小型垂直轴风力发电机的设计——毕业设计论文

小型垂直轴风力发电机的设计目 录中文摘要、关键词 1英文摘要、关键词 2前 言 3第一章 概述5（一） 风力发电机的现状与展望 5（二）开发利用风能的动因 6（三）风力发电的原理和特点 .7第二章 风力发电机的原理及其结构 . 7（一）垂直轴风力发电机工作原理 . .8（二）小型风力发电机的结构 .9（三）风力机的功率 .10第三章 垂直轴小型风力发电机的总体设计 .10（一）风力机的种类及选择 .10（二）叶片的选择 .12（三）垂直轴风力机风能学和空气动力学 .14第四章 电气设计部分.17（一） 基本原理 .17（三） 传动系统结构设计及计算 .20第五章 小型风力发电机调向调速原理及其安装.27（一）小型风力发电机的调向调速原理 .27（二）小型风力发电机在地面上的安装 .27结论 .29设计总结 .30参考文献 .31致 谢 .32小型垂直轴风力发电机的设计摘 要随着科技的发展，电器设备在家庭生活中变的越来越重要了，电能消耗也与日俱增,同时国内环境问题也越来越严重，成为了社会热点，其中就包括清洁能源。激烈的矛盾促使我们去寻找获取新能源的新出路，通过国家风能专业科学家不懈的努力，也取得了一些不错的效益。垂直轴小型风力发电机发电效率高、噪声低、启动扭矩小、成本低廉，有望普及到家庭，在缓解能源危机、清洁能源的问题上，前景一片美好。本文介绍了一种小型垂直轴风力发电系统的设计方案，通过对垂直轴小型风力发电机的细节改进，改变市场上风力发电机电机易坏而维修不便的缺点，设计出发电机安装在地面上的一款风力发电机，并简要介绍其控制电路、选择蓄电池型号。普及垂直轴小型风力发电机做再次的铺垫研究，进而为缓解能源危机、清洁能源尽一份力。 关键词：电能；风力发电机；垂直轴；能源；设计；Small vertical axis wind turbinedesignAbstract: With the development of science and technology, electric equipment becomes more and more important in family life. Electric energy consumption also grows day by day. Meanwhile, now the international environment problem is also more and more serious. It is a social hot spot, including clean energy. The fierce conflict prompted us to find new ways to acquire new energy. Through the untiring efforts of all countries, we already have made some good benefits. With small vertical axis wind generator power generator, it has the advantages of efficiency, low noise, low start torque, low cost, and is expected to spread to the families, to alleviate the energy crisis, to realize clean energy. This paper use achievements of the past as the reference, improving the structure of small vertical axis wind generator, changing the wind generator bad faults of motor maintenance inconvenient on the market. This design installed generator on the ground, and complete the set of equipment design, to do matting of the popularization of small vertical axis wind generators, and then to do relieve the energy crisis, to do realize clean energy a bit contribution. Keywords: Electric power, wind generator, vertical axis, Energy, Design前 言当前火力发电仍然是主要的发电方式，其高污染高能耗正一步步吞噬着地球脆弱的生态环境，地球急需一种环保高效的可再生能源来替代火力发电。与此同时，随着家用电器不断的增加，家庭用电也越来越大，家庭对用电的需求也与日俱增。社会对电能的需求量增加了，这已经给政府带来了巨大的压力。风力发电机应允而生，风力发电既节能又无消耗。它不需要燃料就可以源源不断地产生能源，建好之后除了日常的维护费用外几乎不需要其他费用支持。风力发电的用法很多，既可以并网使用也可以离网使用，可以同太阳能一起使用，也可以单独构成大型风力发电厂。 传统燃烧煤炭来蒸汽发电，暂时解决了能源的危机，却不符合清洁能源的要求，不符合社会发展的趋势，它必然被可再生能源发电取代。而风力发电是具有大规模发展潜力的可再生能源，风力发电可以有效利用的风速范围为320mPs,最适宜的风速范围是68mPs,地球上蕴有风能约为2.74万亿kW,可利用的风能约为200亿kW,装机容量可达10TW,每年可发出电力13PWh。地球上的风能资源是地球上水能资源的10倍,已经利用的不足千分之一。在技术上全球风能资源是整个世界预期电力需求的2倍,也就是说,只要利用地球上50%的风能资源就能满足全球能源。 中国幅员辽阔，海岸线长，风能资源丰富，及其适合发展风能发电。在20世纪80年代后期和2004-2005年，中国气象局分别组织了第二次和第三次全国风能资源普查，得出中国陆地10m高度层风能资源的理论值，可开发储量分别为32.26亿kW和43.5亿kW、技术可开发量分别为2.53亿kW和2.97亿kW的结论。此外，2003-2005年联合国环境规划署组织国际研究机构，采用数值模拟方法开展了风能资源评价的研究，得出中国陆地上离地面50m高度层风能资源技术可开发量可以达到14亿kW的结论。2006年国家气候中心也采用数值模拟方法对中国风能资源进行评价，得到的结果是：在不考虑青藏高原的情况下，全国陆地上离地面10m高度层风能资源技术可开发量为25.48亿kW，大大超过第三次全国风能资源普查的数据。 风力机的种类千奇百怪，设计思路五花八门，充分发挥了人类丰富的想象力和创造力，按轴的方向分有水平轴风力机、垂直轴风力机，按驱动方式分有升力型和阻力型等等。虽然目前世界各地的大部分风场所用的风力机为水平轴的，但由于垂直轴风力机，尤其提到达里厄型风力机，有着优越的空气动力性能，提高了效率，并且很大程度降低了造价，所以近年来广泛受到各国研究人员的关注。垂直轴风力机的旋转半径可以小至一两米，也可以大到数十米，发电风速范围比较广。垂直轴风力发电机组还具有高效、无噪声等特点,应用领域十分宽广，对于推广到农村城市具有极其重要的意义，这就像推广普及家用电器一样，一旦落实到家庭，它将直接、有效的缓解能源危机，而且符合清洁能源的社会趋势，而且也家庭也带来了极大的方便，甚至还能降低家庭的开支，各方面前景看好。 本文的新型垂直轴小型风力发电机的研究，改善了市场上垂直轴小型风力发电机电机容易坏，而维修要爬到设备顶部高空，不方便又危险的缺点，使垂直轴小型风力发电机更加贴近百姓生活，为垂直轴风力发电机的推广普及进程做进一步的铺垫，以提高国产垂直轴风力发电机的技术水平，提高垂直轴风力发电机的技术含量和产品档次，增加国内企业的出口创汇能力，促进我省垂直轴风力发电机产业的发展。第一章 概述风电是风能发电或者风力发电的简称。属于可再生能源，清洁能源。风力发电是风能利用的重要形式，风能是可再生、无污染、能量大、前景广的能源，大力发展清洁能源是世界各国的战略选择。风电技术装备是风电产业的重要组成部分，也是风电产业发展的基础和保障，世界各国纷纷采取激励措施推动本国风电技术装备行业发展，我国风电技术装备行业已经取得较大成绩，金风、华锐等一批代表国际水平的风电装备制造企业是中国风电发展的生力军，据统计2010年末我国风电装机容量跃居世界第一。（一） 风力发电机的现状与展望全球风能资源极为丰富，技术上可以利用的资源总量估计约53106亿kWh /年。作为可再生的清洁能源，受到世界各国的高度重视。近20年来风电技术有了巨大的进步，发展速度惊人。而风能售价也已能为电力用户所承受，一些美国的电力公司提供给客户的风电优惠售价已达到22.5美分/kWh，此售价使得美国家庭有25%的电力可以通过购买风电获得。2004年欧洲风能协会和绿色和平组织签署了风力12关于2020年风电达到世界电力总量的12%的蓝图的报告，“风力12%”的蓝图展示出风力发电已经成为解决世界能源问题的不可或缺的重要力量。按照风电目前的发展趋势，预计20082012年期间装机容量增长率为20%，以后到2015年期间为15%，20172020年期间为10%。其推算的结果2010年风电装机1.98亿KW，风电电量0.43104亿kWh，2020年风电装机12.45亿KW，风电电量3.05104亿kWh，占当时世界总电消费量25.58104亿kWh的11.9%。世界风电发展有如下特点：风电单机容量不断扩大。风电机组的技术沿着增大单机容量、提高转换效率的方向发展。风机的单机容量已从600KW发展到20005000KW,如德国在北海和易北河口已批量安装了单机5000KW的风机,丹麦已批量建设了单机容量20002200KW的风机。新的风电机组叶片设计和制造广泛采用了新技术和新材料，有效地改善并提高了风力发电总体设计能力和水平。另外,可变桨翼和双馈电机的采用,使机组更能适应风速的变化, 大大提高了效率。最近,又发展了无齿风机等,进一步提高了安全性和效率。风电制造企业集中度较高。目前，主要风电设备制造企业集中在欧美国家，全世界风电机组供应商的前10位供应了世界新增装机容量的90% 以上的份额，集中度比较高。近来，GE风能（GE Wind Energy）、德国REpower（REpower Systems AG）和三菱重工（MHI）的市场份额提高迅速。风电电价快速下降。由于新技术的运用，风电的电价呈快速下降趋势，且日益接近燃煤发电的成本。以美国为例，风电机组的造价和发电成本正逐年降低，达到可与常规发电设备不相上下的水平。有关专家预测，世界风力发电能力每增加一倍，成本就下降15%。中国的风能资源十分丰富。根据全国900多个气象站的观测资料进行估计，中国陆地风能资源总储量约32.26亿KW，其中可开发的风能储量为2.53亿KW，而海上的风能储量有7.5亿KW，总计为10亿KW。我国的风电开发起步较晚，大体分为三个阶段。第一阶段是19861990年我国并网风电项目的探索和示范阶段。其特点是项目规模小，单机容量小，最大单机200KW，总装机容量4.2千KW。第二阶段是19911995年示范项目取得成效并逐步推广阶段。共建5个风电场，安装风机131台，装机容量3.3万KW，最大单机500KW。第三阶段是1996年后扩大建设规模阶段。其特点是项目规模和装机容量较大，发展速度较快，平均年新增装机容量6.18万KW，最大单机容量达到1300KW。随着风电技术的日趋成熟和电力规模的扩大，风力发电机的功率在向大型化方向发展。风力发电这一朝阳产业必将蓬勃发展，成为将来能源供给的支柱产业！、（二）开发利用风能的动因风能作为一种新能源它的开发利用是有一定动因的，而且随着时间的推移，开发利用风能的动因也在变化。下面将主要从经济、环境、社会和技术进步四方面来介绍风能开发利用的动因。（1） 经济驱动力 经济最优能源供应的经济最优化提供了重视开发利用的基本原理。在偏远地区，电力供应困难。与常规电网延伸和柴汽油机发电相比，利用小型离网风力发电系统供电有成本优势。例如在内蒙古农牧区，利用小型离网风力发电系统供电，农牧户承担的成本约2元/KW左右。如果用电网延伸的方法，农牧户承担的成本高于8元/KW。在这些地区，利用汽油柴油发电机的供电，考虑油料的运输成本，农牧户承担的成本也要高于6元/KW。 化石能源资源枯竭与供应安全进入工业社会后，人类在飞速发展自己的文明过程中经过了多次能源危机。人们开始认识到，无限制地开采煤炭、石油、天然气等化石能源，终有资源枯竭的一天。目前石油储量约1300亿吨，年消耗量约35亿吨，计今后25年中平均年消耗量将达50亿吨，即使加上新发现的油田，专家估计总储量也不会超过2000亿吨，有油资源在四五十年后也将枯竭。为了人类社会的可持续发展，当务之急是寻找和研究利用其他可再生资源。风能作为新能源中最具工业开发潜力的可再生能源，就格外引起人们的瞩目。一些国家要靠进口化石能源来满足本国内能源的消费。风能的开发利用可以减少对国外能源的依赖，并加强本国的能源供应安全水平，国内的化石能源价格变化较小，社会经济稳定性也因此而增强。（2）环境驱动力除了人们早先认识到的烟尘、二氧化硫等区域性的污染外，世界上越来越多的人开始认识到二氧化碳等温室气体的大量排放对全球气候变暖给人类社会带来的有害影响。冰山消融、海平面升高、大气环流和海洋异常导致自然灾害的频发、土地沙漠化，使“地球村”的效应更加明显，各国都认识到必须共同采取措施减缓和影响这种变化。为减缓地球变暖，1997年在日本京都召开的联合国气候变化框架缔约方第3次大会上，84国代表审议通过京都议定书，要求工业发达国家大幅度削减二氧化碳等温室气体排放量。这也迫使人们重视寻找其他可再生的替代能源。风能在能源转化工程中不会产生任何排放量，因此除了不产生烟尘、二氧化硫等区域性污染外，也不会带来全球环境污染。（3）社会驱动力风能份额增加时，会创造很多直接和间接的就业机会。除了在工厂的生产和装机工程中创造就业之外，在设备维护方面也会提供就业机会。另外，在一些国家（如欧盟国家）中，风能开发利用已经成为热点问题，得到了公众的支持。许多民众十分关注风能的发展，并将利用风能和其他可再生能源当成他们的生活方式。绿色电力的发展就是一个典型的例予，人们自愿以高于化石电力的价格购买风电和其他可再生能源电力。（4）技术驱动力随着科技的进步，空气动力理论的不断发展、新型高强度、轻质材料的出现，计算机设计技术的广泛应用和自动控制技术的不断改进，机械、电气、电子元件制造技术的成熟，为风电技术向大功率、高效率、高可靠性和高度自动化方向发展提供了条件。（三）风力发电的原理和特点风力发电是利用风能来发电，而风力发电机组是将风能转化为电能的机械。风轮是风电机组最主要的部件，由桨叶和轮毂组成。桨叶具有良好的动力外形，在气流的作用下能产生空气动力是风轮旋转，将风能转化为机械能，再通过齿轮箱增速驱动发电机，将机械能转化电能。然后在依据具体要求需要，通过适当的变换将其存储为化学能或者并网或者直接为负载供电3。风力发电有如下特点：（1）可再生，且清洁无污染。（2）风速随时变化，风电机组承受着十分恶劣的交变载荷。（3）风电的不稳定性会给电网或负载带来一定的冲击影响。风力发电的运行方式主要有两种：一类是独立运行的供电系统，即在电网未通达的地区，用小型发电机组为蓄电池充电，再通过逆变器转换为交流电向终端电器供电；另一类是作为常规电网的电源，与电网并联运行。第二章 风力发电机的原理及其结构风力发电机经过多年的发展和演变，已经演变成很多形式，但是归纳起来，可分为两类：（1）水平轴风力发电机，风伦的旋转转轴与风向平行；（2）垂直轴风力发电机，风轮的旋转轴垂直与地面或气流方向。本系统中采用的是垂直轴风力发电机。（一）垂直轴风力发电机工作原理垂直轴风力发电机属于阻力风力机，依靠迎风面阻力和背风面阻力差获得动力，其差值越大，效率当然就越高 （流线和连续外形，避免空气的扰动能量损失，系统刚度大，旋转轴细，摩擦阻力摩擦圆小）其线速度始终比风速低，传动惯量小，速度平稳性不好，可以通过类似飞轮的机械系统加以改善。效率与阻力面积和表面光滑状况有关。（二）小型风力发电机的结构小型风力发电机一般由风轮、三相或则永磁发电机、带拉线的塔管式塔架、铰接式尾翼、控制器、逆变器、蓄电池、电缆、调速系统和混凝土地基等多个结构组合而成。其中风轮一般由叶片、轮毂、盖板、链接螺栓组件和导流罩组成。风轮是风力发电机中关键的部件之一，是它把空气动力能转变成机械能。大多数小型风力机的风轮由三个叶片组成。风轮的工作原理。（1）的功率与空气密度成正比。（2）轮产生的功率与风轮直径的平方成正比。（3）轮产生的功率与风速的立方成正比。（4）生的功率与风轮的效率成正比。（5）电机风轮的效率一般在0.35-0.45之间（理论上最大值为0.593）发电机由机壳、电子、转子磁钢、发电机轴和前后端盖组成。风力发电机驱动的发电机一般都是低速发电机，在转速几百转/分时就可以发电。回转体是风力机关键部件风轮、发电机和尾翼的载体，是一个安装在塔架顶部的轴承结构。一些风力机的回转体和发电机是作成一体的。回转体使风力机的主体可以饶塔架垂直轴在360度水平方向自由转动的机构。尾翼由销轴、尾翼杆和尾翼板组成。尾翼对风轮起到调向和调速的作用。（三）风力机的功率风的动能和风速的平方成正比，功率是力和速度的乘积，也可用于风轮功率的计算。风力与速度平方成正比，所以风的功率与风度的三次方成正比。如果风速增加一倍，风的功率便会增加8倍。风轮从风中吸收的功率如下：式中：P为输出功率，为风轮机的功率系数，为空气密度，R为风轮半径，v为风速。众所周知，如果接近风力机的空气全部动能都被风力机全部吸收，那么风轮后的空气就不动了，然而空气当然不能完全停止，所以风力机的效率总是小于1。第三章 垂直轴小型风力发电机的总体设计（一）风力机的种类及选择风力机的分类方法很多，其中按风力机主轴布置方向可分为水平轴风力机和垂直轴风力机，水平轴风力机的旋转主轴与风向平行，如图3-1所示。水平轴风力机组有两个主要优势：1.实度较低，能量成本低；2.叶轮扫掠面的平均高度可以更高，有利于增加发电量。图3-1 水平轴风力发电机垂直轴风力机的旋转主轴与风向垂直，如图3-2所示，垂直轴风力机设计简单，风轮无需对风，其优点有： 可以接受任何风向的风，无需对风； 齿轮箱和发电机可以安装在地面，检修维护方便。图3-2 垂直轴风力发电机按照桨叶受力方式分类可分为升力型风力机和阻力型风力机。升力型风力机利用叶片的升力带动旋转轴转动，从而转化风能为电能，这种风力机目前较为常见，大部分水平轴风力机都属于升力型风力机。目前大中型风电主要采用水平轴风力机，属升力型风力机，具有转速高、风的利用率较高等优点，其叶尖速比通常在4以上，最大功率系数可达50%，如图3-3所示。阻力型风力机利用叶片上受到的阻力来驱动发电机发电，大部分阻力型风力机为垂直轴，目前较少，如图3-4所示。图3-3 升力型风力发电机图3-4 阻力型风力发电机垂直轴升力型风力机既有垂直轴风力机结构简单、维修方便等优点，又和升力型风力机一样具有较高转速，风能利用率有所提高。由于运行过程中受力比水平轴好得多，疲劳寿命要更长。（二）叶片的选择（1）叶片是利用气流通过时产生的压力差使叶轮转动的部件，具有空气动力学特性，其设计质量对整个风力发电系统及其他零部件有这直接影响，因此叶片是风力机的重要部件。叶片的设计目标主要有：a、 良好的空气动力外形；b、 可靠地结构强度；c、 合理的叶片刚度；d、 良好的结构动力学特性和启动稳定性；e、 耐腐蚀、方便维修；f、 满足以上目标前提下，尽可能减轻叶片重量，降低成本。风力机的翼型多种多样，各有各的优缺点，本文采用采用帆翼式风叶，帆翼式是英国发展的一种立轴帆翼式风力机，结构简单、性能较高。帆翼的形状如下图所示。由于其制造简单，成本低，性能好，所以适于推广使用。图3-5 帆翼式（2）叶片的形状及材料叶片截面结构为主梁蒙皮式，表面材料为铝合金，主梁采用单向承载能力强的硬铝材料，O型主梁结构制造简单，各向受力均衡。叶片空心处用聚氨酯泡沫材料填充,剖面形式如下图3-6。图3-6 叶片剖面主梁可直接焊接与铝合金蒙皮上，待主梁与蒙皮连接完成后，在空腹结构内填入聚氨酯直接发泡填充成型。由此，风力机的基本参数可以确定，如表3.1所示。表3.1 风力机参数额定风速平均效率叶尖速比设计功率8m/s40%6300W（三）垂直轴风力机风能学和空气动力学（1）利用系数风力机从自然风能中吸收的能量大小程度用风能利用系数Cp表示。横截面积为s(m2)的气流的动能为E=0.5SVf3式中 空气密度，/m3 Vf 风速，m/s如果风力机实际获得的轴功率为P,那么风能利用系数为CP=P/E=P/(0.5SVf3)（2）风压强如图3-8a，根据伯努力方程，风中物体受到的风压Q为Q=0.5CPVf2式中 C空气阻力系数与物体形状有关，平板一般取2Vf风与平板的相对速度c、阻力式风力机最大效率建立简单的理想模型，一个平板在风的气动压力作用下沿着风速方向运动，如图3-8（b），并规定平板上游一定距离上的风速为Vf，平板的运动速度为V，那么平板吸收的功率可以表示为P=FV=QSV式中 F板受到风的压力，牛顿 S平板的面积，m2图3-8 平板模型F=QS=0.5CPS(Vf-V)2所以P=0.5CPS(Vf-V)2V 对给定的上游风速玲，可以写出以平板的运动速度V为函数的功率变化关系式，对V进行微分得dpdv=CP(Vf-V)(Vf-V3)令dpdv=0，可以得到两个解：1） V1=Vf没有物理意义2） V2=Vf3对应于最大值Pmax=0.5SV3f(4C/27)CPmax=4C/27从上式中可以看出，阻力式风力机的效率是比较低的，提高效率的唯一办法是设法提高风的阻力系数C。（3）空气力学如图3-9所示建立平面坐标系，假定风速矢量为v，叶片端线速度矢量为u，叶片所在位置夹角为，则叶片的平均线速度为5在图3-9中，风速矢量v=（0，-V），叶片速度矢量u=（-Usin,Ucos），风对叶片的相对速度w=v+u，坐标运算后得w=（-Usin，-V+Ucos）。图3-9 垂直风力机动力原理相对风速的大小就是矢量w的模|w|，以表示w的单位矢量，表示u的单位矢量，则可以求出此时的攻角，攻角就是相对风速与叶片弦长所在直线的夹角，按照矢量计算可推得：在风力的作用下，叶片在攻角时受到的升力和阻力可以按以下公式计算：将升力和阻力投影到风轮切方向：其中Flt为Fl在切向的分量；Fdt为Fd在切向的分量。叶片受力分解如图3-10所示6。图3-10 垂直风力机的叶素力学模型切向力的合力产生转矩使风轮转动，叶片在位置角为时产生的转矩为第四章 电气设计部分（一） 基本原理（1） 法拉第电磁感应原理磁通量的变化将产生感应电动势，闭合电路的一部分导线切割磁感线将产生感应电流，这种现象叫做电磁感应，1820年H.C.奥斯特发现电流磁效应，之后许多科学家试图解释这一现象，1831年8月，法拉第认为感应电流是由与导体性质无关的感应电动势产生的，即使没有回路没有感应电流，感应电动势依然存在。法拉第电磁感应定律可用以下公式表示：其中：e为感应电动势，N为线圈匝数，为磁通量变化量。导线切割磁感线产生的感应电动势可用以下公式表示：其中B为磁感应强度，L为导线长度,v为导线切割速度。（2） 相位角及功率瞬时电压及瞬时电流由以下公式得到：其中Um为电压最大值，Im为电流最大值，是瞬时电压与瞬时电流的夹角。瞬时功率为：在一个周期内对瞬时功率积分获得平均功率：对于三相电流，每相电流等于的线圈电流，实际产生的功率为：式中即为功率因数。（二） 转化装置（1）直驱式永磁同步发电机步发电机适合离网型风力发电系统采用，由于发电机转子直接由风轮驱动，因此不需要安装升速齿轮箱，这样避免了齿轮箱产生的损耗、噪声以及材料的磨损等问题。目前普遍使用的永磁同步发电机主要有FD系列和YF系列，按照功率和转速选择发电机，经过查阅中国电器工程大典第九卷-电机工程P617表5.5-2 ，现选择发电机型号为FD-300，其基本参数如表4.1所示。表4.1 发电机参数型号额定功率/W发电机额定电压/V重量/kg启动力矩/Nm额定电流/A发电机额定转速FD-30030028170.3510.7400r/min（2）电气系统电路设计由于本人对电力控制方面不是很了解，因此只能对现有前人的论文进行一些改动12。功率控制部分设计限于知识水平本人无法所有完成，只能大概叙述基本工作原理，如图4-1所示。图4-1 系统电力控制图永磁直驱同步发电机转子输出三相交流电经过整流电路整流后对蓄电池进行充电，电子调压电路的功能除了对蓄电池充电的控制外，还负责多余电能的卸荷。12V蓄电池接boost电路进行升压，升压后电压为24V，整个系统对外供电电压也为24V。光电编码器的额定电压是5V，因此在电路中加入R1与R2进行分压限流。（三） 传动系统结构设计及计算（1）传动轴的设计主传动轴只承受扭矩，不受弯矩，按空心主轴扭转强度估算主轴最小直径：其中A为系数，按机械设计手册单行本-轴承及其连接表5-1-19选取；d为轴端直径，mm；n为轴的工作转速，r/min；P为轴传递的功率，kW；为空心轴的内径d1与外径d的比值，=d1/d。查阅机械设计手册单行本-轴承及其连接表5-1-19得45钢的A值取110，已知功率为750W，主轴额定转速n为400转/min。代入式(4.8)后得到按照主轴扭转刚度计算直径：其中B为系数，按机械设计手册单行本-轴承及其连接表5-1-20选取，查阅机械设计手册单行-本轴承及其连接表5-1-20得一般传动时B值取91.5，已知功率为0.75kW，主轴额定转速n为400转/min,代入式(4.10)后得到如果截面上有键槽时，应将求得的轴径增大，其增大值见机械设计手册单行本轴-承及其连接表5-1-22，增大值应选7%，最后得出的最小外径d=21.1mm。为了安全，我们选择的轴外径为d=30mm，内径d1=18mm，采用45钢调质处理，主轴如图4-2所示。图4-2 主轴示意图校核主轴安全系数，主轴转矩为 只考虑扭拒作用时的安全系数为 其中为对称循环应力下的材料扭转疲劳极限，mPs，见机械设计手册单行本轴-承及其连接表5-1-1，；为扭转时的有效应力集中系数，见机械设计手册单行本轴-承及其连接表5-1-30表5-1-32，；为表面质量系数，一般用机械设计手册单行本轴-承及其连接表5-1-36；轴表面强化处理后用机械设计手册单行本轴-承及其连接表5-1-38；有腐蚀情况时用机械设计手册单行本轴-承及其连接表5-1-35或机械设计手册单行本轴-承及其连接表5-1-37，；为扭转时的尺寸影响系数，见机械设计手册单行本轴-承及其连接表5-1-34，；、为扭转应力的应力幅和平均应力, mPs见机械设计手册单行本轴-承及其连接表5-1-25，；为材料扭转的平均盈利折算系数，见机械设计手册单行本轴-承及其连接表5-1-33，。将各数据代入公式后得根据调质45钢，要求查机械设计手册（机工版）第2版第19篇第5章得安全系数为5.0，因此设计的主轴满足要求。（2）轴承的计算及选型由于风力机不仅承受风轮的扭矩，而且要承受气流方向的一定弯矩，角接触球轴承不仅能够承径向力，同时能够承受一定的径向载荷，因此在主轴上安装两个角接触球轴承。1角接触球轴承1的选用计算角接触球轴承1的安装位置如图4-3所示。角接触球轴承图4-3 轴承1的安装位置轴径d=30mm,额定转矩T=4.3Nm。由机械设计手册单行本-轴承表6-2-82选择角接触球轴承36000型新代号7000C,之所以选用接触球轴承是考虑到主轴在转动时有可能产生径向载荷，轴承1参数如表4.2所示。孔径d外径D轴承代号极限转速r/min（脂润滑）额定动负荷额定静负荷重量30mm55mm7006C950011.65kN8.49kN0.11kg表4.2 轴承1参数轴向载荷：径向载荷按照最不利状况计算，根据伯努利方程，气流作用在叶片上的压力为：作用在4个叶片上的总力为由机械设计手册单行本-轴承表6-2-12推荐使用寿命为100000小时, 轴承当量动载荷的计算公式为式中X、Y分别为径向动载荷系数及轴向动载荷系数。可通过查机械设计手册表283-2得：因为所以应该选择X=0.44，Y=1.47，代入式子得到轴承基本额定动载荷按如下公式计算：式中：为基本额定动载荷计算值，N；为速度因数，按机械设计手册单行本-轴承表6-2-9选取5.85；为力矩载荷因数，力矩载荷较小时取1.5，较大时取2，这里选取2；为冲击载荷因数，按机械设计手册单行本-轴承表6-2-10选取1.2；为温度因数，按机械设计手册单行本-轴承表6-2-11选取1；为寿命因数，按机械设计手册单行本-轴承表6-2-8选取0.405；为当量动载荷。将各个数据代入式（4.13）得：故选用此轴承能够满足额定载荷的要求。2角接触球轴承2的选用计算角接触球轴承2的安装位置如图4-4所示。轴承图4-4 轴承2安装位置按照机械设计手册单行本-轴承表6-2-82选择轴承型号36105（新型号7005C），参数如表4.3所示。孔径d外径D轴承代号极限转速r/min（脂润滑）额定动负荷额定静负荷重量25mm47mm7006C120009.38kN7.73kN0.074kg表4.3 轴承2参数按照轴承1校核公式（4.15）对轴承进行校核：轴承当量动载荷按公式（4.16）得：式中X、Y分别为径向动载荷系数及轴向动载荷系数。可通过查机械设计手册表283-2得：因为所以应该选择X=0.44，Y=1.40，代入公式（4.16）得到由机械设计基础（第五版）公式16-3计算轴承寿命：式中：为温度因数，按机械设计手册单行本-轴承表6-2-11选取1；为冲击载荷因数，按机械设计手册单行本-轴承表6-2-10选取1.2；C为额定动载荷，C=9.38kN；N为主轴额定转速，n=400r/min；为寿命指数，对于球轴承取3。将各数据代入式子后得由机械设计手册单行本-轴承表6-2-12推荐使用寿命为100000小时,所以可以满足使用要求。主轴与发电机之间用圆锥销套筒联轴器进行连接，如图4-5所示，联轴器具体参数见图纸。图4-5 圆锥销套筒联轴器第五章 小型风力发电机调向调速原理及其安装（一）小型风力发电机的调向调速原理1、调向原理：在额定风速以内、尾翼板与风轮旋转面保持垂直；风向变化时，尾翼板与风向保持平行，因此保证了风轮的正向迎风。2、 调速原理：风轮偏侧。当风速大于额定风速时，以某种机构（如：倾斜轴+尾翼调速）使风轮偏离风向，减小风轮迎风面积，从而减小风能的吸收。当风速达到切出风速时，风轮旋转面与风向平行，风力机停止发电。桨距。当风速大于额定风速时，以某种机构利用风轮叶片的离心力改变桨距，降低风轮的风利用率，从而达到减小风能吸收的效果。当风速大于切出风速时，叶片与风向平行，风力机停止发电。（二）小型风力发电机在地面上的安装1、地面选择：风机应安装在使风能充分利用的地方，且无高大障碍物，使风机四面临风，或者立于小山包之上，或虽处凹地，但形如走廊，总有疾风劲吹而得天独厚。 如需在障碍物附近安装风机，在条件许可的情况下应尽可能地远离障碍物，以充分利用风能，离障碍物的距离要求。 2、安装规程：风机的安装是项紧张、细致、认真的工作，故在现场安装时，须遵守有关安全操作规程，且竖立风机的工作只能在风速不超过4米/秒（二级风）的情况下进行。 把4根地锚用螺丝固定在底座上，在地上挖一个土坑把装好的底座平置坑内，浇灌碎石混凝土。 以土坑中心点为中心，以 M 米为半径以 90 度均分四点挖拉线坑将地锚置入坑内，浇灌混凝土。 立杆内穿入电缆线，上立杆、下立杆、底座分别插接或者法兰连接。拉线从套环底向上绕立杆一圈穿下用夹子锁紧。旋松紧线器，拉起立杆，调整紧线器，使立杆垂直。基础硬化后，放倒立杆，用高约1米的简易支架，支撑在立杆上端部。 3、电机的安装： 在立轴下方放置推力轴承，立轴和回转体尼龙套内涂抹润滑油脂。 将电机回转体套入立轴，注意上下不得装反（标牌向上），锁卡簧，放置立轴帽，电缆线从立轴帽中穿出，和电机三根输出线交接。处理好线的短路隐患。 暴露在机外的电缆线，应包扎防晒，立轴帽上方的电缆包扎，防止下坠使电缆破皮短路。 尾杆和尾舵板连接，视尾板和尾杆平行一致，旋紧螺母，尾杆首端置入回转体内，插销轴，旋紧螺母。 组装叶片轮毂，叶片凹面迎风，凸面对电机，不得装反，装好叶片总成置入电机轴，放置垫圈，旋紧螺母。转动叶片，检查电机轴、轮毂正常，安装导流罩。 先把需要配置的蓄电池串联起来 ，然后控制器的红色接线柱（正极）和电池组的“十”极连接，黑色接线柱（负极）与“一”极相接，且勿接错。 注意：电池电压和逆变器、电机电压吻合，防止发生故障，极柱连接牢固，为防止电池极柱腐蚀，可涂上一层油脂或凡士林。 风机安装完毕，检查各处连接无误，拉起风机。 4、注意事项： 如发现电机工作不正常，抖动或有异常声音，应停机检查。 风机高速旋转时，风轮旋转平面方向，不要站人和进行其它工作，以防叶片飞出伤人。 电池要保持干燥清洁，电池组上面不要放置金属物品，防止造成电池短路。 电气箱负极搭铁和单配的逆变器不要放置在一起，以免短路。逆变电源使用按逆变电源说明书操作。 拉线的紧线器遇大风后会自动松动，调整后可用铁丝锁住，每次大风过后，检查拉线是否松动，如有松动及时排除。（上立杆必须垂直） 风力发电机应单独布线，不可与其它线路混用，建议照明用直流电源，家用电器可使用逆变器输出的交流电源。（逆变器和逆变器输出线不可以并联，逆变器输出线也不可以和市电连接）。 电气箱接线时，先接通蓄电池再接发电机输出线，分解时先分解发电机输出线再断开蓄电池组接线。 电气箱的停机开关，通常在开机位置，在蓄电池充足电或在防御灾害性强风暴吹袭作临时关机用，只有风轮缓慢运行拨到关机位置，不允许在高速旋转拨动开关。风机不得空载运行，防止高速旋转损坏叶片。 结 论本论文研究了小型独立运行风力发电系统的构成及其运行状况，此系统能够在较小风速下启动发电，能够满足一般家庭的供电，与传统水平轴风力发电机相比，风能利用率更高，起动风速低，噪音少，应用前景广阔。整个设计过程包括风力机叶片的设计、传动系统的设计及塔架的设计等，通过三维建模直观表现风力系统结构，通过比较后认为在低速运行的垂直风力机中运用低阻力系数和大雷诺系数的叶片能够产生比较好的发电效果。风力发电系统的设计涵盖了机械领域、电力电子领域及气象学领域，综合性较强。本设计方案着重机械部分，电子控制部分还有待于日后进一步完善。设 计 总 结本文在参照各文献后做出了垂直轴风力机的一个总体设计方案，此系统能够在较小风速下启动发电，能够满足一般家庭的供电，与传统水平轴风力发电机相比，风能利用率更高，起动风速低，噪音少，应用前景广阔。整个设计过程包括风力机叶片的设计、传动系统的设计及塔架的设计等，通过三维建模直观表现风力系统结构，通过比较后认为在低速运行的垂直风力机中运用低阻力系数和大雷诺系数的叶片能够产生比较好的发电效果。风力发电系统的设计涵盖了机械领域、电力电子领域及气象学领域，综合性较强。本设计方案着重机械部分，电子控制部分还有待于日后进一步完善。风力发电系统是一个相当复杂的非线性系统，工作环境复杂，各种数据参数需要通过大量实测来获得，限于条件原因，本次设计中的一些参数只能依照其他类似设计来取，将来将进一步考虑增加实验来获得第一手数据。参考文献1 叶杭冶. 风力发电系统的设计、运行与维护M.北京：电子工业出版社， 2010年4月.2 薛桁，朱瑞兆，杨振斌. 中国风能资源贮量估算J. 太阳能学报. 2001年第22卷第2期：P168-P170.3 中国可再生能源学会风能专业委员会（CWEA）. 2009年中国风电装机容量统计. 2009年.4 宋丽莉，毛慧琴，钱光明. 热带气旋对风力发电的影响分析J. 太阳能学报，2006年第27卷第9期：P962-P965.5 芮晓明，马志勇，康传明. 并网型垂直轴风力机的基本构成与气动特性J. 太阳能学报, 2007年第2期：P28-P31.6 孙云峰. 小型垂直轴风力发电机组的设计与实验D. 内蒙古：内蒙古农业大学, 2008年.7 聂珣. 基于自适应转速观测器的双馈风力发电控制系统的研究D. 长沙：中南大学, 2009年.8 张国铭. 论制造兆瓦级垂直轴风力发电机的合理性J. 风力发电，2001年第4期：P55-P619 宋海辉. 风力发电技术及工程M. 中国水利水电出版社，2009年.10 王心尘. 基于Matlab_Simulink的垂直轴风力发电系统设计D. 厦门：厦门大学, 2008年. 11 芮晓明，柳亦兵，马志勇. 风力发电机组设计M. 北京：机械工业出版社，2010年.12 杨国良，高瑞斌，张纯. 垂直轴风力发电系统制动及保护电路设计J. 电力电子技术，2009年第43卷第10期：P53-P59.13 赵永强，侯红玲，施绍宁. 蓄电池智能充电系统的设计与研究J. 陕西理工学院学报，2010年第26卷第3期：P5-P8.致 谢本论文是在李老师的辛勤指导、耐心帮助下完成的，在此致以由衷的感谢。非常感谢班主任这两年的教导，非常感谢可爱可亲的同学们在这两年对我的照顾和帮助。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请再次接受我诚挚谢意！ 最后再一次感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我的良师益友，以及在设计中被我引用或参考的论著的作者。