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1、小型风力发电机总体结构的设计摘要基于开发风能资源在改善能源结构中的重要意义，本论文对风力机的特性作了简要的介绍，且对风力机的各种参数和风力机类型作了必要的说明。在此基础上，对风力发电机的原理和结构作了细致的分析。首先，对风力发电机的总体机械结构进行了设计，并且设计了限速控制系统。本课题设计的是一种新型的立式垂直轴小型风力发电机，由风机叶轮、立柱、横梁、变速机构、离合装置和发电机组成。这种发电机有体积小、噪音小、使用寿命长、价格低的特点，适合在有风能资源地区的楼房顶部，供应家庭用电，例如照明：灯泡,节能灯；家用电器:电视机、收音机、电风扇、洗衣机、电冰箱。其次，在老师的帮助下制作了限速控制的模型
2、。通过模型验证了小型垂直式风力发电机限速控制系统总体方案在实践中的效果，并且验证了程序是否正确，以及电路的设计是否合理。最后，模型验证的结果表明我设计的限速控制系统方案可行，程序正确，电路设计合理。为该类型风力发电机的设计和商品生产提供了理论依据。关键词：风力发电；限速控制系统；小型风力发电机；小型垂直轴风力发电机。AbstractExploiting wind energy resources is of great significance in improving energy structure. In the discourse，the characters of wind gene
3、rator 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 generators overall mechanism, And has designed the regulating cont
4、rol 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 sma
5、ll, 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, elec
6、tric 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 circuits design to
7、 be whether reasonable.Finally，Model verifications 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.Ke
8、y words：Wind power generation；Regulating control system；Small wind-driven generator；Small vertical axis wind-driven generator.目录摘要 .ABSTRACT .第一章 概述 .1 1.1 风力发电机概况 .1 1.2 风力发电机的研究现状 .1 1.2.1 国外风力发电机的研制情况 .1 1.2.2 国内风力发电机的研制情况 .2 1.3 研究风力发电机的目的和意义 .41.4 我国的风能资源及其分布 .5第二章 风力机理论 .8 2.1 基本公式 .8 2.1.1 风能
9、利用系数 .8 2.1.2 风压强 .8 2.1.3 阻力式风力机的最大效率 .8 2.2 工作风速与输出功率 .92.2.1 风力发电机的输出效率 .92.2.2 工作风速与输出功率 .92.2.3 启动风速和额定风速的选定 .10 2.3 风能利用与气象 .122.3.1 风的观测对风能利用的意义 .122.3.2 风能利用中需要的气象调查 .132.4 风的观测 .13第三章 风力发电机方案和结构设计 .14 3.1 小型垂直式风力发电机方案设计 .14 3.2 风叶 .14 3.3 行星齿轮加速器设计计算 .143.3.1 设计要求 .153.3.2 选加速器类型 .163.3.3 确
10、定行星轮数和齿数 .163.3.4 压力角()的选择 .163.3.5 齿宽系数的选择 .173.3.6 模数选择 .173.3.7 预设啮合角 .173.3.8 太阳轮与行星轮之间的传动计算 .173.3.9 行星轮与内齿轮之间的传动计算 .183.3.10 行星排各零件转速及扭矩的计算 .183.3.11 行星排上各零件受力分析及计算 .193.3.12 行星齿轮传动的强度校核计算 .203.4 电磁离合器设计计算 .243.4.1 选型 .243.4.2 牙嵌式电磁离合器的动作特性 .243.4.3 离合器的计算转矩 .243.4.4 离合器的外径 .243.4.5 离合器牙间的压紧力
11、.243.4.6 线圈槽高度 .243.4.7 磁轭底部厚度 .253.4.8 衔铁厚度 .25第四章 限速控制系统方案设计 .26 4.1 设计限速控制系统的目的 .26 4.2 限速控制系统方案分析 .26 4.3 单片机 .26 4.4 信号采集 .26 4.5 电路 .264.6 限速控制程序 .274.6.1 定时器周期 .274.6.2 程序流程图 .274.6.3 限速控制程序.28第五章 控制系统总体分析 .30 5.1 实验和模型设计的目的 .30 5.2 模型设计 .305.2.1 设计技术指标 .305.2.2 模型设计器件 .30 5.3 电路板 .30 5.4 限速控
12、制程序装置 .315.5 实验模型结果分析 .32第六章 结束语 .33致谢 .34参考文献 .35 第一章 概述1.1 机电一体化概要机电一体化是指在机构得主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。机电一体化发展至今也已成为一门有着自身体系的新型学科，随着科学技术的不但发展，还将被赋予新的内容。但其基本特征可概括为：机电一体化是从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织目标，合理
13、配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值，并使整个系统最优化的系统工程技术。由此而产生的功能系统，则成为一个机电一体化系统或机电一体化产品。因此，“机电一体化”涵盖“技术”和“产品”两个方面。只是，机电一体化技术是基于上述群体技术有机融合的一种综合技术，而不是机械技术、微电子技术以及其它新技术的简单组合、拼凑。这是机电一体化与机械加电气所形成的机械电气化在概念上的根本区别。机械工程技术有纯技术发展到机械电气化，仍属传统机械，其主要功能依然是代替和放大的体力。但是发展到机电一体化后，其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外，还能赋予许多新的功能，如
14、自动检测、自动处理信息、自动显示记录、自动调节与控制自动诊断与保护等。即机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸，还是人的感官与头脑的眼神，具有智能化的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质区别。1.2 风力发电机的研究现状1.2.1 国外风力发电机的研制情况美国从1974年起对风能进行系统的研究，能源部对风能项目的投资累计已达到25亿美元。许多著名大学和研究机构都参加了风能的研究开发，目前己安装了8个巨型风力发电机组。到19%年末，风力发电总装机容量己达到170xkw，所提供的电力占全美电力需求量的10%，居世界之首位，主要集中在加利福尼亚州。美国国会己通过了能源政策法，在能源部的规划下，
15、将会改变风力发电集中于加利福尼亚的局面，在年平均风速达5.6m/s的中西部12个州将建风力电站。据能源部预测，在未来15年内，风电将增加6倍。在今后2年内，在怀俄明、伊阿华、明尼苏达、得克萨斯、佛蒙特、缅因州等修建大型风电场，这些风电场将使美国风力发电能力再增加40xkw，预计到2010年，风力发电总装机容量将达到630xkw，可满足全美电力需求量的25%。德国是欧洲风力发电增长最快的国家，近年风力发电量急增，尤其沿海各州，风力发电发展迅速，己超过丹麦，成为世界第二。到1995年己建成1035座风力发电装置，装机容量49.4xkw，1996年新装机约950座，装机容量为48xkw，到19%年底
16、德国己拥有4500座风力发电装置，总装机容量达到约160xkw，1997年估计可增加5xkw，可为20多万个家庭提供日常用电。这些风力发电装置中的1600个是政府投资建设的。装机容量超过1OO0kW的风电场有250个，300OkW的最大风电场已投入使用，发电能力63xkw，西部5xkw风力发电计划可望在2一3年内完成，并投入运行。德国80%的风力发电装置都是安装在沿海地区，沿海各州已拟订其风力发展规划，下萨克森州计划到2005年，将风力发电能力增至13Oxkw，斯雷苏比克一霍尔斯泰因州议会决定到2010年建设120xkw风力发电设备，要求该地区配电公司、Schleswag电力公司大力配合，该公
17、司管辖区内的风电场装机已达33.7xkw，该公司也得到IPP(独立系统发电业者)大力协助，预定进行198xkw风电场的建设。丹麦是风力发电先进国家之一，它将风力发电作为国策，已有风力发电站近4000座，总装机容量73xkw，发电总量达到634xw，相当于一个中等规模的核电站发电量，占全国能源总消耗量的3.7%。丹麦政府在“能源2000计划”中规定，到2005年，风力发电目标为150xkw，相当于国内电力消费量的10%，到2020年，风力+PV+波力确保电力需要的25%，现在计划有减缓的倾向。环境厅对各自治体提出要求，要求他们单独提出风力发电装置建设计划，预计未来10年风力发电量将达到1500w
18、。荷兰1986年开始实施风力发电研究，开发5年计划NOW和引入风力发电5年计划IPW。目标为1991年末总装机容量达到5kw，但计划没达到预定目标，只达到4.9xkw，318座，发电总量5.5xkwh，其后决定实施1991一1996年目标为40xkw的TWI五年计划。计划目标是1994年末风力发电能力达到14.4xkw，629座，发电量为24.7xkw.h，为荷兰总发电量的1.2%。到1996年末，风力发电装机容量己达到3zxkw，2000年为50xkw。英国英伦三岛的风力资源相当丰富，特别是苏格兰是世界风力资源最丰富的地区之一。英政府历来重视风能等非化石燃料的开发，目前英国己有20多个风电场
19、投入运行，到19%年总装机容量己达到26.4xkw，2000年达到80xkw。瑞典从七十年代开始风力发电的开发，经过20多年的努力，己成为该领域的领先者之一，到19%年底，装机容量己达到9.5xkw。220多座风力发电站，大部分位于南部地区和波罗的海的厄兰岛及哥德兰岛上，哥德兰岛的风力发电量可保证全岛68%的能源需求。为了更充分地利用风力资源，瑞典成立了包括一系列电力供应公司的专门财团，目标是在近几年内使风力发电量增加4倍。瑞典由于场地问题，致力于海洋风力发电。由于建设费和与输电的连接费用高，所以规模有大型化的倾向。机电一体化的发展状况机电一体化的发展大体可以分为3个阶段。20世纪60年代以前
20、为第一阶段，这一阶段称为初级阶段。在这一时期，人们自觉不自觉地利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。特别是在第二次世界大战期间，战争刺激了机械产品与电子技术的结合，这些机电结合的军用技术，战后转为民用，对战后经济的恢复起了积极的作用。那时研制和开发从总体上看还处于自发状态。由于当时电子技术的发展尚未达到一定水平，机械技术与电子技术的结合还不可能广泛和深入发展，已经开发的产品也无法大量推广。20世纪7080年代为第二阶段，可称为蓬勃发展阶段。这一时期，计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展奠定了技术基础。大规模、超大规模集成电路和微型计算机的迅猛发展，为机电一体化的发展提
21、供了充分的物质基础。这个时期的特点是：mechatronics一词首先在日本被普遍接受，大约到20世纪80年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认；机电一体化技术和产品得到了极大发展；各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持。20世纪90年代后期，开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段，机电一体化进入深入发展时期。一方面，光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支；另一方面对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。同时，由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术
22、等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。这些研究，将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。我国是从20世纪80年代初才开始在这方面研究和应用。国务院成立了机电一体化领导小组并将该技术列为“863计划”中。在制定“九五”规划和2010年发展纲要时充分考虑了国际上关于机电一体化技术的发展动向.1.3 机电一体化技术产品的优越性1.3.1使用性能改善 机电一体化产品普遍采用程序控制和数据显示，操作按钮和手柄数量显著减少，使得操作大大简化，机电一体化产品的工作过程根据预设的程序逐步由电子控制系统之魂实现。高级的机电一体化产品可通过被控告对象的数学模型以及外界参
23、数的变化随机自寻最佳工作程序，实现自动最优化操作。1.3.2生产能力和工作质量提高机电一体化产品大都具有信息自动处理和自动控制功能，其控制和检测的灵敏度，精度以及范围都有很大程度的提高，通过自动控制系统可精确的保证机械的执行机构按照设计的要求完成预定的工作，使之不受机械操作者主观因素的影响，从而实现最佳操作，保证最佳的工作质量和产品合格率，同事，由于机电一体化产品实现了工作的自动化，使得生产能力大大提高。例如，数控机床对公建的加工和稳定性大大提高，生产效率比普通机床提高了56倍。1.3.3使用安全性和可靠性提高机电一体化产品一般都具有自动监视 报警 自动诊断等功能在工作过程中，遇到过载 过压
24、过流 短路等电力故障时，能自动采用保护措施，避免和减少人身和设备事故，显著提高设备的使用安全性。1.3.3具有复合功能并且适用面广机电一体化产品跳出了机电产品的单技术和单功能限制，具有复合技术和复合功能，使产品的功能水平和自动化程度大大提高。机电一体化产品一般具有自动化控制，自动补偿，自动校验，自动调节，自动保护等功能，能应用于不同的场合和不同的领域，满足用户需求的应变能力较强。例如，电子式空气断路器具有保护特性可调，选择性脱扣，正常通过电流与脱扣时电流的测量，显示和故障自动诊断等功能，使应用范围大为扩大。第二章 风力机理论2.1 基本公式2.1.1 风能利用系数风力机从自然风能中吸收的能量大
25、小程度用风能利用系数表示。横截面积为s()的气流的动能为2.1.2 风压强如图2-1a，根据伯努力方程，风中物体受到的风压Q为2.1.3 阻力式风力机的最大效率建立简单的理想模型，一个平板在风的气动压力作用下沿着风速方向运动，如图2-lb，并规定平板上游一定距离上的风速为，平板的运动速度为v，那么平板吸收的功率可以表示为图2-1 平板模型对给定的上游风速玲，可以写出以平板的运动速度V为函数的功率变化关系式，对v进行微分得从上式中可以看出，阻力式风力机的效率是比较低的，提高效率的唯一办法是设法提高风的阻力系数C。2.2 工作风速与输出功率2.2.1 风力发电机的输出效率最理想的风力机也不可能吸收
26、全部的风能，而只能吸收部分风能。如上一节推导的那样，有一个最大风能利用系数。但是，风力机在制做过程中，由于受到各种条件的限制，做不到完全理想的形状。因此实际的风力机和理想的风力机之间也有差异。实际风力机吸收的功率与理想风力机吸收的功率的比值叫做风力机的效率。用表示。另外还有传动机构的效率甲和发电机的效率等，所以实际风力发电机输出的效率，可以表示为2.2.2 工作风速与输出功率风力机启动时，为了克服其内部的摩擦阻力而需要一定的力矩。这一最低力矩值叫做风力机的启动力矩。启动力矩主要与风力机本身的传动机构摩擦阻力有关因此风力机有一最低工作风速称，只有风速大于时风力机才能工作。当风速超过某一值的时候，
27、基于安全上的考虑(主要是塔架和桨叶强度)，风力机应该停止运转，所以每一台风力机都规定有最高风速，最高风速与风力机的设计强度有关，是设计时给定的参数。最小风速称，和最大风速之间的风速叫做风力机的工作风速，相应于工作风速风力机有功率输出。当风力机的输出功率达到标称功率时的工作风速叫做该风力机的额定风速。2.2.3 启动风速和额定风速的选定如何根据风能资源来选用风力机，使风力机的运行状态最佳，确定起动风速和额定风速是关键。2.2.3.1 双参数威布尔分布 风能就是流动空气具有的动能。单位时间通过垂直于空气流的单位面积的空气流所具有的动能叫风能密度，设为空气密度，v为风速，则风能密度p=0.5，随v的
28、立方增大，变化非常快，故知道风速的变化情况是利用风能的先决条件。风速V是随机变量，经研究专家们多认为用双参数威布尔概率密度函数拟合风速频率分布最好脚。威布尔分布函数形如下式其中K为形状参数，无量纲，C为尺度参数，量纲为m。不同地区，不同时期参数K、C是不同的，可根据某地连续30年的风资料算出该地的K、C参数，威布尔分布函数曲线见图2-2。参数K、C影响曲线形状，K大C大曲线陡峻，峰右移，反之亦然。图2-2 威布尔分布函数曲线上式满足2.2.3.2 起动风速 启动风速为风力机风轮由静止开始转动并能连续运转的最小风速:风力机分水平轴和垂直轴两大类，每一类又有多种形式，同一形式还有若干种规格，只有科
29、学地选择适合当地风能资源的风力机，才能以较少的投资获取较多的风能。根据国内外100多种风力机，起动风速的范围是2m，至6m，这一范围能满足风能丰富区、较丰富区、可利用区的不同需要。双参数威布尔分布函数曲线峰值对应的凡就是起动风速(图2-2)。对上式求一阶导数且令其等于O有解得证明气是出现概率最大的风速。使用起动力风速大于上式计算的气的风力机会损失小风速这一区段的风能，使用起动风速小于上式计算的咋的风力机是否更好呢?表面看低风速的风能得到更多的利用，深入研究可知在之气的较高风速区风能利用率下降，总体上是得不偿失，故选用尽可能接近上式结果的风力机最为理想。2.2.3.3 额定风速 额定风速的选定直
30、接影响风能利用系统整体的效率和经济性，是风力发电机设计中的重要参数。己知风能密度p=12，对一台效率为，桨叶半径为厂的风力机，输出功率w(V)的威布尔分布函数为w(V)峰值对应之风速应是额定风速，此时风力机提取的风能最多。令2.2.3.4 风力机的工作风速、输出功率与风能的关系 风力机的工作风速、输出功率与风能的关系可以简单地如图2一3来表示(注:图中纵坐标表示输出功率，单位为:w/;横坐标表示风能，单位为:m/s)A一理论风能曲线B一扣除空气动力损失后的风力机吸收的功率C一计算传动损失和机械能转换损失后的功率曲线D一发电机实际输出功率曲线图2一3 功率与风速的关系2.3 风能利用与气象2.3
31、.1 风的观测对风能利用的意义在前面已经讲述过，风能与风速的三次方成正比。所以，当风速测量有10%的误差时，风力机输出功率的误差将扩大到33%。在风力机的设计中，输出功率出现30%以上的误差，将带来很大的经济损失。风速随时间变化很大，而且地区性差异也很大，正确把握风况并不是一件容易的事情。所以在风力机设计计划中，对风的观测非常受重视。2.3.2 风能利用中需要的气象调查在风能利用中，需要进行四项气象调查:(l)风能密度调查 结合风能的地区分布和可设立风力机地区面积的调查，在全国范围内对可利用的风能量进行估算。(2)选定适合地点 在一年中，对通过强风场所的调查。(3)风速的频率分布调查 在风力机
32、的设计中，为了估算平均出力和运转时间等量，必须了解风力机轴高处的风况。(4)为了风力机设计强度和安全系数的气象调查 异常的强风出现的概率、风的不定向性以及突风程度，冰暴、盐害等的调查。2.4 风的观测风的观测，因其目的不同而有各自的特点。对于风能利用，通过对风的观测，可以估算出该地区可利用的风能大小，为风力机的设计和性能研究以及开发的经济性等提供条件。风速的测量包括风向和风速的测量。因为风速随时间变化很大，而且变化不定，所以测量时取一定时间内的风速大小的平均值和最长时间的风向。我国现行的风速观测有两种方法:一种是每日定时4次两分钟平均风速观测;一种是一日24次自记10分钟平均风速观测。实际测量
33、结果表明，前一种方法的误差比较大，因此在风力发电机的设计中采用后一种测量方法得到的数据。第三章 风力发电机方案和结构设计3.1 小型垂直式风力发电机方案设计现在，各个发达国家均大力发展新能源产业，虽然太阳能一直是新能源商业化的首选，因为太阳能的设置地点较灵活，不会产生噪音，可以和建筑进行一体化设计。但是风力发电较太阳能而言，它的成本优势明显。传统的风力发电机启动风速要求较高，发电噪音也很大，所以只能将风力发电机放在人迹罕至的地方或风力较大的地方。设备也是往大型风力发电机发展，专门建设大型风力发电场，这样，小型风力发电在相当长的时间里未得到较好的发展。所以，如何使风力发电和建筑进行一体化设计，降
34、低小型风力发电机噪音，使其安装在建筑周围而不影响人的生活质量，已成为各个国家研究的焦点！我设计的是一种新型的立式垂直轴小型风力发电机，由风机叶轮、立柱、横梁、变速机构、离合装置和发电机组成。如下图所示：浆 叶 固定架变速箱星形齿轮加速器电磁离合器发电机整流器蓄电池逆变器负 载图3-1小型垂直轴风力发电机框图该小型垂直轴风力发电机的发电原理为：在风的吹动下，风轮转动起来，使空气动力能转变成了机械能（转速+扭矩）。通过增速系统和离合器使转矩和扭矩传递到风力发电机轴上，带动发电机轴旋转，从而使永磁三相发电机发出三相交流电。风速的不断变化、忽大忽小，发电机发出的电流和电压也随着变化。发出的电经过控制器
35、的整流，由交流电变成了具有一定电压的直流电，并向蓄电池进行充电。从蓄电池组输出的直流电，通过逆变器后变成了220伏的交流电，供给用户的家用电器。应用范围：提供220伏交流电或24伏、36伏或48伏直流电照明: 灯泡,节能灯家用电器:电视机、收音机、电风扇、洗衣机、电冰箱；该新型垂直轴风力发电机的特点为： 额定功率（）：300 输出电压（v）：24 启动风速（m/s）：2 额定风速（m/s）：6 最大使用风速（m/s）：20发电机为额定功率300w，输出电压24v。该新型垂直轴风力发电机的优点为： 结构简单 易维护 运行平稳安全 抗强风能力强 操作简单 价格低廉3.2 风叶采用帆翼式风叶，帆翼式
36、是英国发展的一种立轴帆翼式风力机，结构简单、性能较高。帆翼的形状如下图所示。由于其制造简单，成本低，性能好，所以适于推广使用。图3-2 帆翼式3.3 行星齿轮加速器设计计算3.3.1 设计要求设计寿命5年，单班，一年360天，中等传动，传动逆转，齿轮对称布置，不允许点蚀，无严重过载，闭式传动。齿轮精度8-7-7，齿轮材料:20CrNiMoH，碳氮共渗处理，硬度为Hv740以上。轴材料:20NiCrMoH或20CrMnMo。齿圈材料:42CrMo，氮化处理，硬度为Hv40O以上。3.3.2 选加速器类型小型风力发电机是安装在楼顶或屋顶上的，所以尽量选择体积小、重量轻、性能稳定的设备。在选择行星齿轮时，我选择NGW型星形齿轮加速器，因为这个型号的齿轮传动效率高，体积小，重量轻，结构简单，制造方便，传递功率范围大，轴向尺寸小，可用于各种工作条件的特点。输入轴输出轴R
