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小型風(fēng)力發(fā)電機機械結(jié)構(gòu)及限速控制系統(tǒng)設(shè)計
第一章 概述
1.1 風(fēng)力發(fā)電機概況
風(fēng)能的利用有著悠久的歷史。近年來, 資源的短缺和環(huán)境的日趨惡化使世界各國開始重視開發(fā)和利用可再生、且無污染的風(fēng)能資源。自80年代以來, 風(fēng)能利用的主要趨勢是風(fēng)力發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電最初出現(xiàn)在邊遠(yuǎn)地區(qū), 應(yīng)用的方式主要有: 1) 單獨使用小型風(fēng)力發(fā)電機供家庭住宅使用; 2) 風(fēng)力發(fā)電機與其它電源聯(lián)用可為海上導(dǎo)航設(shè)備和遠(yuǎn)距離通信設(shè)備供電; 3) 并入地方孤立小電網(wǎng)為鄉(xiāng)村供電。
隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展, 風(fēng)力發(fā)電迅猛發(fā)展。以機組大型化(50kW～ 2MW )、集中安裝和控制為特點的風(fēng)電場(也稱風(fēng)力田、風(fēng)田) 成為主要的發(fā)展方向。20 年來, 世界上已有近30 個國家開發(fā)建設(shè)了風(fēng)電場(是前期總數(shù)的3 倍) , 風(fēng)電場總裝機容量約1400 萬kW (是前期總數(shù)的100 倍)。目前, 德國、美國、丹麥以及亞洲的印度位居風(fēng)力發(fā)電總裝機容量前列, 且未來計劃投資有增無減。美國能源部預(yù)測2010 年風(fēng)電至少達(dá)到國內(nèi)電力消耗的10%。歐盟5 國要在2000～ 2002 年達(dá)到本國總發(fā)電量的10%左右, 丹麥甚至計劃2030 年要達(dá)到40%。
中國是一個風(fēng)力資源豐富的國家, 風(fēng)力發(fā)電潛力巨大。據(jù)1998 年統(tǒng)計, 風(fēng)力風(fēng)電累計裝機22.36萬kW , 僅占全國電網(wǎng)發(fā)電總裝機的0.081% , 相對于可開發(fā)風(fēng)能資源的開發(fā)率僅為0.088%。
中國第一座風(fēng)力發(fā)電場于1986 年在山東榮成落成, 總裝機較小, 為3×55kW。到1993 年我國風(fēng)電場總裝機容量達(dá)17.1MW , 1999 年底, 我國共建了24 個風(fēng)力發(fā)電場, 總裝機268MW。我國風(fēng)力發(fā)電場主要分布在風(fēng)能資源比較豐富的東南沿海、西北、東北和華北地區(qū), 其中風(fēng)電裝機容量最多的是已達(dá)72.35kW。在未來2～ 3 年內(nèi), 我國計劃新增風(fēng)電場裝機容量將在800MW 以上, 并且將會出現(xiàn)300～ 400MW 的特大型風(fēng)力發(fā)電場。
1.2 風(fēng)力發(fā)電機的研究現(xiàn)狀
1.2.1 國外風(fēng)力發(fā)電機的研制情況
美國從1974年起對風(fēng)能進行系統(tǒng)的研究，能源部對風(fēng)能項目的投資累計已達(dá)到25億美元。許多著名大學(xué)和研究機構(gòu)都參加了風(fēng)能的研究開發(fā)，目前己安裝了8個巨型風(fēng)力發(fā)電機組。到19%年末，風(fēng)力發(fā)電總裝機容量己達(dá)到170xkw，所提供的電力占全美電力需求量的10%，居世界之首位，主要集中在加利福尼亞州。美國國會己通過了能源政策法，在能源部的規(guī)劃下，將會改變風(fēng)力發(fā)電集中于加利福尼亞的局面，在年平均風(fēng)速達(dá)5.6m/s的中西部12個州將建風(fēng)力電站。據(jù)能源部預(yù)測，在未來15年內(nèi)，風(fēng)電將增加6倍。在今后2年內(nèi)，在懷俄明、伊阿華、明尼蘇達(dá)、得克薩斯、佛蒙特、緬因州等修建大型風(fēng)電場，這些風(fēng)電場將使美國風(fēng)力發(fā)電能力再增加40xkw，預(yù)計到2010年，風(fēng)力發(fā)電總裝機容量將達(dá)到630xkw，可滿足全美電力需求量的25%。
德國是歐洲風(fēng)力發(fā)電增長最快的國家，近年風(fēng)力發(fā)電量急增，尤其沿海各州，風(fēng)力發(fā)電發(fā)展迅速，己超過丹麥，成為世界第二。到1995年己建成1035座風(fēng)力發(fā)電裝置，裝機容量49.4xkw，1996年新裝機約950座，裝機容量為48xkw，到19%年底德國己擁有4500座風(fēng)力發(fā)電裝置，總裝機容量達(dá)到約160xkw，1997年估計可增加5xkw，可為20多萬個家庭提供日常用電。這些風(fēng)力發(fā)電裝置中的1600個是政府投資建設(shè)的。裝機容量超過1OO0kW的風(fēng)電場有250個，300OkW的最大風(fēng)電場已投入使用，發(fā)電能力63xkw，西部5xkw風(fēng)力發(fā)電計劃可望在2一3年內(nèi)完成，并投入運行。德國80%的風(fēng)力發(fā)電裝置都是安裝在沿海地區(qū)，沿海各州已擬訂其風(fēng)力發(fā)展規(guī)劃，下薩克森州計劃到2005年，將風(fēng)力發(fā)電能力增至13Oxkw，斯雷蘇比克一霍爾斯泰因州議會決定到2010年建設(shè)120xkw風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，要求該地區(qū)配電公司、Schleswag電力公司大力配合，該公司管轄區(qū)內(nèi)的風(fēng)電場裝機已達(dá)33.7xkw，該公司也得到IPP(獨立系統(tǒng)發(fā)電業(yè)者)大力協(xié)助，預(yù)定進行198xkw風(fēng)電場的建設(shè)。
丹麥?zhǔn)秋L(fēng)力發(fā)電先進國家之一，它將風(fēng)力發(fā)電作為國策，已有風(fēng)力發(fā)電站近4000座，總裝機容量73xkw，發(fā)電總量達(dá)到634xw，相當(dāng)于一個中等規(guī)模的核電站發(fā)電量，占全國能源總消耗量的3.7%。丹麥政府在“能源2000計劃”中規(guī)定，到2005年，風(fēng)力發(fā)電目標(biāo)為150xkw，相當(dāng)于國內(nèi)電力消費量的10%，到2020年，風(fēng)力+PV+波力確保電力需要的25%，現(xiàn)在計劃有減緩的傾向。環(huán)境廳對各自治體提出要求，要求他們單獨提出風(fēng)力發(fā)電裝置建設(shè)計劃，預(yù)計未來10年風(fēng)力發(fā)電量將達(dá)到1500w。
荷蘭1986年開始實施風(fēng)力發(fā)電研究，開發(fā)5年計劃NOW和引入風(fēng)力發(fā)電5年計劃IPW。目標(biāo)為1991年末總裝機容量達(dá)到5kw，但計劃沒達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，只達(dá)到4.9xkw，318座，發(fā)電總量5.5xkw·h，其后決定實施1991一1996年目標(biāo)為40xkw的TWI五年計劃。計劃目標(biāo)是1994年末風(fēng)力發(fā)電能力達(dá)到14.4xkw，629座，發(fā)電量為24.7xkw.h，為荷蘭總發(fā)電量的1.2%。到1996年末，風(fēng)力發(fā)電裝機容量己達(dá)到3zxkw，2000年為50xkw。
英國英倫三島的風(fēng)力資源相當(dāng)豐富，特別是蘇格蘭是世界風(fēng)力資源最豐富的地區(qū)之一。英政府歷來重視風(fēng)能等非化石燃料的開發(fā)，目前英國己有20多個風(fēng)電場投入運行，到19%年總裝機容量己達(dá)到26.4xkw，2000年達(dá)到80xkw。
瑞典從七十年代開始風(fēng)力發(fā)電的開發(fā)，經(jīng)過20多年的努力，己成為該領(lǐng)域的領(lǐng)先者之一，到19%年底，裝機容量己達(dá)到9.5xkw。220多座風(fēng)力發(fā)電站，大部分位于南部地區(qū)和波羅的海的厄蘭島及哥德蘭島上，哥德蘭島的風(fēng)力發(fā)電量可保證全島68%的能源需求。為了更充分地利用風(fēng)力資源，瑞典成立了包括一系列電力供應(yīng)公司的專門財團，目標(biāo)是在近幾年內(nèi)使風(fēng)力發(fā)電量增加4倍。瑞典由于場地問題，致力于海洋風(fēng)力發(fā)電。由于建設(shè)費和與輸電的連接費用高，所以規(guī)模有大型化的傾向。
1.2.2 國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機的研制情況
1.2.2.1 我國風(fēng)力發(fā)電概況
中國利用風(fēng)能己有悠久的歷史，古代甲骨文字中就有“帆”字存在，1800年前東漢劉熙著作里有“隨風(fēng)張慢曰帆”的敘述，說明我國是利用風(fēng)能最早的國家之一。1637年明崇幀十年《天工開物》書里有“揚郡以風(fēng)帆數(shù)頁，侯風(fēng)轉(zhuǎn)車，風(fēng)息則止”的記載，表明在明代以前，我國勞動人民就會制作將線運動轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)輪旋轉(zhuǎn)運動的風(fēng)車，在風(fēng)能利用上前進了一大步。
我國東南沿海向來有風(fēng)力提水的使用習(xí)慣，江蘇省1959年曾有多達(dá)20余萬臺提水風(fēng)車，后來大部分風(fēng)車被柴油、電力所取代，但部分地區(qū)一直使用風(fēng)力提水。50年代中期曾研制小型現(xiàn)代化風(fēng)力提水裝置，50年代后期開始研究小型風(fēng)力發(fā)電機組，但限于當(dāng)時技術(shù)經(jīng)濟條件，小型機組在試驗中受挫而停頓。至70年代，先后試制了1、2、10、12、18、20千瓦樣機，其中18千瓦機組于1972年7月安裝在浙江省紹興縣雄鵝峰上，1976年11月遷裝到底泅縣菜園鎮(zhèn)運轉(zhuǎn)發(fā)電，一直運行到1986年8月。1978年將研制風(fēng)電設(shè)備列為國家重點科研項目后，進展加快，先后研制生產(chǎn)了微型和1一200千瓦風(fēng)電機組，其中以戶用微型機組技術(shù)最為成熟，己有100、150、200、300和500瓦微型機組系列定型和批量生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量良好，不但可滿足國內(nèi)需要，還遠(yuǎn)銷國外。1998年底，全國安裝微型機組178574臺，約計1.7萬千瓦，還有獨立供電機組，已有1.2、2.5、5、7.5和10千瓦機組，以銷定產(chǎn)小批量生產(chǎn)。在網(wǎng)外無電地區(qū)，推廣微型、小型風(fēng)電機組，是解決無電農(nóng)牧民用電的有效途徑，有其獨特的優(yōu)越性，也是中國發(fā)展微型、小型風(fēng)電機組的特色。在網(wǎng)外地區(qū)利用風(fēng)柴蓄聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，能獲得穩(wěn)定的電力，又有明顯的節(jié)油效果，發(fā)展該系統(tǒng)，將促進風(fēng)力從為生活服務(wù)轉(zhuǎn)向為生產(chǎn)提供電力，從而跨上一個新水平。風(fēng)/光互補發(fā)電系統(tǒng)，能有效地利用自然資源。在我國很多地區(qū)，冬半年風(fēng)大，太陽輻射強度??；夏半年風(fēng)小，太陽輻射強度大，兩種能源的分布季節(jié)正好相反，互補利用可滿足用戶用電需求。
在國際上，80年代中期，商品機組以55一150千瓦為主，山東榮成進口355千瓦機組，1986年并網(wǎng)發(fā)電，達(dá)阪城和廣東南澳進口90千瓦、100千瓦和150千瓦機組計17臺，裝機容量4490千瓦，均于1989年并網(wǎng)發(fā)電。90年代初期國外商品機組單機容量200一300千瓦，1992一1996年我國進口風(fēng)電機組以200一300千瓦機組為主，1996年建成17個風(fēng)電場，裝機合計57700千瓦。90年代中期500一600千瓦商品機組推向市場，批量生產(chǎn)，標(biāo)志著商品機組技術(shù)日臻成熟，造價相應(yīng)下降。1996年，國家在“雙加”工程中，按照扶強扶優(yōu)的原則，選擇了達(dá)阪城二廠、輝騰錫勒、括蒼山和張北四個風(fēng)電場進行重點改造，進口133x600千瓦、13x300千瓦機組，合計83700千瓦，分別于1997一1998年竣工驗收。同年，國家計委又制定乘風(fēng)計劃”，旨在以技貿(mào)結(jié)合形式，與國外組建合資企業(yè)，在建設(shè)24萬千瓦風(fēng)電場的同時，引進技術(shù)，消化吸收，達(dá)到自主開發(fā)、自行設(shè)計制造大型風(fēng)電機組的能力。1996年采用招標(biāo)評議方式確定“中國第一拖拉機工程機械(集團)公司”和“西安航空發(fā)動機集團公司”為大型風(fēng)電機組總裝廠;1998年上述中標(biāo)公司分別同外商合資成立“洛陽美德風(fēng)電設(shè)備有限公司”和“西安維德風(fēng)電設(shè)備有限公司”，標(biāo)志著中國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)揭開了嶄新的一頁。
我國風(fēng)電的利用大體上采用三種方式，一是戶用式，可獨立運行，用蓄電池，直流輸出或逆變交流輸出;單機容量為100一300W，可基本滿足照明、電視等家用電器的生活用電需要。其次是孤立的小居民區(qū)用，獨立運行，有蓄電池、直流輸出或逆變交流輸出，統(tǒng)一向各家各戶供電或每天為其更換蓄電池，單機容量為1一5kw。這種方式也可供無電風(fēng)區(qū)邊防哨所、氣象臺站、雷達(dá)站、電視差轉(zhuǎn)臺以及無電區(qū)小火車站使用。三是建立風(fēng)電場，聯(lián)網(wǎng)后輸出，有的與柴油發(fā)電機組或太陽能電站聯(lián)合，有穩(wěn)定的輸出。目前己有14座稍具規(guī)模的風(fēng)電場，他們是達(dá)坂城、廣東南澳島、內(nèi)蒙呼和浩特輝騰錫勒、內(nèi)蒙朱日和、內(nèi)蒙商都大山灣、遼寧瓦房店東崗、瓦房店橫山、福建平潭、浙江嗓泅、浙江大陳島、山東榮成馬蘭、山東長島、海南東方、浙江蒼南鶴頂山。正在籌建中的還有浙江臨海括蒼山、浙江舟山、內(nèi)蒙錫林、廣東海陵島等。
風(fēng)電的特點是一次性投資高，每千瓦約需1000一1200美元，再加上進口關(guān)稅12%、進口環(huán)節(jié)增值稅17%，使設(shè)備成本提高31%。據(jù)內(nèi)蒙古電管局反映，不含稅風(fēng)電價為0.63元kw.h，比火電價高出0.35元。目前主要是小規(guī)模的開發(fā)，如果要進一步發(fā)展，已遇到資金短缺、設(shè)備不過關(guān)、進口關(guān)稅過重等三大困難。
1.2.2.2 我國風(fēng)力機械行業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
據(jù)不完全統(tǒng)計，到1993年底，全國生產(chǎn)風(fēng)電機組、風(fēng)力提水機組及配套件的工廠共39家，其中主機27家;職工近4000人，工程技術(shù)人員400余人;從事科研開發(fā)有35家院校，科技人員250人。商品化風(fēng)電機組有9種，從100w到5kw，年生產(chǎn)能力3萬臺，累計出口近1000臺小型風(fēng)電機。1995年全國生產(chǎn)風(fēng)電機組8190臺，風(fēng)力提水機組50臺。目前全國小型風(fēng)電機組保有量巧萬臺，居世界首位。近幾年來己建立14處規(guī)模不等的大中型風(fēng)電場，至1995年共安裝55kw以上機組186臺，總裝機容量為37Mw。預(yù)測到2000年，需要小型風(fēng)電機(1okw以下)22萬臺;大中型風(fēng)電機組(20kw以上)4000臺;風(fēng)力提水機組6000臺。
行業(yè)存在的主要問題有:
(l)產(chǎn)品品種不全目前雖然我國己能大批量生產(chǎn)小型風(fēng)電機組，1995年并出口印尼100W及300W小型風(fēng)電機各250臺，價值340余萬元，但還停留在研究開發(fā)55kw、250kW的風(fēng)電機階段。國外現(xiàn)在已做到600kW機組商品化，正在準(zhǔn)備批量生產(chǎn)750kw、1MW機組。
(2)科研生產(chǎn)能力薄弱風(fēng)力機械行業(yè)歸口于畜牧機械，稍具規(guī)模的企業(yè)只有內(nèi)蒙商都牧機廠和內(nèi)蒙動力機廠，缺少先進設(shè)備，影響產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益的提高。隨著風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展，已有不少實力雄厚的單位加入，并取得初步成果。例如200kW風(fēng)電機組的研制由浙江機電研究院、杭州發(fā)電設(shè)備廠、上海玻璃鋼研究所、中國空氣動力研究中心、同濟大學(xué)、清華大學(xué)等8個單位聯(lián)合承擔(dān)。樣機于1995年9月在浙江蒼南風(fēng)電場完成2000小時運行考核，1997年4月19日通過國家科委的鑒定，不久將實施中試生產(chǎn)。又如第一拖拉機工程機械集團704分廠承擔(dān)了250kw風(fēng)電機組的研制及組裝任務(wù)，保定550廠協(xié)作生產(chǎn)葉片，該項目屬于一拖與德國胡蘇姆造船廠合作生產(chǎn)協(xié)議，總框架為200臺，首批10臺得到了德國政府補貼，1995年12月4臺電風(fēng)機己在內(nèi)蒙錫林浩特風(fēng)電場并網(wǎng)發(fā)電。再如1996年2月9日北京萬電公司(隸屬于中國運載火箭技術(shù)研究院)與奧地利比爾公司簽訂引進風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，專門從事500kw以上風(fēng)電機的生產(chǎn)。1996年10月還簽訂3項合同，內(nèi)容為:由電力局與丹麥維斯塔思公司，內(nèi)蒙古電管局、浙江省電力局與丹麥麥康公司合作，除引進122臺600kw風(fēng)電機之外，還將在國內(nèi)組裝生產(chǎn)600kw風(fēng)電機組。
今后風(fēng)力發(fā)電機發(fā)展趨勢如何?一是增加風(fēng)輪的直徑和塔架的高度，向超大型風(fēng)力發(fā)電機發(fā)展，目前世界上最大的風(fēng)力發(fā)電機建立在美國北卡羅來納州的蘭嶺山上，發(fā)電功率是兩千瓦，年發(fā)電量是330萬度，相當(dāng)3300噸煤發(fā)出的電量；另一方面是向新型立體式風(fēng)力發(fā)電機發(fā)展。立體式風(fēng)力發(fā)電機即風(fēng)力發(fā)電機的軸和風(fēng)的方向垂直。它克服了一般風(fēng)力發(fā)電機葉片需要不斷增長和提高塔架以及在材料和加工工藝等方面的困難。這樣來自任何方向的風(fēng)都可以充分利用，提高了風(fēng)能利用率。又可以降低高大的支撐鐵塔，結(jié)果造價低，重量也輕了許多。
1.3 研究風(fēng)力發(fā)電機的目的和意義
中國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費國，能源利用以煤炭為主。在當(dāng)前以石化能源為主體的能源結(jié)構(gòu)中，煤炭占73.8%，石油占18.6%，天然氣占2%，其余為水電等其它資源。在電力的能源消費中，也是以煤炭為主，燃煤發(fā)電量占總發(fā)電量的80%。但是，能為人類所用的石化資源是有限的，據(jù)第二屆環(huán)太平洋煤炭會議資料介紹，按目前的技術(shù)水平和采掘速度計算，全球煤炭資源還可開采200年。此外，石油探明儲量預(yù)測僅能開采34年，天然氣約能開采60年。隨著人口的增長和經(jīng)濟的發(fā)展，能源供需矛盾加劇，如果不趁早調(diào)整以石化能源為主體的能源結(jié)構(gòu)，勢必形成對數(shù)億年來地球積累的生物石化遺產(chǎn)更大規(guī)模的挖掘、消耗，由此將導(dǎo)致有限的石化能源趨于枯竭，人類生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降的惡性循環(huán)，不利于經(jīng)濟、能源、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。電力部己制定“大力發(fā)展水電，繼續(xù)發(fā)展火電，適當(dāng)發(fā)展核電，積極發(fā)展新能源發(fā)電”的基本原則，把風(fēng)力發(fā)電作為優(yōu)化我國電力工業(yè)結(jié)構(gòu)跨世紀(jì)的戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)。八屆人大四次會議批準(zhǔn)的我國經(jīng)濟和社會發(fā)展“九五”計劃和2010年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要中提出“積極發(fā)展風(fēng)能、海陽能、地?zé)崮艿刃履茉窗l(fā)電”的指導(dǎo)方針，為我國發(fā)展多能互補的能源結(jié)構(gòu)新格局起到了指導(dǎo)和促進作用。
風(fēng)能是對人類生存環(huán)境影響最小的能源。除此之外，風(fēng)能資源非常豐富，取之不盡，用之不竭。據(jù)統(tǒng)計，太陽向地球輻射的巨大能量中，約有1%轉(zhuǎn)化為風(fēng)能。這些能量相當(dāng)于全球每年消耗的煤、石油等化石燃料能量的總和，可見風(fēng)能的潛力是非常大的。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)日趨成熟，風(fēng)力發(fā)電規(guī)模也不斷擴大，美國加州由數(shù)家風(fēng)能公司提供給電網(wǎng)的電量，足以供應(yīng)舊金山這樣的大城市的居民需求。我國風(fēng)電事業(yè)近年來發(fā)展較快，已有16萬臺微型風(fēng)力發(fā)電機用于邊遠(yuǎn)山區(qū)、牧區(qū)、海島，初步解決了地處邊遠(yuǎn)，居住分散，電網(wǎng)難以到達(dá)地區(qū)的居民用電問題。同時也遏制了微型汽油發(fā)電機的發(fā)展，在節(jié)約石化燃料的同時，避免了各種有害氣體的排放。國家“九五”新能源發(fā)展計劃提出，“九五”期間全國風(fēng)力發(fā)電的總裝機容燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文量要突破40萬千瓦。為此，國家從宏觀規(guī)劃角度出發(fā)，制定了“乘風(fēng)計劃”，面向國內(nèi)外市場發(fā)展風(fēng)力發(fā)電?！俺孙L(fēng)計劃”不僅會大大促進我國風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展，而且對減排有害污染物，促進環(huán)境的改善有著重要意義。
風(fēng)力發(fā)電近幾年發(fā)展如此之快，是因為它有許多優(yōu)點：1.設(shè)備簡單，投資少，成本低，風(fēng)力發(fā)電機的整個設(shè)備成本不足功率相當(dāng)?shù)幕鹆Πl(fā)電，水力發(fā)電和核電站成本的1/4，在二、三年內(nèi)就可以收回全產(chǎn)投資；2.節(jié)省燃料和運輸費用。在風(fēng)力資源豐富的地區(qū)，風(fēng)力是取之不盡，用之不竭的，可就地建立風(fēng)力發(fā)電站，就地用電，這樣就可以節(jié)省大量的輸電設(shè)備和能源。許多燃料是十分重要的化學(xué)原料，把它白白的燃掉是十分可惜的。我國資源并不十分豐富，充分利用風(fēng)力資源意義就更重大了；3.利用風(fēng)力可以減少對大氣的污染，保護我們?nèi)祟愘囈陨娴淖匀画h(huán)境?；瘜W(xué)燃料不斷向大氣中排放對生物有害物質(zhì)，嚴(yán)重的威脅人們健康，而風(fēng)力能源則沒有任何影響人類健康的有害物質(zhì)。
由于它是清潔能源，對環(huán)境無污染，又由于我們國家地形復(fù)雜，人口又多，居住分散，對于電網(wǎng)涉及不到的地區(qū)，特殊行業(yè)，可以補充大電網(wǎng)的缺陷，起到拾遺補缺的作用，可以利用小型風(fēng)機風(fēng)力發(fā)電的地方主要有：
(l)航運系統(tǒng)我們有長江等水系幾條大河流，如長江航運中的拖船，一般在100一200噸，經(jīng)常被擱置在江中間的錨地上，用電主要靠蓄電池。使用風(fēng)力發(fā)電機對蓄電池補充充電效果很好，這方面有成功的經(jīng)驗。但是，由于國有運輸企業(yè)的不景氣，影響了市場。
另外，我們大小河流湖泊上的船舶數(shù)量驚人，用小型風(fēng)力發(fā)電機解決它們的照明、收視電視、聽廣播，有很重要的意義和市場。
(2)森林防火高山觀察站據(jù)林業(yè)部防火指揮部介紹，東北約有400個觀察站，西南也有幾百個高山觀察站，各省市都有一些森林高山防火觀察站，站上的工作人員，在防火期從10月到第二年4、5月期間晝夜在站上值勤，解決他們的照明及聽廣播、看電視頗為費神。由于山高、道路狹窄歧嶇、運輸困難，又不能使用明火，使用小型風(fēng)力發(fā)電機可以基本解決觀察站的照明及娛樂用電。90年代初，個別觀察站曾使用過小型風(fēng)力發(fā)電機。由于風(fēng)力發(fā)電機的某些技術(shù)問題及使用人員的素質(zhì)因素，沒有得到推廣。
(3)無人值守的差轉(zhuǎn)臺和微波站。
(4)東南沿海各孤立的島嶼。
(5)圍網(wǎng)養(yǎng)殖系統(tǒng)。
(6)農(nóng)牧區(qū)。
(7)國際市場。
1.4 我國的風(fēng)能資源及其分布
風(fēng)能是地球表面空氣移動時產(chǎn)生的動能。由于風(fēng)速是一個隨機性很大的量，必須通過長時間的觀測才能算出平均風(fēng)功率密度。
根據(jù)風(fēng)的氣候特點，一般選取10年風(fēng)速資料中年平均風(fēng)速最大、最小和中間的3個年份為代表年份，分別計算該3個年份的風(fēng)功率密度然后加以平均，其數(shù)值可以作為當(dāng)?shù)亻L年風(fēng)功率密度平均值。中國氣象科學(xué)研究院計算了全國900余個氣象站的年平均風(fēng)功率密度值，該值反映出全國風(fēng)能資源分布狀況，以及各個地區(qū)風(fēng)能資源潛力。
中國10m高度層的風(fēng)能總儲量為3226GW，這個儲量稱作風(fēng)能“理論可開發(fā)總量”。實際可供開發(fā)的量按上述總量的1/lO估計，并考慮風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置風(fēng)輪的實際掃掠面積，再乘以面積系數(shù)O.785(即直徑為lm的圓面積是邊長為lm的正方形面積的0.785)，得到中國10m高度層實際可開發(fā)的風(fēng)能儲量為253GW。這個數(shù)量比1996年全國發(fā)電總裝機容量還大，說明中國風(fēng)能資源豐富，但是可供經(jīng)濟開發(fā)的風(fēng)能儲量數(shù)據(jù)尚需進一步查明。
中國風(fēng)能豐富的地區(qū)主要分布在西北、華北和東北的草原或戈壁，以及東部和東南沿海及島嶼，這些地區(qū)一般都缺少煤炭等常規(guī)能源。中國風(fēng)力大小的出現(xiàn)規(guī)律是冬、春季風(fēng)大，降雨量少;夏季風(fēng)小，降雨量大。這一特點恰與水電的枯水期和豐水期有著較好的互補性。圖1-1示出了中國有效風(fēng)能密度分布狀況。
由于我國地形復(fù)雜，風(fēng)的地區(qū)性差異很大，有必要將我國的風(fēng)能資源的大體分布列出，以便于人們了解哪些地區(qū)有開發(fā)利用風(fēng)能的潛力。中國風(fēng)能資源豐富的省區(qū)于表1一l。
一般風(fēng)能資源的潛力和特征用有效風(fēng)能密度和可利用年積累小時數(shù)兩個指標(biāo)表示。根據(jù)有關(guān)氣象資料，我國可利用風(fēng)能地區(qū)有三個，即風(fēng)能豐富區(qū)、較豐富區(qū)、可利用區(qū)，列表1一2如下:
圖1-1 中國有效風(fēng)能密度分布狀況
表1一1 中國風(fēng)能資源比較豐富的地區(qū)
表1-2 我國風(fēng)能資源分布情況
第二章 風(fēng)力機理論
2.1 基本公式
2.1.1 風(fēng)能利用系數(shù)
風(fēng)力機從自然風(fēng)能中吸收的能量大小程度用風(fēng)能利用系數(shù)表示。橫截面積為s()的氣流的動能為
2.1.2 風(fēng)壓強
如圖2-1a，根據(jù)伯努力方程，風(fēng)中物體受到的風(fēng)壓Q為
2.1.3 阻力式風(fēng)力機的最大效率
建立簡單的理想模型，一個平板在風(fēng)的氣動壓力作用下沿著風(fēng)速方向運動，如圖2-lb，并規(guī)定平板上游一定距離上的風(fēng)速為，平板的運動速度為v，那么平板吸收的功率可以表示為
圖2-1 平板模型
對給定的上游風(fēng)速玲，可以寫出以平板的運動速度V為函數(shù)的功率變化關(guān)系式，對v進行微分得
從上式中可以看出，阻力式風(fēng)力機的效率是比較低的，提高效率的唯一辦法是設(shè)法提高風(fēng)的阻力系數(shù)C。
2.2 工作風(fēng)速與輸出功率
2.2.1 風(fēng)力發(fā)電機的輸出效率
最理想的風(fēng)力機也不可能吸收全部的風(fēng)能，而只能吸收部分風(fēng)能。如上一節(jié)推導(dǎo)的那樣，有一個最大風(fēng)能利用系數(shù)。但是，風(fēng)力機在制做過程中，由于受到各種條件的限制，做不到完全理想的形狀。因此實際的風(fēng)力機和理想的風(fēng)力機之間也有差異。實際風(fēng)力機吸收的功率與理想風(fēng)力機吸收的功率的比值叫做風(fēng)力機的效率。用表示。另外還有傳動機構(gòu)的效率甲和發(fā)電機的效率等，所以實際風(fēng)力發(fā)電機輸出的效率，可以表示為
2.2.2 工作風(fēng)速與輸出功率
風(fēng)力機啟動時，為了克服其內(nèi)部的摩擦阻力而需要一定的力矩。這一最低力矩值叫做風(fēng)力機的啟動力矩。啟動力矩主要與風(fēng)力機本身的傳動機構(gòu)摩擦阻力有關(guān)·因此風(fēng)力機有一最低工作風(fēng)速稱，只有風(fēng)速大于時風(fēng)力機才能工作。
當(dāng)風(fēng)速超過某一值的時候，基于安全上的考慮(主要是塔架和槳葉強度)，風(fēng)力機應(yīng)該停止運轉(zhuǎn)，所以每一臺風(fēng)力機都規(guī)定有最高風(fēng)速，最高風(fēng)速與風(fēng)力機的設(shè)計強度有關(guān)，是設(shè)計時給定的參數(shù)。
最小風(fēng)速稱，和最大風(fēng)速之間的風(fēng)速叫做風(fēng)力機的工作風(fēng)速，相應(yīng)于工作風(fēng)速風(fēng)力機有功率輸出。當(dāng)風(fēng)力機的輸出功率達(dá)到標(biāo)稱功率時的工作風(fēng)速叫做該風(fēng)力機的額定風(fēng)速。
2.2.3 啟動風(fēng)速和額定風(fēng)速的選定
如何根據(jù)風(fēng)能資源來選用風(fēng)力機，使風(fēng)力機的運行狀態(tài)最佳，確定起動風(fēng)速和額定風(fēng)速是關(guān)鍵。
2.2.3.1 雙參數(shù)威布爾分布 風(fēng)能就是流動空氣具有的動能。單位時間通過垂直于空氣流的單位面積的空氣流所具有的動能叫風(fēng)能密度，設(shè)為空氣密度，v為風(fēng)速，則風(fēng)能密度p=0.5，隨v的立方增大，變化非?？?，故知道風(fēng)速的變化情況是利用風(fēng)能的先決條件。
風(fēng)速V是隨機變量，經(jīng)研究專家們多認(rèn)為用雙參數(shù)威布爾概率密度函數(shù)擬合風(fēng)速頻率分布最好腳。威布爾分布函數(shù)形如下式
其中K為形狀參數(shù)，無量綱，C為尺度參數(shù)，量綱為m。不同地區(qū)，不同時期參數(shù)K、C是不同的，可根據(jù)某地連續(xù)30年的風(fēng)資料算出該地的K、C參數(shù)，威布爾分布函數(shù)曲線見圖2-2。參數(shù)K、C影響曲線形狀，K大C大曲線陡峻，峰右移，反之亦然。
圖2-2 威布爾分布函數(shù)曲線
上式滿足
2.2.3.2 起動風(fēng)速 啟動風(fēng)速為風(fēng)力機風(fēng)輪由靜止開始轉(zhuǎn)動并能連續(xù)運轉(zhuǎn)的最小風(fēng)速:風(fēng)力機分水平軸和垂直軸兩大類，每一類又有多種形式，同一形式還有若干種規(guī)格，只有科學(xué)地選擇適合當(dāng)?shù)仫L(fēng)能資源的風(fēng)力機，才能以較少的投資獲取較多的風(fēng)能。
根據(jù)國內(nèi)外100多種風(fēng)力機，起動風(fēng)速的范圍是2m，至6m，這一范圍能滿足風(fēng)能豐富區(qū)、較豐富區(qū)、可利用區(qū)的不同需要。
雙參數(shù)威布爾分布函數(shù)曲線峰值對應(yīng)的凡就是起動風(fēng)速(圖2-2)。對上式求一階導(dǎo)數(shù)且令其等于O有
解得
證明氣是出現(xiàn)概率最大的風(fēng)速。使用起動力風(fēng)速大于上式計算的氣的風(fēng)力機會損失小風(fēng)速這一區(qū)段的風(fēng)能，使用起動風(fēng)速小于上式計算的咋的風(fēng)力機是否更好呢?表面看低風(fēng)速的風(fēng)能得到更多的利用，深入研究可知在之氣的較高風(fēng)速區(qū)風(fēng)能利用率下降，總體上是得不償失，故選用盡可能接近上式結(jié)果的風(fēng)力機最為理想。
2.2.3.3 額定風(fēng)速 額定風(fēng)速的選定直接影響風(fēng)能利用系統(tǒng)整體的效率和經(jīng)濟性，是風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計中的重要參數(shù)。
己知風(fēng)能密度p=12，對一臺效率為，槳葉半徑為廠的風(fēng)力機，輸出功率w(V)的威布爾分布函數(shù)為
w(V)峰值對應(yīng)之風(fēng)速應(yīng)是額定風(fēng)速，此時風(fēng)力機提取的風(fēng)能最多。
令
2.2.3.4 風(fēng)力機的工作風(fēng)速、輸出功率與風(fēng)能的關(guān)系 風(fēng)力機的工作風(fēng)速、輸出功率與風(fēng)能的關(guān)系可以簡單地如圖2一3來表示(注:圖中縱坐標(biāo)表示輸出功率，單位為:w/;橫坐標(biāo)表示風(fēng)能，單位為:m/s)
A一理論風(fēng)能曲線B一扣除空氣動力損失后的風(fēng)力機吸收的功率
C一計算傳動損失和機械能轉(zhuǎn)換損失后的功率曲線
D一發(fā)電機實際輸出功率曲線
圖2一3 功率與風(fēng)速的關(guān)系
2.3 風(fēng)能利用與氣象
2.3.1 風(fēng)的觀測對風(fēng)能利用的意義
在前面已經(jīng)講述過，風(fēng)能與風(fēng)速的三次方成正比。所以，當(dāng)風(fēng)速測量有10%的誤差時，風(fēng)力機輸出功率的誤差將擴大到33%。在風(fēng)力機的設(shè)計中，輸出功率出現(xiàn)30%以上的誤差，將帶來很大的經(jīng)濟損失。風(fēng)速隨時間變化很大，而且地區(qū)性差異也很大，正確把握風(fēng)況并不是一件容易的事情。所以在風(fēng)力機設(shè)計計劃中，對風(fēng)的觀測非常受重視。
2.3.2 風(fēng)能利用中需要的氣象調(diào)查
在風(fēng)能利用中，需要進行四項氣象調(diào)查:
(l)風(fēng)能密度調(diào)查 結(jié)合風(fēng)能的地區(qū)分布和可設(shè)立風(fēng)力機地區(qū)面積的調(diào)查，在全國范圍內(nèi)對可利用的風(fēng)能量進行估算。
(2)選定適合地點 在一年中，對通過強風(fēng)場所的調(diào)查。
(3)風(fēng)速的頻率分布調(diào)查 在風(fēng)力機的設(shè)計中，為了估算平均出力和運轉(zhuǎn)時間等量，必須了解風(fēng)力機軸高處的風(fēng)況。
(4)為了風(fēng)力機設(shè)計強度和安全系數(shù)的氣象調(diào)查 異常的強風(fēng)出現(xiàn)的概率、風(fēng)的不定向性以及突風(fēng)程度，冰暴、鹽害等的調(diào)查。
2.4 風(fēng)的觀測
風(fēng)的觀測，因其目的不同而有各自的特點。對于風(fēng)能利用，通過對風(fēng)的觀測，可以估算出該地區(qū)可利用的風(fēng)能大小，為風(fēng)力機的設(shè)計和性能研究以及開發(fā)的經(jīng)濟性等提供條件。
風(fēng)速的測量包括風(fēng)向和風(fēng)速的測量。因為風(fēng)速隨時間變化很大，而且變化不定，所以測量時取一定時間內(nèi)的風(fēng)速大小的平均值和最長時間的風(fēng)向。我國現(xiàn)行的風(fēng)速觀測有兩種方法:一種是每日定時4次兩分鐘平均風(fēng)速觀測;一種是一日24次自記10分鐘平均風(fēng)速觀測。實際測量結(jié)果表明，前一種方法的誤差比較大，因此在風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計中采用后一種測量方法得到的數(shù)據(jù)。
第三章 風(fēng)力發(fā)電機方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1 小型垂直式風(fēng)力發(fā)電機方案設(shè)計
現(xiàn)在，各個發(fā)達(dá)國家均大力發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)，雖然太陽能一直是新能源商業(yè)化的首選，因為太陽能的設(shè)置地點較靈活，不會產(chǎn)生噪音，可以和建筑進行一體化設(shè)計。但是風(fēng)力發(fā)電較太陽能而言，它的成本優(yōu)勢明顯。傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機啟動風(fēng)速要求較高，發(fā)電噪音也很大，所以只能將風(fēng)力發(fā)電機放在人跡罕至的地方或風(fēng)力較大的地方。設(shè)備也是往大型風(fēng)力發(fā)電機發(fā)展，專門建設(shè)大型風(fēng)力發(fā)電場，這樣，小型風(fēng)力發(fā)電在相當(dāng)長的時間里未得到較好的發(fā)展。所以，如何使風(fēng)力發(fā)電和建筑進行一體化設(shè)計，降低小型風(fēng)力發(fā)電機噪音，使其安裝在建筑周圍而不影響人的生活質(zhì)量，已成為各個國家研究的焦點！
我設(shè)計的是一種新型的立式垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機，由風(fēng)機葉輪、立柱、橫梁、變速機構(gòu)、離合裝置和發(fā)電機組成。如下圖所示：
漿 葉
固定架
變速箱
星形齒輪加速器
電磁離合器
發(fā)電機
整流器
蓄電池
逆變器
負(fù) 載
圖3-1小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機框圖
該小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)電原理為：在風(fēng)的吹動下，風(fēng)輪轉(zhuǎn)動起來，使空氣動力能轉(zhuǎn)變成了機械能（轉(zhuǎn)速+扭矩）。通過增速系統(tǒng)和離合器使轉(zhuǎn)矩和扭矩傳遞到風(fēng)力發(fā)電機軸上，帶動發(fā)電機軸旋轉(zhuǎn)，從而使永磁三相發(fā)電機發(fā)出三相交流電。風(fēng)速的不斷變化、忽大忽小，發(fā)電機發(fā)出的電流和電壓也隨著變化。發(fā)出的電經(jīng)過控制器的整流，由交流電變成了具有一定電壓的直流電，并向蓄電池進行充電。從蓄電池組輸出的直流電，通過逆變器后變成了220伏的交流電，供給用戶的家用電器。應(yīng)用范圍：
提供220伏交流電或24伏、36伏或48伏直流電
照明: 燈泡,節(jié)能燈
家用電器:電視機、收音機、電風(fēng)扇、洗衣機、電冰箱；
該新型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的特點為：
１． 額定功率（ｗ）：300
２． 輸出電壓（v）：24
３． 啟動風(fēng)速（m/s）：2
４． 額定風(fēng)速（m/s）：6
５． 最大使用風(fēng)速（m/s）：20
發(fā)電機為額定功率300w，輸出電壓24v。
該新型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的優(yōu)點為：
１． 結(jié)構(gòu)簡單
２． 易維護
３． 運行平穩(wěn)安全
４． 抗強風(fēng)能力強
５． 操作簡單
６． 價格低廉
3.2 風(fēng)葉
采用帆翼式風(fēng)葉，帆翼式是英國發(fā)展的一種立軸帆翼式風(fēng)力機，結(jié)構(gòu)簡單、性能較高。帆翼的形狀如下圖所示。由于其制造簡單，成本低，性能好，所以適于推廣使用。
圖3-2 帆翼式
3.3 行星齒輪加速器設(shè)計計算
3.3.1 設(shè)計要求
設(shè)計壽命5年，單班，一年360天，中等傳動，傳動逆轉(zhuǎn)，齒輪對稱布置，不允許點蝕，無嚴(yán)重過載，閉式傳動。齒輪精度8-7-7，齒輪材料:20CrNiMoH，碳氮共滲處理，硬度為Hv740以上。軸材料:20NiCrMoH或20CrMnMo。齒圈材料:42CrMo，氮化處理，硬度為Hv40O以上。
3.3.2 選加速器類型
小型風(fēng)力發(fā)電機是安裝在樓頂或屋頂上的，所以盡量選擇體積小、重量輕、性能穩(wěn)定的設(shè)備。在選擇行星齒輪時，我選擇NGW型星形齒輪加速器，因為這個型號的齒輪傳動效率高，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，傳遞功率范圍大，軸向尺寸小，可用于各種工作條件的特點。
輸入軸
輸出軸
R
S
C
P
圖3-3 NGW型行星齒輪加速器
3.3.3 確定行星輪數(shù)和齒數(shù)
在行星齒輪加速器中選擇行星輪數(shù)：=3
通過查表法確定了齒輪的齒數(shù)（機械手冊）：
總傳動比 i =5.4
太陽輪齒數(shù) =20
內(nèi)齒輪齒數(shù) =88
行星輪齒數(shù) =34
3.3.4 壓力角()的選擇
我們國家和許多國家都把齒輪的標(biāo)準(zhǔn)壓力角規(guī)定為，因此，本次設(shè)計的變速箱采用壓力角，以提高加工刀具的通用性。
3.3.5 齒寬系數(shù)的選擇
對于硬齒面齒輪的齒寬系數(shù)應(yīng)小于軟齒面的齒寬系數(shù)。一般情況下，硬齒面值齒輪可取<0.7。齒寬系數(shù)小=(b/a)，一般可取0.4一0.8，常取0.6一0.7。
3.3.6 模數(shù)選擇
齒輪的模數(shù)是決定齒輪大小和幾何參數(shù)的主要參數(shù)，它直接影響齒輪的抗彎曲疲勞強度。設(shè)計變速箱選取模數(shù)的大小，主要與下列因素有關(guān):
1.齒輪上受力的大小，作用力大，模數(shù)也大。
2.與材料、加工質(zhì)量、熱處理質(zhì)量好壞有關(guān)。
對于模數(shù)(m)的確定，可以根據(jù)同類變速箱的統(tǒng)計，參考選擇。
下列為行星傳動變速箱模數(shù)統(tǒng)計表:
通過以上比較，我確定本次設(shè)計變速箱的模數(shù)為:2.5mm。
3.3.7 預(yù)設(shè)嚙合角 = =
3.3.8 太陽輪與行星輪之間的傳動計算
（1）計算未變位時的中心距
===67.5
（2）初算中心距變動系數(shù)
==
（3）計算中心距并取圓整值
a=m()=70
(4) 實際中心距變動系數(shù)
==0.75
（5）計算嚙合角
cos===0.912323, =
(6) 計算總變位系數(shù)
==（20+34）=0.827
（7）校核
介于p7及p8之間，有利于接觸強度及抗彎強度，所以可用
（8）分配變位系數(shù)
=0.437 =0.39
3.3.9 行星輪與內(nèi)齒輪之間的傳動計算
（1）計算未變位時的中心距
===67.5
(2) 計算中心距變動系數(shù)
==-0.25
（3）計算嚙合角
cos===0.9488, =
(4) 計算總變位系數(shù)
==（88-34）=-0.241
（5）分配變位系數(shù)
=+=-0.241 +0.39=0.149
3.3.10 行星排各零件轉(zhuǎn)速及扭矩的計算
因效率對強度校核的扭矩影響比較小，因而在下面的扭矩計算中不考慮效率的影響。對行星排各零件的扭矩進行計算。
:: = 1::(1+)=1:2.4545:-3.4545
因通過太陽輪輸出扭矩，風(fēng)力發(fā)電機發(fā)電時發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩為2168(Nm)，故反方向計算，故太陽輪為輸入扭矩:
==2168(Nm)
風(fēng)力發(fā)電機正常工作時的轉(zhuǎn)速為=1175（rpm）
太陽輪轉(zhuǎn)速 =1175（rpm）
行星輪轉(zhuǎn)速 ==1148（rpm）
3.3.11 行星排上各零件受力分析及計算
1．太陽輪受力如下
圓周力
根據(jù)公式 =
式中一作用在太陽輪上的扭矩=2168 (N·m)
一行星輪數(shù)目=3
一太陽輪分度圓直徑=74.25 (mm)
徑向力
根據(jù)公式 =
式中 一齒輪壓力角=
一分度圓上螺旋角=
=9733Xtg20o=3543(N)
2．行星輪P受力分析如下：
圓周力 ==9733(N)
徑向力 ==3543(N)
3．行星架C受力如下：
圓周力 =2=29733=19466(N)
徑向力 =0(N)
4．齒圈R受力如下：
圓周力 ==9733(N)
徑向力 ==3543(N)
3.3.12 行星齒輪傳動的強度校核計算
行星齒輪傳動中的齒輪計算方法主要是按照GB3480“漸開線圓柱齒輪承載能力計算方法”計算，并考慮行星傳動的特點進行計算校核。
(l)彎曲疲勞強度校核
a.分度圓上的圓周力Ft
根據(jù)前面的計算結(jié)果，行星輪和齒圈上受力在前進二檔時最大，所受的圓周力均為Ft=13360(N)
b.齒寬計算
太陽輪與行星輪的齒寬分別為48mm、46mm；齒圈的齒寬為54mm
c.使用系數(shù) 查手冊得 =1.25
d.動載系數(shù)
太陽輪分度圓上的圓周速度，根據(jù)下列公式計算
=
式中 一太陽輪相對于行星架的圓周速度（m/s）
ds 一太陽輪分度圓直徑(mm) =148.5（mm）
一太陽輪轉(zhuǎn)數(shù)(rpm) =733(rpm)
一行星輪相對行星架的轉(zhuǎn)數(shù)(rpm) =-716(rpm)
一行星架轉(zhuǎn)數(shù)(rpm) =212(rpm)
代入公式 所以 ==4.05（m/s）
=1+（）=1.1（m/s）
同理可得 行星輪P ==4.06（m/s）
計算得 =1.10
齒圈R =
計算得 =1.114
e .齒間載荷分配系數(shù)、
因為 /b=3N/mm100N/mm 且為表面硬化的直齒輪。
所以 =1.2
f.齒向載荷分布系數(shù)
對于太陽輪、行星輪和齒圈，它們的齒輪寬度和行星齒輪的分度圓直徑比都小于1，則
g. 復(fù)合齒形系數(shù)
h. 重合度系數(shù)
因為 =1.47 =1.583
=0.25+
太陽輪與行星輪=0.76 行星輪與齒圈=0.724
i.螺旋角系數(shù) =1-
因為=0 所以
j.彎曲應(yīng)力
由公式：=
=1.251.11.214.00.7611.15=356.78(MPa)
=1.251.11.213.90.72411.15=367.6(MPa)
=1.251.11.214.00.72411.15=364.6(MPa)
k. 彎曲疲勞強度的壽命系數(shù)
=60rnt>3 所以 ===1
取=380M
l. 相對齒根的圓角敏感系數(shù)
查表得 太陽輪、行星輪、齒圈的敏感系數(shù)均為=1
m. 相對齒根表面狀況系數(shù)
查表得 =0.9
n.應(yīng)力修正系數(shù) =2
o.齒輪的彎曲疲勞極限
由公式 =
=46012110.9=828（M）
=32212110.9=579.6（M）
=38012110.9=684（M）
安全系數(shù)S
===2.32
===1.57
===1.87
按具有高可靠性要求取最小安全系數(shù)=1.5 從而可看出：
〉 〉 〉
所以彎曲強度校核通過。
（2） 接觸疲勞強度校核
a. 接觸強度的齒間載荷分配系數(shù)
太陽輪與行星輪嚙合時總重合度1.47 查表得 =1.2
齒圈與行星輪嚙合時的總重合度1.583 查表得 =1.2
b.節(jié)點區(qū)域系數(shù)
計算=
得=2.3186
c.彈性系數(shù)
可由公式=
得太陽輪與行星輪嚙合時==0.918
齒圈與行星輪嚙合時==0.8975
d.接觸疲勞強度極限
太陽輪與行星輪是合金鋼滲碳處理，取1500M
齒圈是合金鋼氮化處理，取1200M
e.壽命系數(shù)
=60rnt>5 所以 ===1
f.潤膜影響系數(shù)太陽輪和行星輪為8級精度，齒圈為9級精度，選用=115/s的礦物油，則查表得：太陽輪和行星輪為=0.9，齒圈為=0.8
g.齒面工作硬化系數(shù)=1
h.尺寸系數(shù)=1
i.齒輪的接觸疲勞極限
由公式=
=150010.911=1350M
=150010.911=1350M
=150010.811=9600M
j.安全系數(shù)S
===1.05
===1.05
===1.47
按具有高可靠性要求取最小安全系數(shù)=1.0從而看出齒輪滿足使用要求。
3.4 電磁離合器設(shè)計計算
3.4.1 選型
為滿足風(fēng)力發(fā)電機工作環(huán)境的需要，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中我選擇牙嵌式電磁離合器，因為牙嵌式電磁離合器有外形尺寸小，傳遞轉(zhuǎn)矩大，無空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，無摩擦發(fā)熱，無磨損，不需調(diào)節(jié)，傳動比恒定無滑差，使用壽命長，脫開快，干、濕兩用的特點。（電源為12v直流電）
3.4.2 牙嵌式電磁離合器的動作特性
如圖所示，通電后，當(dāng)激磁電流按指數(shù)曲線上升時，由于銜鐵被吸引，線圈中電感增大，引起電流第一次短時間下降，以后還會由于銜鐵吸引后尚不能起動負(fù)載轉(zhuǎn)矩，出現(xiàn)牙間嵌合、脫開和再嵌合的滑跳現(xiàn)象，致使電流發(fā)生多次跳動，直到能帶動負(fù)載轉(zhuǎn)矩時才趨向穩(wěn)定。對于靜態(tài)接合，起動時間的長短主要與銜鐵吸引時間有關(guān)，而對動態(tài)起動，則與相對轉(zhuǎn)速、負(fù)載特性、負(fù)載的增加情況以及牙的相對位置等因素有關(guān)。離合器的脫開時間就是從切斷激磁電流開始到牙完全脫開嵌合，傳遞力矩消失所經(jīng)歷的時間，此時電流也按指數(shù)曲線衰減。
3.4.3 離合器的計算轉(zhuǎn)矩
式中 T-離合器傳遞的理論轉(zhuǎn)矩，它包括工作轉(zhuǎn)矩和起動的慣性轉(zhuǎn)矩 T=2168（Nm）；
K-工作情況系數(shù) K=1.5
所以 1.5 2168=3252（Nm）
3.4.4 離合器的外徑
=133
3.4.5 離合器牙間的壓緊力
Q
式中 -牙形角， =
-摩擦角， =
-牙的平均直徑
-銜鐵摩擦面的摩擦系數(shù)
-銜鐵導(dǎo)向孔直徑
-彈簧推力，=40
3.4.6 線圈槽高度
=20mm
式中 -線圈槽高度比， =5
-傳熱系數(shù)，=11
-填充系數(shù)， =0.6
-電阻系數(shù)，=0.017
3.4.7 磁軛底部厚度
==4mm
3.4.8 銜鐵厚度
=8mm
一般取余量 =4
第四章 限速控制系統(tǒng)方案設(shè)計
4.1 設(shè)計限速控制系統(tǒng)的目的
功率調(diào)節(jié)是風(fēng)力發(fā)電機的關(guān)鍵技術(shù)之一，我設(shè)計限速電磁離合器就是為了盡可能提高風(fēng)力機風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率和保證風(fēng)力機輸出功率平穩(wěn),并且防止因瞬時電量過大而毀壞發(fā)電機和電力設(shè)施的現(xiàn)象出現(xiàn)。
4.2 限速控制系統(tǒng)方案分析
本課題設(shè)計的限速控制系統(tǒng)是一個機電一體化系統(tǒng)，從控制觀點來看，整個系統(tǒng)可分為六部分:電磁離合器機構(gòu)、電路、單片機、程序、編碼器、環(huán)境，其中的電路、單片機、程序、編碼器等部分構(gòu)成了控制系統(tǒng)。目前風(fēng)力發(fā)電機中投入運行的機組主要有兩類功率調(diào)節(jié)方式:一類是定漿距失速控制;另一類是變漿距控制。定漿距失速控制是指大功率高轉(zhuǎn)速的發(fā)動機工作于高風(fēng)速區(qū),小功率低轉(zhuǎn)速的發(fā)動機工作于低風(fēng)速區(qū), 通過葉片的失速或偏航控制來追求最高的發(fā)電效率。實際上難以做到功率恒定,通常有些下降, 變漿距控制是指通過改變與葉片相匹配的葉片攻角來調(diào)節(jié)風(fēng)力機發(fā)電效率。這兩種公路調(diào)節(jié)方式都存在反應(yīng)慢而造成瞬時過載的缺點。我設(shè)計的電磁離合器控制系統(tǒng)是通過程序?qū)﹄姶烹x合控制，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速時，控制系統(tǒng)會使電磁離合器分離，當(dāng)速度降低到額定轉(zhuǎn)速時電磁離合器將閉合，帶動發(fā)電機發(fā)電。這個系統(tǒng)有反應(yīng)速度快、準(zhǔn)確、成本低的特點。
4.3 單片機
本課題模型采用的單片機是AT89C51，單片機是指一個集成在一塊芯片上的完整計算機系統(tǒng)。盡管他的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個完整計算機所需要的大部分部件：CPU、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會具有外存。同時集成諸如通訊接口、定時器，實時時鐘等外圍設(shè)備。而現(xiàn)在最強大的單片機系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。
4.4 信號采集
本課題模型用編碼器來采集信號，把編碼器高低電平的變化的信號傳入單片機，單片機對信號進行分析，判斷電磁離合器通電還是斷電。
4.5 電路
本模型的電路包括單片機最小電路和上電復(fù)位電路，這個裝置可以用匯編語言來指導(dǎo)自動化運作與電腦差不多，讀入數(shù)據(jù)后，依據(jù)半導(dǎo)體進行邏輯運算，并把結(jié)果輸出。從而達(dá)到根據(jù)轉(zhuǎn)速控制電磁離合器的目的。
圖4-1 電磁離合器控制系統(tǒng)電路圖
4.6 限速控制程序
4.6.1 定時器周期
本模型設(shè)計50ms為一個周期，所以定時器必須工作于方式1。
定時器初值為：
TC=M-T/==15536=3CB0H
4.6.2 程序流程圖
圖4-2 程序流程圖
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
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
LJMP START
4.6.3.2 中斷服務(wù)程序：
Dingshi: MOV SuduH, TH1
MOV SuduL, TL1
CLR TH1
CLR TL1
MOV TH0, #3CH
MOV TL0, #0B0H
RETI
END
第五章 實驗和模型設(shè)計
5.1 實驗和模型設(shè)計的目的
實驗和模型設(shè)計的目的是檢驗小型垂直式風(fēng)力發(fā)電機中限速控制系統(tǒng)總體方案在實踐中的效果，并且驗證程序是否正確，以及電路的設(shè)計是否合理。為了達(dá)到驗證程序并且降低成本的目的，對小型垂直式風(fēng)力發(fā)電機進行了改進設(shè)計。
5.2 模型設(shè)計
5.2.1 設(shè)計技術(shù)指標(biāo)
在本課題中給出了下列技術(shù)指標(biāo):
1． 額定功率（ｗ）：300
2． 輸出電壓（v）：24
3． 啟動風(fēng)速（m/s）：2
4． 額定風(fēng)速（m/s）：6
5． 最大使用風(fēng)速（m/s）：20
由于本模型驗證的是控制電磁離合器限制發(fā)電機轉(zhuǎn)速的程序，所以在達(dá)到檢驗控制系統(tǒng)設(shè)計方案目的同時降低成本的原則下，我用電動機取代了風(fēng)力發(fā)電機中行星齒輪加速器，也就是電動機軸的轉(zhuǎn)速模擬了風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)中行星齒輪加速器輸出軸的轉(zhuǎn)速。
5.2.2 模型設(shè)計器件
5.2.2.1 電機
本模型選擇的電動機最高轉(zhuǎn)速是800r/min，所以我假設(shè)200r/min為額定轉(zhuǎn)速，當(dāng)電機轉(zhuǎn)速高于額定轉(zhuǎn)速時電磁離合器就斷開，當(dāng)電機轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速之內(nèi)時點戲離合器就閉合。
5.2.2.2 程序
本模型設(shè)計50ms為一個周期，定時器必須工作于方式1。這樣控制系統(tǒng)的反應(yīng)就很快，可以及時使電磁離合器分離，避免危險發(fā)生。
5.2.2.3 電路
本模型采用上電復(fù)位電路作為初始化電路。只要電路一通電控制系統(tǒng)就自動開始工作，在實踐中不用工人去開啟，這樣可以提高安全性，避免因工人失誤而造成危害。
5.2.2.4 編碼器
編碼器屬于傳感器，用于感知電機的轉(zhuǎn)數(shù)，從而得到機構(gòu)各連桿之間的相對位置信息。在模型中我購買的是無錫市瑞普編碼器，脈沖周期：（N為每轉(zhuǎn)輸出脈沖數(shù)N=1） 電源：12v直流電，輸出信號與單片機相連。
5.2.2.5 單片機
模型中采用的單片機是AT89C51。
5.2.2.6 電磁離合器
本模型選擇的電磁離合器有傳動和制動兩個功能，在模型中我用綠色燈泡代表傳動，綠燈泡亮?xí)r代表傳動邊的離合器閉合。黃色燈泡代表制動，黃燈亮?xí)r代表制動離合閉合并且傳動離合斷開。
5.2.2.7 電源
本模型采用的是可同時提供12V2A和5V3A直流電的電源。12V2A電源為編碼器供電，5V3A為電路板提供電源。
5.3 電路板
圖5-1 電路板
5.4 限速控制程序裝置
圖5-2 電路
5.5 實驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)果分析
完成了方案設(shè)計的限速控制系統(tǒng)模型制作。制作的模型中電路、程序以及各元器件工作正常，并且很好的驗證了程序，程序可以完成預(yù)設(shè)的任務(wù)。
當(dāng)電機轉(zhuǎn)速在額定值200r/min之內(nèi)時，電路板中綠燈亮。
當(dāng)電機轉(zhuǎn)速大于額定值200r/min時，電路板中綠燈滅。
當(dāng)按下制動開關(guān)時，電路板上綠燈滅，并且黃燈亮。
綜上所述，模型設(shè)計和制作成功，裝置的限速控制程序正確。
第六章 結(jié)束語
本課題設(shè)計的小型立式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機是一種新型結(jié)構(gòu)形式的風(fēng)力發(fā)電機，它的限速控制系統(tǒng)是集電磁離合器、單片機、編碼器、匯編程序在一起的機電一體化系統(tǒng)。本論文對其結(jié)構(gòu)原理進行分析、研究，并且制作了模型對限速控制系統(tǒng)進行了驗證，得到了如下的結(jié)論:
（1） 本課題設(shè)計的限速控制系統(tǒng)電路合理、可用；
（2） 程序正確；
（3） 機構(gòu)簡單；
（