機(jī)械設(shè)計(jì)畢業(yè)論文船用可變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　船用可變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專(zhuān)業(yè)班級(jí) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化

2、 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱(chēng) </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘要</b></p>

3、<p>　　能源的風(fēng)能成為世界各國(guó)普遍重視的能源，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也成為各國(guó)學(xué)者競(jìng)相研究的熱點(diǎn)。變槳距功率控制是當(dāng)今大型風(fēng)力機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一，本文對(duì)風(fēng)力機(jī)變槳距控制技術(shù)從仿真到試驗(yàn)、從理論到實(shí)踐進(jìn)行了較為全面的深入研究。</p><p>　　風(fēng)能作為一種可再生能源越來(lái)越受到全球各個(gè)國(guó)家和政府的重視。風(fēng)電相關(guān)設(shè)備和關(guān)鍵技術(shù)的開(kāi)發(fā)研究與此同時(shí)也越發(fā)成為企業(yè)界和科技領(lǐng)域重點(diǎn)探討的項(xiàng)目之一。風(fēng)能利用技在全球獲得了

4、非常廣泛的運(yùn)用和快速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)也漸漸向商業(yè)化、大型化發(fā)展?！毒┒甲h定書(shū)》的簽訂和實(shí)施，日后風(fēng)電會(huì)比傳統(tǒng)的礦物燃料發(fā)電更有競(jìng)爭(zhēng)力。在能源消耗日益增長(zhǎng)瀕臨枯竭，環(huán)境污染日漸嚴(yán)重的今天，作為可再生綠色</p><p>　　論文首先從風(fēng)力發(fā)電最基本的風(fēng)能資源入手，簡(jiǎn)述了有關(guān)的風(fēng)的變化、風(fēng)速取值、風(fēng)能估計(jì)、風(fēng)力發(fā)電功率計(jì)算以及風(fēng)力發(fā)電的基本原理，得出變槳距變速恒頻控制的理論基礎(chǔ)。并對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)中重要的葉片進(jìn)行了一定的

5、研究，包括相關(guān)的整體外形尺寸的計(jì)算與根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)選取最佳葉片翼型的橫截面。</p><p>　　電動(dòng)機(jī)的獨(dú)立槳葉控制是變槳距控制的一種重要方法，本文詳細(xì)設(shè)計(jì)了獨(dú)立變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)。風(fēng)電機(jī)的風(fēng)輪控制包含變槳距和偏航兩種。變槳距和偏航系統(tǒng)是風(fēng)能機(jī)組關(guān)鍵部件，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)能利用效率以及風(fēng)力機(jī)組整體的成本會(huì)有直觀(guān)的影響。這里簡(jiǎn)單的研究了一下風(fēng)力發(fā)電機(jī)的組成和組件，風(fēng)葉是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重要組件，它直接決定了風(fēng)力的能否有

6、效利用。所以風(fēng)葉的研究設(shè)計(jì)是很重要的。同時(shí)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)了一下調(diào)速器，并就幾種發(fā)電機(jī)做了簡(jiǎn)單的介紹和研究。</p><p>　　[關(guān)鍵詞]: 風(fēng)能；風(fēng)葉； 調(diào)速器；發(fā)電機(jī)；變槳距控制；變速恒頻</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Now with energy resources being consumed

7、increasingly to be exhausted and environment empoison being serious gradually, wind power is paid great attention to by more and more countries as renewable resource and pollution-free energy resource.</p><p&g

8、t;　　Wind as a renewable green energy, with the growing in the verge of depletion of energy consumption and environmental pollution increasingly serious today, more and countries around the world and government pay atten

9、tion to wind energy. At the same time, wind power related equipment and key technology research become one of items increasingly focused on the study areas of business and technology. In the global, wind energy technolog

10、y has access to a very wide range of application and rapid devel</p><p>　　In the thesis, the variable-speed constant-frequency pitch-controlled the oretical basis is put forward by research of wind turbine a

11、erodynamic characteristics and is proved rationally by model emulation. Based on the domestic element and process level. The semi-physical simulation test-bed equals to the real pitch-control wind turbine. The model pre

12、dictive control is adapted for pitch control. Support vector regression algorithm is used for wind turbine nonlinear system identification to ident</p><p>　　[keywords]: wind energy; breeze the leaf; adjust m

13、achine; the generator；pitch-controlled</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p><b>　　1.1引言1</b></p><p>　　1.2世界風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展2&

14、lt;/p><p><b>　　1.3風(fēng)的變化2</b></p><p>　　1.3.1風(fēng)的變化一般情況2</p><p>　　1.3.2風(fēng)速的取植3</p><p><b>　　1.4風(fēng)能資源5</b></p><p>　　1.4.1 風(fēng)能的概念及計(jì)算5</p

15、><p>　　1.4.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率的計(jì)算6</p><p>　　1.5風(fēng)能發(fā)電原理7</p><p>　　1.5.1 風(fēng)能密度7</p><p>　　1.5.2有效風(fēng)速和有效風(fēng)能密度8</p><p>　　1.6風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)形式8</p><p>　　第二章 計(jì)算葉輪的直徑

16、10</p><p>　　2.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪的計(jì)算10</p><p>　　2.1.1葉輪直徑的計(jì)算10</p><p>　　2.1.2葉片的數(shù)目及其面積的計(jì)算11</p><p>　　2.1.3葉輪的轉(zhuǎn)速（ 轉(zhuǎn)/分 ）11</p><p>　　2.2葉片的結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)11</p><

17、p>　　2.2.1葉片的剖面選擇11</p><p>　　2.2.2葉片尺寸的選擇12</p><p>　　2.2.3葉片翼型面的計(jì)算16</p><p>　　第三章 調(diào)速器的設(shè)計(jì)與發(fā)電機(jī)的選擇18</p><p>　　3.1調(diào)速器相關(guān)18</p><p>　　3.2調(diào)速器種類(lèi)19</p>

18、<p>　　3.3發(fā)電機(jī)的介紹19</p><p>　　3.3.1同步發(fā)電機(jī)20</p><p>　　3.3.2異步發(fā)電機(jī)20</p><p>　　第四章 風(fēng)力機(jī)變槳距控制理論研究22</p><p>　　4.1功率調(diào)節(jié)控制技術(shù)22</p><p>　　4.1.1失速調(diào)節(jié)22</p>

19、;<p>　　4.1.2槳距調(diào)節(jié)22</p><p>　　4.1.3偏航控制22</p><p>　　4.2風(fēng)力機(jī)的主要控制技術(shù)23</p><p>　　4.2.1定槳距控制風(fēng)力機(jī)技術(shù)23</p><p>　　4.2.2變槳距控制風(fēng)力機(jī)技術(shù)23</p><p>　　4.2.3定槳距與變槳距控制的

20、比較23</p><p>　　4.3風(fēng)力機(jī)的組成原理24</p><p>　　4.4變槳距風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)24</p><p>　　4.4.1葉片翼型的空氣動(dòng)力學(xué)與幾何形狀特性25</p><p>　　4.4.2葉素特性26</p><p>　　4.4.3變槳距角調(diào)節(jié)原理26</p>&l

21、t;p>　　4.5變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)特點(diǎn)與運(yùn)行狀況28</p><p>　　4.5.1變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)28</p><p>　　4.5.2變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)29</p><p>　　第五章 變槳距傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析31</p><p>　　5.1變槳距傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)31</p><p>

22、;　　5.2變槳距風(fēng)力機(jī)及其控制方式31</p><p>　　5.3電液變槳距控制系統(tǒng)32</p><p>　　5.3.1位置傳感器33</p><p>　　5.3.2控制放大器33</p><p>　　5.3.3變槳距連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)34</p><p>　　5.4風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電動(dòng)變槳距系統(tǒng)的研究34<

23、/p><p>　　5.4.1電動(dòng)變槳距系統(tǒng)概述34</p><p>　　5.4.2機(jī)械部分35</p><p>　　5.4.3驅(qū)動(dòng)部分36</p><p>　　5.5其它變漿調(diào)速機(jī)構(gòu)37</p><p>　　5.5.1中小型風(fēng)力機(jī)的葉片控制37</p><p>　　5.5.2輪轂及其控制系

24、統(tǒng)38</p><p><b>　　第六章 塔架40</b></p><p>　　第七章 附屬部件41</p><p>　　第八章 關(guān)于重心穩(wěn)定裝置的設(shè)計(jì)構(gòu)想42</p><p><b>　　8.1構(gòu)想42</b></p><p><b>　　8.2原理

25、42</b></p><p><b>　　小 結(jié)43</b></p><p><b>　　致 謝44</b></p><p><b>　　[參考文獻(xiàn)]45</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p>

26、<p><b>　　1.1、引言</b></p><p>　　風(fēng)能是一種可再生、無(wú)污染、取之不盡用之不竭的能源，和水能等其他可再生能源相比較，風(fēng)能有其廣闊的發(fā)展前景和優(yōu)勢(shì)。特別是近些年來(lái)，隨著傳統(tǒng)能源資源逐漸枯竭這一危機(jī)的日益嚴(yán)重和世界各國(guó)對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境的重視，風(fēng)能在全世界得到了廣泛的重視和應(yīng)用。風(fēng)能的利用包括了提水、發(fā)電等等多種技術(shù)。其中風(fēng)力發(fā)電技術(shù)由于具有無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)

27、越受到世人的矚目。</p><p>　　我國(guó)是世界上風(fēng)力資源較為豐富的國(guó)家之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)可開(kāi)發(fā)風(fēng)能資源總量約為10億千瓦，其中青海、甘肅、新疆和內(nèi)蒙可開(kāi)發(fā)的風(fēng)能儲(chǔ)量豐富，是中國(guó)大陸風(fēng)能儲(chǔ)備最豐富的地區(qū)。近海風(fēng)能資源約為陸地的3倍。目前，我國(guó)積極加緊風(fēng)力發(fā)電設(shè)備國(guó)產(chǎn)化，降底設(shè)備生產(chǎn)和風(fēng)場(chǎng)建設(shè)成本，并取得一定的進(jìn)展，600千瓦機(jī)組已經(jīng)具備一定的生產(chǎn)能力。</p><p>　　我們國(guó)家的風(fēng)電

28、場(chǎng)的建設(shè)相比整個(gè)世界的發(fā)展水平，就當(dāng)前來(lái)說(shuō)，還是有一段相當(dāng)長(zhǎng)的距離的。總結(jié)我國(guó)風(fēng)電發(fā)展的進(jìn)程，究其原因，主要是沒(méi)有在引進(jìn)和吸收從國(guó)外獲得的風(fēng)電設(shè)備的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)研究，這導(dǎo)致我國(guó)現(xiàn)階段建造的風(fēng)電場(chǎng)幾乎其設(shè)備都是進(jìn)口的。這最終使得我國(guó)在風(fēng)能方面的電價(jià)高、投入高，相比水電、火電市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力弱。因此，為了構(gòu)建國(guó)家風(fēng)力發(fā)電技術(shù)平臺(tái)，解決我國(guó)風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)中的重大共性和關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，國(guó)家科技部積極推進(jìn)國(guó)家風(fēng)力發(fā)電方向的技術(shù)研究。現(xiàn)已經(jīng)基本具備風(fēng)電機(jī)組整

29、機(jī)設(shè)計(jì)、載荷計(jì)算、零部件設(shè)計(jì)和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)試等方面的能力，具有全國(guó)風(fēng)力資源最好的達(dá)坂城風(fēng)電機(jī)組實(shí)驗(yàn)電場(chǎng)。由此可見(jiàn)，我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入風(fēng)電發(fā)展的高速期。風(fēng)能在我國(guó)具有巨大的前景，并將帶來(lái)一系列的經(jīng)濟(jì)效益。</p><p>　　風(fēng)力機(jī)的定義是把風(fēng)能變成電力能源的一種機(jī)械裝置。風(fēng)輪是風(fēng)力機(jī)的最重要的組件，它是由葉片和輪轂組成的，風(fēng)輪的性能的直接影響到整個(gè)機(jī)組的性能。怎么才能保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)穩(wěn)定和高效的運(yùn)行，是一直以來(lái)人們關(guān)切的重

30、點(diǎn)。</p><p>　　如果要讓風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不同的風(fēng)速下都能夠保持較高的功率輸出，使用槳葉節(jié)距調(diào)節(jié)的方法，實(shí)時(shí)變換槳葉葉片的最佳攻角，使風(fēng)力機(jī)跟蹤最大功率輸出系數(shù)。高風(fēng)速的時(shí)候，通過(guò)調(diào)節(jié)葉片節(jié)距，葉片攻角隨氣流而變，保持穩(wěn)定的功率輸出。在啟動(dòng)過(guò)程中同時(shí)也需要運(yùn)用變漿距獲得足夠的起動(dòng)力矩。所以，我們的第一選擇應(yīng)該是變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)?？墒浅鲇谠陲L(fēng)力機(jī)發(fā)電狀況在最初的不足，導(dǎo)致變漿距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)性能無(wú)法達(dá)到安全運(yùn)

31、行要求。因此，由于從風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行安全考慮，現(xiàn)金世界各國(guó)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多數(shù)采用定漿距失速調(diào)節(jié)控制。</p><p>　　定漿距失速風(fēng)力發(fā)電機(jī)有一個(gè)非常突出的缺點(diǎn)，即當(dāng)風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率急劇下降，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)在額定風(fēng)速以上的工況和運(yùn)行效率也急劇下降。為了克服這一致命缺陷，人們?cè)谏钊肓私怙L(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行工況和受力狀態(tài)的前提下，重新開(kāi)始注重變漿距系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)，以獲得不斷優(yōu)化的功率輸

32、出曲線(xiàn)。同時(shí)，采用變漿距系統(tǒng)也獎(jiǎng)明顯改善風(fēng)力發(fā)電機(jī)的受力狀況，這時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的總體設(shè)計(jì)十分有利。</p><p>　　本課題將要研究的是一種裝配風(fēng)壓式全程變漿距調(diào)速機(jī)構(gòu)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。通過(guò)變漿距機(jī)構(gòu)的作用，加強(qiáng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)能適應(yīng)各種風(fēng)速的變化。在初始風(fēng)速易于啟動(dòng)；在設(shè)計(jì)風(fēng)速與初始風(fēng)速之間能夠過(guò)的較篙的風(fēng)能利用系數(shù)；當(dāng)大于設(shè)計(jì)風(fēng)速時(shí)，能夠起到限速作用，保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。</p>

33、;<p>　　1.2、世界風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電技術(shù)目前還在不斷發(fā)展，主要體現(xiàn)在單機(jī)容量不斷增大上。目前主流風(fēng)力發(fā)</p><p>　　電機(jī)組的功率，已上升到600一750kW, MW級(jí)的機(jī)組也已成批生產(chǎn)，2MW級(jí)的機(jī)組已在</p><p>　　試驗(yàn)生產(chǎn)。這就必然要采用一些新的復(fù)合材料和新的技術(shù)。例如，單機(jī)容量不斷增大，槳葉的

34、長(zhǎng)度也不斷增長(zhǎng)，容量為2MW的風(fēng)力機(jī)葉輪掃風(fēng)直徑達(dá)72m。目前最長(zhǎng)的葉片已做到50m。槳葉材料由玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂發(fā)展為強(qiáng)度高、重量輕的碳纖維。槳葉也向柔性方向發(fā)展。早期的一些風(fēng)力機(jī)槳葉是根據(jù)直升飛機(jī)的機(jī)翼設(shè)計(jì)的，而風(fēng)力機(jī)的槳葉運(yùn)行的空氣動(dòng)力環(huán)境不同于直升機(jī)。對(duì)槳葉葉型更進(jìn)一步的改良，增加了風(fēng)力機(jī)捕捉風(fēng)能的效率。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，在美國(guó)，國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室研制開(kāi)發(fā)了一種新型葉片，比早期的一些風(fēng)力機(jī)槳葉捕捉風(fēng)能的能力要大20%。目前，丹麥、美

35、國(guó)、德國(guó)等風(fēng)電科技較發(fā)達(dá)的國(guó)家，有許多專(zhuān)業(yè)研究人員在利用較先進(jìn)的設(shè)備和技術(shù)條件致力于新葉型的從理論到應(yīng)用的研究開(kāi)發(fā)。</p><p>　　在中、大型風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)中，采用了更高的塔架以捕獲更多的風(fēng)能。地處平坦她帶的風(fēng)力機(jī)，在50m高處捕捉的風(fēng)能要比30m高處多20% 。</p><p>　　尤其值得注意的是，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，近幾年來(lái)發(fā)展了一種變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，取消了沉重的增速齒輪箱

36、，發(fā)電機(jī)軸與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸直接相連，電機(jī)轉(zhuǎn)速根據(jù)風(fēng)的速度改變而做出相應(yīng)調(diào)整，產(chǎn)生的交變電流的頻率同樣產(chǎn)生變化，頻率不定的交流電由地面的大功率電力電子變換器贅流成直流電，最后轉(zhuǎn)換成和電網(wǎng)頻率相同的交變電流。由于它是在幾乎各種的風(fēng)速狀況都可得到較理想的空氣動(dòng)力效率，所以捕捉風(fēng)能的效率提高了。有實(shí)驗(yàn)顯示，6.7m/平均風(fēng)速時(shí)，變槳距風(fēng)力機(jī)組能捕獲比一般機(jī)組多15%的風(fēng)能。因?yàn)楦纳屏藗鲃?dòng)系統(tǒng)各部件的受力狀況和機(jī)艙重量減輕，風(fēng)力機(jī)組的承重減輕，其

37、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用也較低，塔架等基礎(chǔ)費(fèi)用也可降低。</p><p>　　風(fēng)電場(chǎng)今后的發(fā)展趨向?qū)⒓性?提高機(jī)群安裝場(chǎng)地選擇的準(zhǔn)確性;提高運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行的最佳控制;進(jìn)一步降低設(shè)備投資及發(fā)電成本;總裝機(jī)容量在1MW以卜的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)將占據(jù)主導(dǎo)地位，風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容最將主要是百千瓦以上至兆瓦級(jí)的;改進(jìn)機(jī)群布局的合理性。</p><p>　　此外，發(fā)展海外風(fēng)電場(chǎng)也成為新的大

38、型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用領(lǐng)域而受到重視。瑞典、西班牙、丹麥、德國(guó)、等國(guó)都在規(guī)劃較大的海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)。這是由子海上的風(fēng)速較陸土大且穩(wěn)定，一般陸土風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備平均利用為2000h，高的是2600h，而在海上卻可高于3000h。為方便施工浮吊，建在海上風(fēng)電場(chǎng)水深一般為3一8rn處，所以就成本而言，同裝機(jī)容量比陸上增加60 %(海土基礎(chǔ)占23% ,線(xiàn)路占20% ,陸上僅占5%)左右，但發(fā)電量可以增加50%以上。</p><p>

39、;<b>　　1.3、風(fēng)的變化</b></p><p>　　1.3.1、風(fēng)的變化一般情況</p><p>　　風(fēng)是隨時(shí)隨地可以產(chǎn)生的，它的方向不定、大小不同。在氣象學(xué)上，把空氣的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為“紊流”，垂直方向的運(yùn)動(dòng)叫做“對(duì)流”，所以風(fēng)特別強(qiáng)調(diào)相對(duì)于地面水平方向的運(yùn)動(dòng)。</p><p><b>　　(1)風(fēng)的日變化</b>

40、</p><p>　　在一天之中，風(fēng)的強(qiáng)弱，具有周期性。同樣也跟該地區(qū)的氣壓分布面差異有關(guān)。但一般來(lái)說(shuō)，上述原因?qū)俅我?。陸地上是白天風(fēng)強(qiáng)，夜間風(fēng)弱。而相反不同的是，高海拔空域是白天風(fēng)弱，夜里風(fēng)強(qiáng)。這個(gè)逆轉(zhuǎn)的臨界位置在高度為100一150 m的空中。此外，在沿海地區(qū)，由于陸地和大海的熱容量不同，在沿海地區(qū)，夜晚產(chǎn)生陸海風(fēng)，白天產(chǎn)生海陸風(fēng)。同樣，由于山脊和山谷的溫度不同，在山岳地帶，白天刮谷風(fēng)，夜晚刮山風(fēng)。</

41、p><p><b>　　(2)風(fēng)的季節(jié)變化</b></p><p>　　風(fēng)除了具有隨機(jī)性，季節(jié)性的變化特點(diǎn)也很明顯，日夜變化也有規(guī)律。大陸與海洋的熱容量不同，陸地的比熱比海洋小，冬季內(nèi)陸的.斷氣壓流向海洋的低氣壓，所以在北半球冬季多刮北風(fēng)，夏季多刮南風(fēng)。海水熱容量大，升溫慢，陸地?zé)崛萘啃?，升溫快，氣壓低，空氣容易七升，所以白天海風(fēng)多刮向陸地，而夜間陸風(fēng)常刮向海洋，大型湖泊

42、附近也有類(lèi)似的情況。由于地形不同，風(fēng)的形成也不同，太陽(yáng)輻射山頂受熱快，白天山風(fēng)上升，夜間山風(fēng)向下。上述原因構(gòu)成了風(fēng)的周期性、多樣性和復(fù)雜性。</p><p>　　我國(guó)地域遼闊，季風(fēng)強(qiáng)盛。但青藏高原的存在改變了海陸影響，常引起氣壓分布和大氣環(huán)流的變化，增加了季風(fēng)的復(fù)雜性。冬季又受西伯利亞和蒙古的影響，常有冷空氣形成寒流。夏季在太平洋上常形成熱帶旋風(fēng)，使我國(guó)東南沿海地區(qū)夏秋之間常出現(xiàn)臺(tái)風(fēng)，這對(duì)風(fēng)能利用會(huì)有一定的特殊影

43、響。</p><p>　　(3)風(fēng)隨高度的變化</p><p>　　風(fēng)速隨高度的增加而變化。地面上風(fēng)速較低的原因是由于地表植物、建筑物以及其他障礙物的磨擦所造成的。經(jīng)測(cè)量，在離地而20m處的風(fēng)速為2m/s，而在離地300m處則變成7一8rn/s。風(fēng)速隨高度的相對(duì)增加量因地面異，大致上可以用下式表示</p><p><b>　?。?—1）</b>

44、</p><p>　　式中 V--高度為H(m)時(shí)的風(fēng)速，m/s</p><p>　　--高度為 （m）時(shí)的風(fēng)速，m/s </p><p>　　一般取Ho為10m，修正指數(shù)n與地面的平整程度(粗糙度)、大氣的穩(wěn)定度等因素有關(guān)，其值為1/2一/18,在開(kāi)闊、平坦、穩(wěn)定度正常的地區(qū)為1 /7。中國(guó)氣象部門(mén)通過(guò)在全國(guó)各地測(cè)風(fēng)塔或電視塔測(cè)量各種高度下得出。的平均值約為0.1

45、6~0,20，一般情況下可用此值估算出各種高度下的風(fēng)速。為了從自然界獲取最大的風(fēng)能，應(yīng)盡量利用高空中的風(fēng)能，一般至少安比周?chē)闹参锛罢系K物高8一10m。</p><p>　　1.3.2 風(fēng)速的取植</p><p>　　我國(guó)氣象站觀(guān)測(cè)風(fēng)速的方法通常有兩種：一種為自記平均風(fēng)速，每天24h各測(cè)取10min，取其平均面另一種為日測(cè)4次或3次定時(shí)觀(guān)測(cè)平均風(fēng)速，每次測(cè)取2min，取其平均值。這兩種方

46、法之間有統(tǒng)計(jì)方法上的差異。為了統(tǒng)計(jì)標(biāo)難的統(tǒng)一，給出下列由最小二乘法導(dǎo)出的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)非自記站風(fēng)速進(jìn)行訂正：</p><p>　　海島(年平均風(fēng)速＞4m／s的地區(qū))：</p><p>　　Y＝0.35+0.885X</p><p><b>　　r＝0.99</b></p><p>　　海邊(2.9m／≤年平均風(fēng)速≤4m／。的

47、地區(qū))：</p><p>　　Y＝0.21十0.94X;</p><p><b>　　r＝0.99</b></p><p>　　內(nèi)陸(年平均風(fēng)速＜2.9m／s的地區(qū)，</p><p>　　Y＝0.62十0.68X，</p><p><b>　　r＝0.99</b></p

48、><p>　　式中： Y、Y、Y——日測(cè)4次，每次測(cè)取10min的自記平均風(fēng)速(m／s)；</p><p>　　X、X、X——日測(cè)4次，每次測(cè)取2min的定時(shí)平均風(fēng)速(m／s)；</p><p>　　r、r、r——相關(guān)系數(shù)；</p><p>　　起始有效風(fēng)速的取值 風(fēng)力機(jī)的最小運(yùn)行風(fēng)速(起動(dòng)風(fēng)速)為3~5m／s，其中高速風(fēng)力機(jī)為4~5m／s，低

49、速風(fēng)力機(jī)為3~3.5m／s。</p><p>　　表1.1表明，當(dāng)小時(shí)平均風(fēng)速為3m／s時(shí)，對(duì)最小運(yùn)行風(fēng)速為4m／s以上的風(fēng)力機(jī)不起作用，而最小運(yùn)行風(fēng)速為3m／s的風(fēng)力機(jī)也只能運(yùn)轉(zhuǎn)25min。在上述情況下，風(fēng)力機(jī)時(shí)斷時(shí)續(xù)地工作，則難以獲得應(yīng)有的效益。</p><p>　　表1.1 運(yùn)行風(fēng)速平均持續(xù)率與小時(shí)平均風(fēng)速的關(guān)系</p><p>　　因此，通常對(duì)起始有效風(fēng)速的

50、取值為3.5m／s。</p><p>　　有效風(fēng)速小時(shí)數(shù)的取值：在風(fēng)能計(jì)算中，以時(shí)平均風(fēng)速為基本計(jì)算單位的，在統(tǒng)計(jì)時(shí)，將計(jì)算時(shí)間內(nèi)的時(shí)平均風(fēng)速劃分為幾個(gè)等級(jí)，然后進(jìn)行歸納統(tǒng)計(jì)。通用的劃分范圍為0(0~4)、1(0.5~1.4)、2(1.5~2.4)、3(2.5~3.4)、4(3.5~4.4)……。例如，平均風(fēng)速為3.5~4.4m/s以平均風(fēng)速為4m／s等級(jí)統(tǒng)計(jì)，依次類(lèi)推。我們可以用下列經(jīng)驗(yàn)公式將某地的月平均風(fēng)速換

51、算為月有效風(fēng)速的小時(shí)總數(shù)。</p><p><b>　　海島、海邊：</b></p><p>　　若月平均風(fēng)速＜5m／s，則</p><p>　　y＝-133.94+128.16x</p><p><b>　　r＝0.99</b></p><p>　　若月平均風(fēng)速＞5m／s則

52、</p><p>　　Y=244.3+48.44X</p><p><b>　　r＝0.95</b></p><p><b>　　內(nèi)陸：</b></p><p>　　Y＝-134.36+140X</p><p><b>　　r=0.99</b></

53、p><p>　　式中 Y——月有效風(fēng)速小時(shí)數(shù)(h)，</p><p>　　X——月平均風(fēng)速(m／s)，</p><p><b>　　y——相關(guān)系數(shù)。</b></p><p>　　有效風(fēng)速頻率的取值：某地區(qū)一年或—個(gè)月中有效風(fēng)速小時(shí)總數(shù)占一年或一月中總時(shí)數(shù)的百分比，叫有效風(fēng)速頻。一年總時(shí)數(shù)可按8760h計(jì)，月大按744h計(jì)，

54、月小按720 h計(jì)，其中2月份按672h計(jì)算。</p><p>　　平均風(fēng)這是指按各風(fēng)向在本月或本年內(nèi)各次觀(guān)測(cè)的風(fēng)程相加，即得到行風(fēng)句在本月或本年內(nèi)的總程，再除以風(fēng)向次數(shù)便可得到本月成本年內(nèi)的平均速率。這種風(fēng)速數(shù)據(jù)的整理法稱(chēng)為風(fēng)速與風(fēng)向的“混合整理法”，它的優(yōu)點(diǎn)是可以了解各個(gè)方位的平均風(fēng)速和各方位的不同值風(fēng)速的頻率，但是整理比較麻煩，而見(jiàn)當(dāng)觀(guān)測(cè)時(shí)期較短時(shí)，對(duì)于頻率少的方向的平均風(fēng)速的資料有可能會(huì)有偶然性的因素；另

55、一種方法是風(fēng)速、風(fēng)向分別處理。</p><p><b>　　1.4、風(fēng)能資源</b></p><p>　　風(fēng)能是太陽(yáng)能的一種轉(zhuǎn)換形式，是取之不盡，用之不竭的優(yōu)質(zhì)能源，它具有無(wú)污染、不需運(yùn)輸和貯存、便于獲取等特點(diǎn)。</p><p>　　1.4.1 風(fēng)能的概念及計(jì)算</p><p>　　所謂的風(fēng)能即是空氣運(yùn)動(dòng)所具有動(dòng)能，它

56、是太陽(yáng)能的一部分，根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)，風(fēng)的動(dòng)能可用下六簡(jiǎn)單表示出來(lái)： </p><p><b>　　（1—2）</b></p><p>　　式中ρ——空氣密度(kg／m)；</p><p>　　A——風(fēng)力機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)一圈所掃過(guò)的面積(m)；</p><p>　　V——風(fēng)速(m／s)； </p><p&

57、gt;　　如果風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪直徑為D，則</p><p><b>　　這時(shí)</b></p><p><b>　　（1—3）</b></p><p>　　1919年，皮期(Betz)在理論上發(fā)現(xiàn)，在一般的風(fēng)力機(jī)上，從風(fēng)能中可獲得的最高值為0.593或59.3％。一般說(shuō)來(lái)，一定高度范圍內(nèi)的空氣密度可以認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)。因此，當(dāng)風(fēng)力

58、機(jī)的風(fēng)輪越大，有效風(fēng)速時(shí)間越長(zhǎng)，特則是風(fēng)速越大，則風(fēng)力機(jī)所能獲得的風(fēng)能就越大。</p><p>　　可是風(fēng)力機(jī)本身，一般要消耗能量的二分之一左右。如果再用風(fēng)力機(jī)槳葉直徑D來(lái)表示面積A，則可利用的風(fēng)能EW：</p><p>　　EW= （1—4）</p><p>　　從上式中可看出，風(fēng)能的取得是和風(fēng)力機(jī)槳葉的直徑成

59、平方比例，但是和風(fēng)速成立方比例。因此選擇風(fēng)力機(jī)的地點(diǎn)非常重要。上式EW值因各種風(fēng)力機(jī)形狀不同而有區(qū)別，因此用下面的風(fēng)能利用系數(shù)（Power Coefflcient，Cp）來(lái)表示：</p><p><b>　　（1—5）</b></p><p>　　上式中CP的最大理論值為0.593，已在前面說(shuō)過(guò)，這叫做皮斯極限值。實(shí)際上，一般的風(fēng)能利用系數(shù)是在0.15一0.46之間。

60、</p><p>　　1.4.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率的計(jì)算</p><p>　　在標(biāo)準(zhǔn)條件下風(fēng)力機(jī)的功率（標(biāo)準(zhǔn)條件是指海拔高度為海平面高度、溫度為59.9華氏度時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)空氣密度值為0.38×10-3斯勒／英尺-3。如風(fēng)力機(jī)安裝位置不符合標(biāo)準(zhǔn)條件，則風(fēng)力機(jī)的功率P計(jì)算如下式：</p><p><b>　?。?—6）</b></p&g

61、t;<p>　　η是風(fēng)力機(jī)全效率(Over Efficency)</p><p>　　差值包括風(fēng)能利用系數(shù)：風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)以及所有傳動(dòng)部分的運(yùn)轉(zhuǎn)損失其值在0.1~0.5之間，一般估算可采用η＝0.3。</p><p><b>　　式中</b></p><p>　　Ca ——海拔高度變化時(shí)空氣密度值的修正系數(shù)?？刹楸?.2；<

62、/p><p>　　Ct ——溫度變化時(shí)，空氣密度值的修正系數(shù)?？刹楸?.2；</p><p>　　K ——換算系數(shù)，因計(jì)量單位不同而異。K值列于表1.3；</p><p><b>　　V ——風(fēng)速；</b></p><p>　　A ——槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)圓面積。</p><p>　　表1.2 空氣密度的修正系

63、數(shù)＊</p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)條件下海平面的溫度采用59.9°F，氣壓為14.7磅／平萬(wàn)英寸，空氣的密度值為0.002378斯勒／立方英尺。</p><p>　　表1.3 換算系數(shù)Ｋ</p><p>　　1.5、風(fēng)能發(fā)電原理</p><p>　　風(fēng)能發(fā)電的原理是利用風(fēng)輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，風(fēng)輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)再將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。小型風(fēng)

64、力發(fā)電機(jī)一般把風(fēng)力機(jī)組產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存到儲(chǔ)能設(shè)備（一般用蓄電池），需要時(shí)再提供給負(fù)載其系統(tǒng)如圖1.1；大型風(fēng)力機(jī)組發(fā)出的電能與電網(wǎng)直接相連，向電網(wǎng)饋電。</p><p>　　圖1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)方框圖</p><p>　　1.5.1 風(fēng)能密度</p><p>　　不考慮風(fēng)力機(jī)械的利用系數(shù)，單位面積獲得的風(fēng)功率稱(chēng)為風(fēng)能密度，并以此表征某地風(fēng)能潛力的大小</

65、p><p><b>　?。?—7）</b></p><p>　　推動(dòng)風(fēng)力機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)能功率是</p><p>　?。ǎ?（1—8）</p><p>　　式中：—空氣質(zhì)量密度（）；</p><p><b>　　—風(fēng)速（）；</b></p

66、><p>　　—風(fēng)力機(jī)械輪掃掠的面積（）</p><p>　　由于實(shí)際上風(fēng)力機(jī)械不可能將漿葉旋轉(zhuǎn)的風(fēng)能全部轉(zhuǎn)變?yōu)檩S的機(jī)械能，因而風(fēng)輪的實(shí)際功率應(yīng)為</p><p>　　（） （1—9）</p><p>　　式中：—風(fēng)能利用系數(shù)，即風(fēng)輪所接受的動(dòng)能與</p><p>　　通過(guò)風(fēng)輪掃掠面

67、積全部風(fēng)的動(dòng)能的比值。</p><p>　　以水平軸風(fēng)力機(jī)械為例，理論上最大風(fēng)能利用系數(shù)為0.593左右，但再考慮到風(fēng)速變化和將葉空氣動(dòng)力損失等因素，風(fēng)能利用系數(shù)能達(dá)到0.4就已經(jīng)相當(dāng)高了。</p><p>　　風(fēng)能密度有直接計(jì)算和概率計(jì)算兩種方法。近年來(lái)各國(guó)的風(fēng)能計(jì)算中，大多采用概率計(jì)算中的韋泊爾分布來(lái)擬合風(fēng)速頻率分布方法計(jì)算風(fēng)能密度。</p><p>　　1.5

68、.2、有效風(fēng)速和有效風(fēng)能密度</p><p>　　風(fēng)能發(fā)電機(jī)械的設(shè)計(jì)需根據(jù)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)況確定，該風(fēng)速成為“額定風(fēng)速”或者“設(shè)計(jì)風(fēng)速”，它與額定功率相對(duì)應(yīng)，由于風(fēng)的不穩(wěn)定性和隨機(jī)性，機(jī)械不可能一直都運(yùn)行在額定風(fēng)速下。所以風(fēng)力機(jī)就有工作風(fēng)速范圍，就是切入風(fēng)速到切出風(fēng)速，稱(chēng)為工作風(fēng)速，即有效風(fēng)速。依此計(jì)算的風(fēng)能密度稱(chēng)為風(fēng)能密度。</p><p>　　根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)GB8974—88風(fēng)力機(jī)術(shù)語(yǔ)：<

69、/p><p>　　起動(dòng)風(fēng)速——風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪從靜止開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)并能保持連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的最小風(fēng)速；</p><p>　　切出風(fēng)速——由于調(diào)節(jié)器的作用使風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)額定負(fù)載停止功率輸出的風(fēng)速；</p><p>　　切入風(fēng)速——風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)額定負(fù)載開(kāi)始有功率輸出時(shí)的最小風(fēng)速；</p><p>　　工作風(fēng)速——風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)額定負(fù)載有功率輸出的風(fēng)速范圍，一般為3—2

70、0。</p><p>　　從定義上可以看出，低于起動(dòng)風(fēng)速，風(fēng)力發(fā)電機(jī)不能運(yùn)行，而高于切出風(fēng)速，風(fēng)力發(fā)電機(jī)如果繼續(xù)在高風(fēng)速下運(yùn)行，將會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞風(fēng)力發(fā)電機(jī)，甚至造成人身事故，這尤其要引起人們的重視。</p><p>　　1.6、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)形式</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)形式有垂直軸式和水平軸式，分別介紹如下：</p><p>

71、　　垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī) 風(fēng)輪軸線(xiàn)的安裝位置與水平面垂直的風(fēng)力發(fā)電機(jī)稱(chēng)為垂直軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)。常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)有“S”型風(fēng)輪、戴瑞斯式風(fēng)輪和旋翼式風(fēng)輪三種。垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪圍繞一個(gè)垂直軸旋轉(zhuǎn)，其主要特點(diǎn)是可以從自任何方向接受風(fēng)，無(wú)需當(dāng)風(fēng)向改變時(shí)對(duì)風(fēng)。由于不需要調(diào)向裝置，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。另外一個(gè)垂直軸風(fēng)力機(jī)的特點(diǎn)是發(fā)電機(jī)和齒輪箱可安裝在地面。由于垂直軸風(fēng)力機(jī)不能大量捕獲風(fēng)能，而且占地面積大，需要大量材料，目前商用大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般為水平軸風(fēng)力發(fā)

72、電機(jī)。</p><p>　　水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī) 風(fēng)輪軸線(xiàn)的安裝位置與水平面夾角不大于15度的風(fēng)力發(fā)電機(jī)成為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。其風(fēng)輪有雙葉片式、三葉片式和多葉片式。按其迎風(fēng)方式又分為迎風(fēng)式（上風(fēng)式）和順風(fēng)式（下風(fēng)式）。這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)在國(guó)內(nèi)有比較成熟的技術(shù)，就其發(fā)電機(jī)的研究和生產(chǎn)而言其水平可以與其他國(guó)家相比較。</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要由風(fēng)輪、傳動(dòng)與變速機(jī)構(gòu)、發(fā)電機(jī)、塔架、迎風(fēng)及限

73、速機(jī)構(gòu)組成。</p><p><b>　　（1）風(fēng)輪</b></p><p>　　風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主體，受風(fēng)的作用風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。它包括漿轂和葉片。漿轂的作用是將變速機(jī)構(gòu)（或發(fā)電機(jī)）和葉片相連，葉片的功能是風(fēng)能接收。</p><p>　　（2）塔架、迎風(fēng)機(jī)構(gòu)和限速機(jī)構(gòu)</p><p>　　大型風(fēng)力機(jī)之前主

74、要由三腳鋼制成塔架，如今則采用了大小頭圓筒（象拉桿天線(xiàn)），用法蘭盤(pán)連接每節(jié)之間，這樣運(yùn)輸時(shí)上節(jié)放在下節(jié)里，非常方便。鋼管成架后，電纜、計(jì)算機(jī)、設(shè)備都置于管內(nèi)，非常實(shí)用。</p><p>　　小型風(fēng)力機(jī)就是以法蘭盤(pán)把幾節(jié)相同的圓鋼管連接起來(lái)，它可以根據(jù)地形及風(fēng)況決定使用幾節(jié)，然后用四根鋼索固定在地面上。</p><p>　　大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的迎風(fēng)機(jī)構(gòu)主要靠風(fēng)尾，只要風(fēng)尾設(shè)計(jì)得合理，其對(duì)風(fēng)性能完

75、全可以滿(mǎn)足技術(shù)要求。小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的限速方法比較多，主要是偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、仰頭機(jī)構(gòu)、離心機(jī)構(gòu)等。目前使用較多的主要是偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，在風(fēng)速超過(guò)工作風(fēng)速時(shí)，由于偏側(cè)的作用，風(fēng)輪受力超過(guò)額定要求，會(huì)自動(dòng)偏離，使之不能正常迎風(fēng)。自動(dòng)變漿距的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，在風(fēng)速超過(guò)工作風(fēng)速范圍時(shí)，它會(huì)自動(dòng)改變?nèi)~片的迎風(fēng)面，以減少風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的受風(fēng)面，使之不致速度上升，而風(fēng)速回復(fù)到工作風(fēng)速范圍時(shí)它會(huì)自動(dòng)恢復(fù)到正常狀態(tài)。</p><p><b&

76、gt;　　（3）發(fā)電機(jī)</b></p><p>　　發(fā)電機(jī)是將旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。大型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)大多為異步發(fā)電機(jī)。小型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要是低速永磁發(fā)電機(jī)，這主要是因?yàn)樾⌒惋L(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪直接耦合在發(fā)電機(jī)軸上，省去了升速機(jī)構(gòu)，這就要求發(fā)電機(jī)只有幾百轉(zhuǎn)/分，所以采用低速發(fā)電機(jī)。</p><p>　　（4）儲(chǔ)能設(shè)備及逆變器</p><p>　　小型風(fēng)

77、力發(fā)電機(jī)不可能采用大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的方法自動(dòng)并網(wǎng)，而且使用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)多是偏遠(yuǎn)地區(qū)。多變的風(fēng)速使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)的頻率和電壓的變化，不能被負(fù)載直接利用，這樣儲(chǔ)能環(huán)節(jié)就出現(xiàn)了，以便把能源從儲(chǔ)能設(shè)備中提取出來(lái)。一般小型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)儲(chǔ)能使用蓄電池，先用整流器把發(fā)電機(jī)的交變電流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娤蛐铍姵爻潆姡缓笥媚孀兤鲗⑿铍姵氐闹绷麟娮儞Q成交流電，供給負(fù)載。整流器和逆變器可以做成兩個(gè)裝置，也可以合為一體。多年的風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行表明，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的逆變器所要

78、找中解決的是可靠性及壽命，而不是技術(shù)性能指標(biāo)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)用的逆變器所面臨的負(fù)載不象一般的通訊和計(jì)算機(jī)設(shè)備，它必須能保證常年不斷的使用，又要承受風(fēng)速、負(fù)載變化的沖擊。目前小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)用逆變器雖然已經(jīng)比較完善，但是在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在一些技術(shù)難題。</p><p>　　圖1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的總體結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖1.2是目前常用的并網(wǎng)狀況下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)用的總體結(jié)構(gòu)示意圖。風(fēng)

79、以一定攻角和速度在槳葉上發(fā)生作用，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩而使槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)。風(fēng)輪上的葉片是徑向安置的，與旋轉(zhuǎn)軸垂直，并與風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)平面成一角度(安裝角)，風(fēng)輪一般為3片葉片數(shù)。隨塔架和風(fēng)輪相對(duì)位置的不同，水平軸風(fēng)力機(jī)有下風(fēng)向跟上風(fēng)向的區(qū)分。上風(fēng)向風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪在塔架的前面迎風(fēng)旋轉(zhuǎn)。下風(fēng)向風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪裝在塔架之后，風(fēng)先經(jīng)塔架，再到風(fēng)輪。下風(fēng)向風(fēng)力機(jī)能夠自動(dòng)對(duì)風(fēng)，無(wú)須調(diào)向裝置。而上風(fēng)向風(fēng)力機(jī)必須有某種調(diào)向裝置來(lái)保持風(fēng)輪迎

80、風(fēng)。由于一部分空氣通過(guò)塔架后再吹向風(fēng)輪，下風(fēng)向風(fēng)力機(jī)的塔架就干擾了流過(guò)葉片的氣流而所形成的塔影效應(yīng)，使性能有所降低，影響風(fēng)力機(jī)的出力。</p><p>　　第二章 計(jì)算葉輪的直徑</p><p>　　前面介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的—般概況．本章主要設(shè)計(jì)水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有關(guān)技術(shù)問(wèn)題。</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)的構(gòu)造可從幾千瓦以下簡(jiǎn)單的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)一直到幾千千瓦的復(fù)

81、雜風(fēng)力發(fā)電機(jī)。大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)要達(dá)到大功率并臺(tái)乎經(jīng)濟(jì)原則，非得利用先進(jìn)技術(shù)不可。到今天為止，100千瓦以上的風(fēng)力發(fā)電機(jī)已經(jīng)開(kāi)始使用，其最主要問(wèn)題還是結(jié)構(gòu)問(wèn)題，其次是控制問(wèn)題。</p><p>　　在風(fēng)能經(jīng)過(guò)風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪轉(zhuǎn)變成電能的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一系列的損耗，而設(shè)計(jì)優(yōu)良的風(fēng)發(fā)電機(jī)可以使這種損耗降到最低。圖2.1列出了風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)中損耗的分布。從圖中可看出，從發(fā)電機(jī)發(fā)出直流電用蓄電油蓄能，并用換流器變成交流電這個(gè)系統(tǒng)中效率

82、為70％，如再計(jì)及風(fēng)力機(jī)的效率40%，整個(gè)風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)的效率將為40％×70％＝28％。</p><p>　　圖 2.1 風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)效率圖示</p><p>　　2.1、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪的計(jì)算</p><p>　　2.1.1、葉輪直徑的計(jì)算</p><p>　　根據(jù)前面公式，可以改寫(xiě)成：</p><p><

83、;b>　　（2—1）</b></p><p><b>　　式中</b></p><p>　　Ca ——海拔高度變化時(shí)空氣密度值的修正系數(shù)。</p><p>　　Ct ——溫度變化時(shí)，空氣密度值的修正系數(shù)。</p><p>　　k ——換算系數(shù)，因計(jì)量單位不同而異。</p><p>

84、;　　V ——風(fēng)速（米/秒）；</p><p>　　e ——風(fēng)力機(jī)全效率（見(jiàn)圖3）；</p><p>　　A ——風(fēng)輪葉片回轉(zhuǎn)面積(平方米)；</p><p>　　P ——風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)功率（瓦）。</p><p>　　在本次設(shè)計(jì)中，發(fā)電機(jī)的額定率P為1千瓦，風(fēng)速由實(shí)際情況，選取四~五級(jí)風(fēng)速，V = 18英里/小時(shí)，風(fēng)力機(jī)全效率e取28%，&

85、lt;/p><p>　　Ca =1. 0；Ct = 1.0；V = 6米/秒；k = 0.6127；</p><p><b>　　( m2)</b></p><p><b>　　， ( m )</b></p><p>　　則該風(fēng)機(jī)葉輪的直徑為D＝4.65米，R=2.32米。</p><

86、;p>　　2.1.2、葉片的數(shù)目及其面積的計(jì)算</p><p>　　表2.2 葉片數(shù)目與葉尖速比的關(guān)系</p><p>　　葉片的數(shù)目與葉尖速比有關(guān)，葉尖速比可從圖2—2曲線(xiàn)上大略確定葉尖速比TSR為6，從表2—3中可知，取葉片數(shù)目為3較合適。再?gòu)膱D2—4中查出風(fēng)力機(jī)葉片密實(shí)比在0.03~0.07之間，取為0.05，則葉片總面積為：</p><p><

87、b>　?。ㄆ椒矫祝?lt;/b></p><p><b>　　每一片葉片面積為：</b></p><p>　　8.5 / 3 = 2.8 (平方米)</p><p>　　2.1.3、葉輪的轉(zhuǎn)速（ 轉(zhuǎn)/分 ）</p><p>　　葉輪的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)是很重要的。很多感應(yīng)發(fā)電機(jī)需要1800~18

88、50轉(zhuǎn)／分，而一般的小型葉輪均無(wú)法達(dá)到這樣高的轉(zhuǎn)速，因此需要配置變速箱來(lái)增加轉(zhuǎn)速。齒輪比以越低越好。有些情況下可以不需要配置變速箱，例如采用直流發(fā)電機(jī)、電子儀器控制的交流發(fā)電機(jī)或抽水機(jī)等。</p><p>　　葉輪轉(zhuǎn)速可由下面公式求出：</p><p>　　采用1800轉(zhuǎn)/分鐘的感應(yīng)發(fā)電機(jī)，則變速比應(yīng)為1800 / 250 =7.2，即采用7：1齒輪比的變速箱。</p>&l

89、t;p>　　2.2、葉片的結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)</p><p>　　2.2.1、葉片的剖面選擇</p><p>　　葉片剖面的形狀可從最簡(jiǎn)單的平板，到很復(fù)雜的翼形。在古代的風(fēng)車(chē)都是用平板或是風(fēng)帆型的葉輪，雖然效率很低，但是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單?，F(xiàn)代風(fēng)力機(jī)，尤其是大型風(fēng)力機(jī)，其葉片的選擇牽涉到復(fù)雜的空氣動(dòng)力學(xué)。這里不做介紹，只對(duì)本設(shè)計(jì)的選擇做出說(shuō)明。</p><p>　　任何的葉片

90、元在空氣中移動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生最基本的兩種力，即升力和阻力。</p><p>　　水平軸風(fēng)力機(jī)葉片的升阻比(升力與阻力的比值用L/D表示)，是一個(gè)重要的指標(biāo)，可由表2.3中查得。L／D值并不是越大越好。例如抽水機(jī)的各葉型風(fēng)力機(jī)，沖尖速比是在1.0左右，其L／D值不應(yīng)選得太高。一般選在20左右，比選擇L/D＝80~100的高值，葉片的剖面必然復(fù)雜，制造時(shí)，價(jià)格昂貴，設(shè)計(jì)上也有困難，總的效果并不比取L/D＝20時(shí)的葉片剖面高

91、多少，故應(yīng)根據(jù)具體情況選擇正當(dāng)數(shù)值。</p><p>　　表2.3 升阻比值與葉片剖面的關(guān)系</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中，為小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，葉尖速比TSR為6，故選擇螺旋型葉片，升阻比值L/D選在30~80之間。</p><p>　　2.2.2、葉片尺寸的選擇</p><p>　　葉片剖面形狀選定后，從選定的葉片翼型的特性曲線(xiàn)中選取開(kāi)升

92、阻比L/D的比值、相應(yīng)的迎角α及在此迎角下的最佳升力系數(shù)CL，下一步便是如何確定葉片詳細(xì)尺寸。葉片各段剖面的寬度或厚度可以設(shè)計(jì)為不同尺寸，為了在同樣葉片面積下能提高風(fēng)能利用系數(shù)，亦即提高葉輪或風(fēng)力機(jī)的效率，將葉片繞葉柄“扭”一下，使得葉片各處的安裝角θ不一致，角度值由葉根至葉尖逐次遞減，使葉片各處盡可能處在最佳迎角下工作，以獲取最大的升力，從而提高風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)。圖2—4是相對(duì)風(fēng)向角中與速比SR的關(guān)系曲線(xiàn)。葉尖速比（TSR）表示葉

93、尖速度與風(fēng)速的比值，由于葉片軸上各處的線(xiàn)速度與其所在處的半徑值成比例．故某處的速比可由下式求出：</p><p><b>　　（2—2）</b></p><p><b>　　式中:</b></p><p>　　TSR—— （葉尖速比）； </p><p>　　ω——風(fēng)輪轉(zhuǎn)速（r .p .m 轉(zhuǎn)/

94、秒）；</p><p>　　V——風(fēng)速（米/秒）；</p><p>　　R——風(fēng)輪半徑尺寸（米）；</p><p>　　r——葉片之所在處半徑(米)。</p><p>　　圖2.2是速比與葉片元形狀參數(shù)的關(guān)系曲線(xiàn)，這兩種曲線(xiàn)是為了幫助計(jì)算，使設(shè)計(jì)葉片上所受的空氣動(dòng)力能得到較平均的分配。</p><p>　　圖2.2

95、速比SR與相對(duì)風(fēng)向角關(guān)系曲線(xiàn) 圖2.3 速比與葉片元形狀參數(shù)關(guān)系曲線(xiàn)</p><p>　　翼型的特性曲線(xiàn)是按葉片展長(zhǎng)為無(wú)限大的條件下作出的，實(shí)際上葉片都是有限長(zhǎng)度，在整個(gè)葉片上所承受的空氣動(dòng)力必然小些，一般可增加一些葉片迎角來(lái)進(jìn)行校正。</p><p>　　所需增加的葉片平均迎角，可由下式求得：</p><p>　?。ǘ龋?

96、 （2—3）</p><p>　　式中 αb——葉片平均迎角(度)；</p><p>　　——升力系數(shù)為零時(shí)的迎角(通常為負(fù)值)度；</p><p><b>　　CL——升力系數(shù)；</b></p><p>　　——升力系數(shù)曲線(xiàn)平均斜率。即每增減一度迎角時(shí)，升力系數(shù)的變化值；</p><

97、p><b>　　AR——展弦比。</b></p><p><b>　?。?—4）</b></p><p>　　式中 L——葉片展長(zhǎng)，可取為葉輪半徑(米)；</p><p>　　——葉片平均弦長(zhǎng)（米）；</p><p>　　S——葉片面積（平方米）。</p><p&

98、gt;　　從圖2—4中的曲線(xiàn)，可求得各葉片元的相對(duì)風(fēng)向角φ，這曲線(xiàn)是按葉片迎角為零的條件下繪制的，故應(yīng)包括為校正而增加的葉片迎角值。各葉片元的實(shí)際安裝角θ應(yīng)為相對(duì)風(fēng)向角φ減去葉片平均邊角ab。</p><p>　　葉片元的弦長(zhǎng)可利用式2—4來(lái)計(jì)算：</p><p>　　（ 米 ） （2—5）</p><p>　　式中

99、 r ——葉片之所在處的半徑(米)；</p><p><b>　　SP——形狀參數(shù)；</b></p><p><b>　　CL——升力系數(shù)；</b></p><p><b>　　n ——葉片數(shù)。</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)是一個(gè)小型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，使用螺旋(扭曲

100、)型葉片，根據(jù)表2—4，L/D的值應(yīng)為30~80之間，現(xiàn)決定選用NACA4412翼型，其最高L/D值為75（合乎要求），相對(duì)應(yīng)的迎角為6°,密實(shí)比為0.05；葉尖速比為6；葉輪半徑R為2.3米。</p><p>　　現(xiàn)在把葉片分成五處來(lái)計(jì)算(設(shè)如右圖)。</p><p>　?。?）求各分段處葉片元的速比（式2—3）：</p><p>　?。?）求各分段處葉

101、片元的相對(duì)風(fēng)向角φ（查圖2.2）： 圖2.3 葉片 </p><p>　?。?）求各分段處的形狀參數(shù)（查圖2.2）：</p><p>　　（4）求各分段處葉片元的弦長(zhǎng)及葉片平均弦長(zhǎng)。</p><p>　　根據(jù)所選翼型特性曲線(xiàn)，當(dāng)迎角為6°時(shí)，最佳升力系數(shù)CL=0.97，應(yīng)用式2—4求弦長(zhǎng)：</p><

102、;p><b>　　米</b></p><p><b>　　米</b></p><p><b>　　米</b></p><p><b>　　米</b></p><p><b>　　米</b></p><p>

103、;<b>　　平均弦長(zhǎng) 米</b></p><p>　?。?）求葉片平均迎角（式2—3）： </p><p><b>　　從圖查出：</b></p><p>　　CL=0時(shí)，α= -4°；</p><p>　　α= 6°時(shí)，CL=0.97；</p><

104、p><b>　　SL=；</b></p><p>　　（6）求分段處葉片元的安裝角θ:</p><p>　　該葉片的最終尺寸繪如圖：</p><p><b>　　圖2.4 葉片尺寸</b></p><p>　　2.2.3、葉片翼型面的計(jì)算</p><p>　　現(xiàn)在作出葉

105、片的精確的圖形，在圖中，用上述中算出的相應(yīng)的翼弦長(zhǎng)度相相應(yīng)的翼角，對(duì)于每一個(gè)計(jì)算點(diǎn)，表示出翼型的橫截面如下。 </p><p>　　圖2.5 翼型葉片橫截面圖</p><p>　　查閱《風(fēng)力利用裝置設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》</p><p>　　葉片厚度在大概40%處為最大，</p><p>　　F1=4.80+2.48=7.28cm</p&g

106、t;<p>　　F2=6.38+3.26=9.64</p><p>　　F3=8.32+3.74=12.06</p><p>　　F4=9.15+3.39=12.64</p><p>　　F5=9.04+2.55=11.59</p><p>　　F6=8.42+1.42=9.84</p><p>　　F7

107、=7.40+1.07=8.47</p><p>　　F8=6.08+0.94=7.02</p><p>　　F9=4.05+0.54=4.59</p><p>　　F10=2.18+0.29=2.47</p><p>　　根部:（1）材料一般為金屬結(jié)構(gòu)；（2）外殼:一般為玻璃鋼；（3）龍骨(加強(qiáng)筋或加強(qiáng)框)：一般為玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料或碳纖維

108、增強(qiáng)復(fù)合材料。</p><p>　　離心力：作用在葉片上、其方向是將葉片拉離軸套方向的離心力，由下列公式給出：</p><p>　　離心力= ?。?－6）</p><p>　　其中，w——葉片重量(千克)；</p><p>　　SB——葉片重心的速率比；</p><p>

109、　　V——風(fēng)速(米／秒)；</p><p>　　RC——從圓周運(yùn)動(dòng)的圓心到葉片中心的距離(米)。</p><p>　　葉輪阻力＝ （2－7）</p><p>　　其中，A是葉輪的正面面積（平方米），v是風(fēng)速(米/秒)．</p><p>　　作用在沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)的、靜止著的風(fēng)車(chē)上的阻力大致為：

110、</p><p><b>　?。?－8）</b></p><p>　　其中，s是葉輪的實(shí)皮，葉輪阻力由上面第一個(gè)方程求出。</p><p>　　葉片的彎曲力矩(英寸．磅)，可按下列公式由加到每個(gè)葉片上的阻力求出：</p><p><b>　　（2－9）</b></p><p>

111、;　　其中，阻力按上述方法對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)行計(jì)算，而RC則是從旋轉(zhuǎn)中心到葉片重心的距離(米)，葉片重心在葉片的軸套到葉尖的中點(diǎn)位置。</p><p>　　最大的應(yīng)力處在葉片固緊于鈾套上的那一扁即在每個(gè)葉片的根部。</p><p>　　第三章．調(diào)速器的設(shè)計(jì)與發(fā)電機(jī)的選擇</p><p><b>　　3.1、調(diào)速器相關(guān)</b></p&g

112、t;<p>　　葉輪在風(fēng)速較大的情況下，受力也相應(yīng)增大，可能會(huì)使葉片折斷，故應(yīng)安裝一個(gè)調(diào)節(jié)器，使風(fēng)速增速的同時(shí)使葉片的受力穩(wěn)定，同時(shí)保證風(fēng)輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在某一個(gè)范圍內(nèi)。輪轂是風(fēng)輪的樞紐，也是葉片根部與機(jī)軸的連接處，所有從葉片上傳來(lái)的軸向力，都通過(guò)輪毅傳遞到傳動(dòng)系統(tǒng)．然后再傳到風(fēng)力機(jī)拖動(dòng)的對(duì)象(如發(fā)電機(jī))。輪轂也是控制葉片俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)的所在，從結(jié)構(gòu)觀(guān)點(diǎn)看，是最薄弱的所在。因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并應(yīng)特別留意細(xì)小環(huán)節(jié)以保證有足夠的

113、強(qiáng)度。有條件時(shí)，應(yīng)盡量爭(zhēng)取采用固定葉片(無(wú)俯仰轉(zhuǎn)動(dòng))。這樣敬不但能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)提高結(jié)構(gòu)壽命，而且能有效地降低成本。</p><p>　　當(dāng)風(fēng)輪對(duì)風(fēng)偏向角時(shí)，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速和cos成正比；而其功率則和成正比，即 ：</p><p><b>　　（3—1）</b></p><p><b>　?。?—2）</b></p>

114、<p>　　式中 ——當(dāng)γ=0時(shí)的轉(zhuǎn)速和功率；</p><p>　　——婁風(fēng)向和風(fēng)輪軸線(xiàn)成γ（>0）角時(shí)的轉(zhuǎn)速和功率</p><p>　　風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速合風(fēng)速成正比，而功率則和風(fēng)速的立方成正此，即</p><p><b>　　（3—3）</b></p><p><b>　　綜上所得<

115、/b></p><p><b>　　（3—4）</b></p><p>　　由式中可知，轉(zhuǎn)速和風(fēng)速風(fēng)別是轉(zhuǎn)速和風(fēng)速在風(fēng)輪上的投影。因此，當(dāng)風(fēng)速高于標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速時(shí)，如果要使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和功率保持不變，別必須使風(fēng)輪偏側(cè)一定的角度，或使風(fēng)葉的傾角變化角度，以使風(fēng)速在風(fēng)輪上的投影等于標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速。</p><p>　　表3.1 風(fēng)輪偏角與風(fēng)速的關(guān)系<

116、/p><p><b>　　3.2、調(diào)速器種類(lèi)</b></p><p>　　在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作過(guò)程中，由于風(fēng)速和風(fēng)向是不斷改變的，因而風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出功率也是不斷改變的。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率與風(fēng)速的三次方呈正比，在陣風(fēng)期間，風(fēng)速一秒鐘可變化15~20m/s，如果不采取措施加以控制，風(fēng)力發(fā)電機(jī)有可能在很短的時(shí)間內(nèi)超速運(yùn)行。如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率這樣急劇的變化，就缺乏

117、使用價(jià)值。另外，對(duì)大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，風(fēng)輪的最理想的轉(zhuǎn)速是保持恒定，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速要保持一定，無(wú)論風(fēng)速怎樣變化，所以要有機(jī)構(gòu)控制轉(zhuǎn)速。另一方面，調(diào)速系統(tǒng)當(dāng)風(fēng)速很大時(shí)可以用來(lái)減少葉片上的作用力并限制功率，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的壽命和結(jié)構(gòu)，調(diào)速控制是很關(guān)鍵的。</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)的調(diào)速方法主要有失速控制、風(fēng)輪偏側(cè)和變距調(diào)節(jié)三種類(lèi)型。</p><p><b>　　（1）風(fēng)輪偏側(cè)方法<