【正文】 小型風(fēng)力發(fā)電機動力結(jié)構(gòu)設(shè)計 28 第五章 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機正常工作的條件 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的調(diào)速 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機調(diào)速的方式也很多，如改變?nèi)~片轉(zhuǎn)動半徑以改變?nèi)~片掃掠面 達到調(diào)速的目的；用改變?nèi)~片的迎風(fēng)角來調(diào)速等等。但結(jié)構(gòu)都很復(fù)雜，制造成本也很高，且難以穩(wěn) 定在風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。較好的辦法是采用恒定扭矩輸出器以保證發(fā)電機獲得恒定扭矩達到發(fā)電機運行在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。另一種較好的辦法是不調(diào)速，為了更好地利用風(fēng)能，可 安裝二臺或更多臺發(fā)電機。當(dāng)風(fēng)輪所獲得的風(fēng)能滿足 1臺發(fā)電機時接通 1臺，當(dāng)風(fēng)速增大，能滿足 2臺發(fā)電機功率時接通 2臺??，所發(fā)交流電經(jīng)交一交逆變器達到并網(wǎng)的頻率。 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的啟動 垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機不能自行啟動，需外部動力啟動后方能自行運轉(zhuǎn)。 大、中型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)的并且調(diào)速穩(wěn)定，可以采用異步發(fā)電機。當(dāng)啟動時，電網(wǎng)向發(fā)電機供電，發(fā)電機成為電動機轉(zhuǎn)動啟動風(fēng)輪轉(zhuǎn)動，風(fēng)輪轉(zhuǎn)動后再切斷電網(wǎng)供電。 不并網(wǎng)的單機使用的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機，應(yīng)附加啟動裝置。一般在增速器與發(fā)電機之間安裝離合器并安裝啟動裝置，動力由直流或交流電機供給。啟動后將啟功電機分離，再將增速器與發(fā)電機之間的離合器結(jié)合，實現(xiàn)發(fā)電機正常運轉(zhuǎn)發(fā)電。單機使用的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機應(yīng)備有儲存電能的蓄電池，將多余電能經(jīng)整流 (交流發(fā)電機 )或直接 (直流發(fā)電機 )向蓄電池充電，用以啟動和無風(fēng)時向用電器供 電。 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機制動器的設(shè)計 一般微型和小型風(fēng)力發(fā)電機不設(shè)制動器，中大型風(fēng)力發(fā)電機大部分的制功器采用液壓或電磁制動器，也有備用手制動器的。 為了使風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單、重量輕，一般將聯(lián)軸器與制動器設(shè)計在一起，并且置于增速器與發(fā)電機之間的高速軸部位，很少有布置在低速軸位置的，因為低速軸的制動力矩大。 我國制功器已有標(biāo)準(zhǔn)并且有商品可供應(yīng)。但我國制定制動器標(biāo)準(zhǔn)時沒有考慮風(fēng)力發(fā)電機，主要適合于通用機械、起重機械等制動用，制動器通常既大又重。 風(fēng)力發(fā)電機用制動器應(yīng)具有重量輕、制動力矩大、經(jīng) 久耐用、制動可靠等特點。 小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中配置的蓄電池 由于風(fēng)能的間歇性和不穩(wěn)定性，如果用電器直接由風(fēng)力發(fā)電機來供電，會出現(xiàn)供電時有時無、忽高忽低現(xiàn)象，這種電能是無法使用的。為建立一個供電電壓穩(wěn)定、能夠全天候提供均衡供電的電源系統(tǒng)，就必須在風(fēng)力發(fā)電機和用電器之間設(shè)置儲能裝置，把風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出的電儲存起來，穩(wěn)定地向用電器供電。 小型風(fēng)力發(fā)電機動力結(jié)構(gòu)設(shè)計 29 理想的電能儲存裝置應(yīng)當(dāng)具有大的儲存密度和容量；儲存和供電具有良好的可逆性；有高的轉(zhuǎn)換效率和低的轉(zhuǎn)換損耗；運行要便于控制和維護；使用安全 ，無污染；有良好的經(jīng)濟性和較長的使用壽命。 現(xiàn)在，正在研究、開發(fā)和應(yīng)用的電能貯存方式有改進型鉛蓄電池和新型蓄電池儲能；飛輪儲能；水位儲能；壓縮空氣儲能；超導(dǎo)線圈儲能等形式。 從目前小型風(fēng)力發(fā)電機的實際應(yīng)用看，最方便、經(jīng)濟和有效的儲能方式是采用蓄電池儲能。 蓄電池又稱“電瓶”，它能夠把電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲存起來，使用時再把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，變換過程是可逆的，充電和放電過程可以重復(fù)循環(huán)、反復(fù)使用，因此蓄電池又稱為“二次電池”。 ．現(xiàn)在使用的蓄電池 現(xiàn)在使用的蓄電池，雖然從外形看有大有小 ，形狀不一，但從電解液的性質(zhì)來區(qū)分，主要分為酸性蓄電池和堿性蓄電池兩大類酸性蓄電池也叫鉛蓄電池，它是各種二次電池中使用最多的一種。由于鉛的資源豐富，鉛蓄電池的造價較低，因而應(yīng)用非常廣泛。 作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的儲能設(shè)備，無論是酸性蓄電池還是堿性蓄電池，只有用戶了解它們的性能和使用操作方法，才能延長蓄電他的使用壽命。早期的鉛蓄電他的充放電循環(huán)次數(shù)只有 200— 300次，使用壽命只有 1— 2年。隨著工藝及結(jié)構(gòu)不斷改進，其性能不斷提高，目前充放電次數(shù)已超過 500 次，使用壽命可達 3— 4年，不過蓄電池的實際使用壽命和能否正確使用維護有很大關(guān)系。若能正確操作使用，按時維護．有的鉛蓄電池可使用 5年以上。 發(fā)電機系統(tǒng)中的防雷擊設(shè)施 風(fēng)力發(fā)電機安裝在室外，塔架加風(fēng)輪和輪轂高度達十幾米，遭受雷擊屢見不鮮，特別是在雷電多發(fā)地區(qū)，電閃雷鳴，釋放出巨大能量，雷擊會造成風(fēng)力發(fā)電機葉片損壞，井常常引起發(fā)電系統(tǒng)過電壓，造成發(fā)電機擊穿、控制設(shè)備燒毀、電氣設(shè)備損壞等事故，甚至危及人員安全。所以，雷擊威脅著風(fēng)力發(fā)電機的安全運行。因此，我們在安裝風(fēng)力發(fā)電機時，一定要注意做好防雷擊措施。 小型風(fēng)力發(fā)電機上如果不方便安裝防雷擊設(shè)施，可在其附近安裝避 雷設(shè)施，達到防雷擊效果。 小型風(fēng)力發(fā)電機動力結(jié)構(gòu)設(shè)計 30 結(jié)束語 根據(jù)導(dǎo)師布置的課題，本文對小型風(fēng)力發(fā)電機部分零部件的設(shè)計進行了研究和探討，針對垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機的葉片、軸轂、支撐架、變向器等重要部件的結(jié)構(gòu)進行了研究。其主要內(nèi)容如下： 根據(jù)現(xiàn)有理論和條件要求設(shè)計出了合適的葉片，并利用 Solidworks軟件建立葉片的三維模型，葉片是設(shè)計的重點也是難點，它直接影響所設(shè)計的小型風(fēng)力發(fā)電機的工作效率。 根據(jù)設(shè)計需求，設(shè)計出了軸轂、支撐架等零部件，并利用 Solidworks 軟件建立了三維模型。 根據(jù)設(shè)計需求，設(shè)計出了變向器裝置，并合理 地選擇了軸承、鍵等配套零部件。 待解決的問題 : 由于個人時間和知識水平的限制，雖然通過努力完成了上述內(nèi)容的研究，但對于垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機尚有以下 3個問題需要進一步研究： 葉片三維模型的氣動特性模擬與仿真。目前國內(nèi)外對氣動特性的模擬與仿真主要集中在二維葉素的研究上，針對三維模型特別是旋轉(zhuǎn)的葉輪模型的氣動特性模擬與仿真卻留有很大空白，在技術(shù)和方法上的研究有很大的提升空間。 葉片氣動實驗研究。主要利用風(fēng)洞實驗等空氣動力學(xué)研究的常用方法對葉片在實際運行情況下的各項特性進行研究，如流場情況、風(fēng)輪的啟動情況 、高風(fēng)速下的失速特性、噪音大小等，這些指標(biāo)的好壞將能夠全方位反映葉片的設(shè)計制造水平。 小型風(fēng)力發(fā)電機的手動制動系統(tǒng)。雖然小型風(fēng)力發(fā)電機有單片機控制的制動系統(tǒng)，可以不設(shè)計手動剎車系統(tǒng)，但為了維修方便，最好設(shè)計出相應(yīng)的手動剎車系統(tǒng)。 展望： 隨著石油、煤炭等化石能源的日益枯竭及越來越嚴(yán)重的環(huán)境污染問題， 21 世紀(jì)必將是風(fēng)能快速發(fā)展的世紀(jì)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也必將得到快速提高，因此對于小型風(fēng)力發(fā)電機來說充滿著機遇與挑戰(zhàn)，性能優(yōu)越的風(fēng)力發(fā)電機將越來越廣泛的應(yīng)用到人們的日常生活中，因此對垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機的研究有著非 常重要的現(xiàn)實意義，對此作以下展望 : (1) 垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機的研究將繼續(xù)向著提高風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率的方向發(fā)展，也將繼續(xù)向著輕質(zhì)高強的方向發(fā)展，碳纖維將越來越多的使用到小型發(fā)電機葉片的制造中來。 (2)計算機技術(shù)，特別是有限元技術(shù)將會更多的用到風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計與制造及分析中來，其中將會出現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機葉片設(shè)計制造與分析的專門軟件，風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計將更加專門化和商業(yè)化。 小型風(fēng)力發(fā)電機動力結(jié)構(gòu)設(shè)計 31 參考文獻 [1]王承熙 ,張源 .風(fēng)力發(fā)電 [M].北京：中國電力出版社， 2021,① [2]周鶚，電機學(xué)（第三版） [M]. 北京：中國電力 出版社， 1995,② [3]肖勁松，風(fēng)力機組控制理論研究的現(xiàn)狀與展望，風(fēng)力發(fā)電， 2021,③ [4]《機械設(shè)計手冊 — 齒輪傳動》，機械工業(yè)出版社， 2021 [5]《機械設(shè)計手冊 — 減速器和變速器》，機械工業(yè)出版社， 2021 [6]《機械設(shè)計手冊 》，機械工業(yè)出版社， 2021 [7]葉偉昌，機械工程及自動化簡明設(shè)計手冊，機械工業(yè)出版社， 2021 [8]李俊峰等 ,風(fēng)力 12在中國〔 M].北京 :化學(xué)工業(yè)出版社， 2021,④ [9]張希良 ,風(fēng)能開發(fā)利用「 M].北京 :化學(xué)工業(yè)出版社， 2021 [10] ，施 鵬飛譯 .風(fēng)力機的理論與設(shè)計〔 M].北京 :機械工業(yè)出版社， 1987 [11]蘇紹禹 .風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計與運行維護 .中國電力出版社， 2021年 1月，北京 . 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