小型风力发电装置的设计文档格式.docx
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第三周：
进行螺旋传动的设计和计算；
第四周：
进行发电机的设计；
第五周：
绘制草图
第六周：
完善初稿及草图使其语言更加简练、布局更加合理；
第七周：
整理电子稿；
第八周：
再次修改论文，进行答辩
指导教师（签名）：
摘 要
风能是一种无污染、可再生的清洁能源。
早在公元前200年，人类就开始利用风能了。
提水、碾米、磨面及船的助航都有利用风能的记载。
自第一次世界大战之后，丹麦仿造飞机的螺旋桨制造二叶和三叶高速风力发电机发电并网使用直至现在，风力发电机经历了近百年的发展里程。
20世纪80年代之后，世界工业发达国家率先研究、快速发展了风力发电机，建设了风电场。
现在风力发电机制造成本不断下降，已接近水力发电机的水平，制造及使用技术也日趋成熟。
20世纪末，世界每年风电装机容量以近20%的增长速度发展，风电现在已成为世界能源中发展最快的能源。
如果在总面积0.6%的地方安装上风力发电机，就能提供全部电力消耗的20%，可以关闭供电能力20%的以燃烧煤、重油等碳氢化合物为燃料而排放SO2、CO2和烟尘对大气和地球环境造成污染和破坏的火电场。
在今后10年，风力发电将成为世界各国重点发展的能源之一，风力发电机的制造业也必将成为新兴的机械制造业。
也将带动诸如大型钢管、钢板等冶金行业，发电机制造，电器控制，液压机械，复合材料等行业的发展；
势必推动蓄电池向大容量、小体积、高效方向发展势必拓宽微机在风力发电机自动控制方面的应用和发展。
风力发电机的发展及其拉动的行业发展将成为数以万计的人创造就业机会。
可见，发展风力发电机及风力发电对于发展经济，保护环境，有着重要意义。
我国地域辽阔，风能资源丰富，风能储量达25.3亿MW。
1991年国家计委实施了“乘风计划”和“光明工程”，为中国全面发展大、中、小型风力发电机及风力发电创造了条件。
至2010年，我国在风能资源丰富地区先后建了249个风电场，总装机容量1546MW，已形成一定的风力发电基础及积累了较丰富的风力发电的经验。
风力发电机除应用于风电场外，尚有广阔的应用领域。
中、小型风力发电机可为国家电网上不能达到的地区的农民、牧民、海岛渔民提供生产生活用电。
可见，我国风力发电机及风力发电的发展前景十分广阔，前途光明。
关键词：
小型，高效，节能
（1）论文第二页为300字左右的中文内容摘要，应说明本论文的目的、研究方法、成果和结论。
（2）论文摘要是学位论文的缩影，尽可能保留原论文的基本信息，突出论文的创造性成果和先进性。
（3）论文摘要应尽量深入浅出，通俗易懂，少用公式字母，语言力求精炼、准确。
（4）在本页的最下方另起一行，注明本文的关键词3-8个。
目 录
正文
1概述
1.1风力发电机的发展史简介
早使用风帆船和风车的国家之一，至少在3000年前的商代就出现了帆船，到唐代风帆船已广泛用于江河航运。
最辉煌的风帆时代是明代，14世纪初叶中国航海家郑和七下西洋，庞大的风帆船队功不可没。
明代以后风车得到了广泛的应用，我国沿海沿江的风帆船和用风力提水灌溉或制盐的做法，一直延续到20世纪50年代，仅在江苏沿海利用风力提水的设备增达20万台。
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随着蒸汽机的出现，以及煤、石油、天然气的大规模开采和廉价电力的获得，各种曾经被广泛使用的风力机械，由于成本高、效率低、使用不方便等，无法与蒸汽机、内燃机和电动机等相竞争，渐渐被淘汰。
欧洲到中世纪才广泛利用风能，荷兰人发展了水平轴风车。
18世纪荷兰曾用近万座风车排水，在低洼的海滩上造出良田，成为著名的风车之国。
德国、丹麦、西班牙、英国、荷兰、瑞典、印度加拿大等国在风力发电技术的研究与应用上投入了相当大的人力及资金，充分综合利用空气动力学、新材料、新型电机、电力电子技术、计算机、自动控制及通信技术等方面的最新成果，开发建立了评估风力资源的测量及计算机模拟系统，发展了变浆距控制及失速控制的风力机设计理论，采用了新型风力机设计理论，采用了新型风力机叶片材料及叶片翼型，研制出了变极、变滑差、变速、恒频及低速永磁等新型发电机，开发了由微机控制的单台及多台风力发电机组成的机群的自动控制技术，从而大大提高了风力发电的效率及可靠性。
到了19世纪末，开始利用风力发电，这在解决农村电气化方面显示了重要的作用，特别是20世纪70年代以后，利用风力发电更进入了一个蓬勃发展的阶段。
1.2我国现阶段风电技术发展状况
中国现代风力发电机技术的开发利用起源于20世纪70年代初。
经过初期发展、单机分散研制、系列化和标准化几个阶段的发展，无论在科学研究、设计制造，还是试验、示范、应用推广等方面均有了长足的进步和很大的提高，并取得了明显的经济效益和社会效益。
我国对风电已有部分优惠政策，包括一下几个方面:
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1）风电配额:
制定出常规火电污染排放量分配比例，由全国所有省区共同分摊的政策。
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2）风电上网电价:
落实风电高于火电的价差摊到全省的平均销售电价中。
制定出按常规水电污染排放量分配比例，由全国所有省区共同分摊的政策。
按地区具体情况定出风电最高上网电价的限制，并保持10年不变，促使业主充分利用资源，降低成本。
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3）售电增值税:
增加了新的税源，建议参照小水电，核定风电销售环节增值税率为6%。
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4）银行贷款:
为降低风电电价，减轻还贷压力，建议适当延长风电还贷期限还贷期增至15年；
为风电项目提供贴息贷款。
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5）鼓励采用国产化风电机:
为采用国产化风电机的业主提供补贴和贴息贷款,补偿开发商的风险，帮助初期国产化机组进入市场，得到批量生产和改进产品的机会,以利降低成本。
表1-1
中国风电场装机容量发展情况（单位：
万KW）
装机
容量
2004
2005
2006
2007
2008
2009
当年
新增
4.47
7.65
5.72
6.69
9.98
19.8
累计
26.83
34.48
40.20
46.62
56.6
76.4
1.3
风能利用发展中的关键技术问题
风能利用发展中的关键技术问题风能技术是一项涉及多个学科的综合技术。
而且，风力机具有不同于通常机械系统的特性：
动力源是具有很强随机性和不连续性的自然风，叶片经常运行在失速工况，传动系统的动力输入异常不规则，疲劳负载高于通常旋转机械几十倍。
对于这样的强随机性的综合系统，其技术发展中有下列几个关键技术问题
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1）空气动力学问题h[5<
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空气动力设计是风力机设计技术的基础，它主要涉及下列问题:
一是风场湍流模型，早期风力机设计采用简化风场模型，对风力机疲劳载荷和极端载荷的确定具有重要意义；
另一是动态气动模型。
再一是新系列翼型。
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2）结构动力学问题CgLS2
准确的结构动力学分析是风力机向更大、更柔和结构更优方向发展的关键。
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3）控制技术问题
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风力机组的控制系统是一个综合性的控制系统。
随着风力机组由恒速定浆距运行发展到变速变浆距运行，控制系统除了对机组进行并网、脱网和调向控制外，还要对机组进行转速和功率的控制，以保证机组安全和跟踪最佳运行功率。
1.4研究风力发电机的目的和意义
中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，能源利用以煤炭为主。
在当前以石化能源为主体的能源结构中，煤炭占73.8%，石油占18.6%，天然气占2%，其余为水电等其它资源。
在电力的能源消费中，也是以煤炭为主，燃煤发电量占总发电量的80%。
但是，能为人类所用的石化资源是有限的，据第二届环太平洋煤炭会议资料介绍，按目前的技术水平和采掘速度计算，全球煤炭资源还可开采200年。
此外，石油探明储量预测仅能开采34年，天然气约能开采60年。
随着人口的增长和经济的发展，能源供需矛盾加剧，如果不趁早调整以石化能源为主体的能源结构，势必形成对数亿年来地球积累的生物石化遗产更大规模的挖掘、消耗，由此将导致有限的石化能源趋于枯竭，人类生态环境质量下降的恶性循环，不利于经济、能源、环境的协调发展。
电力部己制定“大力发展水电，继续发展火电，适当发展核电，积极发展新能源发电”的基本原则，把风力发电作为优化我国电力工业结构跨世纪的战略发展目标。
八届人大四次会议批准的我国经济和社会发展“九五”计划和2010年远景目标纲要中提出“积极发展风能、海阳能、地热能等新能源发电”的指导方针，为我国发展多能互补的能源结构新格局起到了指导和促进作用。
风能是对人类生存环境影响最小的能源。
除此之外，风能资源非常丰富，取之不尽，用之不竭。
据统计，太阳向地球辐射的巨大能量中，约有1%转化为风能。
这些能量相当于全球每年消耗的煤、石油等化石燃料能量的总和，可见风能的潜力是非常大的。
随着风力发电技术日趋成熟，风力发电规模也不断扩大，美国加州由数家风能公司提供给电网的电量，足以供应旧金山这样的大城市的居民需求。
我国风电事业近年来发展较快，已有16万台微型风力发电机用于边远山区、牧区、海岛，初步解决了地处边远，居住分散，电网难以到达地区的居民用电问题。
同时也遏制了微型汽油发电机的发展，在节约石化燃料的同时，避免了各种有害气体的排放。
国家“九五”新能源发展计划提出，“九五”期间全国风力发电的总装机容量要突破40万千瓦。
为此，国家从宏观规划角度出发，制定了“乘风计划”，面向国内外市场发展风力发电。
“乘风计划”不仅会大大促进我国风电事业的发展，而且对减排有害污染物，促进环境的改善有着重要意义。
风力发电近几年发展如此之快，是因为它有许多优点：
1.设备简单，投资少，成本低，风力发电机的整个设备成本不足功率相当的火力发电，水力发电和核电站成本的1/4，在二、三年内就可以收回全产投资；
2.节省燃料和运输费用。
在风力资源丰富的地区，风力是取之不尽，用之不竭的，可就地建立风力发电站，就地用电，这样就可以节省大量的输电设备和能源。
许多燃料是十分重要的化学原料，把它白白的燃掉是十分可惜的。
我国资源并不十分丰富，充分利用风力资源意义就更重大了；
3.利用风力可以减少对大气的污染，保护我们人类赖以生存的自然环境。
化学燃料不断向大气中排放对生物有害物质，严重的威胁人们健康，而风力能源则没有任何影响人类健康的有害物质。
由于它是清洁能源，对环境无污染，又由于我们国家地形复杂，人口又多，居住分散，对于电网涉及不到的地区，特殊行业，可以补充大电网的缺陷，起到拾遗补缺的作用，可以利用小型风机风力发电的地方主要有：
（l）航运系统我们有长江等水系几条大河流，如长江航运中的拖船，一般在100一200吨，经常被搁置在江中间的锚地上，用电主要靠蓄电池。
使用风力发电机对蓄电池补充充电效果很好，这方面有成功的经验。
但是，由于国有运输企业的不景气，影响了市场。
另外，我们大小河流湖泊上的船舶数量惊人，用小型风力发电机解决它们的照明、收视电视、听广播，有很重要的意义和市场。
（2）森林防火高山观察站据林业部防火指挥部介绍，东北约有400个观察站，西南也有几百个高山观察站，各省市都有一些森林高山防火观察站，站上的工作人员，在防火期从10月到第二年4、5月期间昼夜在站上值勤，解决他们的照明及听广播、看电视颇为费神。
由于山高、道路狭窄歧岖、运输困难，又不能使用明火，使用小型风力发电机可以基本解决观察站的照明及娱乐用电。
90年代初，个别观察站曾使用过小型风力发电机。
由于风力发电机的某些技术问题及使用人员的素质因素，没有得到推广。
（3）无人值守的差转台和微波站。
（4）东南沿海各孤立的岛屿。
（5）围网养殖系统。
（6）农牧区。
（7）国际市场。
2风力发电机的工作原理
风力发电机工作原理简单的说是:
风的动能（即空气的动能）转化成发电机转子的动能，转子的动能又转化成电能。
风力发电机工作原理是利用风能可再生能源的部分。
由1995年到2005年之间的年增长率为28.5％。
根据德国风（DEWI）的估计，风能发电的年增长率将保持高增长率，在2012年或之前全球风力发电装机容量可能达到150千兆瓦。
发电风力发电机最初出现在十九世纪末。
自二十世纪八十年代起，这项技术断发展并日渐成熟，适合工业应用。
近二三十年，典型的风力发电机的风轮直径不断增大，而额定功率也不断提升。
在二十一世纪初，风力发电机最具经济效益的额定输出功率范围600千瓦至750千瓦之间，而风轮直径则在40米至47米之间。
当时所有制造商都有生产这类风力发电机。
新一代的兆瓦级风力发电机是以这类机种作为基础发展出来的。
二零零七年初，有一些制造商开始生产额定功率为几兆瓦而风轮直径达到约90米的风力发电机（例如VestasV903.0兆瓦风电机，NordexN902.5兆瓦风电机等等），甚至有些直径达100米（如GE3.6兆瓦风电机）。
这些大型风力发电机主要市场是欧洲。
在欧洲，适合风电的地段日渐减少因此有逼切性安装发电能力尽量高的风力发电机。
例如：
下图
1）在海平面高度和摄氏15度的条件下，乾空气密度为1.225千克/立方米。
空气密度随气压和温度而变。
随著高度的升高，空气密度也会下降。
於上述公式中可以看出，风的功率与速度的三次方〔立方〕成正比，并与风轮扫掠面积成正比。
不过实际上，风轮只能提取风的能量中的一部分，而非全部。
2）风力发电机的工作原理
现代风力发电机采用空气动力学原理，就像飞机的机翼一样。
风并非"
推"
动风轮叶片，而是吹过叶片形成叶片正反面的压差，这种压差会产生升力，令风轮旋转并不断横切风流。
风力发电机的风轮并不能提取风的所有功率。
根据Betz定律，理论上风电机能够提取的最大功率，是风的功率的59.6%。
大多数风电机只能提取风的功率的40%或者更少风力发电机主要包含三部分∶风轮、机舱和塔杆。
大型与电网接驳的风力发电机的最常见的结构，是横轴式三叶片风轮，并安装在直立管状塔杆上。
风轮叶片由复合材料制造。
不像小型风力发电机，大型风电机的风轮转动相当慢。
比较简单的风力发电机是采用固定速度的。
通常采用两个不同的速度-在弱风下用低速和在强风下用高速。
这些定速风电机的感应式异步发电机能够直接发产生电网频率的交流电。
比较新型的设计一般是可变速的（比如Vestas公司的V52-850千瓦风电机转速为每分钟14转到每分钟31.4转）。
利用可变速操作，风轮的空气动力效率可以得到改善，从而提取更多的能量，而且在弱风情况下噪音更低。
因此，变速的风电机设计比起定速风电机，越来越受欢迎。
机舱上安装的感测器探测风向，透过转向机械装置令机舱和风轮自动转向，面向来风。
设於塔底的变压器（或者有些设於机舱内）可提升发电机的电压到配电网电压（香港的情况为11千伏）。
所有风力发电机的功率输出是随著风力而变的。
强风下最常见的两种限制功率输出的方法（从而限制风轮所承受压力）是失速调节和斜角调节。
使用失速调节的风电机，超过额定风速的强风会导致通过业片的气流产生扰流，令风轮失速。
当风力过强时，业片尾部制动装置会动作，令风轮剎车。
使用斜角调节的风电机，每片叶片能够以纵向为轴而旋转，叶片角度随著风速不同而转变，从而改变风轮的空气动力性能。
当风力过强时，叶片转动至迎气边缘面向来风，从而令风轮剎车。
叶片中嵌入了避雷条，当叶片遭到雷击时，可将闪电中的电流引导到地下去。
在风速很低的时候，风电机风轮会保持不动。
当到达切入风速时（通常每秒3到4米），风轮开始旋转并牵引发电机开始发电。
随著风力越来越强，输出功率会增加。
当风速达到额定风速时，风电机会输出其额定功率。
之後输出功率会保留大致不变。
当风速进一步增加，达到切出风速的时候，风电机会剎车，不再输出功率，为免受损。
风力发电机的性能可以用功率曲线来表达。
功率曲线是用作显示在不同风速下（切入风速到切出风速）风电机的输出功率。
3SolidWorks简介
SolidWorks是创新的易学易用的标准三维设计软件，是基于Windows开发的三维CAD系统，有全面的实体造型功能，可快速生成完整的工程图纸，还可进行模具制造及计算机辅助分析。
目前SolidWorks软件已成为三维机械设计软件的标准。
该软件的显著优点为:
（1）功能强大无与伦比的、基于特征的实体建模功能;
采用智能化装配技术、智能零件技术和镜像部件等技术来加快装配体的总体装配;
技术先进的互联网协同工作能力等。
整个产品设计是百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间全相关。
（2）易学易用"
全动感的"
用户界面，为用户提供了一整套完整的动态界面和鼠标拖动控制，有效减少了设计步骤和多余的对话框。
（3）技术创新第I个基于Wind、平台的三维机械CAD软件;
第1个创造了特征管理员的设计思想;
第1个在Windows平台下实现了自顶向下的设计方法;
第I个实现动态装配干涉检查的CAD软;
第1个实现智能化装配的CAD软件;
第I个开发特征自动识别的软件;
第I个开发基于lntemel的电子图板发布工具。
4小型风力发电机的设计与计算
4.1风力发电机的功率
风的能量指的是风的动能。
特定质量的空气的动能可以用下列公式
能量=1/2X质量X（速度）^2
吹过特定面积的风的的功率可以用下列公式计算.
功率=1/2X空气密度X面积X（速度）
其中:
功率单位为瓦特
速度单位为米/秒
面积指气流横截面积，单位为平方米
空气密度单位为千克/立方米
法拉第电磁感应定律：
当导线的运动方向跟磁场强度B垂直时，可用公式表示为：
e=BLV
式中：
e——表示感生电动势，单位伏特
B——表示磁感应强度，一般为5000~8000高斯
L——表示导线长度，单位米
V——导线在磁场中移动速度，单位米/秒
4.2、风力发电机的设计与零件图
1）支架是由上托板、下托板、支柱、轴承及地脚螺钉组成。
上托板的作用是支撑立杆和整个动力杆的重量。
下托板是为安装发动机和支承在其它基础上的。
支柱的作用是：
将上托板，下托板连接成一个牢固的支架。
2）、定子磁场
定子磁场是由四级磁环和弧形板组成。
定子磁场是全机最难制作的部分，也是四级发电机成败与性能优劣的关键。
必须注意判断N-S级所在端面。
四级磁环是按N-S-N-S极交错的组合在一起，形成环形，用万能胶或乳白胶粘接。
干固后再进一步修制成半径是15的弧形面。
弧形板是磁性钢片在直径为30的圆棒上弯制成弧形，在每个磁环磁极外侧要粘结弧形板以形成完整的定子磁场。
如下图：
3）、电枢绕组
绕制线圈：
取直径0.4-0.5毫米的漆包铜线，把导线端头焊到电枢轴上，然后开始在一个凸极上绕制导线。
绕线前要在沟槽中垫上绝缘纸。
每一段绕80-100圈，每圈必须均匀排列，不可交叉乱绕。
第一极绕完后，再安同一绕第二，三，四极，各极绕好后，把最后端头焊在轴帽上。
把各极线圈用白棉线绑紧，并用乳白胶粘牢。
绕线方法如图所示：
4）、底座与电刷
发电机的输出电刷形状和结构，是跟底座结构相适应的。
为了制作简单和绝缘性能良好，底座材料选用塑料原料制作，如图所示：
采用弹簧电刷的目的，是为了保证电枢轴端铜帽，始终能和电刷接触，保证电流源源不断地输出机外。
这是发电机的重要结构，处理不好时，发电机在输出电流过程中产生火花，烧蚀电刷和端帽。
5）、电枢结构
电枢转子是由电枢体，轴和轴端盖铜帽组成。
电枢最好用矽铜片叠成。
如果没有矽铜片，也可以用薄铁片来代替。
轴端铜帽是为了把电枢绕组感生的电流引出极外的活动接触头。
安装端帽时，要特别注意把铜帽和轴绝缘起来。
6）、小型风力发电机装置结构
这部发电机装置是由动力杆，支架和发电机等组成。
第一步，把发电机固定在支架的下托板上面。
固定方法是取四支M5螺钉，长度15毫米最好，从托板下面伸出来，而发电机直立在托板面，通过托板上的四个孔，把发电机固定起来
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