小型风力发电机毕业设计论文

小型风力发电机毕业设计

摘要

基于开发风能资源在改善能源结构中的重要意义，本论文对风力发电机的特性作了简要的介绍，且对风力发电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。

关键词：风力发电限速控制系统小型风力发电机

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.

Key words：Wind power generation, Regulating control system, Small wind-driven generator

目录

摘要...................................................................................................... I Abstract ............................................................................................ I I 目录................................................................................................... III 前言.. (1)

1 概述 (2)

1.1 开发利用风能的动因 (2)

1.1.1 经济驱动力 (2)

1.1.2 环境驱动力 (3)

1.1.3 社会驱动力 (3)

1.1.4 技术驱动力 (4)

1.2 风力发电的现状 (4)

1.2.1 世界风力发电现状 (4)

1.2.2 中国风力发电现状 (4)

1.3 风力发电展望 (5)

2 风力机理论 (7)

2.1 基本公式 (7)

2.1.1 风能利用系数 (7)

2.1.2 风压强 (7)

2.1.3 阻力式风力机的最大效率 (7)

2.2 工作风速与输出功率 (8)

2.2.1 风力发电机的输出效率 (8)

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 (9)

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 (13)

2.3.2 风能利用中需要的气象调查 (13)

2.4 风的观测 (13)

3 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 (15)

3.3 行星齿轮加速器设计计算 (16)

3.3.1 设计要求 (16)

3.3.2 选加速器类型 (16)

3.3.3 确定行星轮数和齿数 (17)

3.3.4 压力角(α)的选择 (17)

3.3.5 齿宽系数的选择 (18)

3.3.6 模数选择 (18)

3.3.7 预设啮合角 (18)

3.3.8 太阳轮与行星轮之间的传动计算 (18)

3.3.9 行星轮与内齿轮之间的传动计算 (19)

3.3.10 行星排各零件转速及扭矩的计算 (20)

3.3.11 行星排上各零件受力分析及计算 (20)

3.3.12 行星齿轮传动的强度校核计算 (21)

3.4 电磁离合器设计计算 (25)

3.4.1 选型 (25)

3.4.2 牙嵌式电磁离合器的动作特性 (26)

3.4.3 离合器的计算转矩 (26)

3.4.4 离合器的外径 (26)

3.4.5 离合器牙间的压紧力 (26)

3.4.6 线圈槽高度 (27)

3.4.7 磁轭底部厚度 (27)

总结 (28)

致谢 (29)

参考文献 (30)

前言

随着世界工业化进程的不断加快，使得能源消耗逐渐增加，全球工业有害物质的排放量与日俱增，从而造成气候异常、灾害增多、恶性疾病的多发。因此，能源和环境问题成为当今世界所面临的两大重要课题。由能源问题引发的危机以及日益突出的环境问题，使人们认识到开发清洁的可再生能源是保护生态环境和可持续发展的客观需要。可以说，对风力发电的研究和进行这方面的毕业设计对我们从事风力发电事业的同学是有着十分重大的理论和现实意义的，也是十分有必要的。

1 概述

1.1 开发利用风能的动因

风能作为一种新能源它的开发利用是有一定动因的，而且随着时间的推移，开发利用风能的动因也在变化。下面将主要从经济、环境、社会和技术进步四方面来介绍风能开发利用的动因。

1.1.1 经济驱动力

1.1.1.1经济最优化

能源供应的经济最优化提供了重视开发利用的基本原理。在偏远地区，电力供应困难。与常规电网延伸和柴／汽油机发电相比，利用小型离网风力发电系统供电有成本优势。例如在内蒙古农牧区，利用小型离网风力发电系统供电，农牧户承担的成本约2元/KW左右。如果用电网延伸的方法，农牧户承担的成本高于8元/KW。在这些地区，利用汽油／柴油发电机的供电，考虑油料的运输成本，农牧户承担的成本也要高于6元/KW。

1.1.1.2化石能源资源枯竭与供应安全

进入工业社会后，人类在飞速发展自己的文明过程中经过了多次能源危机。人们开始认识到，无限制地开采煤炭、石油、天然气等化石能源，终有资源枯竭的一天。目前石油储量约1300亿吨，年消耗量约35亿吨，计今后25年中平均年消耗量将达50亿吨，即使加上新发现的油田，专家估计总储量也不会超过2000亿吨，有油资源在四五十年后也将枯竭。为了人类社会的可持续发展，当务之急是寻找和研究利用其他可再生资源。

风能作为新能源中最具工业开发潜力的可再生能源，就格外引起人们的瞩目。一些国家要靠进口化石能源来满足本国内能源

的消费。风能的开发利用可以减少对国外能源的依赖，并加强本国的能源供应安全水平，国内的化石能源价格变化较小，社会经济稳定性也因此而增强。

1.1.1.3促进能源产业升级

风力发电技术属于新兴技术，风电产业是朝阳产业。风力发电技术的研发、示范到商业化发展，最终进入市场，将给整个能源产业带来新的活力，成为国民经济的一种新的经济增长点。一个国家如果开发利用风能技术早，就有可能占据风能利用的技术和市场优势。

1.1.2 环境驱动力

除了人们早先认识到的烟尘、二氧化硫等区域性的污染外，世界上越来越多的人开始认识到二氧化碳等温室气体的大量排放对全球气候变暖给人类社会带来的有害影响。冰山消融、海平面升高、大气环流和海洋异常导致自然灾害的频发、土地沙漠化，使“地球村”的效应更加明显，各国都认识到必须共同采取措施减缓和影响这种变化。为减缓地球变暖，1997年在日本京都召开的联合国气候变化框架缔约方第3次大会上，84国代表审议通过《京都议定书》，要求工业发达国家大幅度削减二氧化碳等温室气体排放量。这也迫使人们重视寻找其他可再生的替代能源。风能在能源转化工程中不会产生任何排放量，因此除了不产生烟尘、二氧化硫等区域性污染外，也不会带来全球环境污染。

1.1.3 社会驱动力

风能份额增加时，会创造很多直接和间接的就业机会。除了在工厂的生产和装机工程中创造就业之外，在设备维护方面也会提供就业机会。另外，在一些国家（如欧盟国家）中，风能开发利用已经成为热点问题，得到了公众的支持。许多民众十分关注风能的发展，并将利用风能和其他可再生能源当成他们的生活方式。绿色电力的发展就是一个典型的例予，人们自愿以高于化石

电力的价格购买风电和其他可再生能源电力。

1.1.4 技术驱动力

随着科技的进步，空气动力理论的不断发展、新型高强度、轻质材料的出现，计算机设计技术的广泛应用和自动控制技术的不断改进，机械、电气、电子元件制造技术的成熟，为风电技术向大功率、高效率、高可靠性和高度自动化方向发展提供了条件。

1.2 风力发电的现状

1.2.1 世界风力发电现状

20世纪80年代以来，工业发达国家对风力发电机组的研制取得了巨大进展。1987年美国研制出单机容量为3.2MW的水平轴风力发电机组，安装于夏威夷群岛的瓦胡岛上。1987年加拿大研制出单机容量为4.OMW的立轴达里厄风力发电机组，安装于魁北克省的凯普一柴特。进入20世纪80年代，单机容量在100KW以上的水平轴风力发电机组的研究开发及生产在欧洲的丹麦、德国、荷兰、西班牙等国取得了快速发展。到20世纪90年代，单机容量为100～200KW的机组已在中型和大型风电场中成为主导机型。同时单机容量在1MW以上的风力发电机组也研制开发成功，并在风电场中成功运行。世界风电总装机容量1997年底为746万KW，1998年底为1015万KW，1999年底风力发电机的设计及风力发电系统的研究为1393万KW，2000年达1845万KW，2001年达2493万KW，2002年达3112KW，平均年增长率在30%以上。欧洲风能协会预计，全世界到2020年风力发电装机容量将超过1亿KW，占欧洲总发电量的20%以上。世界能源委员会预计，全世界到2020年风力发电装机容量可达1.8亿～4.7亿KW。

1.2.2 中国风力发电现状

中国风力发电起步较晚，但发展较快。目前风力发发电机组的研制开发重点分两方面，一是1KW以下独力运行的小型风力发

电机组，二是100KW以上并网运行的大型风力发电机组。

20世纪80年代中期，中国开始规划风力发电场的建设。1983年在山东荣城引进3台丹麦55KW风力发电机组，开始并网风力发电技术的试验和示范。1986年在新疆达坂城安装了1台100KW风力发电机组，1989年又安装了13台150KW风力发电机组，同年在内蒙古朱日和也安装5台美国100KW机组，开始了中国风电场运行的试验和示范。特别近年来，中国的风力风电场建设取得了较好的经济效益和巨大的发展。据统计，到2001年底，中国共建有27座风电场，装机812台，总容量39.98985方KW。目前正处于前期工作阶段和正在建设的风电场以遍及10多个省、市和自治区。

1.3 风力发电展望

风力发电技术目前还在不断发展，主要体现在单机容量不断增大上。目前主流发电机组的功率，以上升到600～750KW，MW 级的机组也成批生产，24MW级的机组已在实验生产。这就必然要采用一些新的复合材料和新的技术。例如，单机容量不断增大，桨叶的长度也在不断增长，容量为2MW的风力机叶轮扫风直径达72m。目前最长的叶片以做到50m。桨叶材料由玻璃纤维增强树脂发展为强度高、重量轻的碳纤维。桨叶也向柔性方向发展。早期的一些风力机桨叶是根据直升飞机的机翼设计的，而风力机的桨叶运行在与直升飞机很不同的空气动力环境中。对叶型的进一步改进，增强了风力机捕捉风能的效率。例如，在美国，国家可再生能源实验室研制开发了一种新型叶片，比早期的一些风力机桨叶捕捉风能的能力要大20%。目前，丹麦、美国、德国等风电科技较发达的国家，有许多专业研究人员在利用较先进的设备和技术条件致力与新叶型的从理论到应用的研究开发。在中、大型风电机组的设计中，采用了更高的塔架以捕捉更多的风能。地处平坦地带的风力机。在50m高处捕提的风能要比30m高处多20%。尤其值得注意的是，随着电力电子技术的发展，近年来发展了一种变速风力发电机，风力发电机的设计及风力发电系统的研究组，

取消了沉重的增速齿轮箱，发电机轴直接连接到风力发电机组轴上，转子的转速随风阻而改变，其交流电的频率也随之变化，经过置于地面的大功率电力电子变换器，将频率不定的交流电整流成直流电，在逆变成与电网同频率的交流电输出。由于他被设计成在几乎所有的风况下都能获得较大的空气动力效率，因而提高了捕捉风能的效率，试验表明，在平均风速6.7m/s时，变速风力发电机组要比恒速风力发电机组多捕获15%的风能，同时每由于机舱重量减轻和改善了传动系统各部件的受力状况，可使风力发电机组的支撑结构减轻，塔架等基础费用也可降低。其运行维护费用也较低。这是一种很有发展前途的技术。

风力发电场未来的发展趋向将集中在：提高机群安装场地选择的准确性；进机群布局的合理性：提高运行的可靠性、稳定性，实现运行的最佳控制；进一步降低设备投资及发电成本；总装机容量在1MW以上的风力发电场将占据主导地位，风力发电场内的风力发电机组单机容量将主要是百千瓦以上至兆瓦级的。