畢業(yè)設(shè)計——小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

1、<p>　　畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計（論文）</p><p>　　課題名稱 小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計 </p><p>　　專業(yè) 機電一體化 </p><p>　　班級 09高職機電5班 </p><p>　　學(xué)號 </p><p>　　

2、姓名 </p><p>　　指導(dǎo)教師 xx </p><p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）題目： 小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　專業(yè)： 機電一體化專業(yè) 姓名： 張晟銘 </p>

3、<p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）工作起止時間： 2011年10月——2011年11月 </p><p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）的內(nèi)容要求：</p><p>　?。?）本設(shè)計主要討論大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)引起的電力系統(tǒng)運行與穩(wěn)定問題及其相關(guān)技術(shù)解決措施,主要包括大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對電壓的影響及風(fēng)電場的電壓控制問題。</p><p>　?。?）大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對穩(wěn)定性的影響

4、及風(fēng)電機低電壓穿越能力的問題;大規(guī)模風(fēng)電</p><p>　　并網(wǎng)對調(diào)度運行的影響和風(fēng)電功率預(yù)測的必要性3方面內(nèi)容,并針對每一個問題提</p><p>　　出了相關(guān)的應(yīng)對策略。</p><p>　?。?）本設(shè)計對大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)引起的電力系統(tǒng)運行與穩(wěn)定的問題進(jìn)行了分析探討,</p><p>　　并在此基礎(chǔ)上提出了相關(guān)的技術(shù)解決措施。</p

5、><p>　　指導(dǎo)教師（簽名）： </p><p><b>　　年 月 日</b></p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計開題報告</b></p><p>　　一、課題設(shè)計（論文）目的及意義</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電是21世紀(jì)重要的綠

6、色能源,也是化石能源的重要替代能源之一。加快發(fā)展風(fēng)力發(fā)電,是世界許多國家解決能源可持續(xù)利用的重要舉措。我國風(fēng)電發(fā)展迅速,但同時也帶來了大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的問題。本設(shè)計主要討論大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)引起的電力系統(tǒng)運行與穩(wěn)定問題及其相關(guān)技術(shù)解決措施,主要包括大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對電壓的影響及風(fēng)電場的電壓控制問題;大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對穩(wěn)定性的影響及風(fēng)電機低電壓穿越能力的問題;大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對調(diào)度運行的影響和風(fēng)電功率預(yù)測的必要性3方面內(nèi)容,并針對每一個問題提出了相關(guān)

7、的應(yīng)對策略。</p><p>　　1、培養(yǎng)學(xué)生綜合運用理論知識，及獨立分析原因。</p><p>　　2、根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機工作性能的要求，運用所學(xué)專業(yè)知識，學(xué)會制定故障診斷過程的能力。</p><p>　　3、培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)和應(yīng)用各種先進(jìn)技術(shù)資料，特別是對風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)資料有一定的涉及，以便能掌握其故障診斷、檢測的方法和步驟。</p><p>　

8、　4、進(jìn)一步增強自己獨立分析問題、獨立思考問題的基本能力，為今后工作打下良好的基礎(chǔ)。</p><p>　　二、課題設(shè)計（論文）提綱</p><p>　　1、對于風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)和基本配置以及要求</p><p>　　2、風(fēng)力發(fā)電機葉輪的基本運動流程</p><p>　　3、具體的實施步驟和應(yīng)注意事項</p><p>

9、　　三、課題設(shè)計（論文）思路、方法及進(jìn)度安排</p><p><b>　　設(shè)計思路</b></p><p>　　1、查閱相技術(shù)資料，回顧并掌握專業(yè)理論知識。</p><p>　　2、結(jié)合目前科技成果，查閱了大量的相關(guān)資料，利用先進(jìn)的技術(shù)，合理的方法，利用相關(guān)的專業(yè)知識，設(shè)計了這種技術(shù)較先進(jìn)、性能可靠、自動化程度較高的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。</p&

10、gt;<p>　　3、完成小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的相關(guān)步驟和注意事項。</p><p><b>　　4、整理資料。</b></p><p><b>　　進(jìn)度安排</b></p><p><b>　　第一周：</b></p><p>　　1）明確并熟悉垂直軸風(fēng)力發(fā)電機

11、的各種資料，對其各零部件進(jìn)行分析。</p><p>　　2）經(jīng)過分析討論，初步列出參考提綱。</p><p><b>　　第二周至第三周：</b></p><p>　　1）進(jìn)一步查閱資料對初步提綱進(jìn)行補充，完善。</p><p>　　2）補充完畢，交予老師指導(dǎo)。</p><p>　　3）根據(jù)指導(dǎo)老

12、師提出的意見對論文進(jìn)行修改和進(jìn)一步完善。</p><p><b>　　第四周至第五周：</b></p><p><b>　　1）咨詢指導(dǎo)老師。</b></p><p>　　2）根據(jù)老師指導(dǎo)進(jìn)行修改調(diào)整格式內(nèi)容。</p><p><b>　　第六周：</b></p>

13、<p><b>　　畢業(yè)答辯</b></p><p>　　四、課題設(shè)計（論文）參考文獻(xiàn)：</p><p>　　[1] 葉杭冶. 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計、運行與維護(hù)[M].北京：電子工業(yè)出版社， 2010年4月.</p><p>　　[2] 薛桁，朱瑞兆，楊振斌. 中國風(fēng)能資源貯量估算[J]. 太陽能學(xué)報. 2001年第22卷第2期：P1

14、68-P170.</p><p>　　[3] 中國可再生能源學(xué)會風(fēng)能專業(yè)委員會（CWEA）. 2009年中國風(fēng)電裝機容量統(tǒng)計. 2009年.</p><p>　　[4] 宋麗莉，毛慧琴，錢光明. 熱帶氣旋對風(fēng)力發(fā)電的影響分析[J]. 太陽能學(xué)報，2006年第27卷第9期：P962-P965.</p><p>　　[5] 芮曉明，馬志勇，康傳明. 并網(wǎng)型垂直軸風(fēng)力機的

15、基本構(gòu)成與氣動特性[J]. 太陽能學(xué)報, 2007年第2期：P28-P31.</p><p>　　[6] 孫云峰. 小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組的設(shè)計與實驗[D]. 內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué), 2008年.</p><p>　　[7] 聶珣. 基于自適應(yīng)轉(zhuǎn)速觀測器的雙饋風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的研究[D]. 長沙：中南大學(xué), 2009年.</p><p>　　[8] 張國銘. 論制

16、造兆瓦級垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的合理性[J]. 風(fēng)力發(fā)電，2001年第4期：P55-P61</p><p>　　[9] 宋海輝. 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)及工程[M]. 中國水利水電出版社，2009年.</p><p>　　[10] 王心塵. 基于Matlab_Simulink的垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計[D]. 廈門：廈門大學(xué), 2008年. </p><p>　　[11] 芮曉明，柳

17、亦兵，馬志勇. 風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2010年.</p><p>　　[12] 楊國良，高瑞斌，張純. 垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)制動及保護(hù)電路設(shè)計[J]. 電力電子技術(shù)，2009年第43卷第10期：P53-P59.</p><p>　　[13] 趙永強，侯紅玲，施紹寧. 蓄電池智能充電系統(tǒng)的設(shè)計與研究[J]. 陜西理工學(xué)院學(xué)報，2010年第26卷第3期：P5-P8.&

18、lt;/p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要：1</b></p><p><b>　　第一章 緒論5</b></p><p>　　1.1國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢2</p><p>　　1.2小型垂直軸風(fēng)力

19、發(fā)電機發(fā)展概況3</p><p>　　第二章 風(fēng)力發(fā)電基本原理5</p><p><b>　　2.1 風(fēng)特性5</b></p><p>　　2.1.1 風(fēng)能量5</p><p>　　2.1.2 湍流特性5</p><p>　　2.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架6</p><

20、;p>　　第三章 小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電的總體設(shè)計6</p><p>　　3.1 風(fēng)力機的種類及選擇6</p><p>　　3.2 垂直軸風(fēng)力機空氣動力學(xué)8</p><p>　　3.2.1 風(fēng)能利用率10</p><p>　　3.2.2 Cp-λ功率特性曲線10</p><p>　　3.2.3 貝茨極限1

21、1</p><p>　　3.2.4 葉尖速比11</p><p>　　3.2.5 風(fēng)力機的功率及扭矩計算12</p><p>　　3.3 葉片選型13</p><p>　　3.3.1 葉片實度14</p><p>　　3.3.2 葉片形狀及材料15</p><p>　　第四章 電氣設(shè)備

22、及傳動設(shè)計16</p><p>　　4.1 基本原理16</p><p>　　4.1.1 法拉第電磁感應(yīng)原理16</p><p>　　4.1.2 相位角及功率因數(shù)16</p><p>　　4.2 轉(zhuǎn)化裝置17</p><p>　　4.2.1 直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機17</p><p>

23、　　4.2.2 電氣系統(tǒng)電路設(shè)計17</p><p>　　4.3 傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算18</p><p>　　4.3.1 傳動軸的設(shè)計18</p><p>　　4.3.2 軸承的計算及選型20</p><p>　　第五章 剎車裝置及其他部件設(shè)計24</p><p>　　5.1 剎車裝置24</p&

24、gt;<p>　　5.1.1 剎車裝置原理24</p><p>　　5.1.2 剎車結(jié)構(gòu)受力計算26</p><p>　　5.2 塔架的設(shè)計27</p><p>　　5.2.1 支撐件受力分析27</p><p>　　5.2.2 拉索的受力計算29</p><p>　　5.3 蓄電池和選型31

25、</p><p>　　5.3.1 蓄電池的種類及工作基本原理31</p><p>　　5.3.2 蓄電池選型31</p><p>　　5.4 箱體的設(shè)計31</p><p>　　5.4.1 箱體的外形設(shè)計31</p><p>　　5.4.2 箱體的防銹與密封32</p><p><

26、;b>　　結(jié) 論33</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：34</b></p><p><b>　　致 謝34</b></p><p>　　小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　姓名： 張晟銘 學(xué)號： 20092080544

27、 班級：09高職機電五班</p><p>　　摘要：本文介紹了一種小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計方案，本系統(tǒng)主要面向沿海高層建筑或邊遠(yuǎn)地區(qū)用戶。經(jīng)過查閱大量文獻(xiàn)資料結(jié)合必要的理論計算，系統(tǒng)采用四片NACA0012型葉片構(gòu)成H型達(dá)里厄風(fēng)力機，利對用永磁直驅(qū)同步發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)過電力電子電路對蓄電池進(jìn)行充電。文中對主要支撐件和傳動件進(jìn)行了必要的結(jié)構(gòu)校核，所用的兩個角接觸球軸承進(jìn)行了使用壽命校核。最后以垂

28、直軸風(fēng)輪和永磁直驅(qū)發(fā)電機為主要對象，用solidworks軟件建立三維模型，設(shè)計風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要零部件，并簡要介紹其控制電路、選擇蓄電池型號。</p><p>　　關(guān)鍵詞：垂直軸 風(fēng)力發(fā)電機 達(dá)里厄 NACA0012翼型</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢</p&g

29、t;<p>　　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。Golding(195

30、5)、Shepherd和Divone(1994)記錄了早期的風(fēng)力機發(fā)展史。1931年，蘇聯(lián)制造了一臺100KW、直徑30m的Balaclava(巴拉克拉法帽)風(fēng)力機；19世紀(jì)50年代早期，英國制造了一臺100KW、直徑24m的Andrea Enfield(安德魯-恩菲)風(fēng)力機。1956年，丹麥建造了一臺200KW、直徑24m的Gedser(蓋瑟)風(fēng)力機，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。在德國，Hutt

31、er(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。由于石油價格突然上漲，美國開始建造一系列示范風(fēng)力機組，如1975年的功率100KW、直</p><p>　　圖1-1 Enercon的E-126型風(fēng)力發(fā)電機</p><p>　　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?？紤]到風(fēng)電場中風(fēng)力發(fā)電機組的實際布置能力，按照5M

32、W/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)域有內(nèi)蒙古自治區(qū)、遼寧省、河北省、吉林省、甘肅省、新疆維吾爾自治區(qū)、江蘇省等，其中內(nèi)蒙古自治區(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。</p><p>　　圖1-2 全年平均風(fēng)能密度分布</p><p>　　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

33、支持下，我過風(fēng)電產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，2009年中國（不含臺灣省）新增風(fēng)電裝機10129臺，容量13803.2MW，年同比增長124%；累計風(fēng)電裝機21581臺，容量25805.3MW，年同比增長114%。臺灣省當(dāng)年新增風(fēng)電裝機37臺，容量77.9MW；累計裝機227臺，容量436.05MW[3]，如圖1-3所示。</p><p>　　圖1-3歷年我國裝機儲量</p><p>　　小型垂直軸

34、風(fēng)力發(fā)電機發(fā)展概況</p><p>　　垂直軸風(fēng)力機（Vertical Axis Wind Turbine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)力機那么迅速。隨著計算科學(xué)的飛速發(fā)展，垂直軸風(fēng)力機的優(yōu)異空氣動力性能（尤其是達(dá)里厄風(fēng)力機）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Cleanfiled En

35、ergy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，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)電機實驗基地在內(nèi)蒙古化德縣啟動運行，目前50kW小樣機組已投入運行開始發(fā)電，如圖1-4所示。2007年，西峽瑞發(fā)水電設(shè)備公司和哈爾濱發(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)電機研制成功，并在張家口風(fēng)電場安裝運行。</p><

36、;p>　　圖1-4 德化縣50kW垂直軸風(fēng)力機</p><p>　　第二章 風(fēng)力發(fā)電基本原理</p><p><b>　　2.1 風(fēng)特性</b></p><p><b>　　2.1.1 風(fēng)能量</b></p><p>　　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

37、個地方運動的空氣分子產(chǎn)生的，風(fēng)的能量就是空氣分子的動能，如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1 空氣流的動能</p><p><b>　　風(fēng)功率計算公式為：</b></p><p><b>　　聯(lián)立以上各式得</b></p><p><b>　　（2.1）</b><

38、;/p><p>　　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)力機時必須要考慮強臺風(fēng)對設(shè)備的影響。</p><p>　　2.1.2 湍流特性</p><p>　　湍流指的是短時間內(nèi)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

39、運動。湍流往往是有這兩種原因相互作用形成的。</p><p>　　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,湍流強度I是用來描述湍流總體水平的，計算公式如下[4]：</p><p&g

40、t;<b>　　（2.2）</b></p><p>　　式中I為湍流強度；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。</p><p>　　湍流強度由地表的粗糙度和高度決定，通常是在很短的一段時間內(nèi)計算得到的，如幾分鐘到一小時。

41、

42、 </p><p>　　2.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架</p><p>　　小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機不需要并網(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

43、輪、發(fā)電機、傳動機構(gòu)（包括剎車）、塔架、整流、功率控制系統(tǒng)，如圖2-2所示。</p><p><b>　　圖2-2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</b></p><p>　　第三章 小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電的總體設(shè)計</p><p>　　3.1 風(fēng)力機的種類及選擇</p><p>　　風(fēng)力機的分類方法很多，其中按風(fēng)力機主軸布置方向可分為水平軸風(fēng)力

44、機和垂直軸風(fēng)力機，水平軸風(fēng)力機的旋轉(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。</p><p>　　圖3-1 水平軸風(fēng)力發(fā)電機</p><p>　　垂直軸風(fēng)力機的旋轉(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)

45、電機可以安裝在地面，檢修維護(hù)方便。</p><p>　　圖3-2 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機</p><p>　　按照槳葉受力方式分類可分為升力型風(fēng)力機和阻力型風(fēng)力機。升力型風(fēng)力機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)力機目前較為常見，大部分水平軸風(fēng)力機都屬于升力型風(fēng)力機。目前大中型風(fēng)電主要采用水平軸風(fēng)力機，屬升力型風(fēng)力機，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，

46、最大功率系數(shù)可達(dá)50%，如圖3-3所示。阻力型風(fēng)力機利用葉片上受到的阻力來驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，大部分阻力型風(fēng)力機為垂直軸，目前較少，如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-3 升力型風(fēng)力發(fā)電機</p><p>　　圖3-4 阻力型風(fēng)力發(fā)電機</p><p>　　垂直軸升力型風(fēng)力機既有垂直軸風(fēng)力機結(jié)構(gòu)簡單、維修方便等優(yōu)點，又和升力型風(fēng)力機一樣具有較高轉(zhuǎn)速，風(fēng)能利用率有

47、所提高。由于運行過程中受力比水平軸好得多，疲勞壽命要更長。</p><p>　　3.2 垂直軸風(fēng)力機空氣動力學(xué)</p><p>　　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]</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　在

48、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)運算后得w=（-Usinθ，-V+Ucosθ）。</p><p>　　圖3-5 垂直風(fēng)力機動力原理</p><p>　　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

49、推得：</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　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：</p><p><b>　?。?.3）</b></p><p><b>　　（3.4）</b></p><p>

50、;　　將升力和阻力投影到風(fēng)輪切方向：</p><p><b>　?。?.5）</b></p><p><b>　?。?.6）</b></p><p>　　其中Flt為Fl在切向的分量；Fdt為Fd在切向的分量。</p><p>　　葉片受力分解如圖3-6所示[6]。</p><p

51、>　　圖3-6 垂直風(fēng)力機的葉素力學(xué)模型</p><p>　　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</p><p>　　（3.7）

52、

53、 </p><p>　　3.2.1 風(fēng)能利用率</p><p>　　風(fēng)能利

54、用系數(shù)Cp是表示風(fēng)力機效率的重要參數(shù)，由于風(fēng)通過風(fēng)輪的風(fēng)能不能完全轉(zhuǎn)化為風(fēng)輪機械能，其風(fēng)能利用率Cp為[7]</p><p><b>　　（3.8）</b></p><p>　　其中Pm為風(fēng)力機輸出的機械功率；Pw為風(fēng)力機輸入的風(fēng)能。</p><p>　　目前大型水平軸風(fēng)力發(fā)電機的風(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

55、于之前一般都是利用葉素理論來計算垂直軸風(fēng)力機的風(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)力機受到風(fēng)向變化的影響，而垂直軸風(fēng)力機可以在任何風(fēng)速角下工作，因此有理由相信垂直軸風(fēng)力機的利用率能夠超過水平軸。</p><p>　　3.2.2 Cp-λ功率特性曲線</p><p>　　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

56、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。</p><p>　　圖3-7 Cp-λ曲線圖</p><p>　　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)力機一般都達(dá)不到這么高的風(fēng)能利用率，所以我們先初

57、定葉尖速比在λ=6，風(fēng)能利用率Cp=0.4時對風(fēng)力機進(jìn)行設(shè)計，具體的Cp-λ圖還需根據(jù)具體的風(fēng)力機葉片試驗及攻角調(diào)整來確定。</p><p>　　3.2.3 貝茨極限</p><p>　　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Albert Betz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，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

58、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]：</p><p><b>　?。?.9）</b></p><p>　　式中a為氣流誘導(dǎo)因子。</p><p>　　解微分方程可知當(dāng)a=1/3時，Cp最大，求得最大Cp=0.953。</p><p>　　3.2.4 葉尖速比</p><p

59、>　　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)力機葉尖速比一般為0.3至0.6，升力型風(fēng)力機葉尖速比一般為3至8。在升力型風(fēng)力機中，葉尖速比直接反映了相對風(fēng)速與葉片運動方向的夾角，即直接關(guān)系到葉片的攻角，是分析風(fēng)力機性能的重要參數(shù)。葉尖速比計算公式為</p><p><b>　?。?.10）</b></p><p>　　3.2.5 風(fēng)力機的功率及扭矩計

60、算</p><p>　　由福建省情資料庫中的圖像資料可以看出廈門地區(qū)地面平均風(fēng)速在4m/s～6m/s左右，如圖3-8所示。</p><p>　　圖3-8福建省風(fēng)速分布</p><p>　　從福建氣象網(wǎng)站（http://fj.weather.com.cn/）24小時監(jiān)測的結(jié)果可以看出，廈門地區(qū)一天內(nèi)4級風(fēng)（約8m/s）出現(xiàn)的頻率最高，如圖3-9所示。</p>

61、;<p>　　圖3-9 廈門某日24小時風(fēng)速監(jiān)測圖</p><p>　　風(fēng)力機的額定風(fēng)速按照國家標(biāo)準(zhǔn)《GBT 13981-2009 小型風(fēng)力機設(shè)計通用要求》：風(fēng)輪掃掠面積小于等于40m2的風(fēng)力機額定風(fēng)速Vn在6m/s～10m/s，我們將風(fēng)力機的風(fēng)速暫定為8m/s。</p><p>　　風(fēng)力機設(shè)計發(fā)電功率為300W，現(xiàn)在我們來計算通過該風(fēng)力機的總功率，按風(fēng)力機效率Cp=40%，

62、則風(fēng)力機的輸入功率為</p><p><b>　?。?.11）</b></p><p>　　根據(jù)公式（2.1）得掃風(fēng)面積為</p><p><b>　?。?.12）</b></p><p>　　式中 P為風(fēng)力機實際獲得總功率，W；ρ為空氣密度，kg/m3；取標(biāo)準(zhǔn)值1.25 kg/m3；S為風(fēng)輪的掃風(fēng)

63、面積，m2；v為上游風(fēng)速，m/s。</p><p>　　以上結(jié)果表明：通過風(fēng)功率為750W的風(fēng)力機組，掃掠面積為2.34 m2，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。</p><p><b>　　由&

64、lt;/b></p><p>　　得到H=1.5m，D=1.6m，產(chǎn)生的掃掠面積基本上能符合要求。</p><p>　　風(fēng)力機轉(zhuǎn)矩[10]：</p><p><b>　?。?.13）</b></p><p><b>　　3.3 葉片選型</b></p><p>　　葉片

65、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)力機的重要部件。葉片的設(shè)計目標(biāo)主要有：</p><p>　　1. 良好的空氣動力外形；</p><p>　　2. 可靠地結(jié)構(gòu)強度；</p><p>　　3. 合理的葉片剛度；</p><p>　　4. 良好的結(jié)構(gòu)

66、動力學(xué)特性和啟動穩(wěn)定性；</p><p>　　5. 耐腐蝕、方便維修；</p><p>　　6. 滿足以上目標(biāo)前提下，盡可能減輕葉片重量，降低成本。</p><p>　　風(fēng)力機的翼型多種多樣，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

67、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，適合低速運行[11]。</p><p>　　3.3.1 葉片實度</p><p>　　風(fēng)力機葉片的總面積與風(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)力機的一個參考數(shù)據(jù)。垂直軸風(fēng)力機的葉片實度計算公式為：</p><p><b>　　（3.12）</b><

68、;/p><p>　　升力型垂直軸風(fēng)力機葉輪，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：</p><p>　　1. 升力系數(shù)斜度大；</p><p><b>　　2. 阻力系數(shù)??；</b></p&

69、gt;<p>　　3. 阻力系數(shù)與零升角對稱。</p><p>　　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。</p><p>　　圖3-10幾種翼型的翼型特性</p><p>　　由于NACA0012是對稱翼型，在圖3-11左側(cè)數(shù)據(jù)表中

70、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）。</p><p>　　圖3-11 NACA0012翼型參數(shù)</p><p>　　實度比選擇在0.5～0.6范圍內(nèi)較好。為此可以得出風(fēng)輪葉片的弦長：</p><p><b>　　（3.13）</b></p>

71、<p>　　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]。</p><p>　　3.3.2 葉片形狀及材料</p><p>　　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。</p><p>　　圖3

72、-12 葉片剖面</p><p>　　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)內(nèi)填入聚氨酯直接發(fā)泡填充成型。由此，風(fēng)力機的基本參數(shù)可以確定，如表3.1所示。</p><p>　　表3.1 風(fēng)力機參數(shù)</p><p>　　第四章 電氣設(shè)備及傳動設(shè)計</p><p><b>　　4.1 基本原理</b>

73、;</p><p>　　4.1.1 法拉第電磁感應(yīng)原理</p><p>　　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

74、式表示：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　其中：e為感應(yīng)電動勢，N為線圈匝數(shù)，為磁通量變化量。</p><p>　　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：</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　其中B

75、為磁感應(yīng)強度，L為導(dǎo)線長度,v為導(dǎo)線切割速度。</p><p>　　4.1.2 相位角及功率因數(shù)</p><p>　　瞬時電壓及瞬時電流由以下公式得到：</p><p><b>　?。?.3）</b></p><p><b>　　（4.4）</b></p><p>　　其中U

76、m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。</p><p><b>　　瞬時功率為：</b></p><p><b>　?。?.5）</b></p><p>　　在一個周期內(nèi)對瞬時功率積分獲得平均功率：</p><p><b>　?。?.6）</b><

77、;/p><p>　　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：</p><p><b>　　（4.7）</b></p><p><b>　　式中即為功率因數(shù)。</b></p><p><b>　　4.2 轉(zhuǎn)化裝置</b></p><p>　　4

78、.2.1 直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機</p><p>　　永磁同步發(fā)電機適合離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用，由于發(fā)電機轉(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)電機主要有FD系列和YF系列，按照功率和轉(zhuǎn)速選擇發(fā)電機，經(jīng)過查閱《中國電器工程大典第九卷-電機工程》P617表5.5-2 ，現(xiàn)選擇發(fā)電機型號為FD-300，其基本參數(shù)如表4.1所示。<

79、;/p><p><b>　　表4.1發(fā)電機參數(shù)</b></p><p>　　4.2.2 電氣系統(tǒng)電路設(shè)計</p><p>　　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。</p><p>　　圖4-1

80、系統(tǒng)電力控制圖</p><p>　　永磁直驅(qū)同步發(fā)電機轉(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。</p><p>　　4.3 傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算&l

81、t;/p><p>　　4.3.1 傳動軸的設(shè)計</p><p>　　主傳動軸只承受扭矩，不受彎矩，按空心主軸扭轉(zhuǎn)強度估算主軸最小直徑：</p><p><b>　?。?.8）</b></p><p>　　其中A為系數(shù)，按《機械設(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；

82、P為軸傳遞的功率，kW；為空心軸的內(nèi)徑d1與外徑d的比值，α=d1/d。</p><p>　　查閱《機械設(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</p><p><b>　　（4.9）</b></p><p>　　按照主軸扭轉(zhuǎn)剛度計算直徑：&

83、lt;/p><p><b>　?。?.10）</b></p><p>　　其中B為系數(shù)，按《機械設(shè)計手冊單行本-軸承及其連接表5-1-20》選取，查閱《機械設(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</p><p><b>　　

84、（4.11）</b></p><p>　　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，內(nèi)徑d1=18mm，采用45鋼調(diào)質(zhì)處理，主軸如圖4-2所示。</p><p>　　圖4-2 主軸示意圖</p><p>

85、;　　校核主軸安全系數(shù)，主軸轉(zhuǎn)矩為</p><p><b>　?。?.12）</b></p><p>　　只考慮扭拒作用時的安全系數(shù)為</p><p><b>　?。?.13）</b></p><p>　　其中為對稱循環(huán)應(yīng)力下的材料扭轉(zhuǎn)疲勞極限，Mpa，見《機械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-

86、1》，；為扭轉(zhuǎn)時的有效應(yīng)力集中系數(shù)，見《機械設(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《機械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-36》；軸表面強化處理后用《機械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-38》；有腐蝕情況時用《機械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-35》或《機械設(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《機械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1

87、-34》，；、為扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力，Mpa見《機械設(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《機械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-33》，。</p><p>　　將各數(shù)據(jù)代入公式后得</p><p>　　根據(jù)調(diào)質(zhì)45鋼，要求查《機械設(shè)計手冊》（機工版）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。</p>

88、<p>　　4.3.2 軸承的計算及選型</p><p>　　由于風(fēng)力機不僅承受風(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。</p><p>　　1．角接觸球軸承1的選用計算</p><p>　　角接觸球軸承1的安裝位置如圖4-3所示。</p><

89、p>　　圖4-3 軸承1的安裝位置</p><p>　　軸徑d=30mm,額定轉(zhuǎn)矩T=4.3Nm。由《機械設(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。</p><p>　　表4.2 軸承1參數(shù)</p><p><b>　　軸向載

90、荷：</b></p><p>　　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：</p><p><b>　?。?.14）</b></p><p>　　作用在4個葉片上的總力為</p><p><b>　?。?.15）</b></p><p&g

91、t;　　由《機械設(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</p><p><b>　　（4.16）</b></p><p>　　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《機械設(shè)計手冊表28·3-2》得：因為</p><p>　　所以應(yīng)該選擇X=0.44，Y=1.4

92、7，代入式子得到</p><p>　　軸承基本額定動載荷按如下公式計算：</p><p>　　式中：為基本額定動載荷計算值，N；為速度因數(shù)，按《機械設(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《機械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-11》選取

93、1；為壽命因數(shù)，按《機械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-8》選取0.405；為當(dāng)量動載荷。</p><p>　　將各個數(shù)據(jù)代入式（4.13）得：</p><p>　　故選用此軸承能夠滿足額定載荷的要求。</p><p>　　2．角接觸球軸承2的選用計算</p><p>　　角接觸球軸承2的安裝位置如圖4-4所示。</p><

94、p>　　圖4-4 軸承2安裝位置</p><p>　　按照《機械設(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。</p><p>　　表4.3 軸承2參數(shù)</p><p>　　按照軸承1校核公式（4.15）對軸承進(jìn)行校核：</p><p>　　軸承當(dāng)量動載荷按公式（4.16）得：<

95、;/p><p>　　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《機械設(shè)計手冊表28·3-2》得：因為</p><p>　　所以應(yīng)該選擇X=0.44，Y=1.40，代入公式（4.16）得到</p><p>　　由《機械設(shè)計基礎(chǔ)（第五版）公式16-3》計算軸承壽命：</p><p><b>　?。?.17）</

96、b></p><p>　　式中：為溫度因數(shù)，按《機械設(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。</p><p>　　將各數(shù)據(jù)代入式子后得</p><p>　　由《機械設(shè)計手冊單行本-軸承

97、表6-2-12》推薦使用壽命為100000小時,所以可以滿足使用要求。</p><p>　　主軸與發(fā)電機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。</p><p>　　圖4-5 圓錐銷套筒聯(lián)軸器</p><p>　　第五章 剎車裝置及其他部件設(shè)計</p><p><b>　　5.1 剎車裝置</b&

98、gt;</p><p>　　5.1.1 剎車裝置原理</p><p>　　目前應(yīng)用的制動器有外抱塊式制動器(簡稱：塊式制動器)、內(nèi)張?zhí)闶街苿悠?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。東莞市產(chǎn)華電機有限公司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

99、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。</p><p><b>　　圖5-1制動器受力</b></p><p>　　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</p><p><b>　　已知</b></p><p>　　由公式（4.12）得&l

100、t;/p><p>　　制動器所選型號為FDB-1-100，其基本參數(shù)如表5.1所示。</p><p>　　表5.1 制動器參數(shù)</p><p>　　制動器的閉合是通過轉(zhuǎn)載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對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到某值時，單片機輸出數(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

101、電池供電，如圖5-2所示。</p><p>　　圖5-2 制動器示意圖</p><p>　　制動器外形尺寸如表5.2所示(/mm)。</p><p>　　表5.2 制動器外形數(shù)據(jù)</p><p>　　5.1.2 剎車結(jié)構(gòu)受力計算</p><p>　　用制動器的額定制動轉(zhuǎn)矩反求風(fēng)力機制動器的最大工作風(fēng)速，由公式（4.12

102、）得</p><p>　　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)電機和其他部件，制動器必須在轉(zhuǎn)速超出發(fā)電機允許范圍時立即動作，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）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，軸孔直接與電機軸配合，通過螺釘鎖緊，當(dāng)電機軸轉(zhuǎn)動時帶動光電編碼器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動

103、并產(chǎn)生光電信號。</p><p><b>　　5-3 光電編碼器</b></p><p>　　套軸式編碼器IHA8030內(nèi)孔30mm光電編碼器的參數(shù)如表5.3所示。</p><p>　　表5.3 IHA8030光電編碼器數(shù)據(jù)</p><p><b>　　續(xù)上表</b></p><

104、p>　　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。</p><p><b>　　5.2 塔架的設(shè)計</b></p><p>　　5.2.1 支撐件受力分析</p><p>　　支架選用低合金碳鋼，在滿足強度要求的同時

105、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。</p><p>　　圖5-4 等效受力圖</p><p>　　根據(jù)流體力學(xué)伯努利方程，作用于平板上的正壓力為：</p><p><b>

106、;　　作用于平板的合力為</b></p><p>　　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，強度高，如圖5-5所示。</p><p>　　圖5-5 中間支撐桿</p><p>　　圖5-6 支撐桿受力簡圖</p><p><b>　　桿受彎矩為</b></p&g

107、t;<p><b>　　鋼管截面模量為</b></p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　其中 D為外徑，m；α=26/30=0.87為內(nèi)徑與外徑比。</p><p><b>　　受到最大彎應(yīng)力</b></p><p><b>

108、　　（5.2）</b></p><p>　　查《機械設(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，所以能夠滿足強度要求。</p><p>　　5.2.2 拉索的受力計算</p><p>　　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

109、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。</p><p>　　圖5-7 拉索的布置</p><p>　　按最不利原則，風(fēng)速方向與y軸平行，受力如圖5-8所示。</p><p>　　圖5-8 單根拉索受力分析</p><p>　　由圖5-8可得到下式：</p&g

110、t;<p>　　查《機械設(shè)計手冊》起重機部分可得如表5.4所示。</p><p>　　表5.4 拉索力學(xué)性能</p><p>　　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，南通力森鋼絲繩有限公司生產(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。</p><

111、;p>　　5.3 蓄電池和選型</p><p>　　5.3.1 蓄電池的種類及工作基本原理</p><p>　　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。</p><p>　　鉛酸蓄電池廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)，電池價格便宜，為鎘

112、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]。</p><p>　　5.3.2 蓄電池選型</p><p>　　沈陽松下蓄電池有限公司生產(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。<

113、;/p><p><b>　　表5.5蓄電池參數(shù)</b></p><p><b>　　5.4 箱體的設(shè)計</b></p><p>　　箱體主要用于安裝發(fā)電機等重要部件，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。</p><p>　　5.4.

114、1 箱體的外形設(shè)計</p><p>　　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。</p><p><b>　　圖5-9 箱體外形</b></p><p>　　箱體一側(cè)開一矩形門，方便蓄電池的安裝與檢修，箱底內(nèi)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

115、栓與地面固定。</p><p>　　5.4.2 箱體的防銹與密封</p><p>　　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

116、具有一定毒性。防銹漆在市場上比較容易買到，在此不詳細(xì)說明。</p><p>　　密封：光電耦合器、發(fā)電機等都是比較容易受損的部件，如果箱體密封不嚴(yán)，一些雨水等具有銹蝕作用的物質(zhì)進(jìn)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(yīng)用于管道、壓力容器及各種殼體結(jié)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(shè)計采用異丁橡膠密封墊，其滲透泄露較小。<

117、;/p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　本文在參照各文獻(xiàn)后做出了垂直軸風(fēng)力機的一個總體設(shè)計方案，此系統(tǒng)能夠在較小風(fēng)速下啟動發(fā)電，能夠滿足一般家庭的供電，與傳統(tǒng)水平軸風(fēng)力發(fā)電機相比，風(fēng)能利用率更高，起動風(fēng)速低，噪音少，應(yīng)用前景廣闊。整個設(shè)計過程包括風(fēng)力機葉片的設(shè)計、傳動系統(tǒng)的設(shè)計及塔架的設(shè)計等，通過三維建模直觀表現(xiàn)風(fēng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過比較后認(rèn)為在低速

118、運行的垂直風(fēng)力機中運用低阻力系數(shù)和大雷諾系數(shù)的葉片能夠產(chǎn)生比較好的發(fā)電效果。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計涵蓋了機械領(lǐng)域、電力電子領(lǐng)域及氣象學(xué)領(lǐng)域，綜合性較強。本設(shè)計方案著重機械部分，電子控制部分還有待于日后進(jìn)一步完善。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是一個相當(dāng)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，工作環(huán)境復(fù)雜，各種數(shù)據(jù)參數(shù)需要通過大量實測來獲得，限于條件原因，本次設(shè)計中的一些參數(shù)只能依照其他類似設(shè)計來取，將來將進(jìn)一步考慮增加實驗來獲得第一手?jǐn)?shù)據(jù)。</p><p>