小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)【5張圖紙】
小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)【5張圖紙】,5張圖紙,小型,風(fēng)力發(fā)電機(jī),總體,整體,結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì),圖紙
摘要
基于開發(fā)風(fēng)能資源在改善能源結(jié)構(gòu)中的重要意義，本論文對(duì)風(fēng)力機(jī)的特性作了簡(jiǎn)要的介紹，且對(duì)風(fēng)力機(jī)的各種參數(shù)和風(fēng)力機(jī)類型作了必要的說明。在此基礎(chǔ)上，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原理和結(jié)構(gòu)作了細(xì)致的分析。首先，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的總體機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并且設(shè)計(jì)了限速控制系統(tǒng)。本課題設(shè)計(jì)的是一種新型的立式垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，由風(fēng)機(jī)葉輪、立柱、橫梁、變速機(jī)構(gòu)、離合裝置和發(fā)電機(jī)組成。這種發(fā)電機(jī)有體積小、噪音小、使用壽命長(zhǎng)、價(jià)格低的特點(diǎn)，適合在有風(fēng)能資源地區(qū)的樓房頂部，供應(yīng)家庭用電，例如照明：燈泡,節(jié)能燈；家用電器:電視機(jī)、收音機(jī)、電風(fēng)扇、洗衣機(jī)、電冰箱。
其次，在老師的幫助下制作了限速控制的模型。通過模型驗(yàn)證了小型垂直式風(fēng)力發(fā)電機(jī)限速控制系統(tǒng)總體方案在實(shí)踐中的效果，并且驗(yàn)證了程序是否正確，以及電路的設(shè)計(jì)是否合理。
最后，模型驗(yàn)證的結(jié)果表明我設(shè)計(jì)的限速控制系統(tǒng)方案可行，程序正確，電路設(shè)計(jì)合理。為該類型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)和商品生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；限速控制系統(tǒng)；小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)；小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
Abstract
Exploiting wind energy resources is of great significance in improving energy structure. In the discourse，the characters of wind generator are introduced briefly，while parameters and types of wind generators are also narrated. Base on these，the theory and constitution of the wind generator are meticulously analyzed. Firstly，Has carried on the design to wind-driven generator's overall mechanism, And has designed the regulating control system. What I design is one kind of new vertical axis small wind-driven generator, by the air blower impeller, the column, the crossbeam, the gearshift mechanism, the engaging and disengaging gear and the generator is composed. This kind of generator has the volume to be small, the noise is small, the service life is long, the price low characteristic, suits in has the wind energy resources area building crown, the supply family uses electricity, For example illumination: The light bulb, conserves energy the lamp; Domestic electric appliances: Television, radio, electric fan, washer, electric refrigerator.
Secondly，I have manufactured the regulating control model. Through model verification small perpendicular wind-driven generator regulating control system overall concept effect in reality, and has confirmed the procedure to be whether correct, as well as electric circuit's design to be whether reasonable.
Finally，Model verification's result indicated I design the regulating control system plan is feasible, the procedure is correct, the circuit design is reasonable. It provides according as theory for qualitative design and commercial manufacture of this type of wind generator.
Key words：Wind power generation；Regulating control system；Small wind-driven generator；Small vertical axis wind-driven generator.
目錄
摘要 ....................................................................ⅠABSTRACT ...............................................................Ⅱ
第一章 概述 ...........................................................1
1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)概況 ....................................................1
1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究現(xiàn)狀 ............................................1
1.2.1 國(guó)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研制情況 .....................................1
1.2.2 國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研制情況 ....................................2
1.3 研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)的目的和意義 .......................................4
1.4 我國(guó)的風(fēng)能資源及其分布 ...........................................5
第二章 風(fēng)力機(jī)理論 ....................................................8
2.1 基本公式 ........................................................8
2.1.1 風(fēng)能利用系數(shù) ................................................8
2.1.2 風(fēng)壓強(qiáng) ......................................................8
2.1.3 阻力式風(fēng)力機(jī)的最大效率 ......................................8
2.2 工作風(fēng)速與輸出功率 ..............................................9
2.2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出效率 .........................................9
2.2.2 工作風(fēng)速與輸出功率 ............................................9
2.2.3 啟動(dòng)風(fēng)速和額定風(fēng)速的選定 .....................................10
2.3 風(fēng)能利用與氣象 ..................................................12
2.3.1 風(fēng)的觀測(cè)對(duì)風(fēng)能利用的意義 .....................................12
2.3.2 風(fēng)能利用中需要的氣象調(diào)查 .....................................13
2.4 風(fēng)的觀測(cè) ........................................................13
第三章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ....................................14
3.1 小型垂直式風(fēng)力發(fā)電機(jī)方案設(shè)計(jì) ....................................14
3.2 風(fēng)葉 ............................................................14
3.3 行星齒輪加速器設(shè)計(jì)計(jì)算 ..........................................14
3.3.1 設(shè)計(jì)要求 .....................................................15
3.3.2 選加速器類型 .................................................16
3.3.3 確定行星輪數(shù)和齒數(shù) ............................................16
3.3.4 壓力角()的選擇 ..............................................16
3.3.5 齒寬系數(shù)的選擇 ................................................17
3.3.6 模數(shù)選擇 ......................................................17
3.3.7 預(yù)設(shè)嚙合角 ....................................................17
3.3.8 太陽輪與行星輪之間的傳動(dòng)計(jì)算 ..................................17
3.3.9 行星輪與內(nèi)齒輪之間的傳動(dòng)計(jì)算 ..................................18
3.3.10 行星排各零件轉(zhuǎn)速及扭矩的計(jì)算 ..................................18
3.3.11 行星排上各零件受力分析及計(jì)算 ..................................19
3.3.12 行星齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度校核計(jì)算 ....................................20
3.4 電磁離合器設(shè)計(jì)計(jì)算 ...............................................24
3.4.1 選型 ..........................................................24
3.4.2 牙嵌式電磁離合器的動(dòng)作特性 ....................................24
3.4.3 離合器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩 ..............................................24
3.4.4 離合器的外徑 ..............................................24
3.4.5 離合器牙間的壓緊力 ...........................................24
3.4.6 線圈槽高度 ...................................................24
3.4.7 磁軛底部厚度 ................................................25
3.4.8 銜鐵厚度 ...................................................25
第四章 限速控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) ..........................................26
4.1 設(shè)計(jì)限速控制系統(tǒng)的目的 ...........................................26
4.2 限速控制系統(tǒng)方案分析 .............................................26
4.3 單片機(jī) ............................................................26
4.4 信號(hào)采集 .........................................................26
4.5 電路 .............................................................26
4.6 限速控制程序 ...................................................27
4.6.1 定時(shí)器周期 ....................................................27
4.6.2 程序流程圖 ....................................................27
4.6.3 限速控制程序....................................................28
第五章 控制系統(tǒng)總體分析 ..............................................30 5.1 實(shí)驗(yàn)和模型設(shè)計(jì)的目的 ............................................30
5.2 模型設(shè)計(jì) ........................................................30
5.2.1 設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo) ................................................30
5.2.2 模型設(shè)計(jì)器件 ...................................................30
5.3 電路板 ..........................................................30
5.4 限速控制程序裝置 ................................................31
5.5 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)果分析 ................................................32
第六章 結(jié)束語 ....................................................33
致謝 .....................................................................34
參考文獻(xiàn) ..........................................................35
第一章 概述
1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(guó)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(shì)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(dú)使用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)供家庭住宅使用; 2) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)組大型化(50kW～ 2MW )、集中安裝和控制為特點(diǎn)的風(fēng)電場(chǎng)(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(gè)國(guó)家開發(fā)建設(shè)了風(fēng)電場(chǎng)(是前期總數(shù)的3 倍) , 風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量約1400 萬kW (是前期總數(shù)的100 倍)。目前, 德國(guó)、美國(guó)、丹麥以及亞洲的印度位居風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量前列, 且未來計(jì)劃投資有增無減。美國(guó)能源部預(yù)測(cè)2010 年風(fēng)電至少達(dá)到國(guó)內(nèi)電力消耗的10%。歐盟5 國(guó)要在2000～ 2002 年達(dá)到本國(guó)總發(fā)電量的10%左右, 丹麥甚至計(jì)劃2030 年要達(dá)到40%。
中國(guó)是一個(gè)風(fēng)力資源豐富的國(guó)家, 風(fēng)力發(fā)電潛力巨大。據(jù)1998 年統(tǒng)計(jì), 風(fēng)力風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)22.36萬kW , 僅占全國(guó)電網(wǎng)發(fā)電總裝機(jī)的0.081% , 相對(duì)于可開發(fā)風(fēng)能資源的開發(fā)率僅為0.088%。
中國(guó)第一座風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)于1986 年在山東榮成落成, 總裝機(jī)較小, 為3×55kW。到1993 年我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量達(dá)17.1MW , 1999 年底, 我國(guó)共建了24 個(gè)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng), 總裝機(jī)268MW。我國(guó)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)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(jī)容量最多的是已達(dá)72.35kW。在未來2～ 3 年內(nèi), 我國(guó)計(jì)劃新增風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量將在800MW 以上, 并且將會(huì)出現(xiàn)300～ 400MW 的特大型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)。
1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究現(xiàn)狀
1.2.1 國(guó)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研制情況
美國(guó)從1974年起對(duì)風(fēng)能進(jìn)行系統(tǒng)的研究，能源部對(duì)風(fēng)能項(xiàng)目的投資累計(jì)已達(dá)到25億美元。許多著名大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)都參加了風(fēng)能的研究開發(fā)，目前己安裝了8個(gè)巨型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。到19%年末，風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)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(guó)國(guó)會(huì)己通過了能源政策法，在能源部的規(guī)劃下，將會(huì)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(gè)州將建風(fēng)力電站。據(jù)能源部預(yù)測(cè)，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(chǎng)，這些風(fēng)電場(chǎng)將使美國(guó)風(fēng)力發(fā)電能力再增加40xkw，預(yù)計(jì)到2010年，風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到630xkw，可滿足全美電力需求量的25%。
德國(guó)是歐洲風(fēng)力發(fā)電增長(zhǎng)最快的國(guó)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(jī)容量49.4xkw，1996年新裝機(jī)約950座，裝機(jī)容量為48xkw，到19%年底德國(guó)己擁有4500座風(fēng)力發(fā)電裝置，總裝機(jī)容量達(dá)到約160xkw，1997年估計(jì)可增加5xkw，可為20多萬個(gè)家庭提供日常用電。這些風(fēng)力發(fā)電裝置中的1600個(gè)是政府投資建設(shè)的。裝機(jī)容量超過1OO0kW的風(fēng)電場(chǎng)有250個(gè)，300OkW的最大風(fēng)電場(chǎng)已投入使用，發(fā)電能力63xkw，西部5xkw風(fēng)力發(fā)電計(jì)劃可望在2一3年內(nèi)完成，并投入運(yùn)行。德國(guó)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(jì)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(huì)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(chǎng)裝機(jī)已達(dá)33.7xkw，該公司也得到IPP(獨(dú)立系統(tǒng)發(fā)電業(yè)者)大力協(xié)助，預(yù)定進(jìn)行198xkw風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)。
丹麥?zhǔn)秋L(fēng)力發(fā)電先進(jìn)國(guó)家之一，它將風(fēng)力發(fā)電作為國(guó)策，已有風(fēng)力發(fā)電站近4000座，總裝機(jī)容量73xkw，發(fā)電總量達(dá)到634xw，相當(dāng)于一個(gè)中等規(guī)模的核電站發(fā)電量，占全國(guó)能源總消耗量的3.7%。丹麥政府在“能源2000計(jì)劃”中規(guī)定，到2005年，風(fēng)力發(fā)電目標(biāo)為150xkw，相當(dāng)于國(guó)內(nèi)電力消費(fèi)量的10%，到2020年，風(fēng)力+PV+波力確保電力需要的25%，現(xiàn)在計(jì)劃有減緩的傾向。環(huán)境廳對(duì)各自治體提出要求，要求他們單獨(dú)提出風(fēng)力發(fā)電裝置建設(shè)計(jì)劃，預(yù)計(jì)未來10年風(fēng)力發(fā)電量將達(dá)到1500w。
荷蘭1986年開始實(shí)施風(fēng)力發(fā)電研究，開發(fā)5年計(jì)劃NOW和引入風(fēng)力發(fā)電5年計(jì)劃IPW。目標(biāo)為1991年末總裝機(jī)容量達(dá)到5kw，但計(jì)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(shí)施1991一1996年目標(biāo)為40xkw的TWI五年計(jì)劃。計(jì)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(jī)容量己達(dá)到3zxkw，2000年為50xkw。
英國(guó)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(guó)己有20多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)投入運(yùn)行，到19%年總裝機(jī)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(jī)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(cái)團(tuán)，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(chǎng)地問題，致力于海洋風(fēng)力發(fā)電。由于建設(shè)費(fèi)和與輸電的連接費(fèi)用高，所以規(guī)模有大型化的傾向。
1.2.2 國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研制情況
1.2.2.1 我國(guó)風(fēng)力發(fā)電概況
中國(guó)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(guó)是利用風(fēng)能最早的國(guó)家之一。1637年明崇幀十年《天工開物》書里有“揚(yáng)郡以風(fēng)帆數(shù)頁(yè)，侯風(fēng)轉(zhuǎn)車，風(fēng)息則止”的記載，表明在明代以前，我國(guó)勞動(dòng)人民就會(huì)制作將線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的風(fēng)車，在風(fēng)能利用上前進(jìn)了一大步。
我國(guó)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(tái)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(jī)組，但限于當(dāng)時(shí)技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件，小型機(jī)組在試驗(yàn)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(jī)，其中18千瓦機(jī)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(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電，一直運(yùn)行到1986年8月。1978年將研制風(fēng)電設(shè)備列為國(guó)家重點(diǎn)科研項(xiàng)目后，進(jìn)展加快，先后研制生產(chǎn)了微型和1一200千瓦風(fēng)電機(jī)組，其中以戶用微型機(jī)組技術(shù)最為成熟，己有100、150、200、300和500瓦微型機(jī)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(guó)內(nèi)需要，還遠(yuǎn)銷國(guó)外。1998年底，全國(guó)安裝微型機(jī)組178574臺(tái)，約計(jì)1.7萬千瓦，還有獨(dú)立供電機(jī)組，已有1.2、2.5、5、7.5和10千瓦機(jī)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(jī)組，是解決無電農(nóng)牧民用電的有效途徑，有其獨(dú)特的優(yōu)越性，也是中國(guó)發(fā)展微型、小型風(fēng)電機(jī)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(jìn)風(fēng)力從為生活服務(wù)轉(zhuǎn)向?yàn)樯a(chǎn)提供電力，從而跨上一個(gè)新水平。風(fēng)/光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，能有效地利用自然資源。在我國(guó)很多地區(qū)，冬半年風(fēng)大，太陽輻射強(qiáng)度?。幌陌肽觑L(fēng)小，太陽輻射強(qiáng)度大，兩種能源的分布季節(jié)正好相反，互補(bǔ)利用可滿足用戶用電需求。
在國(guó)際上，80年代中期，商品機(jī)組以55一150千瓦為主，山東榮成進(jìn)口355千瓦機(jī)組，1986年并網(wǎng)發(fā)電，達(dá)阪城和廣東南澳進(jìn)口90千瓦、100千瓦和150千瓦機(jī)組計(jì)17臺(tái)，裝機(jī)容量4490千瓦，均于1989年并網(wǎng)發(fā)電。90年代初期國(guó)外商品機(jī)組單機(jī)容量200一300千瓦，1992一1996年我國(guó)進(jìn)口風(fēng)電機(jī)組以200一300千瓦機(jī)組為主，1996年建成17個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，裝機(jī)合計(jì)57700千瓦。90年代中期500一600千瓦商品機(jī)組推向市場(chǎng)，批量生產(chǎn)，標(biāo)志著商品機(jī)組技術(shù)日臻成熟，造價(jià)相應(yīng)下降。1996年，國(guó)家在“雙加”工程中，按照扶強(qiáng)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(gè)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行重點(diǎn)改造，進(jìn)口133x600千瓦、13x300千瓦機(jī)組，合計(jì)83700千瓦，分別于1997一1998年竣工驗(yàn)收。同年，國(guó)家計(jì)委又制定乘風(fēng)計(jì)劃”，旨在以技貿(mào)結(jié)合形式，與國(guó)外組建合資企業(yè)，在建設(shè)24萬千瓦風(fēng)電場(chǎng)的同時(shí)，引進(jìn)技術(shù)，消化吸收，達(dá)到自主開發(fā)、自行設(shè)計(jì)制造大型風(fēng)電機(jī)組的能力。1996年采用招標(biāo)評(píng)議方式確定“中國(guó)第一拖拉機(jī)工程機(jī)械(集團(tuán))公司”和“西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)公司”為大型風(fēng)電機(jī)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(guó)風(fēng)力發(fā)電事業(yè)揭開了嶄新的一頁(yè)。
我國(guó)風(fēng)電的利用大體上采用三種方式，一是戶用式，可獨(dú)立運(yùn)行，用蓄電池，直流輸出或逆變交流輸出;單機(jī)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(dú)立運(yùn)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(jī)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(tái)站、雷達(dá)站、電視差轉(zhuǎn)臺(tái)以及無電區(qū)小火車站使用。三是建立風(fēng)電場(chǎng)，聯(lián)網(wǎng)后輸出，有的與柴油發(fā)電機(jī)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(chǎng)，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(zhǎng)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(diǎn)是一次性投資高，每千瓦約需1000一1200美元，再加上進(jìn)口關(guān)稅12%、進(jìn)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(jià)為0.63元kw.h，比火電價(jià)高出0.35元。目前主要是小規(guī)模的開發(fā)，如果要進(jìn)一步發(fā)展，已遇到資金短缺、設(shè)備不過關(guān)、進(jìn)口關(guān)稅過重等三大困難。
1.2.2.2 我國(guó)風(fēng)力機(jī)械行業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到1993年底，全國(guó)生產(chǎn)風(fēng)電機(jī)組、風(fēng)力提水機(jī)組及配套件的工廠共39家，其中主機(jī)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(jī)組有9種，從100w到5kw，年生產(chǎn)能力3萬臺(tái)，累計(jì)出口近1000臺(tái)小型風(fēng)電機(jī)。1995年全國(guó)生產(chǎn)風(fēng)電機(jī)組8190臺(tái)，風(fēng)力提水機(jī)組50臺(tái)。目前全國(guó)小型風(fēng)電機(jī)組保有量巧萬臺(tái)，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(chǎng)，至1995年共安裝55kw以上機(jī)組186臺(tái)，總裝機(jī)容量為37Mw。預(yù)測(cè)到2000年，需要小型風(fēng)電機(jī)(1okw以下)22萬臺(tái);大中型風(fēng)電機(jī)組(20kw以上)4000臺(tái);風(fēng)力提水機(jī)組6000臺(tái)。
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(guó)己能大批量生產(chǎn)小型風(fēng)電機(jī)組，1995年并出口印尼100W及300W小型風(fēng)電機(jī)各250臺(tái)，價(jià)值340余萬元，但還停留在研究開發(fā)55kw、250kW的風(fēng)電機(jī)階段。國(guó)外現(xiàn)在已做到600kW機(jī)組商品化，正在準(zhǔn)備批量生產(chǎn)750kw、1MW機(jī)組。
(2)科研生產(chǎn)能力薄弱風(fēng)力機(jī)械行業(yè)歸口于畜牧機(jī)械，稍具規(guī)模的企業(yè)只有內(nèi)蒙商都牧機(jī)廠和內(nèi)蒙動(dòng)力機(jī)廠，缺少先進(jìn)設(shè)備，影響產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益的提高。隨著風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展，已有不少實(shí)力雄厚的單位加入，并取得初步成果。例如200kW風(fēng)電機(jī)組的研制由浙江機(jī)電研究院、杭州發(fā)電設(shè)備廠、上海玻璃鋼研究所、中國(guó)空氣動(dòng)力研究中心、同濟(jì)大學(xué)、清華大學(xué)等8個(gè)單位聯(lián)合承擔(dān)。樣機(jī)于1995年9月在浙江蒼南風(fēng)電場(chǎng)完成2000小時(shí)運(yùn)行考核，1997年4月19日通過國(guó)家科委的鑒定，不久將實(shí)施中試生產(chǎn)。又如第一拖拉機(jī)工程機(jī)械集團(tuán)704分廠承擔(dān)了250kw風(fēng)電機(jī)組的研制及組裝任務(wù)，保定550廠協(xié)作生產(chǎn)葉片，該項(xiàng)目屬于一拖與德國(guó)胡蘇姆造船廠合作生產(chǎn)協(xié)議，總框架為200臺(tái)，首批10臺(tái)得到了德國(guó)政府補(bǔ)貼，1995年12月4臺(tái)電風(fēng)機(jī)己在內(nèi)蒙錫林浩特風(fēng)電場(chǎng)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(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院)與奧地利比爾公司簽訂引進(jìn)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，專門從事500kw以上風(fēng)電機(jī)的生產(chǎn)。1996年10月還簽訂3項(xiàng)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(jìn)122臺(tái)600kw風(fēng)電機(jī)之外，還將在國(guó)內(nèi)組裝生產(chǎn)600kw風(fēng)電機(jī)組。
今后風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展趨勢(shì)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(jī)發(fā)展，目前世界上最大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)建立在美國(guó)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(jī)發(fā)展。立體式風(fēng)力發(fā)電機(jī)即風(fēng)力發(fā)電機(jī)的軸和風(fēng)的方向垂直。它克服了一般風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片需要不斷增長(zhǎng)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(jià)低，重量也輕了許多。
1.3 研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)的目的和意義
中國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，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(fèi)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(huì)議資料介紹，按目前的技術(shù)水平和采掘速度計(jì)算，全球煤炭資源還可開采200年。此外，石油探明儲(chǔ)量預(yù)測(cè)僅能開采34年，天然氣約能開采60年。隨著人口的增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)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(shì)必形成對(duì)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(jì)、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(guó)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(huì)議批準(zhǔn)的我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展“九五”計(jì)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(guó)發(fā)展多能互補(bǔ)的能源結(jié)構(gòu)新格局起到了指導(dǎo)和促進(jìn)作用。
風(fēng)能是對(duì)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(jì)，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(kuò)大，美國(guó)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(guó)風(fēng)電事業(yè)近年來發(fā)展較快，已有16萬臺(tái)微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(shí)也遏制了微型汽油發(fā)電機(jī)的發(fā)展，在節(jié)約石化燃料的同時(shí)，避免了各種有害氣體的排放。國(guó)家“九五”新能源發(fā)展計(jì)劃提出，“九五”期間全國(guó)風(fēng)力發(fā)電的總裝機(jī)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(guó)家從宏觀規(guī)劃角度出發(fā)，制定了“乘風(fēng)計(jì)劃”，面向國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)發(fā)展風(fēng)力發(fā)電?！俺孙L(fēng)計(jì)劃”不僅會(huì)大大促進(jìn)我國(guó)風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展，而且對(duì)減排有害污染物，促進(jìn)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?yàn)樗性S多優(yōu)點(diǎn)：1.設(shè)備簡(jiǎn)單，投資少，成本低，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整個(gè)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(yùn)輸費(fèi)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(guó)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(duì)大氣的污染，保護(hù)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(duì)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(duì)環(huán)境無污染，又由于我們國(guó)家地形復(fù)雜，人口又多，居住分散，對(duì)于電網(wǎng)涉及不到的地區(qū)，特殊行業(yè)，可以補(bǔ)充大電網(wǎng)的缺陷，起到拾遺補(bǔ)缺的作用，可以利用小型風(fēng)機(jī)風(fēng)力發(fā)電的地方主要有：
(l)航運(yùn)系統(tǒng)我們有長(zhǎng)江等水系幾條大河流，如長(zhǎng)江航運(yùn)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(jī)對(duì)蓄電池補(bǔ)充充電效果很好，這方面有成功的經(jīng)驗(yàn)。但是，由于國(guó)有運(yùn)輸企業(yè)的不景氣，影響了市場(chǎng)。
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(jī)解決它們的照明、收視電視、聽廣播，有很重要的意義和市場(chǎng)。
(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(gè)觀察站，西南也有幾百個(gè)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(fèi)神。由于山高、道路狹窄歧嶇、運(yùn)輸困難，又不能使用明火，使用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以基本解決觀察站的照明及娛樂用電。90年代初，個(gè)別觀察站曾使用過小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(tái)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(guó)際市場(chǎng)。
1.4 我國(guó)的風(fēng)能資源及其分布
風(fēng)能是地球表面空氣移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能。由于風(fēng)速是一個(gè)隨機(jī)性很大的量，必須通過長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)才能算出平均風(fēng)功率密度。
根據(jù)風(fēng)的氣候特點(diǎn)，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(gè)年份為代表年份，分別計(jì)算該3個(gè)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(zhǎng)年風(fēng)功率密度平均值。中國(guó)氣象科學(xué)研究院計(jì)算了全國(guó)900余個(gè)氣象站的年平均風(fēng)功率密度值，該值反映出全國(guó)風(fēng)能資源分布狀況，以及各個(gè)地區(qū)風(fēng)能資源潛力。
中國(guó)10m高度層的風(fēng)能總儲(chǔ)量為3226GW，這個(gè)儲(chǔ)量稱作風(fēng)能“理論可開發(fā)總量”。實(shí)際可供開發(fā)的量按上述總量的1/lO估計(jì)，并考慮風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置風(fēng)輪的實(shí)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(zhǎng)為lm的正方形面積的0.785)，得到中國(guó)10m高度層實(shí)際可開發(fā)的風(fēng)能儲(chǔ)量為253GW。這個(gè)數(shù)量比1996年全國(guó)發(fā)電總裝機(jī)容量還大，說明中國(guó)風(fēng)能資源豐富，但是可供經(jīng)濟(jì)開發(fā)的風(fēng)能儲(chǔ)量數(shù)據(jù)尚需進(jìn)一步查明。
中國(guó)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(guó)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(diǎn)恰與水電的枯水期和豐水期有著較好的互補(bǔ)性。圖1-1示出了中國(guó)有效風(fēng)能密度分布狀況。
由于我國(guó)地形復(fù)雜，風(fēng)的地區(qū)性差異很大，有必要將我國(guó)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(guó)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(shí)數(shù)兩個(gè)指標(biāo)表示。根據(jù)有關(guān)氣象資料，我國(guó)可利用風(fēng)能地區(qū)有三個(gè)，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(guó)有效風(fēng)能密度分布狀況
表1一1 中國(guó)風(fēng)能資源比較豐富的地區(qū)
表1-2 我國(guó)風(fēng)能資源分布情況
第二章 風(fēng)力機(jī)理論
2.1 基本公式
2.1.1 風(fēng)能利用系數(shù)
風(fēng)力機(jī)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(dòng)能為
2.1.2 風(fēng)壓強(qiáng)
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(jī)的最大效率
建立簡(jiǎn)單的理想模型，一個(gè)平板在風(fēng)的氣動(dòng)壓力作用下沿著風(fēng)速方向運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)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(duì)給定的上游風(fēng)速玲，可以寫出以平板的運(yùn)動(dòng)速度V為函數(shù)的功率變化關(guān)系式，對(duì)v進(jìn)行微分得
從上式中可以看出，阻力式風(fēng)力機(jī)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(jī)的輸出效率
最理想的風(fēng)力機(jī)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(gè)最大風(fēng)能利用系數(shù)。但是，風(fēng)力機(jī)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(shí)際的風(fēng)力機(jī)和理想的風(fēng)力機(jī)之間也有差異。實(shí)際風(fēng)力機(jī)吸收的功率與理想風(fēng)力機(jī)吸收的功率的比值叫做風(fēng)力機(jī)的效率。用表示。另外還有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率甲和發(fā)電機(jī)的效率等，所以實(shí)際風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)啟動(dòng)時(shí)，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(jī)的啟動(dòng)力矩。啟動(dòng)力矩主要與風(fēng)力機(jī)本身的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)摩擦阻力有關(guān)·因此風(fēng)力機(jī)有一最低工作風(fēng)速稱，只有風(fēng)速大于時(shí)風(fēng)力機(jī)才能工作。
當(dāng)風(fēng)速超過某一值的時(shí)候，基于安全上的考慮(主要是塔架和槳葉強(qiáng)度)，風(fēng)力機(jī)應(yīng)該停止運(yùn)轉(zhuǎn)，所以每一臺(tái)風(fēng)力機(jī)都規(guī)定有最高風(fēng)速，最高風(fēng)速與風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度有關(guān)，是設(shè)計(jì)時(shí)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(jī)的工作風(fēng)速，相應(yīng)于工作風(fēng)速風(fēng)力機(jī)有功率輸出。當(dāng)風(fēng)力機(jī)的輸出功率達(dá)到標(biāo)稱功率時(shí)的工作風(fēng)速叫做該風(fēng)力機(jī)的額定風(fēng)速。
2.2.3 啟動(dòng)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(jī)，使風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)最佳，確定起動(dòng)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(dòng)空氣具有的動(dòng)能。單位時(shí)間通過垂直于空氣流的單位面積的空氣流所具有的動(dòng)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?？欤手里L(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(jī)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(shí)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(dòng)風(fēng)速 啟動(dòng)風(fēng)速為風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪由靜止開始轉(zhuǎn)動(dòng)并能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的最小風(fēng)速:風(fēng)力機(jī)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(jī)，才能以較少的投資獲取較多的風(fēng)能。
根據(jù)國(guó)內(nèi)外100多種風(fēng)力機(jī)，起動(dòng)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(duì)應(yīng)的凡就是起動(dòng)風(fēng)速(圖2-2)。對(duì)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(dòng)力風(fēng)速大于上式計(jì)算的氣的風(fēng)力機(jī)會(huì)損失小風(fēng)速這一區(qū)段的風(fēng)能，使用起動(dòng)風(fēng)速小于上式計(jì)算的咋的風(fēng)力機(jī)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(jī)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(jì)性，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。
己知風(fēng)能密度p=12，對(duì)一臺(tái)效率為，槳葉半徑為廠的風(fēng)力機(jī)，輸出功率w(V)的威布爾分布函數(shù)為
w(V)峰值對(duì)應(yīng)之風(fēng)速應(yīng)是額定風(fēng)速，此時(shí)風(fēng)力機(jī)提取的風(fēng)能最多。
令
2.2.3.4 風(fēng)力機(jī)的工作風(fēng)速、輸出功率與風(fēng)能的關(guān)系 風(fēng)力機(jī)的工作風(fēng)速、輸出功率與風(fēng)能的關(guān)系可以簡(jiǎn)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(dòng)力損失后的風(fēng)力機(jī)吸收的功率
C一計(jì)算傳動(dòng)損失和機(jī)械能轉(zhuǎn)換損失后的功率曲線
D一發(fā)電機(jī)實(shí)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(cè)對(duì)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(cè)量有10%的誤差時(shí)，風(fēng)力機(jī)輸出功率的誤差將擴(kuò)大到33%。在風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)中，輸出功率出現(xiàn)30%以上的誤差，將帶來很大的經(jīng)濟(jì)損失。風(fēng)速隨時(shí)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(jī)設(shè)計(jì)計(jì)劃中，對(duì)風(fēng)的觀測(cè)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(jìn)行四項(xiàng)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(jī)地區(qū)面積的調(diào)查，在全國(guó)范圍內(nèi)對(duì)可利用的風(fēng)能量進(jìn)行估算。
(2)選定適合地點(diǎn) 在一年中，對(duì)通過強(qiáng)風(fēng)場(chǎng)所的調(diào)查。
(3)風(fēng)速的頻率分布調(diào)查 在風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)中，為了估算平均出力和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間等量，必須了解風(fēng)力機(jī)軸高處的風(fēng)況。
(4)為了風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)強(qiáng)度和安全系數(shù)的氣象調(diào)查 異常的強(qiáng)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(cè)
風(fēng)的觀測(cè)，因其目的不同而有各自的特點(diǎn)。對(duì)于風(fēng)能利用，通過對(duì)風(fēng)的觀測(cè)，可以估算出該地區(qū)可利用的風(fēng)能大小，為風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)和性能研究以及開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性等提供條件。
風(fēng)速的測(cè)量包括風(fēng)向和風(fēng)速的測(cè)量。因?yàn)轱L(fēng)速隨時(shí)間變化很大，而且變化不定，所以測(cè)量時(shí)取一定時(shí)間內(nèi)的風(fēng)速大小的平均值和最長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)向。我國(guó)現(xiàn)行的風(fēng)速觀測(cè)有兩種方法:一種是每日定時(shí)4次兩分鐘平均風(fēng)速觀測(cè);一種是一日24次自記10分鐘平均風(fēng)速觀測(cè)。實(shí)際測(cè)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(jī)的設(shè)計(jì)中采用后一種測(cè)量方法得到的數(shù)據(jù)。
第三章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 小型垂直式風(fēng)力發(fā)電機(jī)方案設(shè)計(jì)
現(xiàn)在，各個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)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?yàn)樘柲艿脑O(shè)置地點(diǎn)較靈活，不會(huì)產(chǎn)生噪音，可以和建筑進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。但是風(fēng)力發(fā)電較太陽能而言，它的成本優(yōu)勢(shì)明顯。傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)啟動(dòng)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(jī)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(jī)發(fā)展，專門建設(shè)大型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，這樣，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。所以，如何使風(fēng)力發(fā)電和建筑進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，降低小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(gè)國(guó)家研究的焦點(diǎn)！
我設(shè)計(jì)的是一種新型的立式垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，由風(fēng)機(jī)葉輪、立柱、橫梁、變速機(jī)構(gòu)、離合裝置和發(fā)電機(jī)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(jī)
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(jī)框圖
該小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理為：在風(fēng)的吹動(dòng)下，風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)起來，使空氣動(dòng)力能轉(zhuǎn)變成了機(jī)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(jī)軸上，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)，從而使永磁三相發(fā)電機(jī)發(fā)出三相交流電。風(fēng)速的不斷變化、忽大忽小，發(fā)電機(jī)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(jìn)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(jī)、收音機(jī)、電風(fēng)扇、洗衣機(jī)、電冰箱；
該新型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)為：
１． 額定功率（ｗ）：300
２． 輸出電壓（v）：24
３． 啟動(dòng)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(jī)為額定功率300w，輸出電壓24v。
該新型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)為：
１． 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單
２． 易維護(hù)
３． 運(yùn)行平穩(wěn)安全
４． 抗強(qiáng)風(fēng)能力強(qiáng)
５． 操作簡(jiǎn)單
６． 價(jià)格低廉
3.2 風(fēng)葉
采用帆翼式風(fēng)葉，帆翼式是英國(guó)發(fā)展的一種立軸帆翼式風(fēng)力機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能較高。帆翼的形狀如下圖所示。由于其制造簡(jiǎn)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(jì)計(jì)算
3.3.1 設(shè)計(jì)要求
設(shè)計(jì)壽命5年，單班，一年360天，中等傳動(dòng)，傳動(dòng)逆轉(zhuǎn)，齒輪對(duì)稱布置，不允許點(diǎn)蝕，無嚴(yán)重過載，閉式傳動(dòng)。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(jī)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(shí)，我選擇NGW型星形齒輪加速器，因?yàn)檫@個(gè)型號(hào)的齒輪傳動(dòng)效率高，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn)。
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(jī)械手冊(cè)）：
總傳動(dòng)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(guó)家和許多國(guó)家都把齒輪的標(biāo)準(zhǔn)壓力角規(guī)定為，因此，本次設(shè)計(jì)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(duì)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(qiáng)度。設(shè)計(jì)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(duì)于模數(shù)(m)的確定，可以根據(jù)同類變速箱的統(tǒng)計(jì)，參考選擇。
下列為行星傳動(dòng)變速箱模數(shù)統(tǒng)計(jì)表:
通過以上比較，我
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