小型发电机设计.docx

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小型发电机设计

300W小型垂直轴风力发电机的设计

摘要:

为了解决日益严重的环境污染和能源危机的问题，开发了一种以风力的发动机。

由于原材料价格不断上涨，小型风力发电机组生产成本，也不断提高，而购买风机的广大农牧民经济收入有限，因此企业销售价不能随着上涨，企业利润空间很小，无利可图，促使有的企业开始转产。

如原内蒙古商都牧机厂现在已开始生产并网型大型风力发电机组的塔架，大型电焊机、卷扳机已经到货，正准备投产。

有的配套件质量不稳定，性能差，特别是蓄电池，逆变控制器，影响整机发电系统的效率和可靠性。

尽管目前风光互补发电系统推广应用很快、需要量大，但由于太阳能电池组件价格太高（每WP30～50元）。

如果不是目前国家大量补贴，农牧民自购有较大困难，所以说太阳能电池组价格制约风光互补发电系统的发展。

本设计主要设计的是300W小型垂直轴风力发电机。

关键词：

风力发电机小型风力发电机风力垂直轴

Abstract

Inordertosolvetheincreasinglyseriousenvironmentalpollutionandenergycrisis,thedevelopmentofawindengine.Asaresultofrisingrawmaterialprices,smallwindturbineproductioncosts,isalsorising,andthepurchaseofthemajorityoffanswithlimitedincomeoffarmersandherdsmen,soasthesalespricecannotrise,corporateprofitsisverysmall,unprofitable,tohaveTransferringthebusiness,started.SuchasanimalhusbandryaretheoriginalfactoryinInnerMongoliahavealreadystartedtoproducelargescalegridbased

windturbine'stower,alargeweldingmachine,deliveryvolumeshavebeenthetriggerisreadyforproduction.Matchingthequalityofsomepiecesofinstability,poorperformance,especiallythebattery,theinvertercontroller,theimpactofthewholepowersystemefficiencyandreliability.Despitethecurrentlandscapetopromotetheapplicationofhybrid

generatingsystemveryquickly,thedemandforlarge,butthesolarcellcomponentcostsaretoohigh

（perWP30~50million）.Ifitisnotcurrentlyalargenumberofnationalsubsidies,farmersand

herdsmenhaveamoredifficultsincethepurchase,sothatthepriceofsolarbatterypowerconstraints

scenerycomplementarysystems.Thedesignofthemaindesignis300Wsmallverticalaxiswindturbine.

Keywords：

Windturbinessmallwindturbineswindverticalaxis

第1章绪论

随着中国对“三农”投入力度加大，经济持续快速发展，广大农、牧、渔民对改善生活环

境，提高生活质量，改善农村地区的能源结构，解决生活用电的迫切要求，作为农村可再生能

源主要支柱之一的小型风力发电行业得到长足的发展，不论是参与开发、研制、生产的单位，

还是产品产量、国内外销售以及推广应用范围，与上年相比都有了新的提高，取得了显著的成

效。

1.1行业现状

1.1．1从事小型风力发电产业的开发、研制、生产单位不断扩大

自中国第一部《可再生能源法》于2005年2月28日在全国人大十一届十四次大会通过以

来，可再生能源的开发应用出现了新的机遇，大家看好可再生能源的发展前景，从事小型风力

发电产业研制、开发、生产的单位达到70家。

其中，大专院校、科研院所35家，生产企业23

家，配套企业（含蓄电池、叶片、逆变控制器等）12家。

生产企业名列前矛的是：

江苏神州风

力发电有限公司、内蒙古龙信博风电设备制造有限公司（原内蒙古商都牧机厂）、内蒙古天力

机械有限公司（原内蒙动力机厂）、广州红鹰能源科技有限公司、南京东龙电子电器科技中心。

1.1.2小型风力发电机组产量产值利润有新的增长

2005年据23个生产企业报表统计，共生产30kW以下独立运行的小型风力发电机组共33253

台，比上年增长34.4％，其中200W、300W、500W机组共生产24123台，占全年总产量的72.5％，

机组容量为12020kW，总产值8472万元，利税992.9万元。

2006年，预计小型风力发电行业无

论是产量、产值、利税等方面将有较大增长，目前正在统计中。

1.1.3出口外销数量增加，国际市场看好

2005年15个单位共出口小型风力发电机组5884台，比上年增长40.7％，创汇282.7

万美元，主要出口到菲律宾、越南、巴基斯坦、朝鲜、印尼、波兰、缅甸、蒙古、韩国、日本、

加拿大、英国、美国、荷兰、智利、格鲁吉亚、匈牙利、新西兰、比利时、澳大利亚、南非、

阿根廷、香港、台湾等24个国家和地区。

1.1.4推广应用范围不断扩大

除了传统的广大农牧区用户应用小型风力发电机组照明看电视以外，由于汽油、空气、

煤油价格飞涨，且供应渠道不畅通，内陆、江湖、渔船、边防哨所、部队、气象、微波站等使

用空气发电的用户，逐步改用风力发电或风光互补发电。

此外，生态环保公园、林荫小道、别

墅庭院等地方，也购买安装小型风力发电机组，作为景观，供人们休闲欣赏。

1.1.5农业行业标准及“小风电利用工”国家职业标准的制定

1）根据农业部科教司“农村可再生能源行业标准体系”规划对小型风力发电通用标准

及相关标准编制的要求，小型风力发电系统两个标准已经制定完成，即“小型风力发电系统技

术条件及质量评价”、“小型风力发电系统安装规范”；一个标准正在制定，即“小型风力发

电系统可靠性要求”。

此外根据农业部市场司及质量办“关于申报2005年农业行业标准制定

和修改项目”的通知要求，申报了两个小风电行业标准，即“小型风力发电系统验收规范”、

“小型风力发电系统售后服务技术规范”。

2）根据“中华人民共和国劳动法”的有关规定，为进一步完善国家职业标准体系，为

职业教育和职业培训提供科学规范的依据，参加劳动和社会保障部、农业部组织的专家组，制

定了《小风电利用工国家职业标准》并已通过审批实施。

1.1.6国家西部无电地区农村能源电力建设

1）国家发改委、全球环境基金世界银行中国可再生能源发展项目办公室，从2002年

开始，实施“送电到乡”工程已基本结束，全部建成发电，主要集中在新疆、甘肃、西藏、内

蒙古、青海等省，共建成了718个光伏和风光互补电站，装机18MW，其中风力发电800kW所采

用的风力发电机组由协会生产企业提供。

下一步“送电到村（户）工程”正在规划，即将启动。

2）内蒙古“光明工程”实施进展情况

内蒙古自治区政府确定的“光明工程”项目，从2001年开始，用5年的时间，推广应

用风力发电与风光互补发电，解决7个盟（市）26个旗（县）7.5万户离网散居的牧民生活用

电、区内外的内蒙国飞、商都、天力、华德、蒙晨、包头二重、保定天泰等生产企业。

通过招

标，都参与了内蒙古光明工程建设，到2005年底累计完成11597套，其中2005年完成2354

套，由于部分产品质量不过关、政府补贴及用户自筹资金不到位等原因，“光明工程”进展缓

慢，步履艰难，而参与光明工程的企业，货款收不回来，流动资金严重不足，影响企业的发展，

有苦难言。

3）内蒙古小型风力发电开发应用

“十五”期间，内蒙古新能源开发利用专项共16项，投入资金3382.92万元，到2005

年已验收11项，直接经济效益670万元。

在送电工程项目中，自治区政府对每套风光互补发电

系统补贴3000元，促进了行业发展。

内蒙古小型风力发电机组50W～20kW已形成3.5万台的生产能力，到2004年全区累计

推广应用小型风力发电机组15.8万台，并在50个旗县建立了新能源技术服务机构，保证机组

正常运行。

内蒙古自治区小型风力发电机组的产量、保有量、生产能力、生产企业数，均列全

国第一。

1.1.7国际合作与技术交流

1）对中国与荷兰政府“促进中国西部可再生能源发展应用项目”湖北洪湖示范点上安

装的280台小型风力发电机组和32台（套）风光互补发电系统进行了设备安装验收，并对已经

发现的设备质量问题提出了改进意见，使其真正起到示范作用。

2）参加中国风能协会组织的澳大利亚墨尔本“第四届世界风能大会（WWE2005）暨可

再生能源展览会”，并对澳大利亚可再生能源应用状况进行了考察。

该国风力资源丰富，小型

风力发电和风力提水机组随处可见，特别是风力提水机组广泛用于牲畜饮水及草浇灌溉，效果

很好。

中国内蒙古早期生产的北方型风力提水机组技术就是从澳大利亚引进的。

3）组织参加上海第十五届国际光伏科学与工程大会（PVSEL－15）及展览会，内蒙古

呼和浩特市博洋、内蒙蒙晨、南京冠亚等会员单位将小型风力发电机组及逆变控制器等产品进

行了展示，扩大了国内外影响。

1.2行业发展趋势

由于广大农牧民生活水平提高、用电量不断增加，因此小型风力发电机组单机功率在继续

提高，50W机组不再生产，100W、150W机组产量逐年下降，而200W、300W、500W、1000W机组

逐年增加，占总年产量的80％。

由于广大农民迫切希望不间断用电，因此“风光互补发电系统”的推广应用明显加快，

并向多台组合式发展，成为今后一段时期的发展方向。

风光互补多台组合式系列发电系统是将多台小功率风力发电机安装在同一个地方，集

中向配套的多个大容量蓄电池组同时充电，并由一台大功率的控制逆变器统一控制输出。

这种

配置优点是

（1）小型风力发电机组的技术成熟，结构简单、质量稳定、安全可靠、经济实惠；

（2）装拆、搬运、维护方便，操作简单；（3）若需维护或故障停机时，其余组机照常发电，

不影响系统正常使用；（4）多台成群的风光互补发电系统自然成为一片观赏景点，又是一座无

环境污染的绿色电站。

随着国家《可再生能源法》及“可再生能源产业指导目录”的制定，相继还会有多种

配套措施及税收优惠扶植政策出台，必将提高生产企业的生产积极性，促进产业发展。

目前中国尚有2.8万个村，700万户计2800万人口没有用上电，且分散居住在边远山

区、农牧区、常规电网很难到达。

有关专家分析，700万无电户中，300万户可用微水电解决用

电，而400万户可以用小型风力发电或风光互补发电，满足用电需要。

1.3存在问题

1）由于原材料价格不断上涨，小型风力发电机组生产成本，也不断提高，而购买风机

的广大农牧民经济收入有限，因此企业销售价不能随着上涨，企业利润空间很小，无利可图，

促使有的企业开始转产。

如原内蒙古商都牧机厂现在已开始生产并网型大型风力发电机组的塔

架，大型电焊机、卷扳机已经到货，正准备投产。

2）有的配套件质量不稳定，性能差，特别是蓄电池，逆变控制器，影响整机发电系统

的效率和可靠性。

3）尽管目前风光互补发电系统推广应用很快、需要量大，但由于太阳能电池组件价格

太高（每WP30～50元）。

如果不是目前国家大量补贴，农牧民自购有较大困难，所以说太阳能

电池组价格制约风光互补发电系统的发展。

4）少数企业生产的小型发电机组质次价高，而且产品没有通过国家检测中心测试鉴定

就批量生产销售，售后服务不到位，损害了消费者利益。

1.4措施与建议

1）尽快制定减免税收优惠政策

根据国家发展改革委员会颁布的“可再生能源产业指导目录”，国家应尽快制定增值

税、所得税减免税率，减轻企业负担，有利行业发展。

否则企业无利可图就会转产。

2）建议农业部在启动实施“生态家园”富民方案中，因地制宜，发展应用推广小型风

力发电，风光互补农村可再生能源发电系统。

3）2002年和2003年农业部实施的“小型公益项目”计划，对促进小风电、光电、微

水电的产业发展起到积极促进作用，希望能继续实施。

4）企业要不断的提高产品质量，提高可靠性及外观，在满足国内需要外，积极大量出

口，扩大外销。

5）为保障用户权益、保障广大农牧渔民的切身利益，建议农业部尽快建立国家级“小

型风力发电系统质量检测中心”。

没有通过质量检测的产品不予推广应用。

1.5日常保养和定期保养维护

1.5.1日常保养

风电机组齿轮箱的日常保养内容主要包括：

设备外观检查、润滑油位检查、电气接线检查

等。

具体工作任务包括：

运行人员登机工作时应对齿轮箱箱体表面进行清洁，检查箱体及润滑

管路有无渗漏现象，外敷的润滑管路有无松动，由于风电机组振动较大，如果外敷管路固定不

良将导致管路接头密封损坏甚至管路断裂。

此外，还要注意箱底放油阀有无松动和渗漏，避免

放油阀松动和渗漏导致的齿轮油大量外泄。

由油标尺或油位窗检查油位及油色是否正常，发现油位偏低应及时补充。

若发现油色明显

变深发黑时，应考虑进行油质检验，并加强机组的运行监视。

遇有滤清器堵塞报警时应及时检

查处理，在更换滤芯时应彻底清洗滤清器内部，有条件最好将滤清器总成拆下在车间进行清洗、

检查。

安装滤清器外壳时应注意对正螺纹，均匀用力，避免损伤螺纹和密封圈。

检查齿轮油位油位、温度、压力、压差、轴承温度等传感器和加热器、散热器的接线是否

正常，导线有无磨损。

在日常巡视检查时还应当注意机组的噪音有无异常，及时发现故障隐患。

1.5.2定期保养维护

风电机组定期保养维护内容主要包括：

齿轮箱连接螺栓的力矩检查、齿轮啮合及齿面磨损

情况检查、传感器功能测试、润滑及散热系统功能检查、定期更换齿轮油滤清器，油样采集等。

有条件时可借助有关工业检测设备对齿轮箱运行状态的振动及噪音等指标进行检测分析，以期

更全面地掌握齿轮箱的工作状态。

根据风电机组运行维护手册，不同的厂家对齿轮油的采样周期也不尽相同。

一般要求每年

采样一次，或者齿轮油油使用两年后采样一次。

对于发现运行状态异常的齿轮箱根据需要，随

时采集油样。

齿轮油的使用年限一般为三至四年。

由于齿轮箱的运行温度、年运行小时以及峰

值出力等运行指标不尽相同，笼统地以时间为限作为齿轮油更换的条件，在不同的运行环境下

不一定能够保证齿轮箱经济、安全地运行。

这就要求运行人员平时注意收集整理机组的各项运

行数据，对比分析油品化验结果的各项参数指标，找出更加符合自己电场运行特点的油品更换

周期。

我场在油品采样时，考虑到样品份数的限制，一般选取运行状态较恶劣的机组（如：

故障

率较高、出力峰值较高、齿轮箱运行温度较高、滤清器更换较频繁）作为采样对象。

根据油品

检验结果分析齿轮箱的工作状态是否正常，润滑油性能是否满足设备正常运行需要，并参照风

电机组维护手册规定的油品更换周期，综合分析决定是否需要更换齿轮油。

油品更换前可根据

实际情况选用专用清洗添加剂，更换时应将旧油彻底排干清除油污，并用新油清洗齿轮箱，对

箱底装有磁性元件的，还应清洗磁性元件，检查吸附的金属杂质情况。

加油时按手册要求风力

加注，避免油位过高，导致输出轴油封因回油不畅而发生渗漏。

第2章发电机整体的设计

设计的300W小型垂直轴风力发电机，并设置了多种传感器，充分应用原发动机的电控系统，

实现精确控制。

2．1压力调节器

压力调节器上装有压力传感器且与驾驶室内控制面板相连，这样在驾驶室内即可通过压力

值了解风力的大小。

在压力调节器前分别安装有加温器和过滤器。

其中加温器是为了给风加热，

以避免因风压力降低吸收热量而使压力调节器冻结。

过滤器是为了滤除气体中的杂质，以避免

减压器阀口被堵塞。

风力压力调节器后连接电磁阀，当发动机出现故障或发动机熄火时，电磁

阀自动切断风的供给。

2.2气体流量阀

气体流量阀可精确控制双风力工作状态下的风力流量。

其内有一小容积室，与风力喷射器、

风压力传感器和温度传感器相连，2个传感器分别测出容积室中风的压力和温度。

中央控制器

（ECU）将实测风压力与存储在ECU内的目标压力值相比较，根据二者的差值调整容积室的容积，

保证确的风喷射量。

风以1O～80Mpa的喷射压力喷入时进气道内，与空气充分混合后进入气缸。

风力喷射器的喷孔与空气的流向相反，使风与空气充分混合。

2.3中央控制器

ECU是YC6108双风力发动机的控制核心，它接受8个传感器的信息，通过计算分析处理后，

向空气风力控制器及气体流量阀等主要执行器发出指令，控制双风力状态下的空气量以及风力

的流量，进而保证发动机的性能。

ECU具有故障自诊断功能。

当控制系统出现问时，ECU自动记

录错误信息，并将错误代码在控制面板上显示出来。

它可自动记录风流量、空气流量风温度和

压力、进气温度、进气压力等3O余个参数随时间变化的曲线，并进行分析。

2.4空气风力控制器

空气风力控制器安装在喷油泵的后端。

发动机在双风力工作状态时，ECU按照其内设定的

风力MAP，通过控制步进电机的行程从而控制喷油泵齿条的位移量来控制在双风力工作状态的空

气风力。

在纯空气工作状态时，空气风力控制器不起作用，由喷油泵调速器直接控制发动机的

空气喷射量。

2.5控制面板

控制面板固定在驾驶室内的仪表板上。

控制面板上有控制发动机工作状态的转换开关，还

可以显示双风力工作状态下的风替代率及气瓶内的风储量。

当双风力工作状态下出现故障时，

控制面上的故障显示灯就会提醒驾驶员，同时可以通过外接设备端口把故障的原因打印出来。

第3章发电机的部件设计

3.1桨叶的设计

小型风力发电机组常用的几种桨叶

1、木质桨叶

选用上好的优质木材加工而成。

对木材的要求是：

1、木质不软不硬，容易加工；2、木纹

整齐无疤痕；3、不易吸水，不易变形。

木质材料的机械强度不高，光洁度低，容易吸收水分，

容易发生变形，经不起户外恶劣环境的侵袭。

因此，桨叶成形后要在上面涂上油漆，加以保护。

尽管如此，木质桨叶的使用寿命也远不如其它类型桨叶。

它的优点是价格低廉、取材容易，重

量轻，使用安全。

这种桨叶多用于50W以下的小型风机上。

木质桨叶有两种叶型，一是两叶型，为整体结构，没有单独的叶柄，是用一块等宽的优质

木材加工而成，除中间有一个安装孔外，没有任何零部件，因此是各类风机桨叶中结构最简单、

价格最便宜的一种。

二是三叶型，各桨叶单独制作，各有独立的叶柄与叶片相连接，叶柄的另

一端与轮盘相连，组成叶轮。

由于其结构与零部件比两叶型复杂，因此容易损坏。

木质桨叶的

使用寿命一般在1年左右。

2、玻璃钢桨叶

玻璃钢桨叶表面光滑，硬度高，造型容易。

因而，在小型风力发电机组中，玻璃钢桨叶应

用得最为广泛。

玻璃钢桨叶有两种结构，一是木芯外包玻璃钢桨叶，这种桨叶重量轻、成本低、

应用广，但使用寿命较短，一般约为3-5年；二是中空全玻璃钢桨叶，这种桨叶较重，成本也高，

但使用寿命较长，约4-6年。

全玻璃钢桨叶又分为两种，一种是只有简单的叶柄；另一种是带有

离心调速装置的叶柄。

3、铁皮桨叶

铁皮桨叶多用于带离心调速装置的风机上，一般用0.5mm厚的镀锌铁皮制成，中空，一端用

金属块封堵，另一端用带有离心调速装置的叶柄根部填充。

这种桨叶很重，运行起来很平稳。

铁皮桨叶由于惯性大、硬度高、边缘锐利等原因，运行时存在着一定的不安全因素，尤其是在

安装、维修时要注意安全。

这种桨叶的使用寿命较长，一般可达10年左右。

4、铝合金桨叶

铝合金桨叶是近几年开始生产使用的新型桨叶。

这种桨叶，是用铝合金浇铸而成，实心。

它的造型很特别，叶片的前后缘皆呈弧形，上半部向后弯曲似新月状，机械强度很高。

将叶片

横放在地上，两端各垫一块砖，中间悬空，站上去一个人，叶片不弯不断。

它启动风速小，能

在微风中发电。

它的使用寿命估计可在10年以上，是一种比较有前途的叶种。

这种桨叶的不足之处是运行中存在着不安全因素，它分量重、惯性强，前缘锋利，旋转起

来像三把飞刀，具有一定的危险性，在安装、维修和运行时，要倍加小心。

综合考虑几种桨叶的特点，本设计采用铝合金材质的桨叶作为该小型垂直风力发电机的桨

叶。

3.2手动关闭阀设计

手动关闭阀是CNG系统安全可靠的关键部件，要求能够做到快速“开”和“关”，启闭范

围应为0.25~1.5圈，并清楚标明“开”和“关”的方向。

手动关闭阀应安装在易于操作的位置，

阀体又不得直接安装在驾驶室内。

图3.1手动关闭阀

3．2．1结构设计

设计的手动关闭阀的结构如图3.2所示。

1——阀体2——阀芯3——内螺帽

4——密封膜片5——外螺帽6——阀杆7——手轮

图3.2手动关闭阀结构

手动关闭阀实质是截止阀。

由上图风力从A端进入B端流出。

当旋传手轮7时，可以截止

或打开气瓶与风力压力调节器通路。

用于截止风力的阀芯2端部设置有密封垫，使截止充分防

止泄漏。

在阀杆和内螺帽之间安有密封膜片，防止在手动关闭阀打开时风力泄漏。

3．2．2阀杆设计

根据设计的手动充气阀结构，初步设计阀杆的最小直径为12mm，取材料为1Cr13。

1阀杆轴向力计算

阀杆轴向力

FZFZMJQ=Q+Q（4.3）

其中

FZQ——阀杆轴向力（N）

FZQ——密封力（N）

MJQ——介质力（N）

密封力

QMF=pDmpbmqMF（4.4）

由设计结构初定

阀座密封面平均直径Dmp=6mm

阀座密封面宽度bmmm=2

又密封必需比压qpMF=2=2´20=40MPa（p为储气压力）

所以

QNMF=3.14´6´2´40»1507

介质力

QDpMJmp

2

4

p

=（4.5）

即MJQ620

4

=3.14´2´»565N

所以阀杆的最大轴向力

FZFZMJQ=Q+Q=1507+565=2072N

2阀杆力矩计算

阀杆力矩

FFLFDM=M+M（4.6）

其中