风力发电机组总体设计

1.5 MW 双馈式风力发电机组的整体设计第一章引言第二章目录第三章正文1 风力发电（机）背景1.1风力发电发展历史及意义人类很早就利用风作为帆船、碾磨和灌溉的动力，其历史可以追溯到公元前5000年。

当人们开始用汽轮机和水轮机发电的时候，就有人建议利用风能进行发电。

1887年苏格兰教授James Blyth为了给用于照明的蓄电池充电而建立了人类历史上第一台用于发电的风机，该风机属于垂直轴型风机，高10米，叶轮直径8米。

几乎在同一个时间克利夫兰市(美国俄亥俄州东北部城市)的 Charles F. Brush利用当时在美国建造了当时已经算非常先进的风机，该风机高20米，风轮直径17m，有144个由雪松木制作的叶片，通过两级皮带传动带动一个12 KW 的直流发电机。

其安全系统确保发电机在任何转速下电压不能超过90伏，控制系统控制发电机的输出电压保持在70伏左右。

Brush 风机解决了很多令人头疼的问题，它不仅实现了自动控制，而且运行了20年。

但是由于 Brush 本人对空气动力学缺乏的充足认识，加之当时的空气动力学还没有形成相当完备的理论体系，使得其设计的风机虽有较好的扭距输出，但是能量转换效率较低。

1891年丹麦 Askov大学教授 Poul La Cour将气动翼型理论引入到风力发电机领域，并建造了一台只有四个叶片的直流风力发电机，该风机拥有相对较高的能量转换效率。

到1918年第一次世界大战结束时，丹麦已建造了120台 Cour 式风力发电机，总装机容量达到 3MW，发电量占到丹麦电力总消耗的3％。

Blyth风机Brush 风机 Cour 风机第一次世界大战之后，气动理论及相关技术发展到了一定的水平，所积累的大量经验促进了风电技术的进一步发展和理论的成熟。

1920年德国人 Albert Betz(贝兹) 提出了风机从风中获得最大能量的物理学准则，1926年，他借鉴空气动力学中的翼形理论对风机叶片的外形进行优化设计，并由此得出了一种简便的设计方法 ，即著名的Betz 设计理论。

1．总体设计一、气动布局方案包括对各类构形、型式和气动布局方案的比较和选择、模型吹风，性能及其他气动特性的初步计算，确定整机和各部件（系统）主要参数，各部件相对位置等。

最后，绘制整机三面图，并提交有关的分析计算报告。

二、整机总体布置方案包括整机各部件、各系统、附件和设备等布置。

此时要求考虑布置得合理、协调、紧凑，保证正常工作和便于维护等要求，并考虑有效合理的重心位置。

最后绘制整机总体布置图，并编写有关报告和说明书。

三、整机总体结构方案包括对整机结构承力件的布置，传力路线的分析，主要承力构件的承力型式分析，设计分离面和对接型式的选择，和各种结构材料的选择等。

整机总体结构方案可结合总体布置一起进行，并在整机总体布置图上加以反映，也可绘制一些附加的图纸。

需要有相应的报告和技术说明。

四、各部件和系统的方案应包括对各部件和系统的要求、组成、原理分析、结构型式、参数及附件的选择等工作。

最后，应绘制有关部件的理论图和有关系统的原理图，并编写有关的报告和技术说明。

五、整机重量计算、重量分配和重心定位包括整机总重量的确定、各部分重量的确定、重心和惯量计算等工作。

最后应提交有关重量和重心等计算报告，并绘制重心定位图。

六、配套附件整机配套附件和备件等设备的选择和确定，新材料和新工艺的选择，对新研制的部件要确定技术要求和协作关系。

最后提交协作及采购清单等有关文件。

总体设计阶段将解决全局性的重大问题，必须精心和慎重地进行，要尽可能充分利用已有的经验，以求总体设计阶段中的重大决策建立在可靠的理论分析和试验基础上，避免以后出现不应有重大反复。

阶段的结果是应给出风力发电机组整机三面图，整机总体布置图，重心定位图，整机重量和重心计算报告，性能计算报告，初步的外负载计算报告，整机结构承力初步分析报告，各部件和系统的初步技术要求，部件理论图，系统原理图，新工艺、新材料等协作要求和采购清单等，以及其他有关经济性和使用性能等应有明确文件。

第五章 风力发电机组总体设计5.1设计步骤 ......................................................................................... - 141 -5.2设计标准 ......................................................................................... - 142 -5.2.1风条件定义标准 .................................................................. - 143 -5.2.2 IEC 负载级别 ...................................................................... - 143 -5.2.3 局部安全因子 ..................................................................... - 144 -5.2.4极端负载状况 ...................................................................... - 144 -5.3 风力发电机组的几种结构形式 .................................................... - 147 -5.3.1 风轮轴方向的不同形式：水平轴或垂直轴 ..................... - 147 -5.3.2功率控制方式：失速、变桨距、气动表面控制或偏航控制 .... -147 -5.3.3风轮位置：塔架下风向或塔架上风向 .............................. - 148 -5.3.4偏航控制：驱动偏航、自由偏航或固定式偏航 .............. - 148 -5.3.5风轮速度：恒速或变速 ...................................................... - 148 -5.3.6设计尖速比和实度 .............................................................. - 148 -5.3.7轮毂类型：实体、摇摆、铰链叶片或万向型 .................. - 148 -5.3.8实度的选择，柔性叶片或硬性叶片 .................................. - 148 -5.3.9叶片数量 .............................................................................. - 149 -5.3.10塔架结构 ............................................................................ - 150 -5.3.11其它考虑因素 .................................................................... - 150 -5.4材料的选择 ..................................................................................... - 150 -5.4.1钢 .......................................................................................... - 150 -5.4.2复合材料 .............................................................................. - 151 -5.4.3铜 .......................................................................................... - 151 -5.4.4混凝土 .................................................................................. - 151 -5.5 风机性能曲线 ................................................................................ - 151 -5.5.1λ-P C 性能曲线 .................................................................. - 152 -5.5.2实度对性能曲线的影响 ...................................................... - 152 -5.5.3λ-Q C 性能曲线 .................................................................. - 153 -5.5.4λC性能曲线 .................................................................. - 154 --T5.6设计成本优化................................................................................. - 154 -5.6.1以风轮直径为设计参考值.................................................. - 155 -5.6.2以额定风速为设计参考值.................................................. - 156 -5.6.3各参数与风轮半径的比例变化关系.................................. - 158 -5.7风力发电机组优化设计................................................................. - 161 -5.7.1风轮转速优化设计.............................................................. - 161 -5.7.2叶片数量优化设计.............................................................. - 162 -5.7.3跷跷板摆动结构.................................................................. - 164 -5.7.4功率控制.............................................................................. - 165 -5.7.5刹车系统.............................................................................. - 169 -5.7.6变速运行方式...................................................................... - 169 -5.7.7发电机的选择...................................................................... - 171 -5.7.8传动链布局.......................................................................... - 171 -5.8人身安全设计考虑......................................................................... - 173 -第五章风力发电机组总体设计风力发电机组除了完成最基本的能量转换之外，还要考虑成本和竞争性。

小型风力发电机总体结构的设计首先，塔架结构是小型风力发电机的基础支撑结构，主要作用是稳定风轮的位置和方向。

塔架通常由金属或钢筋混凝土制成，高度一般在10米至30米之间。

在设计时，需要考虑到塔架的强度、稳定性和耐久性，以及便于安装和维护。

其次，风轮（葉片）设计是小型风力发电机的核心部分，负责接受风能并驱动发电机发电。

风轮通常由数个叶片组成，常见的材料有玻璃纤维、碳纤维等。

在设计时，需要考虑到叶片的形状、长度和材料的选择，以提高风轮的效率和稳定性。

风轮的设计应考虑到叶片的形态优化，以降低风阻和噪音，提高风能的利用率。

通常采用的形状有直接扇形、折叠扇形、三角扇形等，可以通过风洞实验和仿真计算来确定最佳形状。

此外，风轮还需要考虑叶片的长度和数量，以适应不同风速和功率要求。

第三，发电机是将风能转换为电能的关键设备。

通常采用的是永磁同步发电机，可以有效提高发电效率。

永磁同步发电机结构简单、效率高、体积小、重量轻，是小型风力发电机中较为常用的一种类型。

同时，发电机还需要配备适当的传感器和电器设备，以确保风能可以稳定地转换为电能，并兼容与电网或电池的连接。

最后，控制系统是小型风力发电机的重要组成部分，主要用于监测风速、机组运行状况、电压输出等，并根据实时情况对发电机进行调节。

控制系统通常包括风速传感器、转速传感器、电流传感器、电压传感器、电池管理系统等。

这些传感器和电器设备可以与发电机和电网进行连接，实现风力发电机的自动化控制和监测。

总之，小型风力发电机的总体结构设计需要考虑到塔架结构、风轮（葉片）设计、发电机和控制系统。

这些设计要素的合理搭配和优化可以提高风力发电机的效率、稳定性和可靠性，为户外和偏远地区提供可持续的电力供应。

风力发电机总体结构设计
风力发电机结构由发电机组、风轮、变换器、轮毂装置、定子结构及支架等部分组成。

发电机组由定子、转子组成，定子由传动轴、主定子绕组和变换器绕组组成，转子由发电机轴和转子绕组组成。

风轮是风力发电机的核心部件，是将风能转化为机械能的器件，将风轮与发电机传动轴连接上，形成发电机的输入部分，从而实现风能的机械转换。

变换器主要由三部分组成：变换器绕组、变换器定子绕组和变换器转子绕组，用于改变定子绕组诱导电流。

轮毂装置是由轮毂、卧链条和滑块组成的，用于实现发电机组的调速。

定子结构主要由铁心和定子夹紧组成，负责定子绕组的固定。

支架是整个风力发电机的支撑结构，需要具有足够的强度、刚度和稳定性，用于将风力发电机吊装在柱上，并将风力发电机组整体固定在柱上。

风力发电机总体结构设计
风力发电机是一种利用风能转换成电能的设备，其总体结构设计包括以下几个方面：
1.叶轮和轴：叶轮是将风能转化成机械能的关键部件，其大小、形状和材料的选择会影响风力发电机的转速、转矩和效率。

轴是连接叶轮和发电机的部件，其强度和刚度需满足叶轮的要求。

2.发电机：发电机是将机械能转化成电能的核心部件，其转速和功率输出需与叶轮匹配。

发电机的类型、转子和定子的结构以及电磁设计都会影响风力发电机的性能。

3.塔架和基础：塔架是支撑叶轮和发电机的结构，其高度和稳定性需满足风场的要求。

基础是连接塔架和地面的部件，其承载能力和稳定性需考虑土壤和地形条件。

4.控制系统：控制系统包括风向传感器、风速传感器、转速传感器和电控箱等部件，其主要作用是监测风力发电机的状态，控制叶轮和发电机的运行，保证风力发电机的安全性和稳定性。

综上所述，风力发电机的总体结构设计需要综合考虑叶轮、轴、发电机、塔架、基础和控制系统等方面的要求，以达到最佳的性能和经济效益。

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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。

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 generator 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 generator's overall mechanism,And has designed the regulating control 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 small,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,electric 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 circuit's design to be whether reasonable.Finally，Model verification's 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.Key words：Wind power generation；Regulating control system；Small wind-driven generator；Small vertical axis wind-driven generator.目录摘要 (Ⅰ)ABSTRACT (Ⅱ)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 (4)1.4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 (9)2.2.1风力发电机的输出效率 (9)2.2.2工作风速与输出功率 (9)2.2.3启动风速和额定风速的选定 (10)2.3风能利用与气象 (12)2.3.1风的观测对风能利用的意义 (12)2.3.2风能利用中需要的气象调查 (13)2.4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 (14)3.3.1设计要求 (15)3.3.2选加速器类型 (16)3.3.3确定行星轮数和齿数 (16))的选择 (16)3.3.4压力角(3.3.5齿宽系数的选择 (17)3.3.6模数选择 (17)3.3.7预设啮合角 (17)3.3.8太阳轮与行星轮之间的传动计算 (17)3.3.9行星轮与内齿轮之间的传动计算 (18)3.3.10行星排各零件转速及扭矩的计算 (18)3.3.11行星排上各零件受力分析及计算 (19)3.3.12行星齿轮传动的强度校核计算 (20)3.4电磁离合器设计计算 (24)3.4.1选型 (24)3.4.2牙嵌式电磁离合器的动作特性 (24)3.4.3离合器的计算转矩 (24)3.4.4离合器的外径 (24)3.4.5离合器牙间的压紧力 (24)3.4.6线圈槽高度 (24)3.4.7磁轭底部厚度 (25)3.4.8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 (26)4.6限速控制程序 (27)4.6.1定时器周期 (27)4.6.2程序流程图 (27)4.6.3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 (30)5.2.1设计技术指标 (30)5.2.2模型设计器件 (30)5.3电路板 (30)5.4限速控制程序装置 (31)5.5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风力发电机概况风能的利用有着悠久的历史。