本昂貴。使得無(wú)形當(dāng)中提高了設(shè)計(jì)與日常維護(hù)的成本，縮短了維護(hù)周期，增大了維護(hù)人員等的相應(yīng)支出，這些無(wú)論從使用方便性與經(jīng)濟(jì)性等方面上講，對(duì)于應(yīng)用在室外公共場(chǎng)所的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的推廣和發(fā)展，顯然是不利的。
交流發(fā)電機(jī)又分為同步發(fā)電機(jī)與異步發(fā)電機(jī)。
異步發(fā)電機(jī)是指異步電機(jī)處于發(fā)電的工作狀態(tài)，從其激勵(lì)方式有電網(wǎng)電源勵(lì)磁發(fā)電(他勵(lì))和利用本身剩磁的并聯(lián)電容自勵(lì)發(fā)電(自勵(lì))兩種情況。通過(guò)研究表明，異步發(fā)電機(jī)的起動(dòng)、并網(wǎng)很方便且便于自動(dòng)控制，價(jià)格低，運(yùn)行可靠，維修便利，運(yùn)行效率也較高，在早期風(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)機(jī)組上基本采用此類發(fā)電機(jī)，可對(duì)于本次畢業(yè)設(shè)計(jì)獨(dú)立運(yùn)行這一設(shè)計(jì)應(yīng)用背景來(lái)看，一般均采用同步發(fā)電機(jī)。
同步發(fā)電機(jī)根據(jù)氣隙磁場(chǎng)較成熟的建立方式可分為通過(guò)繞組通電進(jìn)行勵(lì)磁的電勵(lì)磁與永磁體本身產(chǎn)生磁場(chǎng)的永磁勵(lì)磁。同樣，從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，不需外加能量即可建立磁場(chǎng)，結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單。
綜合前面的各方面比較、敘述，以及在開(kāi)題報(bào)告中所預(yù)計(jì)達(dá)到的目標(biāo)，從而得出本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)類型為小功率永磁同步發(fā)電機(jī)。
4.2.2 直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)
永磁同步發(fā)電機(jī)適合離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用，由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直接由風(fēng)輪驅(qū)動(dòng)，因此不需要安裝升速齒輪箱，這樣避免了齒輪箱產(chǎn)生的損耗、噪聲以及材料的磨損等問(wèn)題。目前普遍使用的永磁同步發(fā)電機(jī)主要有FD系列和YF系列，按照功率和轉(zhuǎn)速選擇發(fā)電機(jī)，經(jīng)過(guò)查閱《中國(guó)電器工程大典第九卷-電機(jī)工程》P617表5.5-2 ，現(xiàn)選擇發(fā)電機(jī)型號(hào)為FD-500，其基本參數(shù)如表4.1所示。
表4-1 FD-500W發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)
項(xiàng)目
符號(hào)
數(shù)值
輸入電壓
U
14V
輸入有效功率
P
100W
效率
>65%
額定相電壓
14V
相數(shù)
m
3
額定相電流
7.14A
額定轉(zhuǎn)速
1500 r/min
機(jī)殼外直徑
D
140mm
發(fā)電機(jī)殼長(zhǎng)度
H
110mm
軸伸出長(zhǎng)度
L
550mm
軸徑
d
25mm
圖4-1 FD-500W發(fā)電機(jī)
4.2.2 電氣系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)
圖4-1 系統(tǒng)電力控制圖
永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子輸出三相交流電經(jīng)過(guò)不控整流電路整流后對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，電子調(diào)壓電路的功能除了對(duì)蓄電池充電的控制外，還負(fù)責(zé)多余電能的卸荷。12V蓄電池接boost電路進(jìn)行升壓，升壓后電壓為24V，整個(gè)系統(tǒng)對(duì)外供電電壓也為24V。光電編碼器的額定電壓是5V，因此在電路中加入R1與R2進(jìn)行分壓限流。
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第5章 增速器設(shè)計(jì)
第5章 增速器設(shè)計(jì)
由前面的章節(jié)可知，需求的增速比i=1500/84.3=17.8 ,在這增速比下，我們只需選擇最普通簡(jiǎn)單的二級(jí)圓柱齒輪增速箱就可以了，不需要選擇行星齒輪等比較難的增速箱。
已知，輸出功率P=80V，大齒輪的轉(zhuǎn)速n1=84.3r/min ,小齒輪的轉(zhuǎn)速n2=1500r/min，齒速比 u=4.2，傳動(dòng)比i=17.8，由風(fēng)輪驅(qū)動(dòng)，工作壽命暫定10年（設(shè)每年工作365天），轉(zhuǎn)向不變。
由于驅(qū)動(dòng)是由風(fēng)力，速度不高，故選用7級(jí)精度（GB 10095—88）。
5.1 材料、種類選擇
由書(shū)《機(jī)械設(shè)計(jì) 濮良貴等主編》表10-1 選擇大齒輪材料為40Cr （調(diào)質(zhì)），硬度為 280HBS ，小齒輪材料為45剛（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS[16]。
考慮到現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用場(chǎng)合，需要箱體長(zhǎng)度較小，而且為了風(fēng)輪軸和電機(jī)軸能更方便的布置，故選用同軸式的圓柱齒輪增速器。
5.2 傳動(dòng)比分配和模式確定
在傳動(dòng)比分配中，同軸式圓柱齒輪增速器的兩級(jí)傳動(dòng)比常取i1=i2≈ 。
所以i1=i2≈4.2
所以設(shè)計(jì)低速軸的大齒輪 =84，設(shè)計(jì)高