畢業設計-小型垂直軸風力發電系統設計-資料下載頁

【導讀】筑或邊遠地區用戶。經過查閱大量文獻資料結合必要的理論計算，系統采用四片NACA0012型。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構校核，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發電機為主要對象，用。第五章剎車裝置及其他部件設計...

　　

【正文】 這個風速相當于 13 級風 ， 制動器在 13 級風下可以安全制動。 為了保護有效發電機和其他部件，制動器必須在轉速超出發電機允許范圍 時 立即動作，完成轉速數據收集的任務就交給了光電編碼器，光電編碼器通過光電轉換 收集轉軸轉速數據，再將數據送往主控電路（一般為單片機）進行分析，最后產生一個控制信號使執行件動作。圖 53 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 機軸轉動時帶動 光電編碼器轉子轉動并產生光電信號。 53 光電編碼器 套軸式編碼器 IHA8030 內 孔 30mm 光電編碼器的參數如 表 所示。 表 IHA8030光電編碼器數據 電源電壓 DC+5177。 5% 最大機械轉矩 4000rpm 輸出電壓 高電平≥ 85%Vcc，低電平≤ 抗震力 50m/s2,10～ 200HZ,xyz方向各 2h 小型垂直軸風力發電系統設計 28 續上表 消耗電流 ≤ 180mA 抗沖擊 980m/s2,6ms,xyz方向各2次 響應頻率 0～ 100KHZ 防護 防水、防油、防塵 IP54 輸出波 形 方波 工作壽命 MTBF≥ 50000h（ +25℃，20210rpm） 載空比 177。 工作溫度 10℃ ～ 70℃ 啟動力矩 5179。 102Nm 儲存溫度 30℃ ～ 85℃ 轉動慣量 4179。 105kgm2 工作濕度 30~85%（無結霜） 軸最大負荷 徑向 40N,軸向 30N 重量 約 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據就可以對制動器的觸發轉速進行修改，這一特點對于不同地方不同環境下的制動非常有利。 塔架的設計 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，現選擇 牌號 40Cr 結構用無縫 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 54所示 。 圖 54 等效受力圖 風速 v 等效平板面積 S 小型垂直軸風力發電系統設計 29 根據流體力學伯努利方程，作用于平板上的正壓力為： 221 30 562. 52P v P a?? ? ? ? ? 作用于平板的合力為 5 6 2 .5 0 .3 7 5 2 1 1F P S N? ? ? ? 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 空心結構，重量輕，強度高， 如圖 55所示。 圖 55 中間支撐桿 圖 56 支撐桿受力 簡圖 桿受彎矩 為 / 2 2 1 1 0 .7 4 2 1 5 7T F L N? ? ? ? 鋼管截面模量 為 中間支 撐桿 小型垂直軸風力發電系統設計 30 334463 . 1 4 0 . 0 3( 1 ) ( 1 0 . 8 7 )3 2 3 21 . 1 3 1 0DW ? ???? ? ? ??? （ ） 其中 D為外徑， m； α =26/30= 為內徑與外徑比 。 受到最大彎應力 m a xm a x 6157( ) 10ZM M P aW? ?? ? ?? （ ） 查《機 械 設計 手冊 單行本 常用工程材料表 319》 得 40Cr 合金鋼的許用應力為[ ] 980b MPa? ? ， 所以能夠滿足強度要求 。 拉索的受力計算 塔架的穩定方式有很多，有拉桿式、拉索式、桁架式 等，而拉索式憑借其簡單的結構、低廉的價格及安裝簡易等特點被廣泛應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 120176。，與塔架夾角為 60176。，拉索布置 如圖 57所示。 圖 57 拉索的布置 按最不利原則，風速方向與 y 軸平行，受力如 圖 58 所示。 小型垂直軸風力發電系統設計 31 圖 58 單根拉索受力分析 由圖 58可得到 下 式： 2 c o s 3 0 c o s 6 0 =211 2 4 3 . 62 c o s 3 0 c o s 6 0 31222fFFfN? ? ? ???。 。 。 查《機械設計手冊》 起重機部分可得 如表 所示。 表 拉索力學性能 鋼絲繩公稱直徑d/mm 材料 近似質量 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 鋼絲繩數據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的6179。 7 類 鋼絲繩 直徑為 2mm 鋼絲繩可以滿足我們設計需求 ，在地面準確位置固定地腳螺栓鋼筋， 鋼筋端部 彎成環狀與鋼絲繩套環連接。 蓄電池和選型 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所釋放出來的能量直接轉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，其電解質為硫酸，負極為 Pb，正極為 PbO2。 鉛酸蓄電池 廣泛應用于各個行業，電池價格便宜，為鎘鎳蓄電池的 1/6；高倍率放電性小型垂直軸風力發電系統設計 32 能良好，可用于引擎啟動，多用于汽車發動機的啟動；電池電壓在使用蓄電池中最高，可達到 且易于浮充使用，沒有“記憶”效應。 鑒于以上優點，本次設計我們采用鉛酸 蓄電池來作為儲能原件 [13]。 蓄電池選型 沈陽 松下蓄電池 有限公司生產的 LCP12100ST 型蓄電池滿足我們的設計要求 ， 基本 參數如 表 所示 。 表 松下蓄電池 100AH 電池類型 閥控密閉鉛酸蓄電池 使用產品 UPS 容量 100AH 電壓 12V 其他特征 407179。 173179。 210mm 箱體的設計 箱體主要用于 安裝發電機等重要部件，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重心比較低，起到穩定的作用。 箱體的外形設計 本系統 的箱體主要以圓柱形為主，上部小，下部偏大，呈階梯狀， 如圖 59所示。 小型垂直軸風力發電系統設計 33 圖 59 箱體外形 箱體一側開一矩形門，方便蓄電池的安裝與檢修，箱底內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。 箱體的防銹與密封 防銹： 箱體材料為鑄鐵，在戶外工作環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，去除難，現在一般很少采用，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，廣泛應用于管道、壓力容器及各種殼體結合 面密封中，密封墊常用材料有橡膠、皮革、石棉、紙等等。本次設計采用異丁橡膠密封墊，其滲透泄露較小。 導軌 箱體 地腳螺栓 小型垂直軸風力發電系統設計 34 結論 本文 在參照各文獻后做出了垂直軸風力機的一個總體設計方案，此系統能夠在較小風速下啟動發電， 能夠滿足一般家庭的供電 ，與傳統水平軸風力發電機相比，風能利用率更高，起動風速低，噪音少，應用前景廣闊 。整個設計過程 包括風力機葉片的設計、傳動系統的設計及塔架的設計等， 通過三維建模直觀表現風力系統結構 ，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和大雷諾系數的葉片能夠產生比較好的發電效果 。風力發電系統的設計涵蓋了機械領域、電力電子領域及氣象學領域，綜合性較強。 本設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。 風力發電系統是一個相當復雜的非線性系統，工作環境復雜，各種數據參數需要通過大量實測來獲得，限于條件原因，本次設計 中的一些參數 只能依照其他類似設計來取，將來將進一步考慮增加實驗 來 獲得第一手數據。 小型垂直軸風力發電系統設計 35 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懷，無論在論文選題還是文章結構安排上，吳老師都傾注了大量心血。在論文設計過程中，吳老師耐心的講解常常使我茅塞頓開，他嚴謹的治學 作 風 、扎實的專業 理論 功底、 求真務實的工作態度深深地影響著我。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設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！ 小型垂直軸風力發電系統設計 36 參考文獻 [1] 葉杭冶 . 風力發電系統的設計、運行與維護 [M].北京： 電子工業出版社， 2021年 4月 . [2] 薛桁 ， 朱瑞兆 ， 楊振斌 . 中國風能資源貯量估算 [J]. 太 陽能學報 . 2021年 第 22卷第 2期 ： P168P170. [3] 中國可再生能源學會風能專業委員會（ CWEA） . 2021年中國風電裝機容量統計 . 2021年 . [4] 宋麗莉 ， 毛慧琴 ， 錢光明 . 熱帶氣旋對風力發電的影響分析 [J]. 太陽能學報， 2021年第 27卷第 9期 ：P962P965. [5] 芮曉明 ， 馬志勇 ， 康傳明 . 并網型垂直軸風力機的基本構成與氣動特性 [J]. 太陽能學報 , 2021 年第2期 ： P28P31. [6] 孫云峰 . 小型垂直軸風力發電機組的設計與實驗 [D]. 內蒙古 ： 內蒙古農業大學 , 2021年 . [7] 聶珣 . 基于自適應轉速觀測器的雙饋風力發電控制系統的研究 [D]. 長沙： 中南大學 , 2021年 . [8] 張國銘 . 論 制造 兆瓦級垂直軸風力發電機的合理性 [J]. 風力發電， 2021年第 4期 ： P55P61 [9] 宋海輝 . 風力發電技術及工程 [M]. 中國水利水電出版社， 2021年 . [10] 王心塵 . 基于 Matlab_Simulink的垂直軸風力發電系統設計 [D]. 廈門 ： 廈門大學 , 2021年 . [11] 芮曉明 ， 柳亦兵 ， 馬志勇 . 風力發電機組設計 [M]. 北京： 機械工業出 版社， 2021年 . [12] 楊國良 ， 高瑞斌 ， 張純 . 垂直軸風力發電系統制動及保護電路設計 [J]. 電力電子技術， 2021 年第43卷第 10期 ： P53P59. [13] 趙永強 ， 侯紅玲 ， 施紹寧 . 蓄電池智能充電系統的設計與研究 [J]. 陜西理工學院學報， 2021 年第26卷第 3期 ： P5P8. 小型垂直軸風力發電系統設計 37 附錄 圖紙清單 圖紙名稱 數量 大小 備注 總裝圖 1 A1 用 A0紙畫， A1大小打印 下支撐架連接盤 1 A4 聯軸器 1 A4 上支撐架連接盤 1 A4 支承軸套 1 A3 葉片支架 1 A3 葉片 1 A3 箱體 1 A3 箱蓋 1 A3 傳動軸 1 A3 注： 各圖紙見檔案袋 。