小型風力發電機總體結構的設計1畢業設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 能為 風壓強 如圖 21a，根據伯努力方程，風中物體受到的風壓 Q為 阻力式風力機的最大效率 建立簡單的理想模型，一個平板在風的氣動壓力作用下沿著風速方向運動，如圖 2lb，并規定平板上游一定距離上的風速為 fV ，平板的運動速度為 v，那么平板吸收的功率可以表示為 小型風力發電機機械結構及限速控制系統設計 9 圖 21 平板模型 對給定的上游風速玲，可以寫出以平板的運動速度 V為函數的功率變化關 系式，對 v進行微分得 從上式中可以看出，阻力式風力機的效率是比較低的，提高效率的唯一辦法是設法提高風的阻力系數 C。 工作風速與輸出功率 風力發電機的輸出效率 最理想的風力機也不可能吸收全部的風能，而只能吸收部分風能。如上一節推導的那樣，有一個最大風能利用系數 pmaxC 。但是，風力機在制做過程中，由于受到各種條件的限制，做不到完全理想的形狀。因此實際的風力機和理想的風力機之間也有差異。實際風力機吸收的功率與理想風力機吸收的功率的比值 叫做風力機的效率。用 1? 表示。另外還有傳動機構的效率甲 2? 和發電機的效率 3? 等，所以實際風力發電機輸出的效率，可以表示為 工作風速與輸出功率 風力機啟動時，為了克服其內部的摩擦阻力而需要一定的力矩。這一最低力矩值叫做風力機的啟動力矩。啟動力矩主要與風力機本身的傳動機構摩擦阻力有關因此風力機有一最低工作風速稱 fminV ，只有風速大于 fminV 時風力機才能工作。 小型風力發電機機械結構及限速控制系統設計 10 當風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 )，風力機應該停止運轉，所以每一臺風力機都規定有最高風速 fmaxV ，最高風速 fminV 與風力機的設計強度有關，是設計時給定的參數。 最小風速稱 fminV ，和最大風速 fmaxV 之間的風速叫做風力機的工作風速，相應于工作風速風力機有功率輸出。當風力機的輸出功率達到標稱功率時的工作風速叫做該風力機的額定風速。 啟動風速和額定風速的選定 如何根據風能資源來選用風力機，使風力機的運行狀態最佳，確定起動風速和額定風速是關鍵。 雙參數威布爾分布 風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能密度，設 ? 為空氣密度， v為風速，則風能密度p= 3v? ， ? 隨 v的立方增大，變化非常快，故知道風速的變化情況是利用風能的先決條件。 風速 V是隨機變量，經研究專家們多認為用雙參數威布爾概率密度函數擬合風速頻率分布最好腳。威布爾分布函數形如下式 其中 K為形狀參數，無量綱， C為尺度參數，量綱為 m 1s? 。不同地區，不同時期參數 K、 C是不同的，可根據某地連續 30年的風資料算出該地的 K、 C參數，威布爾分布函數曲線見圖 22。參數 K、 C影響曲 線形狀， K大 C大曲線陡峻，峰右移，反之亦然。 小型風力發電機機械結構及限速控制系統設計 11 圖 22 威布爾分布函數曲線 上式滿足 起動風速 啟動風速為風力機風輪由靜止開始轉動并能連續運轉的最小風速 :風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格，只有科學地選擇適合當地風能資源的風力機，才能以較少的投資獲取較多的風能。 根據國內外 100多種風力機，起動風速的范圍是 2m 1s? ，至 6m 1s? ，這一范圍能滿足 風能豐富區、較豐富區、可利用區的不同需要。 雙參數威布爾分布函數曲線峰值對應的凡就是起動風速 (圖 22)。對上式求一階導數且令其等于 O有 解得 證明氣是出現概率最大的風速。使用起動力風速大于上式計算的氣的風力機會損失小風速這一區段的風能，使用起動風速小于上式計算的咋的風力機是否更好呢 ?表面看低風速的風能得到更多的利用，深入研究可知在之氣的較高風速區風能利用率下降，總體上是得不償失，故選用盡可能接近上式結果的風力機最為理想。 額定風速 額定風速的選定直接影響風能利用系統整體的效率和經濟 性，是風力發電機設計中的重要參數。 己知風能密度 p=12 3v? ，對一臺效率為 ? ，槳葉半徑為廠的風力機，輸出功率 w(V)的威布爾分布函數為 小型風力發電機機械結構及限速控制系統設計 12 w(V)峰值對應之風速pv應是額定風速，此時風力機提取的風能最多。 令 風力機的工作風速、輸出功率與風能的關系 風力機的工作風速、輸出功率與風能的關系可以簡單地如圖 2一 3來表示 (注 :圖中縱坐標 表示輸出功率，單位為 :w/ 2m 。橫坐標表示風能，單位為 :m/s) A一理論風能曲線 B一扣除空氣動力損失后的風力機吸收的功率 C一計算傳動損失和機械能轉換損失后的功率曲線 D一發電機實際輸出功率曲線 圖 2一 3 功率與風速的關系 風能利用與氣象 風的觀測對風能利用的意義 在前面已經講述過，風能與風速的三次方成正比。所以，當風速測量有 10%的誤差時，風力機輸出功率的誤差將擴大到 33%。在風力機的設計中，輸出功率出現 30%以上的誤差，將帶來很 大的經濟損失。風速隨時間變化很大，而且地區性差異也很大，正確把握風況并不是一件容易的事情。所以在風力機設計計劃中，對風的觀測非常受重視。 小型風力發電機機械結構及限速控制系統設計 13 風能利用中需要的氣象調查 在風能利用中，需要進行四項氣象調查 : (l)風能密度調查 結合風能的地區分布和可設立風力機地區面積的調查，在全國范圍內對可利用的風能量進行估算。 (2)選定適合地點 在一年中，對通過強風場所的調查。 (3)風速的頻率分布調查 在風力機的設計中，為了估算平均出力和運轉時間等量，必須了解風力機軸高處的風況。 (4)為了風力機設計強度和安全 系數的氣象調查 異常的強風出現的概率、風的不定向性以及突風程度，冰暴、鹽害等的調查。 風的觀測 風的觀測，因其目的不同而有各自的特點。對于風能利用，通過對風的觀測，可以估算出該地區可利用的風能大小，為風力機的設計和性能研究以及開發的經濟性等提供條件。 風速的測量包括風向和風速的測量。因為風速隨時間變化很大，而且變化不定，所以測量時取一定時間內的風速大小的平均值和最長時間的風向。我國現行的風速觀測有兩種方法 :一種是每日定時 4次兩分鐘平均風速觀測 。一種是一日 24次自記 10分鐘平均風速觀測。實際測量結果表 明，前一種方法的誤差比較大，因此在風力發電機的設計中采用后一種測量方法得到的數據。 小型風力發電機機械結構及限速控制系統設計 14 第三章 風力發電機方案和結構設計 小型垂直式風力發電機方案設計 現在，各個發達國家均大力發展新能源產業， 雖然 太陽能一直是新能源商業化的首選，因為太陽能的設置地點較靈活，不會產生噪音，可以和建筑進行一體化設計。 但是 風力發電較太陽能而言，它的成本優勢明顯 。傳統的風力發電機 啟動風速要求較高，發電噪音也很大，所以只能將風力發電機放在人跡罕至的地方或風力較大的地方。設備也 是往大型風力發電機發展，專門建設大型風力發電場， 這樣， 小型風力發電在相當長的時間里未得到較好的發展。所以， 如何使風力發電和建筑進行一體化設計， 降低 小型風力發電機 噪音，使其安裝在 建筑周圍而不影響人的生活質量， 已 成為 各個國家 研究的焦點！ 我設計的是 一種新型 的 立式垂直軸 小型 風力發電機，由風機葉輪、立柱、橫梁、變速機構 、離合裝置 和發電機組成 。如下圖所示： 圖 31 小型垂直軸風力發電機框圖 該 小型 垂直軸 風力發電機的發電原理 為： 在風的吹動下，風輪轉動起來，使空氣動 力能轉變成了機械能（轉速 +扭矩）。 通過增速系統和離合器使轉矩和扭矩傳遞到風力 發電機軸漿 葉 固定架 變速箱 星形齒輪加速器 電磁離合器 發電機 整流器 蓄電池 逆變器 負 載 小型風力發電機機械結構及限速控制系統設計 15 上， 帶動 發電機軸旋轉， 從而使 永磁三相發電機發出三相交流電。風速的不斷變化、忽大忽小，發電機發出的電流和電壓也隨著變化。發出的電經過控制器的整流，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 ,節能燈 家用電器 :電視機、收音機、電風扇、洗衣機、電冰箱； 該新型 垂直軸 風力發電機的特點為： １． 額定功率（ｗ）： 300 ２． 輸出電壓（ v）： 24 ３． 啟動風速（ m/s）： 2 ４． 額定風速（ m/s）： 6 ５． 最大使用風速（ m/s）： 20 發電機為額定功率 300w，輸出電壓 24v。 該新型 垂直軸風力發電機的優點為： １． 結構簡單 ２． 易維護 ３． 運行平穩安全 ４． 抗強風能力強 ５． 操作簡單 ６． 價格低廉 風葉 采用帆翼式風葉，帆翼式是英國發展的一種立軸帆翼式風力機，結構簡單、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 32 帆翼式 行星齒輪加速器設計計算 設計要求 小型風力發電機機械結構及限速控制系統設計 16 設計壽命 5 年，單班，一年 360 天，中等傳動，傳動逆轉，齒輪對稱布置，不允許點蝕，無嚴重過載，閉式傳動。齒輪精度 877，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。 選加速器類型 小型風力發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、性能穩定的設備。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，結構簡單，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。 圖 33 NGW 型行星齒輪加速器 確定行星