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摘要
風(fēng)能為無(wú)污染的再生能源，我國(guó)的風(fēng)力資源豐富。因而在我國(guó)風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為最常見(jiàn)的運(yùn)用。由于風(fēng)力時(shí)有時(shí)無(wú)，風(fēng)向和風(fēng)力也不斷的變化，因而風(fēng)力機(jī)一般都配有電力存儲(chǔ)裝置，將產(chǎn)生的電能存儲(chǔ)起來(lái)，從而加強(qiáng)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性。但是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作過(guò)程能量發(fā)生了多次的轉(zhuǎn)換，因而也產(chǎn)生了大量的能量損失，從而影響了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效率，本設(shè)計(jì)研究風(fēng)力壓縮空氣儲(chǔ)能裝置來(lái)攫取并儲(chǔ)存風(fēng)能。風(fēng)能帶動(dòng)風(fēng)車直接轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)車連接空氣壓縮機(jī)，攫取風(fēng)能以后轉(zhuǎn)化為動(dòng)能來(lái)直接帶動(dòng)壓縮機(jī)壓縮空氣，使產(chǎn)生的高壓氣體儲(chǔ)存于儲(chǔ)存裝置，使動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓縮位能。并設(shè)計(jì)了配套的風(fēng)機(jī)葉片、增速器、剎車裝置、調(diào)向裝置和調(diào)速裝置。
關(guān)鍵詞；風(fēng)能；空氣壓縮機(jī)；風(fēng)動(dòng)力
I
Abstract
Wind is pollution-free renewable sources of energy, and is rich in wind resources in our country, especially in the northeast. Thus wind turbines as one of the most common use in our country. Because when the wind, the wind and the wind is constantly changing, and wind turbine is equipped with a power storage device commonly, will produce the electric energy stored, to strengthen the stability of wind turbines. But the working process of the wind turbine energy conversion have occurred many times, and therefore produced a large amount of energy loss, which affects the efficiency of wind turbines, this design study wind-powered compressed-air energy storage device to grab and store wind power. Wind turn direct drive windmill, windmill connected air compressors, grab after wind energy into kinetic energy to drive the compressor compressed air directly, make the high pressure gas stored in the storage device, the kinetic energy is converted to compress the potential energy stored in the storage device. And design form a complete set of accelerator, brake, transferred to the device and control device.
Key words:Wind power; Air compressor; The wind power
I
目錄
1.緒論 1
1.1我國(guó)風(fēng)能資源分布 1
1.1.1概況 1
1.1.2風(fēng)能資源分布 1
1.2我國(guó)風(fēng)能利用現(xiàn)狀 2
1.2.1我國(guó)風(fēng)能利用的市場(chǎng)潛力巨大 2
1.2.2我國(guó)大力開(kāi)發(fā)可再生風(fēng)能 2
1.2.3我國(guó)推動(dòng)風(fēng)能發(fā)展的因素 3
1.3目前我國(guó)對(duì)風(fēng)能儲(chǔ)能的方法 4
1.3.1二次電池儲(chǔ)能系統(tǒng) 4
1.3.2飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng) 5
1.3.3電解制氫儲(chǔ)能 5
1.3.4壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng) 6
2機(jī)械系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 8
2.1方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容 8
2.2研究給定的設(shè)計(jì)任務(wù) 8
2.3設(shè)計(jì)任務(wù)抽象化 8
2.4確定工藝原理 9
2.5確定技術(shù)過(guò)程 9
2.6確定基本結(jié)構(gòu)布局 10
2.7方案評(píng)價(jià) 11
2.7.1方案評(píng)價(jià)的目的和內(nèi)容 11
2.7.2方案評(píng)定的原則 12
2.7.3現(xiàn)有的四種方案 12
2.7.4利用加權(quán)綜合評(píng)分法法評(píng)定五個(gè)方案 12
3.風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15
3.1風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)(貝茨理論) 15
3.2風(fēng)力機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17
3.2.1風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)的選擇 17
3.2.2葉片數(shù) 18
3.2.3額定風(fēng)速 19
3.2.4翼型的選擇 19
3.2.5利用圖解法設(shè)計(jì)風(fēng)輪葉片外型 20
3.2.6葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)選擇 25
3.2.7葉片材料選取 25
4風(fēng)力機(jī)主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 27
4.1主軸相關(guān)參數(shù)計(jì)算 27
4.2軸段校核 28
5傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 31
5.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速器的選擇 31
5.2使用范圍和特點(diǎn) 31
5.3增速器的承載能力和選擇方法 32
5.4傳動(dòng)方案的確定 33
5.5增速器基本設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)步驟 35
5.6增速器各傳動(dòng)部件的材料及力學(xué)性能 36
5.7第一級(jí)漸開(kāi)線圓柱齒輪設(shè)計(jì) 36
5.8第二級(jí)漸開(kāi)線圓柱齒輪設(shè)計(jì) 38
6液力耦合器的選擇 39
6.1液力耦合器特點(diǎn) 39
6.2液力耦合器安裝方式 39
6.3液力耦合器的選擇 39
7空壓機(jī)的選取 41
7.1空壓機(jī)基本類型選擇 41
7.2排氣壓力選擇 41
7.3空氣壓縮機(jī)型號(hào)的選擇 41
8風(fēng)力發(fā)電機(jī)的其他元件的設(shè)計(jì) 42
8.1 剎車系統(tǒng)設(shè)計(jì) 42
8.1.1剎車系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 42
8.1.2系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì) 42
8.1.3手動(dòng)剎車設(shè)計(jì) 43
8.2托架的基本結(jié)構(gòu) 44
8.3調(diào)向機(jī)構(gòu)的選擇 44
8.3.1常用的調(diào)向機(jī)構(gòu) 44
8.3.2調(diào)向機(jī)構(gòu)選擇 45
8.3.3尾舵形狀的選擇 45
8.4塔架設(shè)計(jì) 46
8.4.1塔架形式選取 46
8.4.2塔架高度的確定 46
8.5調(diào)速機(jī)構(gòu)的選擇 47
9風(fēng)力機(jī)回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 49
9.1 初步估計(jì)回轉(zhuǎn)體危險(xiǎn)軸頸的大小 49
9.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 50
10壓縮空氣設(shè)備選型 52
11結(jié)論 53
致謝 54
附錄A 56
附錄B 62
1.緒論
1.1我國(guó)風(fēng)能資源分布
1.1.1概況
我國(guó)風(fēng)能資源豐富，可開(kāi)發(fā)利用的風(fēng)能儲(chǔ)量約10億kW，其中，陸地上風(fēng)能儲(chǔ)量約2.53億kW（陸地上離地10m高度資料計(jì)算），海上可開(kāi)發(fā)和利用的風(fēng)能儲(chǔ)量約7.5億kW，共計(jì)10億kW。而2003年底全國(guó)電力裝機(jī)約5.67億kW。
1.1.2風(fēng)能資源分布
1) "三北"（東北、華北、西北）地區(qū)風(fēng)能豐富帶
包括東北三省、河北、內(nèi)蒙古、甘肅、青海、西藏和等省自治區(qū)近200萬(wàn)km寬的地帶，風(fēng)功率密度在200～300W/m2以上，有的可達(dá)500W/ m2以上，可開(kāi)發(fā)利用的風(fēng)能儲(chǔ)量約2億kW，約占全國(guó)可利用儲(chǔ)量的79%。該地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)地形平坦，交通方便，沒(méi)有破壞性風(fēng)速，是我國(guó)連成一片的最大風(fēng)能資源區(qū)，有利于大規(guī)模的開(kāi)發(fā)風(fēng)電場(chǎng)。但是，建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)時(shí)應(yīng)注意低溫和沙塵暴的影響，有的地方聯(lián)網(wǎng)條件差，應(yīng)與電網(wǎng)統(tǒng)籌規(guī)劃發(fā)展。
2)東南沿海地區(qū)風(fēng)能豐富帶
東南沿海受臺(tái)灣海峽的影響，每當(dāng)冷空氣南下到達(dá)海峽時(shí)，由于狹管效應(yīng)使風(fēng)速增大。冬春季的冷空氣、夏秋的臺(tái)風(fēng)，都能影響到沿海及其島嶼，是我國(guó)風(fēng)能最佳豐富區(qū)。我國(guó)有海岸線約1800km，島嶼6000多個(gè)，這是風(fēng)能大有開(kāi)發(fā)利用前景的地區(qū)。
沿海及其島嶼風(fēng)能豐富帶，年有效風(fēng)功率密度在200W/m2以上，風(fēng)功率密度線平行于海岸線，沿海島嶼風(fēng)功率密度在500W/m2以上，如臺(tái)山、平潭、東山、南鹿、大陳、嵊泗、南澳、馬祖、馬公、東沙等，可利用小時(shí)數(shù)約在7000～8000小時(shí)。這一地區(qū)特別是東南沿海，由海岸向內(nèi)陸是丘陵連綿，風(fēng)能豐富地區(qū)僅在距海岸50km之內(nèi)。
3)內(nèi)陸局部風(fēng)能豐富地區(qū)
在兩個(gè)風(fēng)能豐富帶之外，風(fēng)功率密度一般在100W/m2以下，可利用小時(shí)數(shù)3000小時(shí)以下。但是在一些地區(qū)由于湖泊和特殊地形的影響，風(fēng)能也較豐富，如鄱陽(yáng)湖附近較周圍地區(qū)風(fēng)能就大，湖南衡山、湖北的九宮山、河南的嵩山、山西的五臺(tái)山、安徽的黃山、云南太華山等也較平地風(fēng)能為大。
4)海上風(fēng)能豐富區(qū)
我國(guó)海上風(fēng)能資源豐富，10m高度可利用的風(fēng)能資源約7億多kW。海上風(fēng)速高，很少有靜風(fēng)期，可以有效利用風(fēng)電機(jī)組發(fā)電容量。海水表面粗糙度低，風(fēng)速隨高度的變化小，可以降低塔架高度。海上風(fēng)的湍流強(qiáng)度低，沒(méi)有復(fù)雜地形對(duì)氣流的影響，可減少風(fēng)電機(jī)組的疲勞載荷，延長(zhǎng)使用壽命。一般估計(jì)海上風(fēng)速比平原沿岸高20%，發(fā)電量增加70%，在陸上設(shè)計(jì)壽命20年的風(fēng)力機(jī)組在海上可達(dá)25年到30年，且距離電力負(fù)荷中心很近。隨著海上風(fēng)電場(chǎng)技術(shù)的發(fā)展成熟，經(jīng)濟(jì)上可行，將來(lái)必然會(huì)成為重要的可持續(xù)能源。
1.2我國(guó)風(fēng)能利用現(xiàn)狀
1.2.1我國(guó)風(fēng)能利用的市場(chǎng)潛力巨大
我國(guó)位于亞洲大陸東南，毗鄰太平洋西岸，季風(fēng)強(qiáng)烈。季風(fēng)是我國(guó)的氣候的基本特征。冬季季風(fēng)在華北長(zhǎng)達(dá)六個(gè)月，東北長(zhǎng)達(dá)七個(gè)月，東南季風(fēng)則遍布我國(guó)半壁江山。目前我國(guó)已經(jīng)驗(yàn)證出100多種不同形式的，不同容量的風(fēng)力機(jī)。并初步形成了風(fēng)力機(jī)電產(chǎn)業(yè)。近幾年發(fā)展較為迅速，自2004年以來(lái)，每年裝機(jī)容量增速均超過(guò)100%。2006年新增裝機(jī)容量同比大幅度增長(zhǎng)166%，達(dá)到134萬(wàn)kw，2014年裝機(jī)容量同比大幅度增長(zhǎng)105%，達(dá)到萬(wàn)kw。位居世界第十位，亞洲第三位，成為繼歐洲、美國(guó)和印度之后發(fā)展風(fēng)力發(fā)電的主要市場(chǎng)之一。盡管如此，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的風(fēng)能開(kāi)發(fā)技術(shù)和利用程度還是比較落后的，不但發(fā)展緩慢而且設(shè)施落戶，遠(yuǎn)沒(méi)有形成規(guī)模。我國(guó)應(yīng)該在風(fēng)能的開(kāi)發(fā)利用上加大投資力度，使高效清潔的風(fēng)能在我國(guó)的能源格局中占有一席之地。
1.2.2我國(guó)大力開(kāi)發(fā)可再生風(fēng)能
據(jù)報(bào)道,我國(guó)風(fēng)能資源理論蘊(yùn)藏量為32.26億kw，加上近岸海域可利用風(fēng)能資源共計(jì)約 10 億kw,初步估算可開(kāi)發(fā)的裝機(jī)容量逾2.53億 kw，居世界首位。風(fēng)能資源主要分布在“三北”（東北、華北北部、西北地區(qū)），東部沿海陸地、島嶼及近岸海域。另外，內(nèi)陸還有局部風(fēng)能豐富區(qū)?？偟目磥?lái)，風(fēng)能資源開(kāi)發(fā)投入上、實(shí)際利用上、效益上與西方國(guó)家相比差距較大。為鼓勵(lì)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展國(guó)家經(jīng)貿(mào)委在深入調(diào)差研究的知識(shí)長(zhǎng)廊基礎(chǔ)上，與財(cái)政部、國(guó)家稅務(wù)總局協(xié)調(diào),提出了給予風(fēng)力機(jī)減免增值稅優(yōu)惠政策的建議?！吨腥A人民共和國(guó)電力法》 規(guī)定;國(guó)家鼓勵(lì)和支持利用可再生和清潔能源發(fā)電。從1998年1月1日開(kāi)始執(zhí)行的國(guó)家海關(guān)總署關(guān)于對(duì)鼓勵(lì)外商投資的產(chǎn)業(yè)進(jìn)行減免稅的通知，對(duì)300kw以上大中型風(fēng)力機(jī)進(jìn)口關(guān)稅予以減免。1998年2 月,國(guó)家計(jì)委和科技部聯(lián)合下發(fā)了《 國(guó)家計(jì)委、科技部關(guān)于進(jìn)一步支持可再生能源發(fā)展有關(guān)問(wèn)題的通知》，提出了促進(jìn)可再生能源發(fā)展特別是針對(duì)風(fēng)力機(jī)的幾項(xiàng)優(yōu)惠政策。2005年《可再生能源法》頒布實(shí)施后,風(fēng)力機(jī)產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展。據(jù)科技日?qǐng)?bào)2009/2/9報(bào)道，2006年底全國(guó)累計(jì)裝機(jī)容量295.9萬(wàn)kw, 新增風(fēng)力機(jī)組3155臺(tái)，當(dāng)年就達(dá)133.7萬(wàn)kw比2005年增長(zhǎng)率166%2007年底全國(guó)累計(jì)裝機(jī)容量605萬(wàn) kw，新增344.9萬(wàn)kw，其中1.5 Mw容量風(fēng)電機(jī)組1000臺(tái)，比2006年新增裝機(jī)增長(zhǎng)率158%。目前,600kw風(fēng)力機(jī)組已經(jīng)初實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化 ,這是國(guó)家經(jīng)貿(mào)委利用國(guó)債技貼息推動(dòng)我國(guó)風(fēng)力發(fā)電裝備國(guó)產(chǎn)化取得的一項(xiàng)重要成果。湖南株洲電力機(jī)車研究所有限公司投巨資研究開(kāi)發(fā)生產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整300臺(tái)/年, 將帶動(dòng)電機(jī)、風(fēng)葉葉片、機(jī)械、電氣、五金和金屬材料等多個(gè)配套產(chǎn)業(yè)與技術(shù),帶來(lái)產(chǎn)業(yè)集群效應(yīng)。財(cái)政部和國(guó)家稅務(wù)總局聯(lián)合下發(fā)文件，對(duì)風(fēng)力機(jī)實(shí)行按增值稅應(yīng)納稅額減半的優(yōu)惠政策。國(guó)家計(jì)委和國(guó)家電力公司聯(lián)合調(diào)研，根據(jù)有關(guān)省市（自治區(qū)）的風(fēng)力資源情況和電網(wǎng)電價(jià)水平，制定風(fēng)力發(fā)電的全國(guó)統(tǒng)一發(fā)展規(guī)劃，已啟動(dòng)6個(gè)千萬(wàn)千瓦級(jí)風(fēng)電基地規(guī)劃和建設(shè)按此我國(guó)風(fēng)電電價(jià)平均將降低約5~6分錢,新建風(fēng)電場(chǎng)電價(jià)有望降低到0.50元/kw·h。這些利好對(duì)我國(guó)風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生積極的影響,也將大力推動(dòng)風(fēng)電事業(yè)的快速發(fā)展，堅(jiān)持改革開(kāi)放政策，加強(qiáng)國(guó)際合作,積極引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備，利用外資，拓寬引資融資渠道，爭(zhēng)取國(guó)外政府貸款、國(guó)際金融組織貸款以及國(guó)際商業(yè)信貸。同時(shí)，鼓勵(lì)外商以直接投資方式參與中國(guó)風(fēng)電建設(shè)。目前，全國(guó)累計(jì)安裝小型風(fēng)力機(jī)近20萬(wàn) 。
1.2.3我國(guó)推動(dòng)風(fēng)能發(fā)展的因素
1)緩解能源危機(jī)與保護(hù)環(huán)境的需要
風(fēng)電具有安全、清潔的優(yōu)勢(shì)，且風(fēng)能可就地取材，用之不竭。發(fā)展風(fēng)電，不僅在一定程度上緩解了 一些國(guó)家能源供應(yīng)緊張的局面， 而且減少了溫室氣 體排放，是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。 另外，風(fēng)力發(fā)電的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著，研究結(jié)果表明，風(fēng)力發(fā)電與相同發(fā)電量的燃煤火電相比，每年可節(jié)約標(biāo)煤31 800 t， 減排 SO2 約 636 t、NO2 約346 t、CO2約 70000 t，減少灰渣排放9549 t，此外，還可節(jié)約淡水2.7×105 m3，并相應(yīng)減少水力排灰廢水和溫排水等對(duì)水域的污染。
2)投資的風(fēng)險(xiǎn)低
從項(xiàng)目投資風(fēng)險(xiǎn)的角度分析，在目前穩(wěn)定的政策框架（如精心設(shè)計(jì)的上網(wǎng)電價(jià)政策）下，和高風(fēng)險(xiǎn) 投資項(xiàng)目相比，風(fēng)能在燃料、運(yùn)行和維護(hù)上的費(fèi)用支出相對(duì)于總投資來(lái)說(shuō)比較容易預(yù)測(cè)，且可界定分析， 而且風(fēng)力發(fā)電的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)投資低；從中長(zhǎng)期來(lái)看，由于風(fēng)能投資的低風(fēng)險(xiǎn)特征及其顯著的社會(huì)效益和經(jīng) 濟(jì)效益，風(fēng)能也符合能源消耗大國(guó)在能源發(fā)展中的政策要求和發(fā)展目標(biāo)，風(fēng)能投資明顯增強(qiáng)。
3)提供的就業(yè)崗位多
風(fēng)力發(fā)電與需要集中控制管理的不可再生能源發(fā)電相比，可創(chuàng)造更多的就業(yè)崗位，風(fēng)能行業(yè)已成為全球主要的工作領(lǐng)域。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅在 3 a 內(nèi)，世界風(fēng)能行業(yè)提供的工作崗位幾乎翻了1倍。 風(fēng)能行業(yè)的就業(yè)人數(shù)從2005年的235000人增加到2008 年的440000 人。
1.3目前我國(guó)對(duì)風(fēng)能儲(chǔ)能的方法
目前對(duì)風(fēng)能的開(kāi)發(fā)以風(fēng)力發(fā)電為主，利用風(fēng)車攫取空氣流動(dòng)的動(dòng)能。轉(zhuǎn)換為風(fēng)車的動(dòng)能來(lái)推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。風(fēng)力發(fā)電所產(chǎn)生的電能并聯(lián)成為交流電力的來(lái)源之一，或者儲(chǔ)存至二次電池成為獨(dú)立式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。由于風(fēng)力具有時(shí)有時(shí)無(wú)的特性，獨(dú)立式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)必須將電力儲(chǔ)存至二次電池后，再由二次電池提供穩(wěn)定的電力輸出。在與電壓并聯(lián)時(shí)，也需要有儲(chǔ)能系統(tǒng)在發(fā)電量超過(guò)需求時(shí)將剩余的電力儲(chǔ)存起來(lái)。此外電力需要經(jīng)過(guò)儲(chǔ)存后才能作為車輛，船只等的所需移動(dòng)式能源。目前我國(guó)的電力儲(chǔ)存方式大致有二次電池、飛輪儲(chǔ)能、電解制氫儲(chǔ)存及壓縮空氣儲(chǔ)存。
1.3.1二次電池儲(chǔ)能系統(tǒng)
二次電池是指利用化學(xué)反應(yīng)的可逆性，可以組建成一個(gè)新電池，即當(dāng)一個(gè)化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能之后，還可以用電能使化學(xué)體系修復(fù)，然后再利用化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能，所以叫二次電池(可充電電池)。二次電池(Rechargeable battery):二次電池又稱為充電電池或蓄電池，是指在電池放電后可通過(guò)充電的方式使活性物質(zhì)激活而繼續(xù)使用的電池。目前市場(chǎng)上主要充電電池有"鎳氫"、"鎳鎘""鉛酸(鉛蓄電池)"、"鋰離子(包括鋰電池和鋰離子聚合物電池)"等。二次電池的自放電又稱荷電保持能力，它是指在開(kāi)路狀態(tài)下，電池儲(chǔ)存的電量在一定環(huán)境條件下的保持能力。一般而言，自放電主要受制造工藝，材料，儲(chǔ)存條件的影響自放電是衡量電池性能的主要參數(shù)之一。一般而言，電池儲(chǔ)存溫度越低，自放電率也越低，但也應(yīng)注意溫度過(guò)低或過(guò)高均有可能造成電池?fù)p壞無(wú)法使用，BYD常規(guī)電池要求儲(chǔ)存溫度范圍為-20~45。電池充滿電開(kāi)路擱置一段時(shí)間后，一定程度的自放電屬于正?，F(xiàn)象。IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定鎳鎘及鎳氫電池充滿電后，在溫度為20度濕度為65%條件下，開(kāi)路擱置28天，0.2C放電時(shí)間分別大于3小時(shí)和3小時(shí)15分即為達(dá)標(biāo)。與其它充電電池系統(tǒng)相比，含液體電解液太陽(yáng)能電池的自放電率明顯要低，在25下大約為10%/月。
1.3.2飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)
飛輪儲(chǔ)能是指利用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，在需要的時(shí)候再用飛輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的儲(chǔ)能方式。飛輪儲(chǔ)能是指利用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能儲(chǔ)存起來(lái)，在需要的時(shí)候再用飛輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的儲(chǔ)能方式。飛輪儲(chǔ)能的研究主要著力于研發(fā)提高能量密度的復(fù)合材料技術(shù)和超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)。其中超導(dǎo)磁懸浮是降低損耗的主要方法，而復(fù)合材料能夠提高儲(chǔ)能密度，降低系統(tǒng)體積和重量。截止2012年我國(guó)還沒(méi)有100千瓦、1萬(wàn)轉(zhuǎn)以上的飛輪儲(chǔ)能電機(jī)。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、軸承系統(tǒng)和轉(zhuǎn)換能量系統(tǒng)三個(gè)部分構(gòu)成。另外還有一些支持系統(tǒng)， 如真空、深冷、外殼和控制系統(tǒng)。飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)動(dòng)能與飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量成正比。而飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量又正比于飛輪的直徑和飛輪的質(zhì)量。當(dāng)過(guò)于龐大、沉重的飛輪在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)受到極大的離心力作用，往往超過(guò)飛輪材料的極限強(qiáng)度，很不安全。因此，用增大飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法來(lái)增加飛輪的動(dòng)能是有限的。飛輪儲(chǔ)能的技術(shù)優(yōu)勢(shì)是技術(shù)成熟度高、高功率密度、長(zhǎng)壽命、充放電次數(shù)無(wú)限以及無(wú)污染等特性。飛輪儲(chǔ)能的能量密度不夠高、自放電率高，如停止充電，能量在幾到幾十個(gè)小時(shí)內(nèi)就會(huì)自行耗盡。適用于電網(wǎng)調(diào)頻和電能質(zhì)量保障。
1.3.3電解制氫儲(chǔ)能
電解制氫是一種較為方便的方法。在充滿氫氧化鉀或氫氧化鈉的電解槽中通入直流電，水分子在電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，分解成氫氣和氧氣。其化學(xué)反應(yīng)式如下 ：
陰 極：2H2O+2e H2↑ +2OH
陽(yáng) 極： 2OH—2e H2O+1/2O2↑
總反應(yīng)式：2H2O 2 H2↑+ O2↑
根據(jù)庫(kù)侖定律，氣體產(chǎn)量與電流成正比。固體聚合物電解質(zhì)，SPE電解水，最初用于向宇宙飛船或潛水艇供氧，或在實(shí)驗(yàn)室作為氫氣發(fā)生器(可用于氣體色譜)。核電大規(guī)模發(fā)展以后，人們利用SPE技術(shù)在用電低谷電解水產(chǎn)生氫，在供電高峰以SPE氫-氧燃料電池向外供電，使之成為能量貯存轉(zhuǎn)換裝置通過(guò)直接電解純水產(chǎn)生高純氫氣（不加堿），電解池只電解純水即可產(chǎn)氫。通電后，電解池陰極產(chǎn)氫氣，陽(yáng)極產(chǎn)氧氣，氫氣進(jìn)入氫/水分離器。氧氣排入大氣。氫/水分離器將氫氣和水分離。氫氣進(jìn)入干燥器除濕后，經(jīng)穩(wěn)壓閥、調(diào)節(jié)閥調(diào)整到額定壓力（0.02～0.45Mpa可調(diào)）由出口輸出。電解池的產(chǎn)氫壓力由傳感器控制在0.45Mpa左右，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，電解池電源供應(yīng)切斷；壓力下降，低于設(shè)定值時(shí)電源恢復(fù)供電。在氯堿工業(yè)中副產(chǎn)多量較純氫氣，除供合成鹽酸外還有剩余，也可經(jīng)提純生產(chǎn)普氫或純氫。像化工二廠用的氫氣就是電解鹽水的副產(chǎn)。
1.3.4壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)
壓縮空氣儲(chǔ)能電站（CAES）是一種用來(lái)調(diào)峰的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠，主要利用電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)的剩余電力壓縮空氣，并將其儲(chǔ)藏在典型壓力7.5 MPa 的高壓密封設(shè)施內(nèi)，在用電高峰釋放出來(lái)驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電。在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電過(guò)程中，燃料的2/3 用于空氣壓縮，其燃料消耗可以減少1/3，所消耗的燃?xì)庖瘸Ｒ?guī)燃?xì)廨啓C(jī)少40%，同時(shí)可以降低投資費(fèi)用、減少排放。值得注意的是，壓縮空氣儲(chǔ)能電站建設(shè)投資和發(fā)電成本均低于抽水儲(chǔ)能電站，但其能量密度低，并受巖層等地形條件的限制。不過(guò)，壓縮空氣儲(chǔ)能電站的優(yōu)勢(shì)也非常明顯，其儲(chǔ)氣庫(kù)漏氣開(kāi)裂可能性極小，安全系數(shù)高，壽命長(zhǎng)，可以冷啟動(dòng)、黑啟動(dòng)，響應(yīng)速度快，主要用于峰谷電能回收調(diào)節(jié)、平衡負(fù)荷、頻率調(diào)制、分布式儲(chǔ)能和發(fā)電系統(tǒng)備用。
盡管這種“壓縮氣體能源儲(chǔ)備”的概念已經(jīng)提出了30多年，但目前全世界僅有德國(guó)、美國(guó)兩家壓縮空氣發(fā)電廠。這兩家發(fā)電廠分別創(chuàng)建于19世紀(jì)中后期和19世紀(jì)末。目前，兩家壓縮空氣發(fā)電廠都運(yùn)營(yíng)正常。同時(shí)，美國(guó)艾奧瓦州正在建設(shè)全球第三家壓縮空氣發(fā)電廠，負(fù)責(zé)“艾奧瓦儲(chǔ)備能源公園”(ISEP)項(xiàng)目設(shè)計(jì)工作的美國(guó)圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)得到了來(lái)自美國(guó)能源部的資金支持，預(yù)計(jì)將于2012年投入運(yùn)營(yíng)。據(jù)了解，艾奧瓦儲(chǔ)備能源公園是一個(gè)壓縮空氣發(fā)電廠，該發(fā)電廠將充分利用艾奧瓦州豐富的風(fēng)力資源作為發(fā)電廠的運(yùn)行能源，存儲(chǔ)容量可用于50小時(shí)發(fā)電。一旦該項(xiàng)目開(kāi)始運(yùn)營(yíng)，其每年發(fā)電量將占艾奧瓦州用電量的20%左右，每年可以為艾奧瓦州節(jié)省大約500萬(wàn)美元的能源成本。
不過(guò)，建設(shè)壓縮空氣發(fā)電廠并非易事。建設(shè)的首要任務(wù)之一，就是必須找到一個(gè)支持空氣壓縮存儲(chǔ)的地質(zhì)空間，但這需要占用大面積土地，因此，選址也成為制約其發(fā)展的決定性因素之一。盡管在壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)準(zhǔn)備相關(guān)設(shè)施的時(shí)候產(chǎn)生很多費(fèi)用，但是相關(guān)科學(xué)家還是認(rèn)為這種形式的儲(chǔ)存模式比制造電池便宜得多。另外，它的高容量和高效率已成為其區(qū)別于其他儲(chǔ)能方式的決定性優(yōu)勢(shì)。
本章小結(jié)：
本章主要介紹了我國(guó)的風(fēng)力資源情況，尤其我國(guó)東北的風(fēng)力資源豐富。并闡明了我國(guó)在政策上大力發(fā)展風(fēng)力機(jī)，風(fēng)力機(jī)市場(chǎng)潛力巨大。介紹了我國(guó)現(xiàn)有的風(fēng)力能源儲(chǔ)能系統(tǒng)。
2機(jī)械系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)
2.1方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容
方案設(shè)計(jì)是機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)，是保證設(shè)計(jì)水平和質(zhì)量到餓重要階段。
方案設(shè)計(jì)是創(chuàng)造性思維過(guò)程，其主要工作內(nèi)容一般包括：研究給定的設(shè)計(jì)任務(wù)，構(gòu)思實(shí)現(xiàn)功能的原理和方法，選擇工藝原理，引進(jìn)技術(shù)系統(tǒng)，分析結(jié)構(gòu)布局，擬定設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)，確定能實(shí)現(xiàn)最佳目標(biāo)的設(shè)計(jì)方案。
2.2研究給定的設(shè)計(jì)任務(wù)
方案設(shè)計(jì)是在外部設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。通過(guò)外部設(shè)計(jì)，已對(duì)設(shè)計(jì)項(xiàng)目進(jìn)行可行性研究。首先明確了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)：風(fēng)力壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)的目的：將時(shí)有時(shí)無(wú)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為壓縮氣體的位能，而壓縮機(jī)所產(chǎn)生的高壓氣體存儲(chǔ)在高壓氣瓶?jī)?nèi)。盡量減少風(fēng)能攫取的轉(zhuǎn)換次數(shù)，降低風(fēng)能的消耗提高系統(tǒng)的絕能功效。而所產(chǎn)生的壓縮空氣可直接應(yīng)用成為推動(dòng)氣動(dòng)裝置的動(dòng)力源。該設(shè)計(jì)的外部環(huán)境為阜新的風(fēng)力環(huán)境，阜新的平均風(fēng)力大致為4級(jí)，風(fēng)力大小接近10m\s,風(fēng)力環(huán)境優(yōu)越，適合風(fēng)力機(jī)的利用和研究。
2.3設(shè)計(jì)任務(wù)抽象化
任何一個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)都可有多種方案。有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)立刻構(gòu)思出設(shè)計(jì)方案，但也會(huì)受到其經(jīng)驗(yàn)和所見(jiàn)到的同類產(chǎn)品及所掌握的資料的局限，使設(shè)計(jì)方案缺乏創(chuàng)新性。設(shè)計(jì)任務(wù)抽象化是一種設(shè)計(jì)方法和思維方式，通過(guò)分析設(shè)計(jì)任務(wù)的最基本功能要求，把設(shè)計(jì)任務(wù)抽象為只表達(dá)其核心任務(wù)的簡(jiǎn)單模式，而不涉及具體的解決方案和途徑。
用“黑箱”來(lái)表達(dá)設(shè)計(jì)任務(wù)，是設(shè)計(jì)任務(wù)抽象化的一種方法。所謂黑箱是只考慮輸入好輸出而不考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一種模式。黑箱明確的表達(dá)了設(shè)計(jì)任務(wù)的基本功能要求和主要約束條件。設(shè)計(jì)過(guò)程就是逐步打開(kāi)黑箱，確定內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)由輸入量轉(zhuǎn)化輸出量的過(guò)程。
震動(dòng) 噪聲
風(fēng) 壓縮位能
圖2-1設(shè)計(jì)任務(wù)抽象圖
Figure 2-1 design task abstract figure
2.4確定工藝原理
為了打開(kāi)黑箱，實(shí)現(xiàn)黑箱要求的作業(yè)對(duì)象由輸入至輸出的轉(zhuǎn)化，必須確立實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化的工業(yè)原理。
所謂工藝原理是指各種物理效應(yīng)包括物理、化學(xué)、生物學(xué)中等自然科學(xué)的定理、定律、原理及效應(yīng)的具體應(yīng)用。同一物理效應(yīng)往往可以實(shí)現(xiàn)多種轉(zhuǎn)換，而一種轉(zhuǎn)換又可由多種物理效應(yīng)實(shí)現(xiàn)。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)可通過(guò)下列工藝原理實(shí)現(xiàn)：?風(fēng)力推動(dòng)風(fēng)力機(jī)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)。?風(fēng)扇帶動(dòng)傳動(dòng)桿轉(zhuǎn)動(dòng)。?傳動(dòng)桿通過(guò)傳動(dòng)裝置帶動(dòng)空壓機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。④空壓機(jī)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)空壓機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生壓縮氣體。
2.5確定技術(shù)過(guò)程
所謂確定技術(shù)過(guò)程就是按照選定的工藝原理確定作業(yè)對(duì)象轉(zhuǎn)化所需的流程，流程中規(guī)定了每一轉(zhuǎn)化程序相應(yīng)的功能要求。
一般，技術(shù)過(guò)程常用方框圖表示。為方便方案設(shè)計(jì)的工作進(jìn)展，對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)也常單獨(dú)畫出主流程圖及輔助流程的方框圖。
產(chǎn)生高壓空氣存儲(chǔ)于儲(chǔ)氣瓶
風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)增速器低速端轉(zhuǎn)動(dòng)
增速器高速端轉(zhuǎn)動(dòng)
液力耦合器輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)
空壓機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)
風(fēng)輪葉片轉(zhuǎn)動(dòng)
圖2-2技術(shù)過(guò)程圖
Figure 2-2 technology process diagram
2.6確定基本結(jié)構(gòu)布局
功能載體的組合僅表示功能性的組合關(guān)系，并未確定各結(jié)構(gòu)原件的空間相互位置關(guān)系。同樣的功能載體組合可以采取不同的結(jié)構(gòu)布局，從而有不同的總體設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)的外形，總體布局和技術(shù)性能也將不同。本次設(shè)計(jì)的基本布局方案有以下三種。A：將風(fēng)車和空壓機(jī)、儲(chǔ)氣瓶全部放置于塔架上，產(chǎn)生的高壓氣體直接儲(chǔ)存在高空塔架，需要時(shí)人工從塔架上取下儲(chǔ)氣瓶。B：只將風(fēng)車放置于高空塔架上，將空壓機(jī)和儲(chǔ)氣瓶放置于地面。風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)車轉(zhuǎn)動(dòng)，其動(dòng)能通過(guò)多級(jí)傳動(dòng)傳動(dòng)到地面的空壓機(jī)轉(zhuǎn)子。C：風(fēng)車和空壓機(jī)都放置于高空塔架，儲(chǔ)氣瓶放置在地面，產(chǎn)生的高壓氣體通過(guò)管道傳送到地面的儲(chǔ)氣瓶中。
分析三種方案。方案A設(shè)備全部集中于塔架上，增大塔架的負(fù)重量，對(duì)塔架的強(qiáng)度要求過(guò)高。并且提取塔架上的高壓空氣十分困能，且人員操作時(shí)存在危險(xiǎn)性。方案B由于風(fēng)車位于塔架上而空壓機(jī)位于地面，動(dòng)能的傳遞就成為了最大的問(wèn)題。動(dòng)能在傳遞的過(guò)程中一定會(huì)遇到多級(jí)傳遞，在傳遞過(guò)程中能量消耗過(guò)大的問(wèn)題。而效率過(guò)低也于最開(kāi)始的設(shè)計(jì)初衷背道而馳。方案C不存在其余兩方案的問(wèn)題，而且只多了一個(gè)管道，無(wú)論是經(jīng)濟(jì)上還是技術(shù)上都是可以解決的。所以優(yōu)先選擇方案C
2——空氣壓縮機(jī) 3——儲(chǔ)氣瓶
方案A
方案C
2壓機(jī)
3
2
3
方案B
2
3 333
圖2-3基本布局圖
Figure 2-3 basic layout
2.7方案評(píng)價(jià)
2.7.1方案評(píng)價(jià)的目的和內(nèi)容
目的是通過(guò)對(duì)可行方案評(píng)價(jià)的的候選方案進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、外部環(huán)境等方面的評(píng)定，提出方案的評(píng)價(jià)意見(jiàn)為決策者最后確定設(shè)計(jì)方案提供信息和依據(jù)。
技術(shù)評(píng)價(jià)是對(duì)系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)預(yù)定的功能要求，以及實(shí)現(xiàn)預(yù)定的優(yōu)勢(shì)成都進(jìn)行評(píng)價(jià)。因此，技術(shù)評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)對(duì)各候選方案在技術(shù)上的可行性、適用性、先進(jìn)行、可靠性、完善性等方面比較、分析和評(píng)價(jià)。
經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)是對(duì)所設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)型進(jìn)行評(píng)價(jià)。經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)對(duì)各候選方案的投入產(chǎn)出比、成本于利潤(rùn)、資金占有情況進(jìn)行比較，分析和評(píng)價(jià)。
外部環(huán)境評(píng)價(jià)是對(duì)所選設(shè)計(jì)方案所產(chǎn)生的社會(huì)效益和環(huán)境因影響進(jìn)行評(píng)價(jià)。外部環(huán)境主要包括設(shè)計(jì)方案是否符合國(guó)家有關(guān)政策、法令、法規(guī)、對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、市場(chǎng)情景、生態(tài)環(huán)境等影響，以及對(duì)生產(chǎn)的安全性，環(huán)境變化的適應(yīng)性進(jìn)行比較、分析和評(píng)價(jià)。
2.7.2方案評(píng)定的原則
a：客觀性原則
b：可比性原則
c：合理性原則
d：整體性原則
2.7.3現(xiàn)有的四種方案
目前的儲(chǔ)能方案大致有二次電池儲(chǔ)能方案、飛輪儲(chǔ)能方案、電解制氫儲(chǔ)能方案、壓縮空氣儲(chǔ)能方案以及本次設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能方案。二次電池將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，是使用最廣泛的電力儲(chǔ)能方式，主要用于立式發(fā)電系統(tǒng)及移動(dòng)電源。然而二次電池的使用壽命受制于材料，遠(yuǎn)低于風(fēng)車機(jī)主的使用壽命。故獨(dú)立的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在使用期間必須更換二次電池，使設(shè)備及維修成本大幅度提高，增加風(fēng)力發(fā)電的成本。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)換為飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能，主要運(yùn)用于短期間額電力品質(zhì)的維護(hù)。其利用面不光，實(shí)用性不高。電解制氫儲(chǔ)能系統(tǒng)則應(yīng)用電力于電解水產(chǎn)生氫氣和氧氣。將電能轉(zhuǎn)換為氫氣的化學(xué)能。所產(chǎn)生的氫氣可燃料電池或燃燒產(chǎn)生動(dòng)力。由于氫氣為可燃性氣體，在儲(chǔ)存和運(yùn)輸上存在很高的危險(xiǎn)性，設(shè)備成本也比較高。壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)則是將電能裝換為空氣的壓縮位能，可應(yīng)用于電力調(diào)節(jié)及各種大小不同規(guī)格的電力儲(chǔ)存。相對(duì)于其他儲(chǔ)能方式，壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)具有較低的設(shè)備及維護(hù)成本。本次設(shè)計(jì)的風(fēng)力機(jī)儲(chǔ)能系統(tǒng)是在壓縮空氣儲(chǔ)能方案上進(jìn)一步的改進(jìn)，將風(fēng)力機(jī)與空氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子直接相連，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為高壓氣體的位能直接儲(chǔ)存，減少了能量的損失，提高了能量的利用率。
2.7.4利用加權(quán)綜合評(píng)分法法評(píng)定五個(gè)方案
由于對(duì)不同屬性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)時(shí)，往往各評(píng)價(jià)在系統(tǒng)中占有的重要度有很大的差別，對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)不能等量齊觀，此時(shí)應(yīng)該采用加權(quán)綜合評(píng)分法。
加權(quán)綜合評(píng)分法的步驟：
1)確定各評(píng)分指標(biāo)在系統(tǒng)中的重要度并分配權(quán)重Wj。本次評(píng)價(jià)從功能、費(fèi)用、可靠性、外觀、環(huán)境影響五方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中權(quán)重分配如下表：
表2-1權(quán)重分配表
Table 2-1 weight distribution list
指標(biāo)
Wj
功能
W1
費(fèi)用
W2
可靠性
W3
外觀
W4
環(huán)境
W5
權(quán)重
0.2
0.3
0.3
0.1
0.1
2)計(jì)算各個(gè)候選方案評(píng)價(jià)指標(biāo)的得分。為了進(jìn)行綜合，要求各項(xiàng)得分必須是同量綱、同級(jí)的量綱，否則就要先將各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。例如，將功能、費(fèi)用、時(shí)間、可靠性、外觀、環(huán)境影響等不相同的評(píng)價(jià)值轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)分，標(biāo)準(zhǔn)分可取0—1之間。對(duì)文字性的評(píng)價(jià)也應(yīng)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)分，并列出一一對(duì)應(yīng)表格，如下表：
表2-2性能評(píng)語(yǔ)與標(biāo)準(zhǔn)分轉(zhuǎn)化表
Table 2-2 performance evaluation and norm conversion table
性能評(píng)語(yǔ)
優(yōu)
良
中
可
劣
標(biāo)準(zhǔn)分S
1.0
0.8
0.6
0.4
0
表2-3學(xué)術(shù)水平與標(biāo)準(zhǔn)分轉(zhuǎn)化表
Table 2-3 academic level and norm conversion table
學(xué)術(shù)水平
國(guó)際先進(jìn)
國(guó)內(nèi)先進(jìn)
同行業(yè)領(lǐng)先
省內(nèi)領(lǐng)先
市內(nèi)領(lǐng)先
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0
3)計(jì)算方案的加權(quán)綜合評(píng)分值Si
(2-1)
為使評(píng)價(jià)結(jié)果更直觀，也常將Si用矩陣形式表示。
表2-4方案評(píng)分表
Table 2-4 scale
評(píng)價(jià)指標(biāo)Bj
功能
費(fèi)用
可靠性
外觀
環(huán)境影響
加權(quán)綜合評(píng)分值Si
權(quán)重 Wj
0.2
0.3
0.3
0.1
0.1
方案
P1
1
1
0.8
1
0.5
0.89
P2
1
0.8
0.8
1
1
0.88
P3
1
0.5
0.8
1
1
0.79
P4
1
0.8
1
1
1
0.94
P5
1
1
1
1
1
1
經(jīng)方案評(píng)分證明方案5為最優(yōu)方案，選擇方案5正確。
本章小結(jié)：
本章通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)系統(tǒng)學(xué)確定了具體的設(shè)計(jì)方案。并在該方案下確定了機(jī)構(gòu)的布置方式和位置。最后利用評(píng)分法確定了該方案的可行性。
3.風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)(貝茨理論)
空氣的流動(dòng)就是風(fēng)。風(fēng)是由于地球自轉(zhuǎn)級(jí)緯度溫差等原因致使空氣流動(dòng)形成的。風(fēng)能在這里指的是風(fēng)的動(dòng)能。
世界上第一個(gè)關(guān)于風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪葉片接受風(fēng)能的完整理論是1919年由貝茨（Betz）建立的該理論所建立的模型是考慮若干假設(shè)條件的簡(jiǎn)化單元流管，主要用于描述氣流與風(fēng)輪的作用關(guān)系。貝茨理論的假設(shè)是：風(fēng)輪是一個(gè)圓盤，軸向力沿圓盤均勻分布且圓盤上沒(méi)有摩擦力；風(fēng)輪葉片無(wú)限多；氣流是不可壓縮的且是水平均勻定常流，風(fēng)輪的尾流不旋流；風(fēng)輪前后遠(yuǎn)方氣流靜壓相等。這時(shí)的風(fēng)輪稱為“理想風(fēng)輪”。
現(xiàn)研究理想風(fēng)輪在流動(dòng)的大氣中的情況，如圖所示，并規(guī)定如下V1為距離風(fēng)力機(jī)一定距離的上游風(fēng)速；V為通過(guò)風(fēng)輪時(shí)的實(shí)際風(fēng)速；V2為離風(fēng)輪遠(yuǎn)處的下游風(fēng)速。
設(shè)通過(guò)風(fēng)輪的氣流其上游截面為S1，下游截面為S2。由于風(fēng)輪的機(jī)械能量?jī)H由空氣的動(dòng)能的降低所導(dǎo)致，因而V2必然低于V1，所以通過(guò)風(fēng)輪的氣流截面從上游到下游是增加的，即S2大于S1。
由連續(xù)方程（質(zhì)量守恒）可得
（3-1）
由于空氣是不可以壓縮的，所以
（3-2）
風(fēng)作用在風(fēng)輪上的力可由Euler理論寫出
（3-3）
因此風(fēng)輪吸收的功率為
（3-4）
利用伯努利方程，風(fēng)輪前后的氣流狀態(tài)可以寫成如下
（3-5）
聯(lián)立兩式可得
（3-6）
據(jù)前式又可得
（3-7）
（3-8）
由上述得
引入軸向氣流誘導(dǎo)因子a，以-a形式表示風(fēng)輪附近氣流速度的變化，即
（3-9）
易得
（3-10）
從上游到下游動(dòng)能的變化量為
（3-11）
由上述又可得
（3-12）
而風(fēng)的功率表達(dá)式為
（3-13）
所以功率系
（3-14）
方程式有兩個(gè)解。 （3-15）
第一個(gè)解：當(dāng)a=1時(shí)，CP=0,此解沒(méi)有物理意義；
第二個(gè)解：當(dāng)時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的功率系數(shù)最大
即為著名的貝茨理論的極限值。它說(shuō)明，風(fēng)力機(jī)從自然風(fēng)中所能索取能量是有限的，其功率損失部分可以解釋為留在尾流中的旋轉(zhuǎn)能力。
在能力的轉(zhuǎn)化過(guò)程中，由于各種損失的存在必將導(dǎo)致風(fēng)輪輸出功率的下降，一般隨所采用的風(fēng)力機(jī)不同，其能量損失也不同。因此，風(fēng)力機(jī)的實(shí)際風(fēng)能利用系數(shù)CP小于0.593，一般設(shè)計(jì)根據(jù)葉片的數(shù)量、葉片翼型、功率等情況，取0.25~0.45。
圖3-1風(fēng)輪氣流圖
Figure 3-1 rotor flow chart
3.2風(fēng)力機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.2.1風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)的選擇
由于水平軸風(fēng)力機(jī)具有風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率高、轉(zhuǎn)軸較短在大型風(fēng)動(dòng)機(jī)上更顯示了經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，使她成為了世界瘋癲發(fā)展的主流機(jī)型，并有95%以上的市場(chǎng)份額。同期發(fā)展的垂直軸風(fēng)電機(jī)組，因?yàn)檗D(zhuǎn)軸過(guò)長(zhǎng)，風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率不高，啟動(dòng)、停機(jī)和變槳困難等問(wèn)題，目前市場(chǎng)份額較小、應(yīng)用數(shù)量有限，但由于他的全風(fēng)向?qū)︼L(fēng)和變速裝置及發(fā)電機(jī)可以置于風(fēng)輪下方等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)，國(guó)際上的相關(guān)研究和開(kāi)發(fā)也在不斷進(jìn)行并取得一定的進(jìn)展。
圖3-2水平軸風(fēng)力機(jī)與垂直軸風(fēng)力機(jī)
Figure 3-2 wind turbines with horizontal axis and vertical axis wind turbines
3.2.2葉片數(shù)
一般來(lái)講，風(fēng)輪的葉片數(shù)取決于風(fēng)輪的葉間數(shù)比，國(guó)際GT\T13981—1992給出了葉間數(shù)比與葉片數(shù)的關(guān)系。下表是不同葉間數(shù)比對(duì)應(yīng)的葉片數(shù)及風(fēng)力機(jī)類型。
表3-1風(fēng)力機(jī)葉尖速比和葉片數(shù)
Table 3-1 wind turbine blade tip speed ratio and leaf number
葉間數(shù)比
Table 3-1 all kinds of horizontal axis wind turbine speed ratio between leaf and leaf number
葉間數(shù)比
葉片數(shù)目
風(fēng)機(jī)類型
葉間數(shù)比
葉片數(shù)目
風(fēng)機(jī)類型
1
6-20
低速
4
3-5
中速
2
4-12
低速
5-8
2-4
高速
3
3-8
中速
8-15
1-2
高速
風(fēng)輪和機(jī)艙所受的載荷考慮，兩葉片風(fēng)輪所受的主軸彎曲力矩、俯仰力矩、機(jī)艙偏航力矩均比三葉片風(fēng)輪大。葉片減少后，葉間線速度增加，噪聲增大，在有噪聲限制的地區(qū)，噪聲dB值成為限制指標(biāo)。一般三葉片風(fēng)輪在運(yùn)行中比兩葉片風(fēng)輪噪聲低10-20dB。
目前風(fēng)力機(jī)的利用一般都屬于高速風(fēng)機(jī)，葉間速比都大于二。尤其是大型風(fēng)力機(jī)葉間速比比都在3-10，甚至更高。再考慮到大型葉片的成分、穩(wěn)定性、載荷、噪聲等因素，一般都采用三葉片風(fēng)輪。
3.2.3額定風(fēng)速
額定風(fēng)速取決于使用風(fēng)力機(jī)地區(qū)的風(fēng)力資源分布。風(fēng)能資源要綜合考慮到平均風(fēng)速的大小和風(fēng)速的頻率，按照全年獲得的最大能量原則，減少風(fēng)力機(jī)機(jī)片的體積和機(jī)頭的重量的原則以及考慮到風(fēng)力機(jī)工作風(fēng)速范圍擴(kuò)大的原則，來(lái)確定額定風(fēng)速v。本次設(shè)計(jì)、根據(jù)阜新風(fēng)場(chǎng)的平均風(fēng)速和風(fēng)速的頻率，以獲得最大能量為原則來(lái)選取額定風(fēng)速v為10m/s。
3.2.4翼型的選擇
翼型的選取對(duì)風(fēng)機(jī)的效率十分重要。在風(fēng)力機(jī)葉片沿展向各截面如何布置不同的葉型，滿足風(fēng)力機(jī)葉片性能的要求，是風(fēng)力機(jī)葉片空氣動(dòng)力設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。一般在風(fēng)力葉片約75％展長(zhǎng)的剖面附近是主要產(chǎn)生功率中心區(qū)域，因此從該區(qū)域到葉尖配置的翼型應(yīng)具有：①相對(duì)高的升阻比，以獲得最大的功率系數(shù)；②有足夠的相對(duì)厚度，以保持應(yīng)有的結(jié)構(gòu)剛度和重量。從結(jié)構(gòu)和剛度考慮，在根部配置的翼型厚度要大，它可以有高的最大升力系數(shù);而在尖部的翼型配置正好相反，其厚度要小，同時(shí)他所適應(yīng)的雷諾數(shù)與風(fēng)力機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況的雷諾數(shù)相近。另外，還應(yīng)該具有良好的制造工藝性。本次設(shè)計(jì)選取NACA632——615系列。
NACA翼型是最具有代表性的低速航空翼型。NACA翼型20世紀(jì)30年代末到40年代初由美國(guó)國(guó)家宇航局的前身國(guó)家航空質(zhì)詢委員會(huì)提出的。NACA翼型由基本厚度翼型和中弧線疊加而成。NACA翼型常用由四位數(shù)系列和五位數(shù)系列和層流型系類翼型。在某些方面，這些翼型不能令人滿意。例如NACAXX系列中的翼型對(duì)表面污垢敏感的最大升力系數(shù)，而且隨著厚度的增加，他們性能比其他的翼型惡化迅速的多。NACA層流翼型是20世紀(jì)40年代研制成功的一種翼型。
其中NACA632—615翼型的特點(diǎn)是使翼型上的最低壓力點(diǎn)盡量后移，以增加層流附面層的長(zhǎng)度，降低翼型的摩擦阻力。這種翼型在NACA翼型中總計(jì)性能表現(xiàn)良好，而且他們對(duì)表面粗超度有穩(wěn)定的不敏感性，因此在水平軸風(fēng)力機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。
NACA632—615翼型的含義為：
6—————————翼型設(shè)計(jì)的序列號(hào)；
3—————————最小壓力位置占弦長(zhǎng)的十分?jǐn)?shù)，即對(duì)稱翼型中零升力點(diǎn)的位置；
2—————————升力系數(shù)變化范圍；
6—————————設(shè)計(jì)升力系數(shù)十分?jǐn)?shù)；
15—————————代表設(shè)計(jì)系數(shù)占弦長(zhǎng)的百分?jǐn)?shù)，即相對(duì)厚度；
3.2.5利用圖解法設(shè)計(jì)風(fēng)輪葉片外型
在葉片外形設(shè)計(jì)中，圖解法是相對(duì)簡(jiǎn)單的一種設(shè)計(jì)方法。利用圖解法首先要確定額定風(fēng)速V，額定功率P，額定葉間速比λr，葉片數(shù)B和所用翼型這些參數(shù)。其中風(fēng)輪半徑R和葉間速比λr如果沒(méi)有特殊要求可以按相關(guān)公式求出。得到這些參數(shù)后再利用圖解法求出安裝角和弦長(zhǎng)等參數(shù)。
1)計(jì)算風(fēng)輪直徑
D==10m （3-16）
式中：D———————風(fēng)輪直徑（m）；
Pr———————輸出功率，Pr=11kw；
CP?1?2———————風(fēng)能機(jī)利用系數(shù)，CP?1?2=0.21；
ρ———————空氣密度，ρ=1.25kg/m3，；
V———————額定風(fēng)速，V=10m/s ；
得風(fēng)輪直徑D=10m，則風(fēng)輪半徑R=500cm
2)計(jì)算葉片長(zhǎng)度
假設(shè)輪轂半徑為30cm，那么葉片長(zhǎng)度Lb為
Lb=R-r=500-30=470（cm）
3)等分葉片
等分葉片時(shí)，一方面考慮加工精度不要把葉片分的太少，另一方面還要考慮加工工藝不要分的太多，如果是手工工藝更需要把數(shù)據(jù)取成整數(shù)，減少操作的誤差。對(duì)于該葉片我們把它等分成五份，則每一份為94cm。為了方便取成整數(shù)后前4個(gè)截面段分成100cm。這樣，最后一個(gè)截面段為70cm。在圖紙上以風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸為原點(diǎn)，在水平方向上畫出葉片長(zhǎng)度的直線，作為葉片的氣動(dòng)中心線OP；從原點(diǎn)O出發(fā)一條垂直于OP的直線作為繪制弦線的坐標(biāo)。為了便于設(shè)計(jì)和加工，給各個(gè)截面從第i=0個(gè)截面到i=5個(gè)截面編號(hào)ds0到ds5，對(duì)應(yīng)截面分別為A—A截面到F—F截面，如圖。
圖3-3等分葉片后各個(gè)截面
Figure 3-3 equal leaf after each section
4)計(jì)算各個(gè)截面周速比。
首先計(jì)算出額定尖速比λr
（3-17）
計(jì)算得出截面i=0、1、2、3、4、5處的周速比分別為：
λ0=λr×=9.42×=0.57
λ1=λr×=9.42×=2.45
λ2=λr×=9.42×=4.33
λ3=λr×=9.42×=6.22
λ4=λr×=9.42×=8.1
λ5=λr×=9.42×=9.42
可以看出第五個(gè)截面的周速比和葉間速比的值相等。這是因?yàn)槿~間速比就是截面半徑等于風(fēng)輪半徑的周素比。
5)由圖示關(guān)系曲線查到各截面周速比所對(duì)應(yīng)的安裝角。
可以得出各個(gè)截面的安裝角為：
β0=40° β1=15° β2=9° β3=7° β4=6° β5=5°
圖3-4安裝角與周速比關(guān)系曲線
Figure 3-4 installation Angle and speed curve
6)計(jì)算傾角Φi。
傾角是指風(fēng)速與風(fēng)輪葉片旋轉(zhuǎn)平面所夾的角。傾角也稱為氣相角、風(fēng)向角或流動(dòng)角。第i個(gè)截面的傾角可以由下列計(jì)算得出：
Φi= （3-18）
從而得到各個(gè)截面的攻角αi，通常用下式表示
αi=Φi-βi
Φ0==60° α0=Φ0- β0=15°
Φ1=22° α1=Φ1- β1=7°
Φ2=13° α2=Φ2- β2=4°
Φ3=9° α3=Φ3-β3=2°
Φ4=7° α4=Φ4-β4 =1°
Φ5=6° α5=Φ5-β5 =1°
7)計(jì)算雷諾數(shù)
已知風(fēng)輪直徑為10m，第一黏性系數(shù)μ為1.698×10-5
（3-19）
8)升力系數(shù)
根據(jù)攻角和升力系數(shù)曲線查的各個(gè)截面的升力系數(shù)CL
圖3-5不同展弦比的升力系數(shù)曲線
Figure 3-5 different aspect ratio of lift coefficient curve
CL0=0.7; CL1=0.6; CL2=0.57; CL3=0.53; CL4=0.5; CL5=0.3;
9)計(jì)算各個(gè)截面弦長(zhǎng)
(3-20)
把前面計(jì)算的相應(yīng)數(shù)據(jù)帶入上式，可以計(jì)算出各個(gè)截面的弦長(zhǎng)：
C0= 12.3 C1=13.5 C2=8.23 C3=3.8 C4= 1 C5=2.12
到此得到了11kw風(fēng)力發(fā)電機(jī)外型的基本參數(shù)。為了方便計(jì)算，把上式計(jì)算的結(jié)果在下表中列出。
表3-2圖解法得到各截面參數(shù)
Table 3-2 graphic method section parameter is obtained
截面號(hào)
截面
半徑
mm
周速比
安裝角
傾角
攻角
升力系數(shù)
弦長(zhǎng)
mm
ds0
ds1
ds2
ds3
ds4
ds5
A-A
B-B
C-C
D-D
E-E
F-F
30
0.57
40
60
15
0.7
12.3
130
2.45
15
22
7
0.6
13.5
230
4.33
9
13
4
0.57
8.23
330
6.22
7
9
2
0.53
3.8
430
8.1
6
7
1
0.5
1
500
9.42
5
6
1
0.3
2.12
圖解法設(shè)計(jì)出的安裝角和弦長(zhǎng)分布如圖。
圖3-6圖解法安裝角和弦長(zhǎng)分布
Figure 3-6 graphic method installation Angle of chord length distribution
3.2.6葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)選擇
在進(jìn)行葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，還要考慮機(jī)主實(shí)際運(yùn)行環(huán)境因素的影響，進(jìn)行葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使葉片具有足夠的強(qiáng)度和剛度。保證葉片在規(guī)定的使用條件下，在其使用壽命期內(nèi)不發(fā)生破損。另外要求葉片盡可能輕，并考慮到葉片間相互平衡措施。
針對(duì)本次設(shè)計(jì)，葉片重量太重，會(huì)增加其他構(gòu)件的負(fù)擔(dān)，如塔架。造成靈敏度下降，系統(tǒng)協(xié)調(diào)性差等缺陷。改變?nèi)~片內(nèi)部結(jié)構(gòu)也是降低葉片重量、降低成本的有效方法。因此采用德國(guó)的enercon公司的O形梁作為葉片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。，該O型梁由玻璃纖維夾層板制作，葉片內(nèi)部填充硬質(zhì)泡沫塑料。
圖3-7 O型葉片截面
Figure 3-7 o blade section
3.2.7葉片材料選取
1)常用材料的特點(diǎn)
①木質(zhì)葉片
近代微、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)多采用木質(zhì)葉片，有一定強(qiáng)度，但加工時(shí)間長(zhǎng)，不易做成扭曲型，適合中，小型單套葉片的生產(chǎn)。大、中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)很少采用木質(zhì)葉片，采用木質(zhì)葉片的也是用強(qiáng)度很好的整體木頭做葉片縱梁來(lái)承擔(dān)葉片工作時(shí)必須承擔(dān)的力和彎矩。
②鋼梁纖維蒙皮葉片
葉片在現(xiàn)代多采用鋼管或D型梁做縱梁，鋼板做肋梁，內(nèi)添泡沫塑料外覆蓋玻璃鋼蒙皮的結(jié)構(gòu)形式，一般在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上使用。葉片縱梁的鋼板及D型鋼從葉根到葉尖的截面應(yīng)逐漸縮小，以滿足扭曲葉片的要求并減輕葉片質(zhì)量，即做成等強(qiáng)度梁。
③玻璃鋼葉片
所謂玻璃鋼就是環(huán)氧樹(shù)脂，不飽和樹(shù)脂等塑料摻入長(zhǎng)度不同的玻璃纖維或碳纖維而做成的增強(qiáng)塑料。增強(qiáng)塑料強(qiáng)度高、重量輕、耐老化，表面可再纏玻璃纖維及涂環(huán)氧樹(shù)脂，其他部分填充泡沫塑料。玻璃纖維的質(zhì)量還可以通過(guò)表面改性、上漿和涂覆加以改進(jìn)。LM玻璃纖維公司致力于開(kāi)發(fā)長(zhǎng)達(dá)54m的全玻璃葉片，其單位kwh成本較低。
2)葉片材料選擇原則
a． 材料應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和壽命，疲勞強(qiáng)度要高，靜強(qiáng)度要適當(dāng)。
b． 必須有良好的可成形性和可加工性。
c． 密度低，硬度適中，重量輕。
d． 材料來(lái)源充足，運(yùn)輸方便，成本低。
3)選擇本次設(shè)計(jì)葉片材料
本次設(shè)計(jì)選取木質(zhì)葉片。在我國(guó)東北地區(qū)，尤其是小型風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)中，葉片往往采用以木材為芯，外包若干層玻璃鋼。木材選用產(chǎn)于內(nèi)蒙古東北部及黑龍江等地的樟木。樟木質(zhì)地堅(jiān)硬，許用應(yīng)力比較大，還減少了破壞丟棄后的污染。外包的玻璃鋼層采用無(wú)堿玻璃纖維，其抗拉強(qiáng)度為3120Mpa，介電數(shù)較低，抗疲勞強(qiáng)度高，尺寸穩(wěn)定性好，化學(xué)穩(wěn)定性好，耐候性好。無(wú)堿玻璃纖維的一系列優(yōu)異性能使它成為近代工業(yè)應(yīng)用廣泛的增強(qiáng)材料。
本章小結(jié)：
本章確定了風(fēng)力機(jī)的具體形式和葉片數(shù)、翼型等基本參數(shù)。并通過(guò)圖解法發(fā)生得出了葉片的半徑、傾角、攻角、弦長(zhǎng)的安裝參數(shù)。選擇了葉片的材料和葉片內(nèi)部的構(gòu)造。
4風(fēng)力機(jī)主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1主軸相關(guān)參數(shù)計(jì)算
1)選擇主軸材料
選用45鋼正火處理，強(qiáng)度極限，許用彎曲應(yīng)力。
表4-1常用軸材料的A0值
Table4-1 commonly used shaft m