风力液动机设计（机械类）.docVIP

PAGE 44 前言 风能利用已有数千年的历史，在蒸汽机发明以前，风帆和风车是人类生产和生活的重要动力装置。埃及被认为可能是最先利用风能的国家，约在几千年以前，他们就开始用风帆来帮助行船。波斯和中国也很早开始利用风能，主要使用垂直轴风车。 从现在的能源角度来说，对风能的利用更具有了时代意义。首先风能是一种干净的、储量极为丰富的可再生能源，它和存在于自然界的矿物燃料能源，如煤、石油、天然气等不同，它不会随着其本身的转化和利用而减少，因此也可以说是一种取之不尽、用之不竭的能源；而煤、石油、天然气等矿物燃料能源，其储量将随着利用时间的增长而日趋减少。矿物燃料在利用过程中会带来严重的环境污染问题，如空气中的等气体的排放量的增长导致了温室效应、酸雨等现象的产生。因此自20世纪70年代末以来，随着世界各国对环境保护、能源短缺及节能等问题的日益关注，认为大规模利用风力发电是减少空气污染、减少有害气体（等）排放气体的有效措施之一[2]。 大自然的风完全不用进口，是地道的自产能源，多加利用可减低对进口石油、煤炭等化石能源的依赖，促进能源来源多元化，在国家安全上也有其战略意义。在经济社会层面，风力发电可制造工作机会，从零组件的生产、运输、组装、维护等，皆为设置风力发电机当地带来相当的就业机会与新的产业。 德国、丹麦、西班牙、英国、荷兰、瑞典、印度加拿大等国在风力利用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必威体育精装版成果，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[3]。 因此，本文基于风力机的无污染和资源丰富等各种优点，通过对风力液动机风轮部分桨叶、桨叶轴、复位弹簧等以及主轴、回转体的设计，并通过选择对应的增速器、液压泵、液压马达等液动系统原件，以达到通过风力液动机的将风能转化为其他机械能的目的。 1 绪论 本章重点在于对风动机的基本特征进行分析，研究风能的特点及并对其产生进行分析，研究对风能利用的原理，进一步说明对风能利用的必要性，最后介绍世界风动机发展的特点。 1.1 风能的产生和特点 由于太阳辐射造成地表面受热不均引起大气温度、密度和压力差别产生了风。风能是地球表面空气从压力高的地方向压力低的地方移动时产生的动能，风能资源是经过测在量和质上可供人类开发利用的风能。风能的大小用风功率密度来度量，它与风速的立方和空气密度成正比[2]。 太阳辐射的能量在地球表面约有2%转化为风能。根据荷兰和美国对风能资源的研究，考虑城镇、森林、复杂地形、交通困难的山区及社会环境的制约，如景观和噪音影响等，取具有风能资源土地面积的4%推算，可利用的风能资源储量估计约96亿kW或18.7万亿kW·h/a。另外，海岸线附近的浅海区域也有非常丰富的风能资源，且平均风速大、湍流小，仅欧盟国家沿岸的海上风能资源估计约3万亿kW·h/a，比欧盟12国目前的年用电量2万亿kW·h还大，如按年满功率发电2 500h计划，则装机容量可达12亿kW。 1.2 风动机对风能的利用 风动机并不能将所有流经的风力能源转换成电力，理论上最高转换效率约为59%，实际上大多数的叶片转换风能效率约介于30~50%之间，经过机电设备转换成电力能或其他机械能后的总输出效率则约介于20~45%。鉴于水平轴式拥有较高机械效率，现代风动机多为水平轴式。并且采用后背式轮毂设计，这样可以省去尾翼[3]。 风动机的机械能输出与风的速度非常有关，叶片能自风获得之能量与风速的三次方成正比，一般市场上风动机的启动风速约介于2.5~4m/s，于风速12~15m/s时达到额定的输出容量，风速更高时风动机的控制机构将电力输出稳定在额定容量左右，为避免过高的风速损坏发电机，大多于风速达20~25m/s范围内停机。一般采用旋角节制或失速节制方式来调节叶片之气动性能及叶轮之输出。 除了风速外，叶轮直径决定了可获取风能的多少，约与叶轮直径平方成正比，以目前商业化的中、大型风动机为例，容量600kW的机组其叶轮直径约45m左右，1000kW的机组叶轮直径约5