【導讀】筑或邊遠地區(qū)用戶。經(jīng)過查閱大量文獻資料結(jié)合必要的理論計算，系統(tǒng)采用四片NACA0012型。電路對蓄電池進行充電。文中對主要支撐件和傳動件進行了必要的結(jié)構(gòu)校核，對所用的兩個。角接觸球軸承進行了使用壽命校核。最后以垂直軸風輪和永磁直驅(qū)發(fā)電機為主要對象，用。第五章剎車裝置及其他部件設計...

　　

【正文】 這個風速相當于 13 級風 ， 制動器在 13 級風下可以安全制動。 為了保護有效發(fā)電機和其他部件，制動器必須在轉(zhuǎn)速超出發(fā)電機允許范圍 時 立即動作，完成轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)收集的任務就交給了光電編碼器，光電編碼器通過光電轉(zhuǎn)換 收集轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)送往主控電路（一般為單片機）進行分析，最后產(chǎn)生一個控制信號使執(zhí)行件動作。圖 53 為 套軸式編碼器 ，軸孔直接與電機軸配合，通過螺釘鎖緊，當電 機軸轉(zhuǎn)動時帶動 光電編碼器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動并產(chǎn)生光電信號。 53 光電編碼器 套軸式編碼器 IHA8030 內(nèi) 孔 30mm 光電編碼器的參數(shù)如 表 所示。 表 IHA8030光電編碼器數(shù)據(jù) 電源電壓 DC+5177。 5% 最大機械轉(zhuǎn)矩 4000rpm 輸出電壓 高電平≥ 85%Vcc，低電平≤ 抗震力 50m/s2,10～ 200HZ,xyz方向各 2h 小型垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)設計 28 續(xù)上表 消耗電流 ≤ 180mA 抗沖擊 980m/s2,6ms,xyz方向各2次 響應頻率 0～ 100KHZ 防護 防水、防油、防塵 IP54 輸出波 形 方波 工作壽命 MTBF≥ 50000h（ +25℃，20210rpm） 載空比 177。 工作溫度 10℃ ～ 70℃ 啟動力矩 5179。 102Nm 儲存溫度 30℃ ～ 85℃ 轉(zhuǎn)動慣量 4179。 105kgm2 工作濕度 30~85%（無結(jié)霜） 軸最大負荷 徑向 40N,軸向 30N 重量 約 用光電編碼器對制動器進行控制不僅控制 精度 高，而且靈活性較大，用戶可以通過簡單的修改數(shù)據(jù)就可以對制動器的觸發(fā)轉(zhuǎn)速進行修改，這一特點對于不同地方不同環(huán)境下的制動非常有利。 塔架的設計 支撐件受力分析 支架選用低合金碳鋼， 在滿足強度要求的同時盡量減少重量，現(xiàn)選擇 牌號 40Cr 結(jié)構(gòu)用無縫 鋼管 ，壁厚 2mm，外 徑 30mm，長度 1448mm， 我們考慮最壞情況，即氣流直接作用于靜止的葉片上，這樣將四個葉片等效于一個平板 ，平板的面積為四個葉片投影面面積之和 ， 如圖 54所示 。 圖 54 等效受力圖 風速 v 等效平板面積 S 小型垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)設計 29 根據(jù)流體力學伯努利方程，作用于平板上的正壓力為： 221 30 562. 52P v P a?? ? ? ? ? 作用于平板的合力為 5 6 2 .5 0 .3 7 5 2 1 1F P S N? ? ? ? 四個葉片所 受到的力最后傳遞到中間支撐桿，支撐桿 為 40Cr 合金鋼 空心結(jié)構(gòu)，重量輕，強度高， 如圖 55所示。 圖 55 中間支撐桿 圖 56 支撐桿受力 簡圖 桿受彎矩 為 / 2 2 1 1 0 .7 4 2 1 5 7T F L N? ? ? ? 鋼管截面模量 為 中間支 撐桿 小型垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)設計 30 334463 . 1 4 0 . 0 3( 1 ) ( 1 0 . 8 7 )3 2 3 21 . 1 3 1 0DW ? ???? ? ? ??? （ ） 其中 D為外徑， m； α =26/30= 為內(nèi)徑與外徑比 。 受到最大彎應力 m a xm a x 6157( ) 10ZM M P aW? ?? ? ?? （ ） 查《機 械 設計 手冊 單行本 常用工程材料表 319》 得 40Cr 合金鋼的許用應力為[ ] 980b MPa? ? ， 所以能夠滿足強度要求 。 拉索的受力計算 塔架的穩(wěn)定方式有很多，有拉桿式、拉索式、桁架式 等，而拉索式憑借其簡單的結(jié)構(gòu)、低廉的價格及安裝簡易等特點被廣泛應用于各種塔架的固定。 塔架用三條拉索固定與地面，每根拉索在水平面投影的夾角為 120176。，與塔架夾角為 60176。，拉索布置 如圖 57所示。 圖 57 拉索的布置 按最不利原則，風速方向與 y 軸平行，受力如 圖 58 所示。 小型垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)設計 31 圖 58 單根拉索受力分析 由圖 58可得到 下 式： 2 c o s 3 0 c o s 6 0 =211 2 4 3 . 62 c o s 3 0 c o s 6 0 31222fFFfN? ? ? ???。 。 。 查《機械設計手冊》 起重機部分可得 如表 所示。 表 拉索力學性能 鋼絲繩公稱直徑d/mm 材料 近似質(zhì)量 鋼絲公稱抗拉強度 /MPa 鋼絲繩最小破斷拉力 /KN 2 鋼 芯 鋼絲繩 鋼絲繩數(shù)據(jù)目前市場上能夠買得到的鋼繩成品有許多，南通力森鋼絲繩有限公司生產(chǎn)的6179。 7 類 鋼絲繩 直徑為 2mm 鋼絲繩可以滿足我們設計需求 ，在地面準確位置固定地腳螺栓鋼筋， 鋼筋端部 彎成環(huán)狀與鋼絲繩套環(huán)連接。 蓄電池和選型 蓄電池的種類及工作基本原理 電化學電池是一種把氧化還原反應所釋放出來的能量直接轉(zhuǎn)變成低電壓直流電能的 裝置 ， 蓄電池分為酸性電池和堿性電池兩大類，酸性電池 也稱鉛酸電池，其電解質(zhì)為硫酸，負極為 Pb，正極為 PbO2。 鉛酸蓄電池 廣泛應用于各個行業(yè)，電池價格便宜，為鎘鎳蓄電池的 1/6；高倍率放電性小型垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)設計 32 能良好，可用于引擎啟動，多用于汽車發(fā)動機的啟動；電池電壓在使用蓄電池中最高，可達到 且易于浮充使用，沒有“記憶”效應。 鑒于以上優(yōu)點，本次設計我們采用鉛酸 蓄電池來作為儲能原件 [13]。 蓄電池選型 沈陽 松下蓄電池 有限公司生產(chǎn)的 LCP12100ST 型蓄電池滿足我們的設計要求 ， 基本 參數(shù)如 表 所示 。 表 松下蓄電池 100AH 電池類型 閥控密閉鉛酸蓄電池 使用產(chǎn)品 UPS 容量 100AH 電壓 12V 其他特征 407179。 173179。 210mm 箱體的設計 箱體主要用于 安裝發(fā)電機等重要部件，使這些部件免受風雨的侵蝕，要求能夠 防銹密封。箱體要有一定的重量才能防止讓整個系統(tǒng)重心比較低，起到穩(wěn)定的作用。 箱體的外形設計 本系統(tǒng) 的箱體主要以圓柱形為主，上部小，下部偏大，呈階梯狀， 如圖 59所示。 小型垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)設計 33 圖 59 箱體外形 箱體一側(cè)開一矩形門，方便蓄電池的安裝與檢修，箱底內(nèi)部兩個導軌起到導向作用，能夠讓蓄電池在裝入和取出時不偏移。為了防止箱體被大風傾覆，在箱體底部用 6 個地腳螺栓與地面固定。 箱體的防銹與密封 防銹： 箱體材料為鑄鐵，在戶外工作環(huán)境中難免會受到水和空氣的銹蝕，銹蝕后的箱體不僅密封性降 低，而且強度也受到影響，因此，必須對箱體進行防銹處理。防銹處理的最簡單方法是在箱壁上噴涂防銹漆。防銹漆有油性的和水性的兩種，油性防銹漆在材料表面形成油性物質(zhì)，去除難，現(xiàn)在一般很少采用，水性防銹漆使用方便、價格低廉，但是具有一定毒性。防銹漆在市場上比較容易買到， 在此不詳細說明。 密封：光電耦合器、發(fā)電機等都是比較容易受損的部件，如果箱體密封不嚴，一些雨水等具有銹蝕作用的物質(zhì)進入 箱體 將影響到他們的正常工作。箱體的密封方法很多，有墊密封、膠密封、填料密封等等。墊密封操作簡單，廣泛應用于管道、壓力容器及各種殼體結(jié)合 面密封中，密封墊常用材料有橡膠、皮革、石棉、紙等等。本次設計采用異丁橡膠密封墊，其滲透泄露較小。 導軌 箱體 地腳螺栓 小型垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)設計 34 結(jié)論 本文 在參照各文獻后做出了垂直軸風力機的一個總體設計方案，此系統(tǒng)能夠在較小風速下啟動發(fā)電， 能夠滿足一般家庭的供電 ，與傳統(tǒng)水平軸風力發(fā)電機相比，風能利用率更高，起動風速低，噪音少，應用前景廣闊 。整個設計過程 包括風力機葉片的設計、傳動系統(tǒng)的設計及塔架的設計等， 通過三維建模直觀表現(xiàn)風力系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ，通過比較 后 認為在低速運行的垂直風力機中運用低阻力系數(shù)和大雷諾系數(shù)的葉片能夠產(chǎn)生比較好的發(fā)電效果 。風力發(fā)電系統(tǒng)的設計涵蓋了機械領域、電力電子領域及氣象學領域，綜合性較強。 本設計方案著重機械部分，電子控制部分還有待于日后進一步完善。 風力發(fā)電系統(tǒng)是一個相當復雜的非線性系統(tǒng)，工作環(huán)境復雜，各種數(shù)據(jù)參數(shù)需要通過大量實測來獲得，限于條件原因，本次設計 中的一些參數(shù) 只能依照其他類似設計來取，將來將進一步考慮增加實驗 來 獲得第一手數(shù)據(jù)。 小型垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)設計 35 致謝語 首先感謝我的指導老師吳榕副教授這半年來的悉心指導與關懷，無論在論文選題還是文章結(jié)構(gòu)安排上，吳老師都傾注了大量心血。在論文設計過程中，吳老師耐心的講解常常使我茅塞頓開，他嚴謹?shù)闹螌W 作 風 、扎實的專業(yè) 理論 功底、 求真務實的工作態(tài)度深深地影響著我。值此論文完成之際，向吳老師表示衷心的感謝和誠摯的敬意！ 同時 對 李志輝老師、張丹老師、遲欽河老師在我畢業(yè)設計過程中給予的無私指導表示衷心感謝！ 最后感謝在我身邊一直默默支持我的家人， 是他們的愛讓我在四年的大學生活中漸漸長大，讓我擁有強大的動力勇往直前！ 小型垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)設計 36 參考文獻 [1] 葉杭冶 . 風力發(fā)電系統(tǒng)的設計、運行與維護 [M].北京： 電子工業(yè)出版社， 2021年 4月 . 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