【文章內(nèi)容簡介】 數(shù)威布爾分布 風(fēng)能就是流動空氣具有的動能。單位時間通過垂直于空氣流的單位面積的空氣流所具有的動能叫風(fēng)能密度，設(shè)為空氣密度，v為風(fēng)速，則風(fēng)能密度p=，隨v的立方增大，變化非常快，故知道風(fēng)速的變化情況是利用風(fēng)能的先決條件。風(fēng)速V是隨機(jī)變量，經(jīng)研究專家們多認(rèn)為用雙參數(shù)威布爾概率密度函數(shù)擬合風(fēng)速頻率分布最好腳。威布爾分布函數(shù)形如下式其中K為形狀參數(shù)，無量綱，C為尺度參數(shù)，量綱為m。不同地區(qū)，不同時期參數(shù)K、C是不同的，可根據(jù)某地連續(xù)30年的風(fēng)資料算出該地的K、C參數(shù)，威布爾分布函數(shù)曲線見圖22。參數(shù)K、C影響曲線形狀，K大C大曲線陡峻，峰右移，反之亦然。圖22 威布爾分布函數(shù)曲線上式滿足 起動風(fēng)速 啟動風(fēng)速為風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪由靜止開始轉(zhuǎn)動并能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的最小風(fēng)速:風(fēng)力機(jī)分水平軸和垂直軸兩大類，每一類又有多種形式，同一形式還有若干種規(guī)格，只有科學(xué)地選擇適合當(dāng)?shù)仫L(fēng)能資源的風(fēng)力機(jī)，才能以較少的投資獲取較多的風(fēng)能。根據(jù)國內(nèi)外100多種風(fēng)力機(jī)，起動風(fēng)速的范圍是2m，至6m，這一范圍能滿足風(fēng)能豐富區(qū)、較豐富區(qū)、可利用區(qū)的不同需要。雙參數(shù)威布爾分布函數(shù)曲線峰值對應(yīng)的凡就是起動風(fēng)速(圖22)。對上式求一階導(dǎo)數(shù)且令其等于O有解得證明氣是出現(xiàn)概率最大的風(fēng)速。使用起動力風(fēng)速大于上式計(jì)算的氣的風(fēng)力機(jī)會損失小風(fēng)速這一區(qū)段的風(fēng)能，使用起動風(fēng)速小于上式計(jì)算的咋的風(fēng)力機(jī)是否更好呢?表面看低風(fēng)速的風(fēng)能得到更多的利用，深入研究可知在之氣的較高風(fēng)速區(qū)風(fēng)能利用率下降，總體上是得不償失，故選用盡可能接近上式結(jié)果的風(fēng)力機(jī)最為理想。 額定風(fēng)速 額定風(fēng)速的選定直接影響風(fēng)能利用系統(tǒng)整體的效率和經(jīng)濟(jì)性，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。己知風(fēng)能密度p=12，對一臺效率為，槳葉半徑為廠的風(fēng)力機(jī)，輸出功率w(V)的威布爾分布函數(shù)為w(V)峰值對應(yīng)之風(fēng)速應(yīng)是額定風(fēng)速，此時風(fēng)力機(jī)提取的風(fēng)能最多。令 風(fēng)力機(jī)的工作風(fēng)速、輸出功率與風(fēng)能的關(guān)系 風(fēng)力機(jī)的工作風(fēng)速、輸出功率與風(fēng)能的關(guān)系可以簡單地如圖2一3來表示(注:圖中縱坐標(biāo)表示輸出功率，單位為:w/。橫坐標(biāo)表示風(fēng)能，單位為:m/s)A一理論風(fēng)能曲線B一扣除空氣動力損失后的風(fēng)力機(jī)吸收的功率C一計(jì)算傳動損失和機(jī)械能轉(zhuǎn)換損失后的功率曲線D一發(fā)電機(jī)實(shí)際輸出功率曲線圖2一3 功率與風(fēng)速的關(guān)系 風(fēng)能利用與氣象 風(fēng)的觀測對風(fēng)能利用的意義在前面已經(jīng)講述過，風(fēng)能與風(fēng)速的三次方成正比。所以，當(dāng)風(fēng)速測量有10%的誤差時，風(fēng)力機(jī)輸出功率的誤差將擴(kuò)大到33%。在風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)中，輸出功率出現(xiàn)30%以上的誤差，將帶來很大的經(jīng)濟(jì)損失。風(fēng)速隨時間變化很大，而且地區(qū)性差異也很大，正確把握風(fēng)況并不是一件容易的事情。所以在風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)劃中，對風(fēng)的觀測非常受重視。 風(fēng)能利用中需要的氣象調(diào)查在風(fēng)能利用中，需要進(jìn)行四項(xiàng)氣象調(diào)查:(l)風(fēng)能密度調(diào)查 結(jié)合風(fēng)能的地區(qū)分布和可設(shè)立風(fēng)力機(jī)地區(qū)面積的調(diào)查，在全國范圍內(nèi)對可利用的風(fēng)能量進(jìn)行估算。(2)選定適合地點(diǎn) 在一年中，對通過強(qiáng)風(fēng)場所的調(diào)查。(3)風(fēng)速的頻率分布調(diào)查 在風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)中，為了估算平均出力和運(yùn)轉(zhuǎn)時間等量，必須了解風(fēng)力機(jī)軸高處的風(fēng)況。(4)為了風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)強(qiáng)度和安全系數(shù)的氣象調(diào)查 異常的強(qiáng)風(fēng)出現(xiàn)的概率、風(fēng)的不定向性以及突風(fēng)程度，冰暴、鹽害等的調(diào)查。 風(fēng)的觀測風(fēng)的觀測，因其目的不同而有各自的特點(diǎn)。對于風(fēng)能利用，通過對風(fēng)的觀測，可以估算出該地區(qū)可利用的風(fēng)能大小，為風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)和性能研究以及開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性等提供條件。風(fēng)速的測量包括風(fēng)向和風(fēng)速的測量。因?yàn)轱L(fēng)速隨時間變化很大，而且變化不定，所以測量時取一定時間內(nèi)的風(fēng)速大小的平均值和最長時間的風(fēng)向。我國現(xiàn)行的風(fēng)速觀測有兩種方法:一種是每日定時4次兩分鐘平均風(fēng)速觀測。一種是一日24次自記10分鐘平均風(fēng)速觀測。實(shí)際測量結(jié)果表明，前一種方法的誤差比較大，因此在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)中采用后一種測量方法得到的數(shù)據(jù)。第三章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 小型垂直式風(fēng)力發(fā)電機(jī)方案設(shè)計(jì)現(xiàn)在，各個發(fā)達(dá)國家均大力發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)，雖然太陽能一直是新能源商業(yè)化的首選，因?yàn)樘柲艿脑O(shè)置地點(diǎn)較靈活，不會產(chǎn)生噪音，可以和建筑進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。但是風(fēng)力發(fā)電較太陽能而言，它的成本優(yōu)勢明顯。傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)啟動風(fēng)速要求較高，發(fā)電噪音也很大，所以只能將風(fēng)力發(fā)電機(jī)放在人跡罕至的地方或風(fēng)力較大的地方。設(shè)備也是往大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展，專門建設(shè)大型風(fēng)力發(fā)電場，這樣，小型風(fēng)力發(fā)電在相當(dāng)長的時間里未得到較好的發(fā)展。所以，如何使風(fēng)力發(fā)電和建筑進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，降低小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)噪音，使其安裝在建筑周圍而不影響人的生活質(zhì)量，已成為各個國家研究的焦點(diǎn)！我設(shè)計(jì)的是一種新型的立式垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，由風(fēng)機(jī)葉輪、立柱、橫梁、變速機(jī)構(gòu)、離合裝置和發(fā)電機(jī)組成。如下圖所示：漿 葉 固定架變速箱星形齒輪加速器電磁離合器發(fā)電機(jī)整流器蓄電池逆變器負(fù) 載圖31小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)框圖該小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理為：在風(fēng)的吹動下，風(fēng)輪轉(zhuǎn)動起來，使空氣動力能轉(zhuǎn)變成了機(jī)械能（轉(zhuǎn)速+扭矩）。通過增速系統(tǒng)和離合器使轉(zhuǎn)矩和扭矩傳遞到風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸上，帶動發(fā)電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)，從而使永磁三相發(fā)電機(jī)發(fā)出三相交流電。風(fēng)速的不斷變化、忽大忽小，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電流和電壓也隨著變化。發(fā)出的電經(jīng)過控制器的整流，由交流電變成了具有一定電壓的直流電，并向蓄電池進(jìn)行充電。從蓄電池組輸出的直流電，通過逆變器后變成了220伏的交流電，供給用戶的家用電器。該新型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)為： 風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率 1KW； 額定轉(zhuǎn)速600r/min；該新型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)為：１． 結(jié)構(gòu)簡單２． 易維護(hù)３． 運(yùn)行平穩(wěn)安全４． 抗強(qiáng)風(fēng)能力強(qiáng)５． 操作簡單６． 價格低廉 風(fēng)葉采用帆翼式風(fēng)葉，帆翼式是英國發(fā)展的一種立軸帆翼式風(fēng)力機(jī)，結(jié)構(gòu)簡單、性能較高。帆翼的形狀如下圖所示。由于其制造簡單，成本低，性能好，所以適于推廣使用。圖32 帆翼式 行星齒輪加速器設(shè)計(jì)計(jì)算 設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)壽命5年，單班，一年360天，中等傳動，傳動逆轉(zhuǎn)，齒輪對稱布置，不允許點(diǎn)蝕，無嚴(yán)重過載，閉式傳動。齒輪精度877，齒輪材料:20CrNiMoH，碳氮共滲處理，硬度為Hv740以上。軸材料:20NiCrMoH或20CrMnMo。齒圈材料:42CrMo，氮化處理，硬度為Hv40O以上。 選加速器類型小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)是安裝在樓頂或屋頂上的，所以盡量選擇體積小、重量輕、性能穩(wěn)定的設(shè)備。在選擇行星齒輪時，我選擇NGW型星形齒輪加速器，因?yàn)檫@個型號的齒輪傳動效率高，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，傳遞功率范圍大，軸向尺寸小，可用于各種工作條件的特點(diǎn)。輸入軸輸出軸RSCP圖33 NGW型行星齒輪加速器 確定行星輪數(shù)和齒數(shù)在行星齒輪加速器中選擇行星輪數(shù)：=3通過查表法確定了齒輪的齒數(shù)（機(jī)械手冊）：總傳動比 i =太陽輪齒數(shù) =20 內(nèi)齒輪齒數(shù) =88 行星輪齒數(shù) =34 壓力角()的選擇我們國家和許多國家都把齒輪的標(biāo)準(zhǔn)壓力角規(guī)定為，因此，本次設(shè)計(jì)的變速箱采用壓力角，以提高加工刀具的通用性。 齒寬系數(shù)的選擇對于硬齒面齒輪的齒寬系數(shù)應(yīng)小于軟齒面的齒寬系數(shù)。一般情況下，硬齒面值齒輪可取。齒寬系數(shù)小=(b/a)。 模數(shù)選擇齒輪的模數(shù)是決定齒輪大小和幾何參數(shù)的主要參數(shù)，它直接影響齒輪的抗彎曲疲勞強(qiáng)度。設(shè)計(jì)變速箱選取模數(shù)的大小，主要與下列因素有關(guān):，作用力大，模數(shù)也大。、加工質(zhì)量、熱處理質(zhì)量好壞有關(guān)。對于模數(shù)(m)的確定，可以根據(jù)同類變速箱的統(tǒng)計(jì)，參考選擇。下