毕业设计_风力发电虚拟仿真

本次所设计的课题是风力发电系统的虚拟设计，旨在开发小型风力发电系统，而风力发电的基础设备是风力发电机。风力发电机组由风轮、组合体（包括发电机和回转体尾舵拉索式塔架等）、配电控制器、蓄电池和逆变器组成。目前国际国内风力发电系统发展的现状都很乐观，世界能源委员会预计，全世界到2020年风力发电装机容量可达1.8亿-4.7亿KW。采用风力发电的优点，从环境保护上看：不消耗任何燃料，无污染排放，是可再生的绿色洁净能源；从投资建设上看：单台发电设备投资不大，建设灵活，建设周期短，只要把设备立起来就可以发电；从气候条件上看：在冬、春季风大，发电多，而冬春两季又是我国的枯水期，风电和水电可以互补；另外我国的风，多在下午开始加大，到后半夜开始减弱，这正好和电力负荷曲线相吻合。本次课题设计为了降低设计试制成本，减少新产品开发中的风险，要借助现代计算机技术进行虚拟设计。

虚拟现实（Virtual Reality）技术是20世纪80年代末90年代初崛起的一种实用技术，与网络、多媒体并称为21世纪最具应用前景的三大技术，用于描述交互式3D对象和世界，可用于多种应用领域，如工程和科学可视化，多媒体演示，娱乐和教育游戏，网页，并共享虚拟世界。本次设计为了能更好的表达风力发电系统的工作过程，利用VR 技术生成了一个逼真的风力发电机的工作虚拟环境。

1.1 研究背景

石油、煤、水或核电是当今世界能源的主要构成部分。随着科技进步和国民经济的日益发展，能源的需求量也在不断增长。而传统能源的一些弊端也逐渐显露。石油资源日益枯竭，而燃煤、核能等又存在大量环境污染和安全隐患，寻找新的可再生清洁能源、改善世界能源结构就成为了世界各国迫在眉睫的头等大事。经过三十几年对可再生能源现代开发的研究和应用，目前，新型清洁可再生能源的优势已逐步体现。

作为一种洁净无污染的可再生能源，风能是人类最早利用的能源之一。作为太阳能的一种形式，风能取之不尽，用之不竭，分布广泛、储量巨大、清洁无污染。据有关资料显示，地球上近地层的风能总量约为13000亿千瓦。从理论上讲，地球上1％的风能就能完全满足全世界的能源需求。

我国风力资源十分丰富，风能资源总储量为32．26亿千瓦，实际可开发量为2．53亿千瓦，约占7．8％。“十五”期间，我国加快了风电产业发展步伐。装机总容量首次进入世界风电规模前十位，紧随欧美传统风力发电强国，成为风电应用最为广泛的国家之一。进入新千年后，我国风电产业进一步迅猛发展，风力发电电厂建设和设备制造成为科研前沿和热门产业。

虽然我国风电事业发展如此迅猛，但其生产设备长期依赖进口，在自主开发风力发电机方面还比较落后，特别是大功率发电机组的核心技术领域更是基本属于空白。国内各大主要风力发电厂的生产机组基本全部是引进国外设备，部分国产机组也是以仿制国外产品为主，核心技术领域仍然是空白，设计水平以及实验水平与国外先进技术相比不可同日而语。而且不同地域的风况存在较大差异，这也造成了仿制风机的“水土不服’’，很难达到生产应用要求。所以单纯的仿制并不能解决我国风力发电机设计水平较差的现状，必须以提高我国风力机的设计和研究水平为目标来实现“国产化”，设计出具有自主知识产权的风力发电核心设备，突破我国风电行业发展的“瓶颈”，使风电行业走上一条健康发展之路。

1.2 风力发电系统工作原理

将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。广义地说，它是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机。风力发电利用的是自然能源。相对柴油发电要好的多。但是若应急来用的话，还是不如柴油发电机。风力发电不可视为备用电源，但是却可以长期利用。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。

风力发电机根据叶片固定轴的方位，风力发电机可以分为垂直轴和水平轴两类。垂直轴式风电机工作时转轴方向与风向一致，水平轴式风电机转轴方向与风向成直角。水平轴式风电机通常需要不停地变向以保持与风向一致。而垂直轴式风电机则不必如此，因为它可以收集不同来向的风能。本设计采用垂直轴风力发电。

1.3 风力发电系统的传动装置

传动装置是大多数机器的主要组成部分。传动件及传动装置设计是否合理、制造和装配质量是否符合要求，将成为决定产品质量的关键。传动可以分为机械传动、流体传动和电传动三类。而机械传动按其工作原理分为啮合传动与摩擦传动，具体分为链传动、带传动、齿轮传动、蜗杆传动四类。根据风力发电机组传动特点和工作环境要求，一般均选择齿轮传动。齿轮传动是机械传动中最重要、应用最广泛的一种传动形式。其主要优点是：具有瞬时传动比恒定、可靠性高、寿命长、结构紧凑。齿轮传动分为开式、半开式和闭式三种传动方式。由于风力发电机工作环境恶劣，一般采用闭式传动以满足润滑要求。

增速器是指安装在原动机与工作机之间独立的闭式传动装置，用于增加转速应相应减小转矩。增速器是风力发电机组的重要组成部分，它承担了调速、改变运动形式、动力和运动的传递和分配等功能。考虑到风力发电机要求传动比大、结构紧凑、效率高等特点，本文采用一级行星齿轮传动加两级平行轴传动的结构形式。

2.1 风力发电机齿轮箱分类

国内外生产的风力发电机齿轮箱可分为平行轴圆柱齿轮箱、行星齿轮箱以及平行轴与行星轮系混合式齿轮箱几类；按照传动的级数分为单级和多级齿轮箱；按照传动的布置形式可以分为展开式、分流式和同轴式以及混合式。现在市场上的增速箱一般采用采用行星齿轮箱以及平行轴混合式传动，由行星架输入，太阳轮输出，主要特点是：

(1)行星架和太阳轮的浮动设计，结构简单，较好的实现了均载。

(2)采用行星架作为输入轴，符合风力发电机受力大、转矩大的特点，功率太小，经济效益差，资源利用率低。

风电增速箱由于功率大，转矩大的特点，通常采用功率分流的行星传动。常见结构有：两级平行轴加一级行星和一级平行轴加两级级行星传动两种形式。本文采用的是平行轴与行星轮系混合式齿轮箱。

2.2 增速器基本设计要求及设计步骤

2.2.1 增速器齿轮箱的主要设计要求

增速器齿轮箱的主要设计要求如表2-2所示。

表2-2 原始设计要求

额定功率2KW

增速比10-15

输出转速280-360r/min

输入转速18-36r/min

分度圆压力角20°

模数5-10

2.2.2 增速器设计步骤

1.根据传动装置的使用要求及工作特点确定传动形式为行星齿轮传动。

2.确定行星传动的结构形式和选择传动方案。

3.根据选定的电机的输入速度和经过减速机构减速后的输出速度，确定出这个减速机构的传动比范围。

根据工作条件需要，行星轮与转动电机之间需要留出足够的位置便于安放电机，并使机构结构紧凑，安装方便。行星轮机构初定为1级，每级传动比分配情况如下：第一级锥齿轮传动1i =2

第二级行星齿轮系传动2i=5.6。