小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計方案

小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計方案第一章緒論國外風(fēng)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(yán)重，開發(fā)新型能源成為各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵，目前可再生能源有太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿?。風(fēng)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(jì)起，水平軸風(fēng)車產(chǎn)業(yè)就成為了農(nóng)村經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的主要部分，而利用風(fēng)力發(fā)電的歷史可以追溯到19世紀(jì)晚期，美國的Brush研制了第一臺12kW的直流風(fēng)力機(jī)。Golding(1955)、Shepherd和Divone(1994)記錄了早期的風(fēng)力機(jī)發(fā)展史。1931年，聯(lián)制造了一臺100KW、直徑30m的Balaclava(巴拉克拉法帽)風(fēng)力機(jī)；19世紀(jì)50年代早期，英國制造了一臺100KW、直徑24m的AndreaEnfield(安德魯-恩菲)風(fēng)力機(jī)。1956年，丹麥建造了一臺200KW、直徑24m的Gedser(蓋瑟)風(fēng)力機(jī)，1963年法國電力工業(yè)試驗了一臺功率1.1MW、直徑35m的風(fēng)力機(jī)。在德國，Hutter(胡特)于19世紀(jì)50年代和60年代建立了一些新型的風(fēng)力機(jī)。由于石油價格突然上漲，美國開始建造一系列示風(fēng)力機(jī)組，如1975年的功率100KW、直徑38m的Mod-0風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和1987年的功率2.5MW、直徑97.5m的Mod-5B風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。目前世界上最大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)是德國制造的E-126，高達(dá)120m，風(fēng)輪直徑126m，每個葉片長達(dá)61.4m，每片重18t，裝機(jī)功率達(dá)到5MW[1]，如圖1-1所示。圖1-1Enercon的E-126型風(fēng)力發(fā)電機(jī)我國風(fēng)能資源豐富，根據(jù)第三次風(fēng)能普查結(jié)果，我國技術(shù)可開發(fā)的陸地面積約為24×104km2。考慮到風(fēng)電場中風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)能資源開發(fā)利用的重點區(qū)域有自治區(qū)、省、省、省、省、新疆維吾爾自治區(qū)、省等，其中自治區(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(fēng)能密度分布在國家可再生能源發(fā)展規(guī)劃和風(fēng)電裝備國產(chǎn)化等相關(guān)政策的支持下，我過風(fēng)電產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，2009年中國（不含?。┬略鲲L(fēng)電裝機(jī)10129臺，容量13803.2MW，年同比增長124%；累計風(fēng)電裝機(jī)21581臺，容量25805.3MW，年同比增長114%。省當(dāng)年新增風(fēng)電裝機(jī)37臺，容量77.9MW；累計裝機(jī)227臺，容量436.05MW[3]，如圖1-3所示。圖1-3歷年我國裝機(jī)儲量小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展概況垂直軸風(fēng)力機(jī)（VerticalAxisWindTurbine或VAWT）的風(fēng)輪軸與風(fēng)向垂直，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動與風(fēng)向無關(guān)，但是由于其啟動風(fēng)速較高且功率不穩(wěn)定，其發(fā)展并不像水平軸風(fēng)力機(jī)那么迅速。隨著計算科學(xué)的飛速發(fā)展，垂直軸風(fēng)力機(jī)的優(yōu)異空氣動力性能（尤其是達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)）漸漸為世人所認(rèn)識，近年來廣泛受到各國研究人員的關(guān)注。國外較大的風(fēng)力發(fā)電公司有加拿大的CleanfiledEnergy公司，其主導(dǎo)產(chǎn)品是一種額定功率為3.5kW的升力型葉輪風(fēng)力發(fā)電機(jī)，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(fēng)力發(fā)電機(jī)實驗基地在化德縣啟動運(yùn)行，目前50kW小樣機(jī)組已投入運(yùn)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(fēng)力發(fā)電機(jī)研制成功，并在風(fēng)電場安裝運(yùn)行。圖1-4德化縣50kW垂直軸風(fēng)力機(jī)

第二章風(fēng)力發(fā)電基本原理2.1風(fēng)特性2.1.1風(fēng)能量空氣的流動現(xiàn)象稱為風(fēng)，風(fēng)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(yùn)動的空氣分子產(chǎn)生的，風(fēng)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(fēng)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(fēng)速對風(fēng)能的影響是最大的，因此在沿海地區(qū)設(shè)計風(fēng)力機(jī)時必須要考慮強(qiáng)臺風(fēng)對設(shè)備的影響。2.1.2湍流特性湍流指的是短時間的風(fēng)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(yùn)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(xué)公式完整的表達(dá)出來，其復(fù)雜程度超出了人類現(xiàn)有的認(rèn)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(dāng)困難的，因此只能通過統(tǒng)計學(xué)來大致描述湍流。湍流風(fēng)速變化基本上服從高斯函數(shù)，風(fēng)速變動相對于風(fēng)速均值服從正態(tài)分布,湍流強(qiáng)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(qiáng)度；為脈動風(fēng)速的均方根；為脈動風(fēng)速動能；為10min平均風(fēng)速。湍流強(qiáng)度由地表的粗糙度和高度決定，通常是在很短的一段時間計算得到的，如幾分鐘到一小時。2.2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)、傳動機(jī)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(fēng)力發(fā)電的總體設(shè)計3.1風(fēng)力機(jī)的種類及選擇風(fēng)力機(jī)的分類方法很多，其中按風(fēng)力機(jī)主軸布置方向可分為水平軸風(fēng)力機(jī)和垂直軸風(fēng)力機(jī)，水平軸風(fēng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)主軸與風(fēng)向平行，如圖3-1所示。水平軸風(fēng)力機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)垂直軸風(fēng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)主軸與風(fēng)向垂直，如圖3-2所示，垂直軸風(fēng)力機(jī)設(shè)計簡單，風(fēng)輪無需對風(fēng)，其優(yōu)點有：1.可以接受任何風(fēng)向的風(fēng)，無需對風(fēng)；2.齒輪箱和發(fā)電機(jī)可以安裝在地面，檢修維護(hù)方便。圖3-2垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)按照槳葉受力方式分類可分為升力型風(fēng)力機(jī)和阻力型風(fēng)力機(jī)。升力型風(fēng)力機(jī)利用葉片的升力帶動旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，從而轉(zhuǎn)化風(fēng)能為電能，這種風(fēng)力機(jī)目前較為常見，大部分水平軸風(fēng)力機(jī)都屬于升力型風(fēng)力機(jī)。目前大中型風(fēng)電主要采用水平軸風(fēng)力機(jī)，屬升力型風(fēng)力機(jī)，具有轉(zhuǎn)速高、風(fēng)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(dá)50%，如圖3-3所示。阻力型風(fēng)力機(jī)利用葉片上受到的阻力來驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，大部分阻力型風(fēng)力機(jī)為垂直軸，目前較少，如圖3-4所示。圖3-3升力型風(fēng)力發(fā)電機(jī)圖3-4阻力型風(fēng)力發(fā)電機(jī)垂直軸升力型風(fēng)力機(jī)既有垂直軸風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、維修方便等優(yōu)點，又和升力型風(fēng)力機(jī)一樣具有較高轉(zhuǎn)速，風(fēng)能利用率有所提高。由于運(yùn)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(fēng)力機(jī)空氣動力學(xué)如圖3-5所示建立平面坐標(biāo)系，假定風(fēng)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(fēng)速矢量v=（0，-V），葉片速度矢量u=（-Usinθ,Ucosθ），風(fēng)對葉片的相對速度w=v+u，坐標(biāo)運(yùn)算后得w=（-Usinθ，-V+Ucosθ）。圖3-5垂直風(fēng)力機(jī)動力原理相對風(fēng)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(fēng)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(fēng)力的作用下，葉片在攻角α?xí)r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(fēng)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(fēng)力機(jī)的葉素力學(xué)模型切向力的合力產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使風(fēng)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(fēng)能利用率風(fēng)能利用系數(shù)Cp是表示風(fēng)力機(jī)效率的重要參數(shù)，由于風(fēng)通過風(fēng)輪的風(fēng)能不能完全轉(zhuǎn)化為風(fēng)輪機(jī)械能，其風(fēng)能利用率Cp為[7]（3.8）其中Pm為風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械功率；Pw為風(fēng)力機(jī)輸入的風(fēng)能。目前大型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)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(fēng)力機(jī)的風(fēng)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(fēng)能利用率不低于40%[8]，再加上水平軸風(fēng)力機(jī)受到風(fēng)向變化的影響，而垂直軸風(fēng)力機(jī)可以在任何風(fēng)速角下工作，因此有理由相信垂直軸風(fēng)力機(jī)的利用率能夠超過水平軸。3.2.2Cp-λ功率特性曲線風(fēng)能利用系數(shù)Cp一般是變化的，它隨著風(fēng)速與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變化而變化，葉片尖端線速度與風(fēng)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(fēng)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3-7Cp-λ曲線圖從圖3-7中看出，當(dāng)葉尖速比達(dá)到7.5左右時風(fēng)能利用系數(shù)最大，風(fēng)能利用率最高，Cp值有一個最大值，實際風(fēng)力機(jī)一般都達(dá)不到這么高的風(fēng)能利用率，所以我們先初定葉尖速比在λ=6，風(fēng)能利用率Cp=0.4時對風(fēng)力機(jī)進(jìn)行設(shè)計，具體的Cp-λ圖還需根據(jù)具體的風(fēng)力機(jī)葉片試驗及攻角調(diào)整來確定。3.2.3貝茨極限風(fēng)能利用系數(shù)縮短能達(dá)到的最大值就是貝茨極限，德國空氣動力學(xué)家AlbertBetz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(fēng)力機(jī)，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(dǎo)因子。解微分方程可知當(dāng)a=1/3時，Cp最大，求得最大Cp=0.953。3.2.4葉尖速比風(fēng)輪葉片尖端線速度與風(fēng)速之比稱為葉尖速比，阻力型風(fēng)力機(jī)葉尖速比一般為0.3至0.6，升力型風(fēng)力機(jī)葉尖速比一般為3至8。在升力型風(fēng)力機(jī)中，葉尖速比直接反映了相對風(fēng)速與葉片運(yùn)動方向的夾角，即直接關(guān)系到葉片的攻角，是分析風(fēng)力機(jī)性能的重要參數(shù)。葉尖速比計算公式為（3.10）3.2.5風(fēng)力機(jī)的功率及扭矩計算由省情資料庫中的圖像資料可以看出地區(qū)地面平均風(fēng)速在4m/s～6m/s左右，如圖3-8所示。圖3-8省風(fēng)速分布從氣象（/）24小時監(jiān)測的結(jié)果可以看出，地區(qū)一天4級風(fēng)（約8m/s）出現(xiàn)的頻率最高，如圖3-9所示。圖3-9某日24小時風(fēng)速監(jiān)測圖風(fēng)力機(jī)的額定風(fēng)速按照國家標(biāo)準(zhǔn)《GBT13981-2009小型風(fēng)力機(jī)設(shè)計通用要求》：風(fēng)輪掃掠面積小于等于40m2的風(fēng)力機(jī)額定風(fēng)速Vn在6m/s～10m/s，我們將風(fēng)力機(jī)的風(fēng)速暫定為8m/s。風(fēng)力機(jī)設(shè)計發(fā)電功率為300W，現(xiàn)在我們來計算通過該風(fēng)力機(jī)的總功率，按風(fēng)力機(jī)效率Cp=40%，則風(fēng)力機(jī)的輸入功率為（3.11）根據(jù)公式（2.1）得掃風(fēng)面積為（3.12）式中P為風(fēng)力機(jī)實際獲得總功率，W；ρ為空氣密度，kg/m3；取標(biāo)準(zhǔn)值1.25kg/m3；S為風(fēng)輪的掃風(fēng)面積，m2；v為上游風(fēng)速，m/s。以上結(jié)果表明：通過風(fēng)功率為750W的風(fēng)力機(jī)組，掃掠面積為2.34m2，在風(fēng)速為8m/s的情況下發(fā)電功率為300W。風(fēng)輪高度與直徑的比值為風(fēng)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(fēng)面積最大，其中H為風(fēng)輪高度，D為風(fēng)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(fēng)力機(jī)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(xué)特性，其設(shè)計質(zhì)量對整個風(fēng)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(fēng)力機(jī)的重要部件。葉片的設(shè)計目標(biāo)主要有：1.良好的空氣動力外形；2.可靠地結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；3.合理的葉片剛度；4.良好的結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性和啟動穩(wěn)定性；5.耐腐蝕、方便維修；6.滿足以上目標(biāo)前提下，盡可能減輕葉片重量，降低成本。風(fēng)力機(jī)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(yùn)行[11]。3.3.1葉片實度風(fēng)力機(jī)葉片的總面積與風(fēng)通過風(fēng)輪的面積（風(fēng)輪掃掠面積）之比稱為實度比（容積比），是風(fēng)力機(jī)的一個參考數(shù)據(jù)。垂直軸風(fēng)力機(jī)的葉片實度計算公式為：（3.12）升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)葉輪，C為葉片弦長，N為葉片個數(shù)，R為風(fēng)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(fēng)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(biāo)（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3-11NACA0012翼型參數(shù)實度比選擇在0.5～0.6圍較好。為此可以得出風(fēng)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(dāng)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(qiáng)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)填入聚氨酯直接發(fā)泡填充成型。由此，風(fēng)力機(jī)的基本參數(shù)可以確定，如表3.1所示。表3.1風(fēng)力機(jī)參數(shù)額定風(fēng)速平均效率葉尖速比設(shè)計功率8m/s40%6300W

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(dǎo)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(xué)家試圖解釋這一現(xiàn)象，1831年8月，法拉第認(rèn)為感應(yīng)電流是由與導(dǎo)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(dǎo)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(qiáng)度，L為導(dǎo)線長度,v為導(dǎo)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(jī)永磁同步發(fā)電機(jī)適合離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用，由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直接由風(fēng)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(jī)主要有FD系列和YF系列，按照功率和轉(zhuǎn)速選擇發(fā)電機(jī)，經(jīng)過查閱《中國電器工程大典第九卷-電機(jī)工程》P617表5.5-2，現(xiàn)選擇發(fā)電機(jī)型號為FD-300，其基本參數(shù)如表4.1所示。表4.1發(fā)電機(jī)參數(shù)型號額定功率/W發(fā)電機(jī)額定電壓/V重量/kg啟動力矩/Nm額定電流/A發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速FD-3003002817<0.3510.7400r/min4.2.2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(jìn)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(jī)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(jìn)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(fù)責(zé)多余電能的卸荷。12V蓄電池接boost電路進(jìn)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(jìn)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(qiáng)度估算主軸最小直徑：（4.8）其中A為系數(shù)，按《機(jī)械設(shè)計手冊單行本-軸承及其連接表5-1-19》選??；d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；為空心軸的徑d1與外徑d的比值，α=d1/d。查閱《機(jī)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(jī)械設(shè)計手冊單行本-軸承及其連接表5-1-20》選取，查閱《機(jī)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(jī)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，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(jī)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(jī)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(jī)械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-36》；軸表面強(qiáng)化處理后用《機(jī)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(jī)械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-35》或《機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)械設(shè)計手冊》（機(jī)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(fēng)力機(jī)不僅承受風(fēng)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(jī)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?？讖絛外徑D軸承代號極限轉(zhuǎn)速r/min（脂潤滑）額定動負(fù)荷額定靜負(fù)荷重量30mm55mm7006C950011.65kN8.49kN0.11kg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(jī)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(dāng)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-8》選取0.405；為當(dāng)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。軸承軸承圖4-4軸承2安裝位置按照《機(jī)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?？讖絛外徑D軸承代號極限轉(zhuǎn)速r/min（脂潤滑）額定動負(fù)荷額定靜負(fù)荷重量25mm47mm7006C120009.38kN7.73kN0.074kg表4.3軸承2參數(shù)按照軸承1校核公式（4.15）對軸承進(jìn)行校核：軸承當(dāng)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)。可通過查《機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)之間用圓錐銷套筒聯(lián)軸器進(jìn)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)、蹄式制動器(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(biāo)準(zhǔn)，是標(biāo)準(zhǔn)件。市產(chǎn)華電機(jī)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(fēng)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kgFDB-1-1001609080353.45制動器的閉合是通過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(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到某值時，單片機(jī)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)AC1C2C3DEHJKLMPYmabt1601901758030652664423811.582-M80.3(-1)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(fēng)力機(jī)制動器的最大工作風(fēng)速，由公式（4.12）得這個風(fēng)速相當(dāng)于13級風(fēng)，制動器在13級風(fēng)下可以安全制動。為了保護(hù)有效發(fā)電機(jī)和其他部件，制動器必須在轉(zhuǎn)速超出發(fā)電機(jī)允許圍時立即動作，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(jī)）進(jìn)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(jī)軸配合，通過螺釘鎖緊，當(dāng)電機(jī)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孔30mm光電編碼器的參數(shù)如表5.3所示。表5.3IHA8030光電編碼器數(shù)據(jù)電源電壓DC+5±5%最大機(jī)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(hù)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(fù)荷徑向40N,軸向30N重量約0.6kg用光電編碼器對制動器進(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(fēng)速v等效平板面積S風(fēng)速v圖5-4等效受力圖根據(jù)流體力學(xué)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(qiáng)度高，如圖5-5所示。中間支撐桿中間支撐桿圖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為徑與外徑比。受到最大彎應(yīng)力（5.2）查《機(jī)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(qiáng)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(fēng)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(jī)械設(shè)計手冊》起重機(jī)部分可得如表5.4所示。表5.4拉索力學(xué)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(qiáng)度/MPa鋼絲繩最小破斷拉力/KN2鋼芯鋼絲繩1.55kg/100m14702.11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，力森鋼絲繩生產(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(zhǔn)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(xué)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(fù)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(jī)的啟動；電池電壓在使用蓄電池中最高，可達(dá)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蓄電池選型松下蓄電池生產(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407×173×210mm5.4箱體的設(shè)計箱體主要用于安裝發(fā)電機(jī)等重要部件，使這些部件免受風(fēng)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(dǎo)軌地腳螺栓箱體導(dǎo)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，箱底部兩個導(dǎo)軌起到導(dǎo)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(fēng)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(qiáng)度也受到影響，因此，必須對箱體進(jìn)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