小型垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計,小型,垂直,風力,發(fā)電,系統(tǒng),設(shè)計 小型垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計 [摘要] 本文介紹了一種小型垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計方案，本系統(tǒng)主要面向沿海高層建筑或邊遠地區(qū)用戶。經(jīng)過查閱大量文獻資料結(jié)合必要的理論計算，系統(tǒng)采用四片NACA0012型葉片構(gòu)成H型達里厄風力機，利用永磁直驅(qū)同步發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)過電力電子電路對蓄電池進行充電。文中對主要支撐件和傳動件進行了必要的結(jié)構(gòu)校核，對所用的兩個角接觸球軸承進行了使用壽命校核。最后以垂直軸風輪和永磁直驅(qū)發(fā)電機為主要對象，用solidworks軟件建立三維模型，設(shè)計風力發(fā)電系統(tǒng)主要零部件，并簡要介紹其控制電路、選擇蓄電池型號。 [關(guān)鍵字] 垂直軸 風力發(fā)電機 達里厄 NACA0012翼型 Design of the Vertical Axis Wind Turbine [Abstract] This is a design of a kind of vertical axis wind turbine which was used in removed rural area or highrise in seaside city based on related theories. By consulting reference sources and necessary mathematical operation,four NACA0012 air-foil blades were used as the compoments of the H-type Darrieus. The lead-acid bettery was charged by the electrical energy which was generated by a permanent magnet synchronous motor with the operation of power electronic circuits. In this article,some constructures such as the main suppoting parts and the angular contact ball bearings were vertified on the intensity and life. By using of the solidworks2006 software,every important part has a 3D model. We also design a control circuit and bettery breifly. [Keywords] Vertical axis Wind turbine Darrieus NACA0012 air-foil  目錄 第一章 緒論 1 1.1 國內(nèi)外風力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢 1 1.2 小型垂直軸風力發(fā)電機發(fā)展概況 3 第二章 風力發(fā)電基本原理 4 2.1 風特性 4 2.1.1 風能量 4 2.1.2 湍流特性 5 2.2 風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架 5 第三章 小型垂直軸風力發(fā)電的總體設(shè)計 6 3.1 風力機的種類及選擇 6 3.2 垂直軸風力機空氣動力學 8 3.2.1 風能利用率 9 3.2.2 Cp-λ功率特性曲線 10 3.2.3 貝茨極限 10 3.2.4 葉尖速比 11 3.2.5 風力機的功率及扭矩計算 11 3.3 葉片選型 12 3.3.1 葉片實度 13 3.3.2 葉片形狀及材料 14 第四章 電氣設(shè)備及傳動設(shè)計 16 4.1 基本原理 16 4.1.1 法拉第電磁感應(yīng)原理 16 4.1.2 相位角及功率因數(shù) 16 4.2 轉(zhuǎn)化裝置 17 4.2.1 直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機 17 4.2.2 電氣系統(tǒng)電路設(shè)計 17 4.3 傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算 18 4.3.1 傳動軸的設(shè)計 18 4.3.2 軸承的計算及選型 20 第五章 剎車裝置及其他部件設(shè)計 25 5.1 剎車裝置 25 5.1.1 剎車裝置原理 25 5.1.2 剎車結(jié)構(gòu)受力計算 27 5.2 塔架的設(shè)計 28 5.2.1 支撐件受力分析 28 5.2.2 拉索的受力計算 30 5.3 蓄電池和選型 31 5.3.1 蓄電池的種類及工作基本原理 31 5.3.2 蓄電池選型 32 5.4 箱體的設(shè)計 32 5.4.1 箱體的外形設(shè)計 32 5.4.2 箱體的防銹與密封 33 結(jié)論 34 致謝語 35 參考文獻 36 附錄 37 小型垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計 小型垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計 2 小型垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計 引言 當前火力發(fā)電仍然是主要的發(fā)電方式，其高污染高能耗正一步步吞噬著地球脆弱的生態(tài)環(huán)境，地球急需一種環(huán)保高效的可再生能源來替代火力發(fā)電。風力發(fā)電不像火力發(fā)電那樣需要大量的煤炭、水力發(fā)電那樣需要建造巨大的水庫，也不像核電那樣需要消耗鈾，它不需要燃料就可以源源不斷地產(chǎn)生能源，建好之后除了日常的維護費用外幾乎不需要其他費用支持。風力發(fā)電的用法很多，既可以并網(wǎng)使用也可以離網(wǎng)使用，可以同太陽能一起使用，也可以單獨構(gòu)成大型風力發(fā)電廠。風力機的種類千奇百怪，設(shè)計思路五花八門，充分發(fā)揮了人類豐富的想象力和創(chuàng)造力，按軸的方向分有水平軸風力機、垂直軸風力機，按驅(qū)動方式分有升力型和阻力型等等。雖然目前世界各地的大部分風場所用的風力機為水平軸的，但由于垂直軸風力機，尤其提到達里厄型風力機，有著優(yōu)越的空氣動力性能，提高了效率，并且很大程度降低了造價，所以近年來廣泛受到各國研究人員的關(guān)注。垂直軸風力機的旋轉(zhuǎn)半徑可以小至一兩米，也可以大到數(shù)十米，發(fā)電風速范圍比較廣。 37 第一章 緒論 1.1 國內(nèi)外風力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢 隨著能源緊缺及化石燃料對環(huán)境污染日趨嚴重，開發(fā)新型能源成為各國經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵，目前可再生能源有太陽能、風能、地熱能等。風能發(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世紀起，水平軸風車產(chǎn)業(yè)就成為了農(nóng)村經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的主要部分，而利用風力發(fā)電的歷史可以追溯到19世紀晚期，美國的Brush研制了第一臺12kW的直流風力機。Golding(1955)、Shepherd和Divone(1994)記錄了早期的風力機發(fā)展史。1931年，蘇聯(lián)制造了一臺100KW、直徑30m的Balaclava(巴拉克拉法帽)風力機；19世紀50年代早期，英國制造了一臺100KW、直徑24m的Andrea Enfield(安德魯-恩菲)風力機。1956年，丹麥建造了一臺200KW、直徑24m的Gedser(蓋瑟)風力機，1963年法國電力工業(yè)試驗了一臺功率1.1MW、直徑35m的風力機。在德國，Hutter(胡特)于19世紀50年代和60年代建立了一些新型的風力機。由于石油價格突然上漲，美國開始建造一系列示范風力機組，如1975年的功率100KW、直徑38m的Mod-0風力發(fā)電機組和1987年的功率2.5MW、直徑97.5m的Mod-5B風力發(fā)電機組。目前世界上最大的風力發(fā)電機是德國制造的E-126，高達120m，風輪直徑126m，每個葉片長達61.4m，每片重18t，裝機功率達到5MW[1]，如圖1-1所示。 圖1-1 Enercon的E-126型風力發(fā)電機 我國風能資源豐富，根據(jù)第三次風能普查結(jié)果，我國技術(shù)可開發(fā)的陸地面積約為24×104km2?？紤]到風電場中風力發(fā)電機組的實際布置能力，按照5MW/km2計算，陸上技術(shù)可開發(fā)量為120×104MW。目前我國風能資源開發(fā)利用的重點區(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)可開發(fā)量約為50×104MW，居全國之首[2]如圖1-2所示。 圖1-2 全年平均風能密度分布 在國家可再生能源發(fā)展規(guī)劃和風電裝備國產(chǎn)化等相關(guān)政策的支持下，我過風電產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，2009年中國（不含臺灣?。┬略鲲L電裝機10129臺，容量13803.2MW，年同比增長124%；累計風電裝機21581臺，容量25805.3MW，年同比增長114%。臺灣省當年新增風電裝機37臺，容量77.9MW；累計裝機227臺，容量436.05MW[3]，如圖1-3所示。 圖1-3歷年我國裝機儲量 1.2 小型垂直軸風力發(fā)電機發(fā)展概況 垂直軸風力機（Vertical Axis Wind Turbine或VAWT）的風輪軸與風向垂直，風輪的轉(zhuǎn)動與風向無關(guān)，但是由于其啟動風速較高且功率不穩(wěn)定，其發(fā)展并不像水平軸風力機那么迅速。隨著計算科學的飛速發(fā)展，垂直軸風力機的優(yōu)異空氣動力性能（尤其是達里厄風力機）漸漸為世人所認識，近年來廣泛受到各國研究人員的關(guān)注。國外較大的風力發(fā)電公司有加拿大的Cleanfiled Energy公司，其主導產(chǎn)品是一種額定功率為3.5kW的升力型葉輪風力發(fā)電機，整套系統(tǒng)由玻璃鋼纖維和鋼材組成，約重181.4kg，葉輪高3m，輪輻直徑2.5m。2006年，中國垂直風力發(fā)電機實驗基地在內(nèi)蒙古化德縣啟動運行，目前50kW小樣機組已投入運行開始發(fā)電，如圖1-4所示。2007年，西峽瑞發(fā)水電設(shè)備公司和哈爾濱發(fā)電設(shè)備研究中心聯(lián)合開發(fā)設(shè)計的1.5MW垂直軸永磁風力發(fā)電機研制成功，并在張家口風電場安裝運行。 圖1-4 德化縣50kW垂直軸風力機  第二章 風力發(fā)電基本原理 2.1 風特性 2.1.1 風能量 空氣的流動現(xiàn)象稱為風，風是由于不同地方的空氣受熱不均勻，從一個地方向另一個地方運動的空氣分子產(chǎn)生的，風的能量就是空氣分子的動能，如圖2-1所示。 圖2-1 空氣流的動能 風功率計算公式為 聯(lián)立以上各式得 （2.1） 從式（2.1）容易看出風速對風能的影響是最大的，因此在沿海地區(qū)設(shè)計風力機時必須要考慮強臺風對設(shè)備的影響。 2.1.2 湍流特性 湍流指的是短時間內(nèi)的風速波動，隨著海拔、氣候、地形等變化。影響湍流的因素很多，產(chǎn)生湍流的主要原因有：1.由地形差異引起的氣流與地表的摩擦。2.由于空氣密度差異和氣溫變化的熱效應(yīng)空氣垂直運動。湍流往往是有這兩種原因相互作用形成的。 湍流無法用簡單的數(shù)學公式完整的表達出來，其復(fù)雜程度超出了人類現(xiàn)有的認識能力。雖然它的活動遵循一定的定律，但是人類想要用這些定律來描述湍流過程是相當困難的，因此只能通過統(tǒng)計學來大致描述湍流。湍流風速變化基本上服從高斯函數(shù)，風速變動相對于風速均值服從正態(tài)分布,湍流強度I是用來描述湍流總體水平的，計算公式如下[4]： （2.2） 式中I為湍流強度；為脈動風速的均方根；為脈動風速動能；為10min平均風速。 湍流強度由地表的粗糙度和高度決定，通常是在很短的一段時間內(nèi)計算得到的，如幾分鐘到一小時。 2.2 風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架 小型垂直軸風力發(fā)電機不需要并網(wǎng)，只要選擇合適的蓄電池就能夠提供一般家庭的生活用電，本次設(shè)計的發(fā)電系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成：葉輪、發(fā)電機、傳動機構(gòu)（包括剎車）、塔架、整流、功率控制系統(tǒng)，如圖2-2所示。 圖2-2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖  第三章 小型垂直軸風力發(fā)電的總體設(shè)計 3.1 風力機的種類及選擇 風力機的分類方法很多，其中按風力機主軸布置方向可分為水平軸風力機和垂直軸風力機，水平軸風力機的旋轉(zhuǎn)主軸與風向平行，如圖3-1所示。水平軸風力機組有兩個主要優(yōu)勢：1.實度較低，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 水平軸風力發(fā)電機 垂直軸風力機的旋轉(zhuǎn)主軸與風向垂直，如圖3-2所示，垂直軸風力機設(shè)計簡單，風輪無需對風，其優(yōu)點有：1.可以接受任何風向的風，無需對風；2.齒輪箱和發(fā)電機可以安裝在地面，檢修維護方便。 圖3-2 垂直軸風力發(fā)電機 按照槳葉受力方式分類可分為升力型風力機和阻力型風力機。升力型風力機利用葉片的升力帶動旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，從而轉(zhuǎn)化風能為電能，這種風力機目前較為常見，大部分水平軸風力機都屬于升力型風力機。目前大中型風電主要采用水平軸風力機，屬升力型風力機，具有轉(zhuǎn)速高、風的利用率較高等優(yōu)點，其葉尖速比通常在4以上，最大功率系數(shù)可達50%，如圖3-3所示。阻力型風力機利用葉片上受到的阻力來驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，大部分阻力型風力機為垂直軸，目前較少，如圖3-4所示。 圖3-3 升力型風力發(fā)電機 圖3-4 阻力型風力發(fā)電機 垂直軸升力型風力機既有垂直軸風力機結(jié)構(gòu)簡單、維修方便等優(yōu)點，又和升力型風力機一樣具有較高轉(zhuǎn)速，風能利用率有所提高。由于運行過程中受力比水平軸好得多，疲勞壽命要更長。 3.2 垂直軸風力機空氣動力學 如圖3-5所示建立平面坐標系，假定風速矢量為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，風速矢量v=（0，-V），葉片速度矢量u=（-Usinθ,Ucosθ），風對葉片的相對速度w=v+u，坐標運算后得w=（-Usinθ，-V+Ucosθ）。 圖3-5 垂直風力機動力原理 相對風速的大小就是矢量w的模|w|，以表示w的單位矢量，表示u的單位矢量，則可以求出此時的攻角α，攻角就是相對風速與葉片弦長所在直線的夾角，按照矢量計算可推得： （3.2） 在風力的作用下，葉片在攻角α時受到的升力和阻力可以按以下公式計算： （3.3） （3.4） 將升力和阻力投影到風輪切方向： （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 垂直風力機的葉素力學模型 切向力的合力產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使風輪轉(zhuǎn)動，葉片在位置角為θ時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為 （3.7） 3.2.1 風能利用率 風能利用系數(shù)Cp是表示風力機效率的重要參數(shù)，由于風通過風輪的風能不能完全轉(zhuǎn)化為風輪機械能，其風能利用率Cp為[7] （3.8） 其中Pm為風力機輸出的機械功率；Pw為風力機輸入的風能。 目前大型水平軸風力發(fā)電機的風能利用率絕大部分是由葉片設(shè)計方計算得到的，一般在40%以上。由于之前一般都是利用葉素理論來計算垂直軸風力機的風能利用率，得出的結(jié)果不如水平軸，但是根據(jù)國外最新的實驗表明垂直軸的風能利用率不低于40%[8]，再加上水平軸風力機受到風向變化的影響，而垂直軸風力機可以在任何風速角下工作，因此有理由相信垂直軸風力機的利用率能夠超過水平軸。 3.2.2 Cp-λ功率特性曲線 風能利用系數(shù)Cp一般是變化的，它隨著風速與風輪轉(zhuǎn)速變化而變化，葉片尖端線速度與風速之比叫做葉尖速比λ（將在第3.2.4節(jié)具體說明），為了得到最佳的風能利用率，一般根據(jù)Cp-λ曲線來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，當葉尖速比達到7.5左右時風能利用系數(shù)最大，風能利用率最高，Cp值有一個最大值，實際風力機一般都達不到這么高的風能利用率，所以我們先初定葉尖速比在λ=6，風能利用率Cp=0.4時對風力機進行設(shè)計，具體的Cp-λ圖還需根據(jù)具體的風力機葉片試驗及攻角調(diào)整來確定。 3.2.3 貝茨極限 風能利用系數(shù)縮短能達到的最大值就是貝茨極限，德國空氣動力學家Albert Betz提出貝茨極限后,直到今天還沒有人能設(shè)計出超過這個極限的風力機，該極限不是由于設(shè)計不足造成的，而是因為流管不得不在致動盤上游膨脹，使得自由流速比在圓盤處小，貝茨極限由一下微分方程得出[9]： （3.9） 式中a為氣流誘導因子。 解微分方程可知當a=1/3時，Cp最大，求得最大Cp=0.953。 3.2.4 葉尖速比 風輪葉片尖端線速度與風速之比稱為葉尖速比，阻力型風力機葉尖速比一般為0.3至0.6，升力型風力機葉尖速比一般為3至8。在升力型風力機中，葉尖速比直接反映了相對風速與葉片運動方向的夾角，即直接關(guān)系到葉片的攻角，是分析風力機性能的重要參數(shù)。葉尖速比計算公式為 （3.10） 3.2.5 風力機的功率及扭矩計算 由福建省情資料庫中的圖像資料可以看出廈門地區(qū)地面平均風速在4m/s～6m/s左右，如圖3-8所示。 圖3-8福建省風速分布 從福建氣象網(wǎng)站（http://fj.weather.com.cn/）24小時監(jiān)測的結(jié)果可以看出，廈門地區(qū)一天內(nèi)4級風（約8m/s）出現(xiàn)的頻率最高，如圖3-9所示。 圖3-9 廈門某日24小時風速監(jiān)測圖 風力機的額定風速按照國家標準《GBT 13981-2009 小型風力機設(shè)計通用要求》：風輪掃掠面積小于等于40m2的風力機額定風速Vn在6m/s～10m/s，我們將風力機的風速暫定為8m/s。 風力機設(shè)計發(fā)電功率為300W，現(xiàn)在我們來計算通過該風力機的總功率，按風力機效率Cp=40%，則風力機的輸入功率為 （3.11） 根據(jù)公式（2.1）得掃風面積為 （3.12） 式中 P為風力機實際獲得總功率，W；ρ為空氣密度，kg/m3；取標準值1.25 kg/m3；S為風輪的掃風面積，m2；v為上游風速，m/s。 以上結(jié)果表明：通過風功率為750W的風力機組，掃掠面積為2.34 m2，在風速為8m/s的情況下發(fā)電功率為300W。風輪高度與直徑的比值為風輪的高徑比，應(yīng)該在輸出相同功率時葉片制造費用最低的條件下，選擇高徑比，研究表明，高徑比為1附近時相同的材料掃風面積最大，其中H為風輪高度，D為風輪直徑。 由 得到H=1.5m，D=1.6m，產(chǎn)生的掃掠面積基本上能符合要求。 風力機轉(zhuǎn)矩[10]： （3.13） 3.3 葉片選型 葉片是利用氣流通過時產(chǎn)生的壓力差使葉輪轉(zhuǎn)動的部件，具有空氣動力學特性，其設(shè)計質(zhì)量對整個風力發(fā)電系統(tǒng)及其他零部件有這直接影響，因此葉片是風力機的重要部件。葉片的設(shè)計目標主要有： 1. 良好的空氣動力外形； 2. 可靠地結(jié)構(gòu)強度； 3. 合理的葉片剛度； 4. 良好的結(jié)構(gòu)動力學特性和啟動穩(wěn)定性； 5. 耐腐蝕、方便維修； 6. 滿足以上目標前提下，盡可能減輕葉片重量，降低成本。 風力機的翼型多種多樣，各有各的優(yōu)缺點，應(yīng)用較多的有NACA翼型系列、SERI翼型系列、NREL翼型系列、RISΦ翼型系列和FFA-W翼型系列等，其中NACA翼型是美國國家宇航局（NASA）的前身國家航空咨詢委員會（NACA）提出設(shè)計的翼型系列，具有低阻力系數(shù)的特點，適合低速運行[11]。 3.3.1 葉片實度 風力機葉片的總面積與風通過風輪的面積（風輪掃掠面積）之比稱為實度比（容積比），是風力機的一個參考數(shù)據(jù)。垂直軸風力機的葉片實度計算公式為： （3.12） 升力型垂直軸風力機葉輪，C為葉片弦長，N為葉片個數(shù)，R為風輪半徑，L為葉片長度，σ為實度比。合理選取實度比的原則是在保證風輪氣動特性的條件下，力求使制造葉片的費用最低。為了最大限度提高動效率，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)與零升角對稱。 如圖3-10所示三種翼型的阻力系數(shù)，可以看出，NACA0012的阻力系數(shù)較小，適用于大雷諾數(shù)的情況，具有上述特性，故選用較低阻力系數(shù)NACA0012對稱翼型。 圖3-10幾種翼型的翼型特性 由于NACA0012是對稱翼型，在圖3-11左側(cè)數(shù)據(jù)表中僅列出了單邊的數(shù)據(jù)，表中c是弦長（弦長為1.00）；x是弦長坐標（單位是x/c）；y是對應(yīng)x位置的翼面與弦的距離（單位是y/c）。 圖3-11 NACA0012翼型參數(shù) 實度比選擇在0.5～0.6范圍內(nèi)較好。為此可以得出風輪葉片的弦長： （3.13） 本次設(shè)計采用的葉片弦長0.24m，數(shù)據(jù)只需將表中各數(shù)字適當縮放即可[5]。 3.3.2 葉片形狀及材料 葉片截面結(jié)構(gòu)為主梁蒙皮式，表面材料為鋁合金，主梁采用單向承載能力強的硬鋁材料，O型主梁結(jié)構(gòu)制造簡單，各向受力均衡。葉片空心處用聚氨酯泡沫材料填充,剖面形式如圖3-12所示。 圖3-12 葉片剖面 主梁可直接焊接與鋁合金蒙皮上，待主梁與蒙皮連接完成后，在空腹結(jié)構(gòu)內(nèi)填入聚氨酯直接發(fā)泡填充成型。由此，風力機的基本參數(shù)可以確定，如表3.1所示。 表3.1 風力機參數(shù) 額定風速 平均效率 葉尖速比 設(shè)計功率 8m/s 40% 6 300W  第四章 電氣設(shè)備及傳動設(shè)計 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)電動勢，閉合電路的一部分導線切割磁感線將產(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)，之后許多科學家試圖解釋這一現(xiàn)象，1831年8月，法拉第認為感應(yīng)電流是由與導體性質(zhì)無關(guān)的感應(yīng)電動勢產(chǎn)生的，即使沒有回路沒有感應(yīng)電流，感應(yīng)電動勢依然存在。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)電動勢，N為線圈匝數(shù)，為磁通量變化量。 導線切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢可用以下公式表示： （4.2） 其中B為磁感應(yīng)強度，L為導線長度,v為導線切割速度。 4.1.2 相位角及功率因數(shù) 瞬時電壓及瞬時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是瞬時電壓與瞬時電流的夾角。 瞬時功率為： （4.5） 在一個周期內(nèi)對瞬時功率積分獲得平均功率： （4.6） 對于三相電流，每相電流等于的線圈電流，實際產(chǎn)生的功率為： （4.7） 式中即為功率因數(shù)。 4.2 轉(zhuǎn)化裝置 4.2.1 直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機 永磁同步發(fā)電機適合離網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)采用，由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子直接由風輪驅(qū)動，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題。目前普遍使用的永磁同步發(fā)電機主要有FD系列和YF系列，按照功率和轉(zhuǎn)速選擇發(fā)電機，經(jīng)過查閱《中國電器工程大典第九卷-電機工程》P617表5.5-2 ，現(xiàn)選擇發(fā)電機型號為FD-300，其基本參數(shù)如表4.1所示。 表4.1發(fā)電機參數(shù) 型號 額定功率/W 發(fā)電機額定電壓/V 重量 /kg 啟動力矩 /Nm 額定電流 /A 發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速 FD-300 300 28 17 <0.35 10.7 400r/min 4.2.2 電氣系統(tǒng)電路設(shè)計 由于本人對電力控制方面不是很了解，因此只能對現(xiàn)有前人的論文進行一些改動[12]。功率控制部分設(shè)計限于知識水平本人無法所有完成，只能大概敘述基本工作原理，如圖4-1所示。 圖4-1 系統(tǒng)電力控制圖 永磁直驅(qū)同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子輸出三相交流電經(jīng)過不控整流電路整流后對蓄電池進行充電，電子調(diào)壓電路的功能除了對蓄電池充電的控制外，還負責多余電能的卸荷。12V蓄電池接boost電路進行升壓，升壓后電壓為24V，整個系統(tǒng)對外供電電壓也為24V。光電編碼器的額定電壓是5V，因此在電路中加入R1與R2進行分壓限流。 4.3 傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算 4.3.1 傳動軸的設(shè)計 主傳動軸只承受扭矩，不受彎矩，按空心主軸扭轉(zhuǎn)強度估算主軸最小直徑： （4.8） 其中A為系數(shù)，按《機械設(shè)計手冊單行本-軸承及其連接表5-1-19》選?。籨為軸端直徑，mm；n為軸的工作轉(zhuǎn)速，r/min；P為軸傳遞的功率，kW；為空心軸的內(nèi)徑d1與外徑d的比值，α=d1/d。 查閱《機械設(shè)計手冊單行本-軸承及其連接表5-1-19》得45鋼的A值取110，已知功率為750W，主軸額定轉(zhuǎn)速n為400轉(zhuǎn)/min。代入式(4.8)后得到 （4.9） 按照主軸扭轉(zhuǎn)剛度計算直徑： （4.10） 其中B為系數(shù)，按《機械設(shè)計手冊單行本-軸承及其連接表5-1-20》選取，查閱《機械設(shè)計手冊單行-本軸承及其連接表5-1-20》得一般傳動時B值取91.5，已知功率為0.75kW，主軸額定轉(zhuǎn)速n為400轉(zhuǎn)/min,代入式(4.10)后得到 （4.11） 如果截面上有鍵槽時，應(yīng)將求得的軸徑增大，其增大值見《機械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接》表5-1-22，增大值應(yīng)選7%，最后得出的最小外徑d=21.1mm。為了安全，我們選擇的軸外徑為d=30mm，內(nèi)徑d1=18mm，采用45鋼調(diào)質(zhì)處理，主軸如圖4-2所示。 圖4-2 主軸示意圖 校核主軸安全系數(shù)，主軸轉(zhuǎn)矩為 （4.12） 只考慮扭拒作用時的安全系數(shù)為 （4.13） 其中為對稱循環(huán)應(yīng)力下的材料扭轉(zhuǎn)疲勞極限，Mpa，見《機械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-1》，；為扭轉(zhuǎn)時的有效應(yīng)力集中系數(shù)，見《機械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-30～表5-1-32》，；為表面質(zhì)量系數(shù)，一般用《機械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-36》；軸表面強化處理后用《機械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-38》；有腐蝕情況時用《機械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-35》或《機械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-37》，；為扭轉(zhuǎn)時的尺寸影響系數(shù)，見《機械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-34》，；、為扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力，Mpa見《機械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-25》，；為材料扭轉(zhuǎn)的平均盈利折算系數(shù)，見《機械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-33》，。 將各數(shù)據(jù)代入公式后得 根據(jù)調(diào)質(zhì)45鋼，要求查《機械設(shè)計手冊》（機工版）第2版第19篇第5章得安全系數(shù)為5.0，因此設(shè)計的主軸滿足要求。 4.3.2 軸承的計算及選型 由于風力機不僅承受風輪的扭矩，而且要承受氣流方向的一定彎矩，角接觸球軸承不僅能夠承徑向力，同時能夠承受一定的徑向載荷，因此在主軸上安裝兩個角接觸球軸承。 1．角接觸球軸承1的選用計算 角接觸球軸承1的安裝位置如圖4-3所示。 角接觸球軸承 圖4-3 軸承1的安裝位置 軸徑d=30mm,額定轉(zhuǎn)矩T=4.3Nm。由《機械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-82》選擇角接觸球軸承36000型新代號7000C,之所以選用接觸球軸承是考慮到主軸在轉(zhuǎn)動時有可能產(chǎn)生徑向載荷，軸承1參數(shù)如表4.2所示。 孔徑d 外徑D 軸承代號 極限轉(zhuǎn)速r/min（脂潤滑） 額定動負荷 額定靜負荷 重量 30mm 55mm 7006C 9500 11.65kN 8.49kN 0.11kg 表4.2 軸承1參數(shù) 軸向載荷： 徑向載荷按照最不利狀況計算，根據(jù)伯努利方程，氣流作用在葉片上的壓力為： （4.14） 作用在4個葉片上的總力為 （4.15） 由《機械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-12》推薦使用壽命為100000小時, 軸承當量動載荷的計算公式為 （4.16） 式中X、Y分別為徑向動載荷系數(shù)及軸向動載荷系數(shù)?？赏ㄟ^查《機械設(shè)計手冊表28·3-2》得：因為 所以應(yīng)該選擇X=0.44，Y=1.47，代入式子得到 軸承基本額定動載荷按如下公式計算： 式中：為基本額定動載荷計算值，N；為速度因數(shù)，按《機械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-9》選取5.85；為力矩載荷因數(shù)，力矩載荷較小時取1.5，較大時取2，這里選取2；為沖擊載荷因數(shù)，按《機械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-10》選取1.2；為溫度因數(shù)，按《機械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-11》選取1；為壽命因數(shù)，按《機械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-8》選取0.405；為當量動載荷。 將各個數(shù)據(jù)代入式（4.13）得： 故選用此軸承能夠滿足額定載荷的要求。 2．角接觸球軸承2的選用計算 角接觸球軸承2的安裝位置如圖4-4所示。 軸承 圖4-4 軸承2安裝位置 按照《機械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-82》選擇軸承型號36105（新型號7005C），參數(shù)如表4.3所示。 孔徑d 外徑D 軸承代號 極限轉(zhuǎn)速r/min（脂潤滑） 額定動負荷 額定靜負荷 重量 25mm 47mm 7006C 12000 9.38kN 7.73kN 0.074kg 表4.3 軸承2參數(shù) 按照軸承1校核公式（4.15）對軸承進行校核： 軸承當量動載荷按公式（4.16）得： 式中X、Y分別為徑向動載荷系數(shù)及軸向動載荷系數(shù)?？赏ㄟ^查《機械設(shè)計手冊表28·3-2》得：因為 所以應(yīng)該選擇X=0.44，Y=1.40，代入公式（4.16）得到 由《機械設(shè)計基礎(chǔ)（第五版）公式16-3》計算軸承壽命： （4.17） 式中：為溫度因數(shù)，按《機械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-11》選取1；為沖擊載荷因數(shù)，按《機械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-10》選取1.2；C為額定動載荷，C=9.38kN；N為主軸額定轉(zhuǎn)速，n=400r/min；為壽命指數(shù)，對于球軸承取3。 將各數(shù)據(jù)代入式子后得 由《機械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-12》推薦使用壽命為100000小時,所以可以滿足使用要求。 主軸與發(fā)電機之間用圓錐銷套筒聯(lián)軸器進行連接，如圖4-5所示，聯(lián)軸器具體參數(shù)見圖紙。 圖4-5 圓錐銷套筒聯(lián)軸器  第五章 剎車裝置及其他部件設(shè)計 5.1 剎車裝置 5.1.1 剎車裝置原理 目前應(yīng)用的制動器有外抱塊式制動器(簡稱：塊式制動器)、內(nèi)張?zhí)闶街苿悠?簡稱：蹄式制動器)、帶式制動器、盤式制動器、載荷自制制動器等等，它們的工作原理都是利用摩擦力使致動盤停止，從而起到制動作用。制動器目前已經(jīng)形成標準，是標準件。東莞市產(chǎn)華電機有限公司FDB-1-100型凸緣單板式電磁制動器是利用電磁力產(chǎn)生壓力作用于制動盤上，在制動盤表面形成摩擦力，其基本結(jié)構(gòu)如圖5-1所示。 圖5-1制動器受力 要求在十二級風速（約30m/s）時能夠有效制動，下面通過計算力矩來選擇制動器 已知 由公式（4.12）得 制動器所選型號為FDB-1-100，其基本參數(shù)如表5.1所示。 表5.1 制動器參數(shù) 型號 制動盤直徑/mm 靜摩擦轉(zhuǎn)矩N/m 動摩擦轉(zhuǎn)矩/N·m 功率 [24VDC](W)at20℃ 重量kg FDB-1-100 160 90 80 35 3.45 制動器的閉合是通過轉(zhuǎn)載主軸上面的一個光電編碼器來實現(xiàn)控制的，光電編碼器收集主軸轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，主控電路中的單片機對數(shù)據(jù)進行計算，當轉(zhuǎn)速達到某值時，單片機輸出數(shù)字信號，控制繼電器常開觸點閉合，從而制動器電磁鐵得電，制動器的電磁鐵由蓄電池供電，如圖5-2所示。 圖5-2 制動器示意圖 制動器外形尺寸如表5.2所示(/mm)。 表5.2 制動器外形數(shù)據(jù) A C1 C2 C3 D E H J K L M P Y m a b t 160 190 175 80 30 65 26 6 4 42 38 11.5 8 2-M8 0.3(-1) 7 3.3 5.1.2 剎車結(jié)構(gòu)受力計算 用制動器的額定制動轉(zhuǎn)矩反求風力機制動器的最大工作風速，由公式（4.12）得 這個風速相當于13級風，制動器在13級風下可以安全制動。為了保護有效發(fā)電機和其他部件，制動器必須在轉(zhuǎn)速超出發(fā)電機允許范圍時立即動作，完成轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)收集的任務(wù)就交給了光電編碼器，光電編碼器通過光電轉(zhuǎn)換收集轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)送往主控電路（一般為單片機）進行分析，最后產(chǎn)生一個控制信號使執(zhí)行件動作。圖5-3為套軸式編碼器，軸孔直接與電機軸配合，通過螺釘鎖緊，當電機軸轉(zhuǎn)動時帶動光電編碼器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動并產(chǎn)生光電信號。 5-3 光電編碼器 套軸式編碼器IHA8030內(nèi)孔30mm光電編碼器的參數(shù)如表5.3所示。 表5.3 IHA8030光電編碼器數(shù)據(jù) 電源電壓 DC+5±5% 最大機械轉(zhuǎn)矩 4000rpm 輸出電壓 高電平≥85%Vcc，低電平≤0.3V 抗震力 50m/s2,10～200HZ,xyz方向各2h 續(xù)上表 消耗電流 ≤180mA 抗沖擊 980m/s2,6ms,xyz方向各2次 響應(yīng)頻率 0～100KHZ 防護 防水、防油、防塵IP54 輸出波形 方波 工作壽命 MTBF≥50000h（+25℃，20000rpm） 載空比 0.5T±0.1T 工作溫度 -10℃～70℃ 啟動力矩 5×10-2Nm 儲存溫度 -30℃～85℃ 轉(zhuǎn)動慣量 4×10-5kgm2 工作濕度 30~85%（無結(jié)霜） 軸最大負荷 徑向40N,軸向30N 重量 約0.6kg 用光電編碼器對制動器進行控制不僅控制精度高，而且靈活性較大，用戶可以通過簡單的修改數(shù)據(jù)就可以對制動器的觸發(fā)轉(zhuǎn)速進行修改，這一特點對于不同地方不同環(huán)境下的制動非常有利。 5.2 塔架的設(shè)計 5.2.1 支撐件受力分析 支架選用低合金碳鋼，在滿足強度要求的同時盡量減少重量，現(xiàn)選擇牌號40Cr結(jié)構(gòu)用無縫鋼管，壁厚2mm，外徑30mm，長度1448mm，我們考慮最壞情況，即氣流直接作用于靜止的葉片上，這樣將四個葉片等效于一個平板，平板的面積為四個葉片投影面面積之和，如圖5-4所示。 等效平板面積S 風速v 圖5-4 等效受力圖 根據(jù)流體力學伯努利方程，作用于平板上的正壓力為： 作用于平板的合力為 四個葉片所受到的力最后傳遞到中間支撐桿，支撐桿為40Cr合金鋼空心結(jié)構(gòu)，重量輕，強度高，如圖5-5所示。 中間支撐桿 圖5-5 中間支撐桿 圖5-6 支撐桿受力簡圖 桿受彎矩為 鋼管截面模量為 （5.1） 其中 D為外徑，m；α=26/30=0.87為內(nèi)徑與外徑比。 受到最大彎應(yīng)力 （5.2） 查《機械設(shè)計手冊單行本-常用工程材料表3-1-9》得40Cr合金鋼的許用應(yīng)力為，所以能夠滿足強度要求。 5.2.2 拉索的受力計算 塔架的穩(wěn)定方式有很多，有拉桿式、拉索式、桁架式等，而拉索式憑借其簡單的結(jié)構(gòu)、低廉的價格及安裝簡易等特點被廣泛應(yīng)用于各種塔架的固定。塔架用三條拉索固定與地面，每根拉索在水平面投影的夾角為120°，與塔架夾角為60°，拉索布置如圖5-7所示。 圖5-7 拉索的布置 按最不利原則，風速方向與y軸平行，受力如圖5-8所示。 圖5-8 單根拉索受力分析 由圖5-8可得到下式： 查《機械設(shè)計手冊》起重機部分可得如表5.4所示。 表5.4 拉索力學性能 鋼絲繩公稱直徑d/mm 材料 近似質(zhì)量 鋼絲公稱抗拉強度/MPa 鋼絲繩最小破斷拉力/KN 2 鋼芯鋼絲繩 1.55kg/100m 1470 2.11 鋼絲繩數(shù)據(jù)目前市場上能夠買得到的鋼繩成品有許多，南通力森鋼絲繩有限公司生產(chǎn)的6×7?類鋼絲繩直徑為2mm鋼絲繩可以滿足我們設(shè)計需求，在地面準確位置固定地腳螺栓鋼筋，鋼筋端部彎成環(huán)狀與鋼絲繩套環(huán)連接。 5.3 蓄電池和選型 5.3.1 蓄電池的種類及工作基本原理 電化學電池是一種把氧化還原反應(yīng)所釋放出來的能量直接轉(zhuǎn)變成低電壓直流電能的裝置，蓄電池分為酸性電池和堿性電池兩大類，酸性電池也稱鉛酸電池，其電解質(zhì)為硫酸，負極為Pb，正極為PbO2。 鉛酸蓄電池廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)，電池價格便宜，為鎘鎳蓄電池的1/6；高倍率放電性能良好，可用于引擎啟動，多用于汽車發(fā)動機的啟動；電池電壓在使用蓄電池中最高，可達到2.2V且易于浮充使用，沒有“記憶”效應(yīng)。鑒于以上優(yōu)點，本次設(shè)計我們采用鉛酸蓄電池來作為儲能原件[13]。 5.3.2 蓄電池選型 沈陽松下蓄電池有限公司生產(chǎn)的LC-P12100ST型蓄電池滿足我們的設(shè)計要求，基本參數(shù)如表5.5所示。 表5.5蓄電池參數(shù) 松下蓄電池100AH 電池類型 閥控密閉鉛酸蓄電池 使用產(chǎn)品 UPS 容量 100AH 電壓 12V 其他特征 407×173×210mm 5.4 箱體的設(shè)計 箱體主要用于安裝發(fā)電機等重要部件，使這些部件免受風雨的侵蝕，要求能夠防銹密封。箱體要有一定的重量才能防止讓整個系統(tǒng)重心比較低，起到穩(wěn)定的作用。 5.4.1 箱體的外形設(shè)計 本系統(tǒng)的箱體主要以圓柱形為主，上部小，下部偏大，呈階梯狀，如圖5-9所示。 導軌 地腳螺栓 箱體 圖5-9 箱體外形 箱體一側(cè)開一矩形門，方便蓄電池的安裝與檢修，箱底內(nèi)部兩個導軌起到導向作用，能夠讓蓄電池在裝入和取出時不偏移。為了防止箱體被大風傾覆，在箱體底部用6個地腳螺栓與地面固定。 5.4.2 箱體的防銹與密封 防銹：箱體材料為鑄鐵，在戶外工作環(huán)境中難免會受到水和空氣的銹蝕，銹蝕后的箱體不僅密封性降低，而且強度也受到影響，因此，必須對箱體進行防銹處理。防銹處理的最簡單方法是在箱壁上噴涂防銹漆。防銹漆有油性的和水性的兩種，油性防銹漆在材料表面形成油性物質(zhì)，去除難，現(xiàn)在一般很少采用，水性防銹漆使用方便、價格低廉，但是具有一定毒性。防銹漆在市場上比較容易買到，在此不詳細說明。 密封：光電耦合器、發(fā)電機等都是比較容易受損的部件，如果箱體密封不嚴，一些雨水等具有銹蝕作用的物質(zhì)進入箱體將影響到他們的正常工作。箱體的密封方法很多，有墊密封、膠密封、填料密封等等。墊密封操作簡單，廣泛應(yīng)用于管道、壓力容器及各種殼體結(jié)合面密封中，密封墊常用材料有橡膠、皮革、石棉、紙等等。本次設(shè)計采用異丁橡膠密封墊，其滲透泄露較小。  結(jié)論 本文在參照各文獻后做出了垂直軸風力機的一個總體設(shè)計方案，此系統(tǒng)能夠在較小風速下啟動發(fā)電，能夠滿足一般家庭的供電，與傳統(tǒng)水平軸風力發(fā)電機相比，風能利用率更高，起動風速低，噪音少，應(yīng)用前景廣闊。整個設(shè)計過程包括風力機葉片的設(shè)計、傳動系統(tǒng)的設(shè)計及塔架的設(shè)計等，通過三維建模直觀表現(xiàn)風力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過比較后認為在低速運行的垂直風力機中運用低阻力系數(shù)和大雷諾系數(shù)的葉片能夠產(chǎn)生比較好的發(fā)電效果。風力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計涵蓋了機械領(lǐng)域、電力電子領(lǐng)域及氣象學領(lǐng)域，綜合性較強。本設(shè)計方案著重機械部分，電子控制部分還有待于日后進一步完善。風力發(fā)電系統(tǒng)是一個相當復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，工作環(huán)境復(fù)雜，各種數(shù)據(jù)參數(shù)需要通過大量實測來獲得，限于條件原因，本次設(shè)計中的一些參數(shù)只能依照其他類似設(shè)計來取，將來將進一步考慮增加實驗來獲得第一手數(shù)據(jù)。  致謝語 首先感謝我的指導老師吳榕副教授這半年來的悉心指導與關(guān)懷，無論在論文選題還是文章結(jié)構(gòu)安排上，吳老師都傾注了大量心血。在論文設(shè)計過程中，吳老師耐心的講解常常使我茅塞頓開，他嚴謹?shù)闹螌W作風、扎實的專業(yè)理論功底、求真務(wù)實的工作態(tài)度深深地影響著我。值此論文完成之際，向吳老師表示衷心的感謝和誠摯的敬意！ 同時對李志輝老師、張丹老師、遲欽河老師在我畢業(yè)設(shè)計過程中給予的無私指導表示衷心感謝！ 最后感謝在我身邊一直默默支持我的家人，是他們的愛讓我在四年的大學生活中漸漸長大，讓我擁有強大的動力勇往直前！  參考文獻 [1] 葉杭冶. 風力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計、運行與維護[M].北京：電子工業(yè)出版社， 2010年4月. 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