【正文】 ...9 風能利用與氣象 .....................................................................12 風的觀測對風能利用的意義 ...........................................12 風能利用中需要的氣象調(diào)查 ...........................................13 XXVI 風的觀測 .................................................................................13 3 風力發(fā)電機方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計 .......................................................14 小型垂直式風力發(fā)電機方案設(shè)計 .........................................14 風葉 .........................................................................................15 行星齒輪加速器設(shè)計計算 .....................................................16 設(shè)計要求 ...........................................................................16 選加速器類型 ...................................................................16 確定行星輪數(shù)和齒數(shù) .......................................................17 壓力角 (α)的選擇 ..............................................................17 齒寬系數(shù)的選擇 ...............................................................18 模數(shù)選擇 ...........................................................................18 預設(shè)嚙合角 .......................................................................18 太陽輪與行星輪之間的傳動計算 ...................................18 行星輪與內(nèi)齒輪之間的傳動計算 ...................................19 行星排各零件轉(zhuǎn)速及扭矩的計算 .................................20 行星排上各零件受力分析及計算 .................................20 行星齒輪傳動的強度校核計算 .....................................21 電磁離合器設(shè)計計算 .............................................................25 選型 ...................................................................................25 牙嵌式電磁離合器的動作特性 .......................................25 離合器的計算轉(zhuǎn)矩 ...........................................................25 離合器的外徑 ...................................................................26 離合器牙間的壓緊力 .......................................................26 線圈槽高度 .......................................................................26 磁軛底部厚度 ...................................................................26 總結(jié) ....................................................................................................28 致 謝 ..................................................................................................29 參考文獻 ............................................................................................30 1 前言 隨著 世界工業(yè)化進程的不斷加快，使得能源消耗逐漸增加，全球工業(yè)有害物質(zhì)的排放量與日俱增，從而造成氣候異常、災害增多、惡性疾病的多發(fā)。由能源問題引發(fā)的危機以及日益突出的環(huán)境問題，使人們認識到開發(fā)清潔的可再生能源是保護生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的客觀需要。 2 1 概述 開發(fā)利用風能的動因 風能作為一種新能源它的開發(fā)利用是有一定動因的，而且隨著時間的推移，開發(fā)利用風能的動因也在變化。 經(jīng)濟驅(qū)動力 經(jīng) 濟最優(yōu)化 能源供應的經(jīng)濟最優(yōu)化提供了重視開發(fā)利用的基本原理。與常規(guī)電網(wǎng)延伸和柴／汽油機發(fā)電相比，利用小型離網(wǎng)風力發(fā)電系統(tǒng)供電有成本優(yōu)勢。如果用電網(wǎng)延伸的方法，農(nóng)牧戶承擔的成本高于 8元 /KW。 化石能源資源枯竭與供應安全 進入工業(yè)社會后，人類在飛速發(fā)展自己的文明過程中經(jīng)過了多次能源危機。目前石油儲量約 1300億噸，年消耗量約 35 億噸，計今后 25 年中平均年消耗量將達 50億噸，即使加上新發(fā)現(xiàn)的油田，專家估計總儲量也不會超過 2020億噸，有油資源在四五十年后也將枯竭。 3 風能作為新能源中最具工業(yè)開發(fā)潛力的可再生能源，就格外引起人們的矚目。風能的開發(fā)利用可以減少對國外能源的依賴，并加強本國的能源供應安全水平，國內(nèi)的化 石能源價格變化較小，社會經(jīng)濟穩(wěn)定性也因此而增強。風力發(fā)電技術(shù)的研發(fā)、示范到商業(yè)化發(fā)展，最終進入市場，將給整個能源產(chǎn)業(yè)帶來新的活力，成為國民經(jīng)濟的一種新的經(jīng)濟增長點。 環(huán)境驅(qū)動力 除了人們早先認識到的煙塵、二氧化硫等區(qū)域性的污染外，世界上越來越多的人開始認識到二氧化碳等溫室氣體的大量排放對全球氣候變暖給人類社會帶來的有害影響。為減緩地球變暖， 1997 年在日本京都召開的聯(lián)合國氣候變化框架締約方第 3 次大會上， 84國代表審議通過《京都議定書》，要求工業(yè)發(fā)達國家大幅度削減二氧化碳等溫室氣體排放量。風能在能源轉(zhuǎn)化工程中不會產(chǎn)生任何排放量，因此除了不產(chǎn)生煙塵、二氧化硫等區(qū)域性污染外，也不會帶來全球環(huán)境污染。除了 4 在工廠的生產(chǎn)和裝機工程中創(chuàng)造就業(yè)之外，在設(shè)備維護方面也會提供就業(yè)機會。許多民眾十分關(guān)注風能的發(fā)展，并將利用風能和其他可再生能源當成他們的生活方式。 技術(shù)驅(qū)動力 隨著科技的進步，空氣動力理論的不斷發(fā)展、新型高強度、輕質(zhì)材料的出現(xiàn)，計算機設(shè)計技術(shù)的廣泛應用和自動控制技術(shù)的不斷改進，機械、電氣、電子元件制造技術(shù)的成熟，為風電 技術(shù)向大功率、高效率、高可靠性和高度自動化方向發(fā)展提供了條件。 1987 年美國研制出單機容量為 的水平軸風力發(fā)電機組，安裝于夏威夷群島的瓦胡島上。進入 20世紀 80年代，單機容量在 100KW 以上的水平軸風力發(fā)電機組的研究開發(fā)及生產(chǎn)在歐洲的丹麥、德國、荷蘭、西班牙等國取得了快速發(fā)展。同時單機容量在 1MW 以上的風力發(fā)電機組也研制開發(fā)成功，并在風電場中成功運行。歐洲風能協(xié) 5 會預計，全世界到 2020 年風力發(fā)電裝機容量將超過 1 億 KW，占歐洲總發(fā)電量的 20%以上。 中國風力發(fā)電現(xiàn)狀 中國風力發(fā)電起步較晚，但發(fā)展較快。 20 世紀 80 年代中期，中國開始規(guī)劃風力發(fā)電場的建設(shè)。 1986 年在新疆達坂城安裝了 1臺 100KW 風力發(fā)電機組， 1989 年又安裝了 13 臺 150KW 風力 發(fā)電機組，同年在內(nèi)蒙古朱日和也安裝 5 臺美國 100KW 機組，開始了中國風電場運行的試驗和示范。據(jù)統(tǒng)計，到 2020 年底，中國共建有 27 座風電場，裝機 812 臺，總?cè)萘? 方 KW。 風力發(fā)電展望 風力發(fā)電技術(shù)目前還在不斷發(fā)展，主要體現(xiàn)在單機容量不斷增大上。 這就必然要采用一些新的復合材料和新的技術(shù)。目前最長的葉片以做到 50m。槳葉也向柔性方向發(fā)展。對葉型的進一步改進，增強了風力機捕捉風能的效率。目前，丹麥、美國、 德國等風電科技較發(fā)達的國家，有許多專業(yè)研究人員在利用較先進的設(shè)備和技術(shù)條件致力與新葉型的從理論到應用的研究開發(fā)。地處平坦地帶的風力機。尤其值得注意的是 ， 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，近年來發(fā)展了一種變速風力發(fā)電機 ， 風力發(fā)電機的設(shè)計及風力發(fā)電系統(tǒng)的研究組，取消了沉重的增速齒輪箱，發(fā)電機軸直接連接到風力發(fā)電機組軸上，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隨風阻而改變，其交流電的頻率也隨之變化，經(jīng)過置于地面的大功率電力電子變換器，將頻率不定 的交流電整流成直流電，在逆變成與電網(wǎng)同頻率的交流電輸出。其運行維護費用也較低。 風力發(fā)電場未來的發(fā)展趨向?qū)⒓性冢禾岣邫C群安裝場地選擇的準確性；進機群布局的合理性：提高運行的可靠性、穩(wěn)定性，實 現(xiàn)運行的最佳控制；進一步降低設(shè)備投資及發(fā)電成本；總裝機容量在 1MW 以上的風力發(fā)電場將占據(jù)主導地位，風力發(fā)電場內(nèi)的風力發(fā)電機組單機容量將主要是百千瓦以上至兆瓦級的。橫截面積為 s(m2)的氣流的動能為 E= 式中 ρ—— 空氣密度，㎏ /m3 Vf —— 風速， m/s 如果風力機實際獲得的軸功率為 P,那么風能利用系數(shù)為 CP=P/E=P/() （ 21） 風壓強 如圖 21a，根據(jù)伯努力方程，風中物體受到的風壓 Q為 Q= 式中 C—— 空氣阻力系數(shù)與物體形狀有關(guān)，平板一般取 2 Vf—— 風與平板的相對速度 阻力式風力機的最大效率 建立簡單的理想模型，一個平板在風的氣動壓力作用下沿著風速方向運動，如圖 2l（ b），并規(guī)定平板上游一定距離上的風速為 Vf，平板的運動速度為 V，那么平板吸收的功率可以表示為 P=FV=QSV 式中 F—— 板受到風的壓力，牛頓 S—— 平板的面積， m2 8 圖 21 平板模型 F=QS=(VfV)2 所以 P=(VfV)2V (22) 對給定的上游風速玲，可以寫出以平板的運動速度 V為函數(shù)的功率變化關(guān)系式，對 V進行微分得 dp／ dv=CP(VfV)(VfV／ 3) 令 dp／ dv=0， 可以得到兩個解： 1） V1=Vf沒有物理意義 2） V2=Vf／ 3對應于最大值 Pmax=(4C/27) CPmax=4C/27 (23) 從上式中可以看出，阻力式風力機的效率是比較低的，提高效率的唯一辦法是設(shè) 法提高風的阻力系數(shù) C。如上一節(jié)推導的那樣，有一個最大風能利用系數(shù) Cpmax。因此實際的風力機和理想的風力機之間也有差異。用 η 1表示。 η 2這一最低力矩值叫做風力機的啟動力矩。 因此風力機有一最低工作風速稱 Vfmin，只有風速大于 Vfmin時風力機才能工作。 最小風速稱 Vfmin，和最大風速 Vfmax之間的風速叫做風力機的工作 風速，相應于工作風速風力機有功率輸出。 啟動風速和額定風速的選定 如何根據(jù)風能資源來選用風力機，使風力機的運行狀態(tài)最佳，確定起動風速和額定風速是關(guān)鍵。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能密度，設(shè) ρ為空氣密度， V為風速，則風能密度 p=， p隨 V的立方增大，變化非常快，故知道風速的變化情況是利用風能的先決條件。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 ms1。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。 根據(jù)國內(nèi)外 100多種風力機，起動風速的范圍是 2ms1，至 6ms1， 這一范圍能滿足風能豐富區(qū)、較豐富區(qū)、可利用區(qū)的不同需要。對上式求一階導數(shù)且令其等于 O有 11 解得 (25) 證明氣是出現(xiàn)概率最大的風速。 （ 3）額定風速 額定風速的選定直接影響風能利用系統(tǒng)整體的效率和經(jīng)濟性，是風力發(fā)電機設(shè)計中的重要參數(shù)。 令 (26)