毕业设计(论文)小型风力发电机总体结构的设计.doc
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1、小型风力发电机总体结构的设计摘要基于开发风能资源在改善能源结构中的重要意义,本论文对风力机的特性作了简要的介绍,且对风力机的各种参数和风力机类型作了必要的说明。在此基础上,对风力发电机的原理和结构作了细致的分析。首先,对风力发电机的总体机械结构进行了设计,并且设计了限速控制系统。本课题设计的是一种新型的立式垂直轴小型风力发电机,由风机叶轮、立柱、横梁、变速机构、离合装置和发电机组成。这种发电机有体积小、噪音小、使用寿命长、价格低的特点,适合在有风能资源地区的楼房顶部,供应家庭用电,例如照明:灯泡,节能灯;家用电器:电视机、收音机、电风扇、洗衣机、电冰箱。其次,在老师的帮助下制作了限速控制的模型
2、。通过模型验证了小型垂直式风力发电机限速控制系统总体方案在实践中的效果,并且验证了程序是否正确,以及电路的设计是否合理。最后,模型验证的结果表明我设计的限速控制系统方案可行,程序正确,电路设计合理。为该类型风力发电机的设计和商品生产提供了理论依据。关键词:风力发电;限速控制系统;小型风力发电机;小型垂直轴风力发电机。AbstractExploiting wind energy resources is of great significance in improving energy structure. In the discourse,the characters of wind gene
3、rator are introduced briefly,while parameters and types of wind generators are also narrated. Base on these,the theory and constitution of the wind generator are meticulously analyzed. Firstly,Has carried on the design to wind-driven generators overall mechanism, And has designed the regulating cont
4、rol system. What I design is one kind of new vertical axis small wind-driven generator, by the air blower impeller, the column, the crossbeam, the gearshift mechanism, the engaging and disengaging gear and the generator is composed. This kind of generator has the volume to be small, the noise is sma
5、ll, the service life is long, the price low characteristic, suits in has the wind energy resources area building crown, the supply family uses electricity, For example illumination: The light bulb, conserves energy the lamp; Domestic electric appliances: Television, radio, electric fan, washer, elec
6、tric refrigerator.Secondly,I have manufactured the regulating control model. Through model verification small perpendicular wind-driven generator regulating control system overall concept effect in reality, and has confirmed the procedure to be whether correct, as well as electric circuits design to
7、 be whether reasonable.Finally,Model verifications result indicated I design the regulating control system plan is feasible, the procedure is correct, the circuit design is reasonable. It provides according as theory for qualitative design and commercial manufacture of this type of wind generator.Ke
8、y words:Wind power generation;Regulating control system;Small wind-driven generator;Small vertical axis wind-driven generator.目录摘要 .ABSTRACT .第一章 概述 .1 1.1 风力发电机概况 .1 1.2 风力发电机的研究现状 .1 1.2.1 国外风力发电机的研制情况 .1 1.2.2 国内风力发电机的研制情况 .2 1.3 研究风力发电机的目的和意义 .41.4 我国的风能资源及其分布 .5第二章 风力机理论 .8 2.1 基本公式 .8 2.1.1 风能
9、利用系数 .8 2.1.2 风压强 .8 2.1.3 阻力式风力机的最大效率 .8 2.2 工作风速与输出功率 .92.2.1 风力发电机的输出效率 .92.2.2 工作风速与输出功率 .92.2.3 启动风速和额定风速的选定 .10 2.3 风能利用与气象 .122.3.1 风的观测对风能利用的意义 .122.3.2 风能利用中需要的气象调查 .132.4 风的观测 .13第三章 风力发电机方案和结构设计 .14 3.1 小型垂直式风力发电机方案设计 .14 3.2 风叶 .14 3.3 行星齿轮加速器设计计算 .143.3.1 设计要求 .153.3.2 选加速器类型 .163.3.3 确
10、定行星轮数和齿数 .163.3.4 压力角()的选择 .163.3.5 齿宽系数的选择 .173.3.6 模数选择 .173.3.7 预设啮合角 .173.3.8 太阳轮与行星轮之间的传动计算 .173.3.9 行星轮与内齿轮之间的传动计算 .183.3.10 行星排各零件转速及扭矩的计算 .183.3.11 行星排上各零件受力分析及计算 .193.3.12 行星齿轮传动的强度校核计算 .203.4 电磁离合器设计计算 .243.4.1 选型 .243.4.2 牙嵌式电磁离合器的动作特性 .243.4.3 离合器的计算转矩 .243.4.4 离合器的外径 .243.4.5 离合器牙间的压紧力
11、.243.4.6 线圈槽高度 .243.4.7 磁轭底部厚度 .253.4.8 衔铁厚度 .25第四章 限速控制系统方案设计 .26 4.1 设计限速控制系统的目的 .26 4.2 限速控制系统方案分析 .26 4.3 单片机 .26 4.4 信号采集 .26 4.5 电路 .264.6 限速控制程序 .274.6.1 定时器周期 .274.6.2 程序流程图 .274.6.3 限速控制程序.28第五章 控制系统总体分析 .30 5.1 实验和模型设计的目的 .30 5.2 模型设计 .305.2.1 设计技术指标 .305.2.2 模型设计器件 .30 5.3 电路板 .30 5.4 限速控
12、制程序装置 .315.5 实验模型结果分析 .32第六章 结束语 .33致谢 .34参考文献 .35 第一章 概述1.1 机电一体化概要机电一体化是指在机构得主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术,将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。机电一体化发展至今也已成为一门有着自身体系的新型学科,随着科学技术的不但发展,还将被赋予新的内容。但其基本特征可概括为:机电一体化是从系统的观点出发,综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术,根据系统功能目标和优化组织目标,合理
13、配置与布局各功能单元,在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值,并使整个系统最优化的系统工程技术。由此而产生的功能系统,则成为一个机电一体化系统或机电一体化产品。因此,“机电一体化”涵盖“技术”和“产品”两个方面。只是,机电一体化技术是基于上述群体技术有机融合的一种综合技术,而不是机械技术、微电子技术以及其它新技术的简单组合、拼凑。这是机电一体化与机械加电气所形成的机械电气化在概念上的根本区别。机械工程技术有纯技术发展到机械电气化,仍属传统机械,其主要功能依然是代替和放大的体力。但是发展到机电一体化后,其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外,还能赋予许多新的功能,如
14、自动检测、自动处理信息、自动显示记录、自动调节与控制自动诊断与保护等。即机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸,还是人的感官与头脑的眼神,具有智能化的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质区别。1.2 风力发电机的研究现状1.2.1 国外风力发电机的研制情况美国从1974年起对风能进行系统的研究,能源部对风能项目的投资累计已达到25亿美元。许多著名大学和研究机构都参加了风能的研究开发,目前己安装了8个巨型风力发电机组。到19%年末,风力发电总装机容量己达到170xkw,所提供的电力占全美电力需求量的10%,居世界之首位,主要集中在加利福尼亚州。美国国会己通过了能源政策法,在能源部的规划下,
15、将会改变风力发电集中于加利福尼亚的局面,在年平均风速达5.6m/s的中西部12个州将建风力电站。据能源部预测,在未来15年内,风电将增加6倍。在今后2年内,在怀俄明、伊阿华、明尼苏达、得克萨斯、佛蒙特、缅因州等修建大型风电场,这些风电场将使美国风力发电能力再增加40xkw,预计到2010年,风力发电总装机容量将达到630xkw,可满足全美电力需求量的25%。德国是欧洲风力发电增长最快的国家,近年风力发电量急增,尤其沿海各州,风力发电发展迅速,己超过丹麦,成为世界第二。到1995年己建成1035座风力发电装置,装机容量49.4xkw,1996年新装机约950座,装机容量为48xkw,到19%年底
16、德国己拥有4500座风力发电装置,总装机容量达到约160xkw,1997年估计可增加5xkw,可为20多万个家庭提供日常用电。这些风力发电装置中的1600个是政府投资建设的。装机容量超过1OO0kW的风电场有250个,300OkW的最大风电场已投入使用,发电能力63xkw,西部5xkw风力发电计划可望在2一3年内完成,并投入运行。德国80%的风力发电装置都是安装在沿海地区,沿海各州已拟订其风力发展规划,下萨克森州计划到2005年,将风力发电能力增至13Oxkw,斯雷苏比克一霍尔斯泰因州议会决定到2010年建设120xkw风力发电设备,要求该地区配电公司、Schleswag电力公司大力配合,该公
17、司管辖区内的风电场装机已达33.7xkw,该公司也得到IPP(独立系统发电业者)大力协助,预定进行198xkw风电场的建设。丹麦是风力发电先进国家之一,它将风力发电作为国策,已有风力发电站近4000座,总装机容量73xkw,发电总量达到634xw,相当于一个中等规模的核电站发电量,占全国能源总消耗量的3.7%。丹麦政府在“能源2000计划”中规定,到2005年,风力发电目标为150xkw,相当于国内电力消费量的10%,到2020年,风力+PV+波力确保电力需要的25%,现在计划有减缓的倾向。环境厅对各自治体提出要求,要求他们单独提出风力发电装置建设计划,预计未来10年风力发电量将达到1500w
18、。荷兰1986年开始实施风力发电研究,开发5年计划NOW和引入风力发电5年计划IPW。目标为1991年末总装机容量达到5kw,但计划没达到预定目标,只达到4.9xkw,318座,发电总量5.5xkwh,其后决定实施1991一1996年目标为40xkw的TWI五年计划。计划目标是1994年末风力发电能力达到14.4xkw,629座,发电量为24.7xkw.h,为荷兰总发电量的1.2%。到1996年末,风力发电装机容量己达到3zxkw,2000年为50xkw。英国英伦三岛的风力资源相当丰富,特别是苏格兰是世界风力资源最丰富的地区之一。英政府历来重视风能等非化石燃料的开发,目前英国己有20多个风电场
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