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。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。

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.

目录

摘要 ....................................................................ⅠABSTRACT ...............................................................Ⅱ

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 .......................................4

1.4 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 ..............................................9

2.2.1 风力发电机的输出效率 .........................................9

2.2.2 工作风速与输出功率 ............................................9

2.2.3 启动风速和额定风速的选定 .....................................10

2.3 风能利用与气象 ..................................................12

2.3.1 风的观测对风能利用的意义 .....................................12

2.3.2 风能利用中需要的气象调查 .....................................13

2.4 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 ..........................................14

3.3.1 设计要求 .....................................................15

3.3.2 选加速器类型 .................................................16

3.3.3 确定行星轮数和齿数 ............................................16

3.3.4 压力角( )的选择 ..............................................16

3.3.5 齿宽系数的选择 ................................................17

3.3.6 模数选择 ......................................................17

3.3.7 预设啮合角 ....................................................17

3.3.8 太阳轮与行星轮之间的传动计算 ..................................17

3.3.9 行星轮与内齿轮之间的传动计算 ..................................18

3.3.10 行星排各零件转速及扭矩的计算 ..................................18

3.3.11 行星排上各零件受力分析及计算 ..................................19

3.3.12 行星齿轮传动的强度校核计算 ....................................20

3.4 电磁离合器设计计算 ...............................................24

3.4.1 选型 ..........................................................24

3.4.2 牙嵌式电磁离合器的动作特性 ....................................24

3.4.3 离合器的计算转矩 ..............................................24

3.4.4 离合器的外径 ..............................................24

3.4.5 离合器牙间的压紧力 ...........................................24

3.4.6 线圈槽高度 ...................................................24

3.4.7 磁轭底部厚度 ................................................25

3.4.8 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 .............................................................26

4.6 限速控制程序 ...................................................27

4.6.1 定时器周期 ....................................................27

4.6.2 程序流程图 ....................................................27

4.6.3 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 ........................................................30

5.2.1 设计技术指标 ................................................30

5.2.2 模型设计器件 ...................................................30

5.3 电路板 ..........................................................30

5.4 限速控制程序装置 ................................................31

5.5 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 风力发电机概况

风能的利用有着悠久的历史。近年来, 资源的短缺和环境的日趋恶化使世界各国开始重视开发和利用可再生、且无污染的风能资源。自80年代以来, 风能利用的主要趋势是风力发电。风力发电最初出现在边远地区, 应用的方式主要有: 1) 单独使用小型风力发电机供家庭住宅使用; 2) 风力发电机与其它电源联用可为海上导航设备和远距离通信设备供电; 3) 并入地方孤立小电网为乡村供电。

随着现代技术的发展, 风力发电迅猛发展。以机组大型化(50kW～ 2MW )、集中安装和控制为特点的风电场(也称风力田、风田) 成为主要的发展方向。20 年来, 世界上已有近30 个国家开发建设了风电场(是前期总数的3 倍) , 风电场总装机容量约1400 万kW (是前期总数的100 倍)。目前, 德国、美国、丹麦以及亚洲的印度位居风力发电总装机容量前列, 且未来计划投资有增无减。美国能源部预测2010 年风电至少达到国内电力消耗的10%。欧盟5 国要在2000～ 2002 年达到本国总发电量的10%左右, 丹麦甚至计划2030 年要达到40%。

中国是一个风力资源丰富的国家, 风力发电潜力巨大。据1998 年统计, 风力风电累计装机22.36万kW , 仅占全国电网发电总装机的0.081% , 相对于可开发风能资源的开发率仅为0.088%。

中国第一座风力发电场于1986 年在山东荣成落成, 总装机较小, 为3×55kW。到1993 年我国风电场总装机容量达17.1MW , 1999 年底, 我国共建了24 个风力发电场, 总装机268MW。我国风力发电场主要分布在风能资源比较丰富的东南沿海、西北、东北和华北地区, 其中风电装机容量最多的是新疆已达72.35kW。在未来2～ 3 年内, 我国计划新增风电场装机容量将在800MW 以上, 并且将会出现300～ 400MW 的特大型风力发电场。

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170x10kw，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，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40x10kw，预计到2010年，风力发电总装机容量将达到630x10kw，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49.4x10kw，1996年新装机约950座，装机容量为48x10kw，到19%年底德国己拥有4500座风力发电装置，总装机容量达到约160x10kw，1997年估计可增加5x10kw，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63x10kw，西部5x10kw风444444444

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13Ox10kw，斯雷苏比克一霍尔斯泰因州议会决定到2010年建设120x10kw风力发电设备，要求该地区配电公司、Schleswag电力公司大力配合，该公司管辖区内的风电场装机已达33.7x10kw，该公司也得到IPP(独立系统发电业者)大力协助，预定进行198x10kw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73x10kw，发电总量达到634x10w，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150x10kw，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1500⨯10w。

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5⨯10kw，但计划没达到预定目标，只达到4.9x10kw，318座，发电总量5.5x10kw·h，其后决定实施1991一1996年目标为40x10kw的TWI五年计划。计划目标是1994年末风力发电能力达到14.4x10kw，629座，发电量为24.7x10kw.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3zx10kw，2000年为50x10kw。

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多个风电场投入运行，到19%年总装机容量己达到26.4x10kw，2000年达到80x10kw。

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9.5x10kw。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。

1.2.2 国内风力发电机的研制情况

1.2.2.1 我国风力发电概况

中国利用风能己有悠久的历史，古代甲骨文字中就有“帆”字存在，1800年前东汉刘熙著作里有“随风张慢曰帆”的叙述，说明我国是利用风能最早的国家之一。1637年明崇帧十年《天工开物》书里有“扬郡以风帆数页，侯风转车，风息则止”的记载，表明在明代以前，我国劳动人民就会制作将线运动转变为风轮旋转运动的风车，在风能利用上前进了一大步。 [***********]4

我国东南沿海向来有风力提水的使用习惯，江苏省1959年曾有多达20余万台提水风车，后来大部分风车被柴油、电力所取代，但部分地区一直使用风力提水。50年代中期曾研制小型现代化风力提水装置，50年代后期开始研究小型风力发电机组，但限于当时技术经济条件，小型机组在试验中受挫而停顿。至70年代，先后试制了1、2、10、12、18、20千瓦样机，其中18千瓦机组于1972年7月安装在浙江省绍兴县雄鹅峰上，1976年11月迁装到底泅县菜园镇运转发电，一直运行到1986年8月。1978年将研制风电设备列为国家重点科研项目后，进展加快，先后研制生产了微型和1一200千瓦风电机组，其中以户用微型机组技术最为成熟，己有100、150、200、300和500瓦微型机组系列定型和批量生产，产品质量良好，不但可满足国内需要，还远销国外。1998年底，全国安装微型机组178574台，约计1.7万千瓦，还有独立供电机组，已有1.2、2.5、5、7.5和10千瓦机组，以销定产小批量生产。在网外无电地区，推广微型、小型风电机组，是解决无电农牧民用电的有效途径，有其独特的优越性，也是中国发展微型、小型风电机组的特色。在网外地区利用风柴蓄联合发电系统，能获得稳定的电力，又有明显的节油效果，发展该系统，将促进风力从为生活服务转向为生产提供电力，从而跨上一个新水平。风/光互补发电系统，能有效地利用自然资源。在我国很多地区，冬半年风大，太阳辐射强度小；夏半年风小，太阳辐射强度大，两种能源的分布季节正好相反，互补利用可满足用户用电需求。

在国际上，80年代中期，商品机组以55一150千瓦为主，山东荣成进口3 55千瓦机组，1986年并网发电，新疆达阪城和广东南澳进口90千瓦、100千瓦和150千瓦机组计17台，装机容量4490千瓦，均于1989年并网发电。90年代初期国外商品机组单机容量200一300千瓦，1992一1996年我国进口风电机组以200一300千瓦机组为主，1996年建成17个风电场，装机合计57700千瓦。90年代中期500一600千瓦商品机组推向市场，批量生产，标志着商品机组技术日臻成熟，造价相应下降。1996年，国家在“双加”工程中，按照扶强扶优的原则，选择了达阪城二厂、辉腾锡勒、括苍山和张北四个风电场进行重点改造，进口133x600千瓦、13x300千瓦机组，合计83700千瓦，分别于1997一1998年竣工验收。同年，国家计委又制定乘风计划”，旨在以技贸结合形式，与国外组建合资企业，在建设24万千瓦风电场的同时，引进技术，消化吸收，达到自主开发、自行设计制造大型风电机组的能力。1996年采用招标评议方式确定“中国第一拖拉机工程机械(集团)公司”和“西安航空发动机集团公司”为大型风电机组总装厂;1998年上述中标公司分别同外商合资成立“洛阳美德风电设备有限公司”和“西安维德风电设备有限公司”，标志着中国风力发电事业揭开了崭新的一页。

我国风电的利用大体上采用三种方式，一是户用式，可独立运行，用蓄电池，直流输出或逆变交流输出;单机容量为100一300W，可基本满足照明、电视等家用电器的生活用电需要。其次是孤立的小居民区用，独立运行，有蓄电池、直流输出或逆变交流输出，统一向各家各户供电或每天为其更换蓄电池，单机容量为1一5kw。这种方式也可供无电风区边防哨所、气象台站、雷达站、电视差转台以及无电区小火车站使用。三是建立风电场，联网后输出，有的与柴油发电机组或太阳能电站联合，有稳定的输出。目前己有14座稍具规模的风电场，他们是新疆达坂城、广东南澳岛、内蒙呼和浩特辉腾锡勒、内蒙朱日和、内蒙商都大山湾、辽宁瓦房店东岗、瓦房店横山、福建平潭、浙江嗓泅、浙江大陈岛、山东荣成马兰、山东长岛、海南东方、浙江苍南鹤顶山。正在筹建中的还有浙江临海括苍山、浙江舟山、内蒙锡林、广东海陵岛等。

风电的特点是一次性投资高，每千瓦约需1000一1200美元，再加上进口关税12%、进口环节增值税17%，使设备成本提高31%。据内蒙古电管局反映，不含税风电价为0.63元kw.h，比火电价高出0.35元。目前主要是小规模的开发，如果要进一步发展，已遇到资金短缺、设备不过关、进口关税过重等三大困难。

1.2.2.2 我国风力机械行业现状和发展趋势

据不完全统计，到1993年底，全国生产风电机组、风力提水机组及配套件的工厂共39家，其中主机27家;职工近4000人，工程技术人员400余人;从事科研开发有35家院校，科技人员250人。商品化风电机组有9种，从100w到5kw，年生产能力3万台，累计出口近1000台小型风电机。1995年全国生产风电机组8190台，风力提水机组50台。目前全国小型风电机组保有量巧万台，居世界首位。近几年来己建立14处规模不等的大中型风电场，至1995年共安装55kw以上机组186台，总装机容量为37Mw。预测到2000年，需要小型风电机(1okw以下)22万台;大中型风电机组(20kw以上)4000台;风力提水机组6000台。

行业存在的主要问题有:

(l)产品品种不全目前虽然我国己能大批量生产小型风电机组，1995年并出口印尼100W及300W小型风电机各250台，价值340余万元，但还停留在研究开发55kw、250kW的风电机阶段。国外现在已做到600kW机组商品化，正在准备批量生产750kw、1MW机组。

(2)科研生产能力薄弱风力机械行业归口于畜牧机械，稍具规模的企业只有内蒙商都牧机厂和内蒙动力机厂，缺少先进设备，影响产品质量和经济效益的提高。随着风电事业的发展，已有不少实力雄厚的单位加入，并取得初步成果。例如200kW风电机组的研制由浙江机电研究院、杭州发电设备厂、上海玻璃钢研究所、中国空气动力研究中心、同济大学、清华大学等8个单位联合承担。样机于1995年9月在浙江苍南风电场完成2000小时运行考核，1997年4月19日通过国家科委的鉴定，不久将实施中试生产。又如第一拖拉机工程机械集团704分厂承担了250kw风电机组的研制及组装任务，保定550厂协作生产叶片，该项目属于一拖与德国胡苏姆造船厂合作生产协议，总框架为200台，首批10台得到了德国政府补贴，1995年12月4台电风机己在内蒙锡林浩特风电场并网发电。再如1996年2月9日北京万电公司(隶属于中国运载火箭技术研究院)与奥地利比尔公司签订引进风力发电技术，专门从事500kw以上风电机的生产。1996年10月还签订3项合同，内容为:由新疆电力局与丹麦维斯塔思公司，内蒙古电管局、浙江省电力局与丹麦麦康公司合作，除引进122台600kw风电机之外，还将在国内组装生产600kw风电机组。

今后风力发电机发展趋势如何?一是增加风轮的直径和塔架的高度，向超大型风力发电机发展，目前世界上最大的风力发电机建立在美国北卡罗来纳州的兰岭山上，发电功率是两千瓦，年发电量是330万度，相当3300吨煤发出的电量；另一方面是向新型立体式风力发电机发展。立体式风力发电机即风力发电机的轴和风的方向垂直。它克服了一般风力发电机叶片需要不断增长和提高塔架以及在材料和加工工艺等方面的困难。这样来自任何方向的风都可以充分利用，提高了风能利用率。又可以降低高大的支撑铁塔，结果造价低，重量也轻了许多。

1.3 研究风力发电机的目的和意义

中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，能源利用以煤炭为主。在当前以石化能源为主体的能源结构中，煤炭占73.8%，石油占18.6%，天然气占2%，其余为水电等其它资源。在电力的能源消费中，也是以煤炭为主，燃煤发电量占总发电量的80%。但是，能为人类所用的石化资源是有限的，据第二届环太平洋煤炭会议资料介绍，按目前的技术水平和采掘速度计算，全球煤炭资源还可开采200年。此外，石油探明储量预测仅能开采34年，天然气约能开采60年。随着人口的增长和经济的发展，能源供需矛盾加剧，如果不趁早调整以石化能源为主体的能源结构，势必形成对数亿年来地球积累的生物石化遗产更大规模的挖掘、消耗，由此将导致有限的石化能源趋于枯竭，人类生态环境质量下降的恶性循环，不利于经济、能源、环境的协调发展。电力部己制定“大力发展水电，继续发展火电，适当发展核电，积极发展新能源发电”的基本原则，把风力发电作为优化我国电力工业结构跨世纪的战略发展目标。八届人大四次会议批准的我国经济和社会发展“九五”计划和2010年远景目标纲要中提出“积极发展风能、海阳能、地热能等新能源发电”的指导方针，为我国发展多能互补的能