【正文】 4 樹葉及小枝搖動(dòng)不息旗子展開高的草搖動(dòng)不息 4 和風(fēng) Moderate breeze 5579 7 能吹起地面灰塵和紙張樹枝動(dòng)搖高的草呈波浪起伏 5 清勁風(fēng) Fresh breeze 80107 9 有葉的小樹搖擺內(nèi)陸的水面有小波高的草波浪起伏明顯 6 強(qiáng)風(fēng) Strong breeze 108138 12 大樹枝 搖動(dòng)電線呼呼有聲撐傘困難高的草不時(shí)傾伏于地 7 疾風(fēng) Near gale 139171 16 大樹搖動(dòng)大樹枝彎下來迎風(fēng)步行感覺不變 8 大風(fēng) Gale 172207 20 可折毀小樹枝人迎風(fēng)前行感覺阻力甚大 9 烈風(fēng) Strong gale 208244 23 草房遭受破壞屋瓦被掀起大樹枝可折斷 10 狂風(fēng) Storm 245284 26 樹木可被吹倒一般建筑物遭破壞 11 暴風(fēng) Violent storm 285326 31 大樹可被吹倒一般建筑物遭嚴(yán)重破壞 12 颶風(fēng) Hurricane 326 33 陸上少見其摧毀力極大 23 理想風(fēng)能的利用 經(jīng)風(fēng)輪做功后的風(fēng)也有一定流速和動(dòng)能因此風(fēng)的能量只能被部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能風(fēng)輪前后流場(chǎng)如圖 22 設(shè) 21 由伯努利方程 22 作用在風(fēng)輪上的軸向力 F A 23 A 24 式中 A —— 槳葉掃過的面積㎡ —— 空氣密度 P —— 風(fēng)輪機(jī)功率 KW —— 平均風(fēng)速 ms —— 輪前風(fēng)速 ms —— 輪后風(fēng)速 ms —— 輪前壓力 pa —— 輪后壓力 pa F —— 軸向力 N r —— 風(fēng)輪半徑 m 圖 22 風(fēng)輪前后流場(chǎng) Fig2 2 Wind flow around 質(zhì)量流量 25 槳葉中的平均風(fēng)速等于輪前輪后風(fēng)速的平均值 26 從 風(fēng)能中可能提取的能量是進(jìn)出口風(fēng)的動(dòng)能差 27 已知輸入風(fēng)輪的能量為 28 風(fēng)能利用系數(shù) 29 可能提取的能量 210 代入各值得 211 令 212 將式 212 代入下式得風(fēng)能利用系數(shù) 213 可由式 213 求得風(fēng)輪機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)的極值 進(jìn)口風(fēng)速是已知的對(duì)求導(dǎo)并令為零求得風(fēng)能利用系數(shù)為極大值時(shí)的輪后風(fēng)速 214 通過式 213 求得風(fēng)能利用系數(shù)的極大值為 0593 215 由式 210 得出最大理想可能利用的風(fēng)能為 216 理想風(fēng)輪機(jī)的能量密度 217 24 風(fēng)輪機(jī)基本參數(shù) 風(fēng)能指空氣運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能一般用單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的能量即風(fēng)能密度來衡量風(fēng)能的大小 即 E 218 式中 A—— 風(fēng)輪掃掠面積 —— 風(fēng)速 ms —— 為空氣密度 kg 在本設(shè)計(jì)中取 125kg由式 218可知風(fēng)能的大小與空氣密度和通過的面積成正比與風(fēng)速的立方成正比 葉尖速比是風(fēng)輪葉尖線速度與風(fēng)速的比值 即 219 式中 R—— 為風(fēng)輪半徑 m —— 為風(fēng)輪角速度 rad —— 葉尖速比 根據(jù)動(dòng)量守恒原理可知空氣作用在風(fēng)輪上的推力為 220 式中 A—— 為風(fēng)輪掃掠面積 —— 為通過風(fēng)輪的風(fēng)速因此代表了單位時(shí)間內(nèi)流過風(fēng)輪的空氣質(zhì)量 kg —— 為風(fēng)輪前方未受風(fēng)輪影響的來流風(fēng)速 ms —— 為尾流中達(dá)到壓力平衡后的風(fēng)速 ms 在風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)需 要確定一些參數(shù)可采用確定風(fēng)力機(jī)額定出力或選用最大能量輸出來計(jì)算設(shè)計(jì)點(diǎn)設(shè)計(jì)中占主導(dǎo)的風(fēng)速如果在實(shí)際中這一風(fēng)速不能得到充分利用產(chǎn)生損失也就說明設(shè)計(jì)存在問題也就是風(fēng)力機(jī)葉型設(shè)計(jì)有問題這也是風(fēng)力機(jī)的動(dòng)力研究的本質(zhì)在空氣動(dòng)力方面最重要的發(fā)展是研制新的風(fēng)力機(jī)葉片葉型以轉(zhuǎn)化更多的風(fēng)能如美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室 NREL 開發(fā)了一種新型葉片葉型試驗(yàn)表明新型葉片比早期的風(fēng)力機(jī)葉片轉(zhuǎn)化的風(fēng)能要大 20 以上目前設(shè)計(jì)的葉片最大風(fēng)能利用系數(shù)約為 047 左右而風(fēng)能利用系數(shù)的極限值是 0593 可見在葉片葉型的改進(jìn)上還有較大的發(fā)展空間采用柔性葉 片也是一個(gè)發(fā)展動(dòng)向利用新型材料如新型工程塑料等進(jìn)行設(shè)計(jì)制造使其在風(fēng)況變化時(shí)能夠相應(yīng)改變它們的型面從而改善空氣動(dòng)力響應(yīng)和葉片受力狀況增加可靠性和對(duì)風(fēng)能的轉(zhuǎn)化量另外還在開發(fā)新的空氣動(dòng)力控制裝置．如葉片上的副翼它能夠簡(jiǎn)單有效地限制轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度比機(jī)械剎車更可靠并且費(fèi)用低不變隨著風(fēng)速增加攻角相應(yīng)增大開始升力會(huì)增大到一定攻角后尾緣氣流分離區(qū)增大形成大的渦流上下翼面壓力差減小升力迅速減少造成葉片失速與飛機(jī)的機(jī)翼失速機(jī)理一樣自動(dòng)限制了功率的增加 圖 23 槳葉失速前的狀態(tài)圖 Fig 2 3 Blade stall before the state chart 因此定槳距失速控制沒有功率反饋系統(tǒng)和變槳距角伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單部件少造價(jià)低并具有較高的安全系數(shù)缺點(diǎn)是這種失速控制方式依賴育葉片獨(dú)特的翼型結(jié)構(gòu)葉片本身結(jié)構(gòu)較復(fù)雜成型工藝難度也較大隨著功率增大葉片加長(zhǎng)所承受的氣動(dòng)推力大使得葉片的剛度減弱失速動(dòng)態(tài)特性不易控制所以很少應(yīng)用在兆瓦級(jí)以上的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率控制上 2 變槳距角調(diào)節(jié) 變槳距角型風(fēng)力發(fā)電機(jī)能使風(fēng)輪葉片的安裝角隨風(fēng)速而變化風(fēng)速增大時(shí)槳距角向迎風(fēng)面積減小的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度相當(dāng)于增大槳距角從而減小攻角風(fēng)力機(jī)功率相 應(yīng)增大 變槳距角機(jī)組啟動(dòng)時(shí)可對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制并網(wǎng)后可對(duì)功率進(jìn)行控制使風(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)性能和功率輸出特性都有顯著改善變槳距角調(diào)節(jié)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)在陣風(fēng)時(shí)塔架葉片基礎(chǔ)受到的沖擊較之失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組要小得多可減少材料降低整機(jī)質(zhì)量它的缺點(diǎn)是需要有一套比較復(fù)雜的變槳距角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)要求風(fēng)力機(jī)的變槳距角系統(tǒng)對(duì)陣風(fēng)的響應(yīng)速度足夠快才能減輕由于風(fēng)的波動(dòng)引起的功率脈動(dòng) 3 混合調(diào)節(jié) 這種調(diào)節(jié)方式是前兩種功率調(diào)節(jié)方式的組合在低風(fēng)速時(shí)采用變槳距角調(diào)節(jié)可達(dá)到更高的氣動(dòng)效率當(dāng)風(fēng)機(jī)達(dá)到額定功率后使槳距角向減小的方向轉(zhuǎn)過一個(gè)角度相應(yīng)的攻角增大使 葉片的失速效應(yīng)加深從而限制風(fēng)能的捕獲這種方式變槳距調(diào)節(jié)不需要很靈敏的調(diào)節(jié)速度執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功率相對(duì)可以較小 26 風(fēng)輪迎風(fēng)技術(shù) 風(fēng)速的大小方向隨時(shí)間總是在不斷變化為保證風(fēng)輪機(jī)穩(wěn)定工作必須有一個(gè)裝置跟蹤風(fēng)向變化使風(fēng)輪隨風(fēng)向變化自動(dòng)相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)保持風(fēng)輪與風(fēng)向始終垂直這種裝置就是風(fēng)輪機(jī)迎風(fēng)裝置 221 222 式中 P—— 風(fēng)輪機(jī)輸出功率 KW —— 空氣密度 kg r —— 風(fēng)輪半徑 m —— 風(fēng)能利用系數(shù) —— 風(fēng)速 ms n —— 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速 rmin 由式 221和 222可知風(fēng)輪機(jī)的輸出功率與風(fēng)速立方成正比轉(zhuǎn)速與風(fēng)速一次方成正比因此風(fēng)速變化將引起出力和轉(zhuǎn)速的變化 風(fēng)輪迎風(fēng)裝置有三種方法尾舵法舵輪法和偏心法 風(fēng)向變化時(shí)機(jī)身上受三個(gè)扭力矩作用機(jī)頭轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦力矩斜向風(fēng)作用于主軸上的扭力矩尾舵輪扭力矩與機(jī)頭質(zhì)量支持軸承有關(guān)決定于風(fēng)斜角距離 L 尾舵力矩由下式近似計(jì)算 223 式中 —— 尾舵升力阻力合力系數(shù)由實(shí)驗(yàn)曲線查 得 —— 尾舵面積 —— 風(fēng)輪的圓周速率 ms K—— 風(fēng)速損失系數(shù)約 075 L—— 尾舵距離 m 機(jī)頭轉(zhuǎn)動(dòng)條件 224 尾舵面積 225 式中 —— 尾舵輪扭力矩 —— 機(jī)頭轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦力矩 —— 斜向風(fēng)作用于主軸上的扭力矩 按上式設(shè)計(jì)的尾舵面積就可以保證風(fēng)輪機(jī)槳葉永遠(yuǎn)對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向 舵輪法是用自動(dòng)測(cè)風(fēng)裝置測(cè)定風(fēng)向按風(fēng)向偏差 信號(hào)控制同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)輪此方法也可保證風(fēng)輪機(jī)槳葉永遠(yuǎn)對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向 在本設(shè)計(jì)中把尾舵取消增加槳葉軸與圓盤角度到 7176。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）十千瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì) 前言 傳統(tǒng)終將漸勢(shì)漲風(fēng)業(yè)喚們檢視為來 所以我選擇這個(gè)題目作為我的畢業(yè)設(shè)計(jì)希望可以在發(fā)揮出其基本功能的前提下做出價(jià)格便宜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單通用性強(qiáng)的機(jī)械設(shè)備來填寫我在大學(xué)最后的一次答卷 1 概述 11 選題的目的與意義 人類追求經(jīng)濟(jì)成長(zhǎng)及現(xiàn)代化的結(jié)果使得能源大量消耗然而地球的化石燃料蘊(yùn)藏量有限統(tǒng)計(jì)顯示依照目前的消耗速率石油蘊(yùn)藏量能供人類使用不到 50 年天然氣不到 70 年煤炭較久超過 200 年終有一日人類將沒有石油可用然而風(fēng)力 發(fā)電不一樣由于攝取大自然的風(fēng)能只要太陽(yáng)及地球仍在運(yùn)行即無匱乏之虞而且一部裝置在一般地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)在它 20 年使用壽命中所生產(chǎn)的電力發(fā)電機(jī)在卸除它能耗費(fèi)能源的 80 倍是能讓人們永續(xù)使用的再生能源之一 大自然的風(fēng)完全不用進(jìn)口是地道的自產(chǎn)能源多加利用可減低對(duì)進(jìn)口石油煤炭等化石能源的依賴促進(jìn)能源來源多元化在國(guó)家安全上也有其戰(zhàn)略意義在經(jīng)濟(jì)社會(huì)層面風(fēng)力發(fā)電可制造工作機(jī)會(huì)從零組件的生產(chǎn)運(yùn)輸組裝維護(hù)等皆為設(shè)置風(fēng)力發(fā)電機(jī)當(dāng)?shù)貛硐喈?dāng)?shù)木蜆I(yè)機(jī)會(huì)與新的產(chǎn)業(yè)有效利用風(fēng)能資源減少對(duì)不可再生資源的消耗降低對(duì)環(huán)境的污染 風(fēng)能利用已有數(shù)千年 的歷史在蒸汽機(jī)發(fā)明以前風(fēng)帆和風(fēng)車是人類生產(chǎn)和生活的重要?jiǎng)恿ρb置埃及被認(rèn)為可能是最先利用風(fēng)能的國(guó)家約在幾千年以前他們就開始用風(fēng)帆來幫助行船波斯和中國(guó)也很早開始利用風(fēng)能主要使用垂直軸風(fēng)車 我國(guó)是最早使用風(fēng)帆船和風(fēng)車的國(guó)家之一至少在 3000 年前的商代就出現(xiàn)了帆船到唐代風(fēng)帆船已廣泛用于江河航運(yùn)最輝煌的風(fēng)帆時(shí)代是明代 14 世紀(jì)初葉中國(guó)航海家鄭和七下西洋龐大的風(fēng)帆船隊(duì)功不可沒明代以后風(fēng)車得到了廣泛的應(yīng)用我國(guó)沿海沿江的風(fēng)帆船和用風(fēng)力提水灌溉或制鹽的做法一直延續(xù)到 20世紀(jì) 50年代僅在江蘇沿海利用風(fēng)力提水的設(shè)備增達(dá) 20 萬(wàn)臺(tái) 歐 洲到中世紀(jì)才廣泛利用風(fēng)能荷蘭人發(fā)展了水平軸風(fēng)車 18 世紀(jì)荷蘭曾用近萬(wàn)座風(fēng)車排水在低洼的海灘上造出良田成為著名的風(fēng)車之國(guó) 隨著蒸汽機(jī)的出現(xiàn)以及煤石油天然氣的大規(guī)模開采和廉價(jià)電力的獲得各種曾經(jīng)被廣泛使用的風(fēng)力機(jī)械由于成本高效率低使用不方便等無法與蒸汽機(jī)內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)等相競(jìng)爭(zhēng)漸漸被淘汰 到了 19 世紀(jì)末開始利用風(fēng)力發(fā)電這在解決農(nóng)村電氣化方面顯示了重要的作用特別是 20 世紀(jì) 70 年代以后利用風(fēng)力發(fā)電更進(jìn)入了一個(gè)蓬勃發(fā)展的階段 太陽(yáng)輻射造成地表面受熱不均引起大氣溫度密度和壓力差別風(fēng)能是地球表面空氣從壓力高的地方向壓力低的地方 移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能風(fēng)能資源是經(jīng)過測(cè)在量和質(zhì)上可供人類開發(fā)利用的風(fēng)能風(fēng)能的大小用風(fēng)功率密度來度量它與風(fēng)速的立方和空氣密度成正比 太陽(yáng)輻射的能量在地球表面約有 2 轉(zhuǎn)化為風(fēng)能根據(jù)荷蘭和美國(guó)對(duì)風(fēng)能資源的研究考慮城鎮(zhèn)森林復(fù)雜地形交通困難的山區(qū)及社會(huì)環(huán)境的制約如景觀和噪音影響等取具有風(fēng)能資源土地面積的 4推算可利用的風(fēng)能資源儲(chǔ)量估計(jì)約 96 億 kW或 187 萬(wàn)億 kW178。角這樣可以加大與斜向風(fēng)的接觸面積增大斜向風(fēng)對(duì)主軸的轉(zhuǎn)矩當(dāng)斜向風(fēng)的轉(zhuǎn)矩為零時(shí)風(fēng)輪機(jī)槳葉對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向 27 風(fēng)電品質(zhì) 自然風(fēng)的速度和方向是隨機(jī)變化的風(fēng)能具有不穩(wěn)定性特點(diǎn)如何使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率穩(wěn)定是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的一個(gè)重要課題迄今為止已提出了多種改善風(fēng)電品質(zhì)的方法例如采用變轉(zhuǎn)速控制技術(shù)可以利用風(fēng)輪的