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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告
課題名稱垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)
學(xué) 號(hào) XXXXXXXX
姓 名 XXX
專 業(yè) 機(jī)械工程
指導(dǎo)教師 XXX
開題時(shí)間 2017年 3月 20日
XX大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院
一、立論依據(jù)
1． 本課題的目的和意義
1.1目的：
風(fēng)能是一種取之不盡,無(wú)任何污染的可再生能源。地球上的風(fēng)能資源極其豐富，據(jù)專家估計(jì)，僅1%的地面風(fēng)力就能滿足全世界對(duì)能源的需求。人類利用風(fēng)能已有數(shù)千年歷史，在蒸汽機(jī)發(fā)明以前風(fēng)能曾作為重要的動(dòng)力，應(yīng)用于人類生活的眾多方面。風(fēng)力發(fā)電的探索，則起源于19世紀(jì)末的丹麥，但是直到20世紀(jì)70年代以前，還只有小型充電用風(fēng)力發(fā)電機(jī)達(dá)到實(shí)用階段。1973年爆發(fā)石油危機(jī)以后，美國(guó)、西歐等發(fā)達(dá)國(guó)家為尋求替代石油燃料的能源，投入了大量經(jīng)費(fèi)，動(dòng)員高科技產(chǎn)業(yè)，利用計(jì)算機(jī)、空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域的新技術(shù)研制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，開創(chuàng)了風(fēng)能利用的新時(shí)代。由于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視。
綜上我們知道：清潔能源利國(guó)利民，但由于目前資源型能源價(jià)格低，可再生能源投資大有資源型能源，投資回收期長(zhǎng)，因而造成清潔能源發(fā)展緩慢。但隨著資源型能源的價(jià)值提高，給可再生能源帶來(lái)了一定的生機(jī)，特別是沿海等風(fēng)帶的風(fēng)力發(fā)電更是發(fā)展迅猛。但城郊等低高度低風(fēng)速的應(yīng)用尚不普及，特別是可應(yīng)用于公共設(shè)施的垂直軸低風(fēng)速發(fā)電機(jī)開發(fā)少之又少。因此，充分利用低速風(fēng)能的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)在提倡可持續(xù)發(fā)展的今天顯得尤為重要。
本課題來(lái)自于社會(huì)的需求，風(fēng)力是一種清潔能源，是一種環(huán)保能源。相對(duì)于傳統(tǒng)的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有設(shè)計(jì)方法先進(jìn)、風(fēng)能利用率高、起動(dòng)風(fēng)速低、無(wú)噪音等眾多優(yōu)點(diǎn)，具有更加廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景，相信在不久的將來(lái)，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)將大有作為。
因此充分利用低速風(fēng)能的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)在提倡可持續(xù)發(fā)展的今天顯得尤為重要
1.2意義
目前，中國(guó)的大氣污染已經(jīng)對(duì)社會(huì)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅，從中央到地方，無(wú)不對(duì)工業(yè)污染造成的經(jīng)濟(jì)發(fā)展制約和國(guó)際對(duì)華投資的負(fù)面影響而擔(dān)憂。垂直軸風(fēng)力機(jī)由于具有噪聲低、美觀、可以與建筑一體化等方面的優(yōu)勢(shì)，用它來(lái)發(fā)電可作為生產(chǎn)清潔能源的補(bǔ)充。水平軸風(fēng)力發(fā)電和光伏做不到的領(lǐng)域，垂直軸風(fēng)力機(jī)發(fā)電可以做到。
綜上所述，本課題所設(shè)計(jì)的垂直式風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有十分重要的使用價(jià)值。
二、文獻(xiàn)綜述
1． 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動(dòng)態(tài)
垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)——使風(fēng)電建筑一體化成為可能
風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電一樣，最初是為了解決應(yīng)急電源和邊遠(yuǎn)地區(qū)供電而開發(fā)出來(lái)的產(chǎn)品，因而在最初發(fā)展并不是很快。
到了上個(gè)世紀(jì)二、三十年代，全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)帶來(lái)的能源緊張，讓世界各國(guó)的專家想到了以風(fēng)力發(fā)電作為補(bǔ)充能源的可行性。第二次世界大戰(zhàn)后，各國(guó)紛紛進(jìn)行研究，由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平較差，啟動(dòng)風(fēng)速要求較高，發(fā)電噪音也很大，所以只能將風(fēng)力發(fā)電機(jī)放在人跡罕至的地方或風(fēng)力較大的地方。設(shè)備也是往大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展，專門建設(shè)大型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，由于水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特性，小型風(fēng)力發(fā)電在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里未得到較好的發(fā)展。
2002年，中國(guó)率先開始了新型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究，由部隊(duì)通訊部牽頭，上海某公司為研發(fā)主體，西安軍電、西安交大、同濟(jì)大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等高校的多位專家配合，在短短的一年時(shí)間里就生產(chǎn)出了首臺(tái)新型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。并在不到5年的時(shí)間里將功率擴(kuò)展至200W～100KW，處于世界領(lǐng)先地位。 世界上其他國(guó)家也都進(jìn)行了新型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研制，日本在2002年初開始研究，2003年初產(chǎn)品投放市場(chǎng)，功率在0.5～30KW之間。美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、奧地利、韓國(guó)等國(guó)家也都在2006年已生產(chǎn)出樣機(jī)，準(zhǔn)備投入規(guī)模化生產(chǎn)，功率都在10KW以內(nèi)。
2． 所閱文獻(xiàn)的查閱范圍及手段
網(wǎng)絡(luò)資源，圖書館借閱。
參考文獻(xiàn)
[1] 宋海輝，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)及工程 中國(guó)水利水電出版社 2009.2
[2] 葉杭冶，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行與維護(hù) 2010.6
[3] 吳雙群，風(fēng)力發(fā)電原理 2011.10
[4] 馬麗娜，風(fēng)力發(fā)電實(shí)用技術(shù)問(wèn)答 2009.9
[5] 孫志禮，機(jī)械設(shè)計(jì)[M]，北京：科學(xué)出版社，2015.3
[6] 李樹軍，機(jī)械原理[M]，北京：科學(xué)出版社，2009.8
[7] 王季秩等．電機(jī)實(shí)用技術(shù)．上海：科學(xué)技術(shù)出版社，1997
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[9] Kristian Regenstein, Design of an open hardware architecture for the humanoid robot ARMAR
三、研究?jī)?nèi)容
1．課題的構(gòu)想與思路
根據(jù)實(shí)際應(yīng)用和課題的目標(biāo)，選擇發(fā)電機(jī)的種類，設(shè)計(jì)計(jì)算它的各種數(shù)據(jù)，選擇發(fā)電機(jī)各個(gè)部件的材料，對(duì)啟動(dòng)阻力矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行計(jì)算，并校核發(fā)電機(jī)軸和軸系零件，對(duì)軸承進(jìn)行強(qiáng)度校合和壽命計(jì)算。
2．主要設(shè)計(jì)內(nèi)容
風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)方案：包括發(fā)電機(jī)整體方案的設(shè)計(jì)，葉片葉型的設(shè)計(jì)與選擇，制動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)等。
在已有的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，較為典型的有：達(dá)里厄(Darrieus)式垂直風(fēng)力發(fā)電機(jī)、旋翼式風(fēng)力發(fā)電機(jī)等。
大型達(dá)里厄垂直風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要由風(fēng)輪、垂直軸、增速器、聯(lián)軸器、制動(dòng)器、發(fā)電機(jī)、塔架和拉線等組成。
3．?dāng)M解決的關(guān)鍵技術(shù)
增速器及增速箱的設(shè)計(jì)及選擇：包括箱體的具體設(shè)計(jì)及各個(gè)齒輪傳動(dòng)比等的設(shè)計(jì)。
4． 總體設(shè)計(jì)方案
1）、安全性：由于垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用了垂直葉片和三角形雙支點(diǎn)設(shè)計(jì)，并且主要受力點(diǎn)集中于輪轂，因此葉片脫落、斷裂和葉片飛出等問(wèn)題得到了較好的解決。
2）、噪音：垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用了水平面旋轉(zhuǎn)以及葉片應(yīng)用飛機(jī)機(jī)翼原理設(shè)計(jì)，使得噪音降低到在自然環(huán)境下測(cè)量不到的程度。
3）、抗風(fēng)能力
垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的水平旋轉(zhuǎn)和三角形雙支點(diǎn)設(shè)計(jì)原理，使得它受風(fēng)壓力小，可以抵抗每秒45米的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。
4）、回轉(zhuǎn)半徑
垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和運(yùn)轉(zhuǎn)原理的不同，比其他形式風(fēng)力發(fā)電具有更小的回轉(zhuǎn)半徑，節(jié)省了空間，同時(shí)提高了效率。
5）、發(fā)電曲線特性
由于垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)特性，它的啟動(dòng)風(fēng)速低于其他形式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，發(fā)電功率的上升幅度較平緩，因此在5-8米風(fēng)速范圍內(nèi)，它的發(fā)電量較其他類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)高10%—30%
6）、利用風(fēng)速范圍
垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用了特殊的控制原理，使它的適合運(yùn)行風(fēng)速范圍擴(kuò)大到2.5—25m/s，在最大限度利用風(fēng)力資源的同時(shí)獲得了更大的發(fā)電總量，提高了風(fēng)電設(shè)備使用的經(jīng)濟(jì)性。
7）、剎車裝置
垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)可配置機(jī)械手動(dòng)和電子自動(dòng)剎車兩種，在無(wú)臺(tái)風(fēng)和超強(qiáng)陣風(fēng)的地區(qū)，僅需設(shè)置手動(dòng)剎車即可。
8）、運(yùn)行維護(hù)
由于垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用直驅(qū)式永磁發(fā)電機(jī)，無(wú)需齒輪箱和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，定期（一般每半年）對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)部件的連接進(jìn)行檢查即可。
5、預(yù)期效果
設(shè)計(jì)了一臺(tái)額定風(fēng)速3～20m/s，輸出功率為500W的垂直式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，增加了增速器，并為其設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的支架，使得當(dāng)風(fēng)力小的時(shí)候，還能保證發(fā)電機(jī)依舊可以工作。
四、工作計(jì)劃
序號(hào)
階段及內(nèi)容
工作量估計(jì)
（時(shí)數(shù)）
起止日期
階段成果形式
1
查閱資料，了解本設(shè)計(jì)的目的、意義，國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，發(fā)展動(dòng)態(tài)；明確風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本組成部分，各部分主要功能和主要的設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)；翻譯英語(yǔ)文獻(xiàn)。
160
1-4周
完成開題報(bào)告、英語(yǔ)文獻(xiàn)翻譯。
2
根據(jù)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行基本參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算、重要部件的強(qiáng)度計(jì)算；對(duì)主要零部件進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
200
5-9周
完成主要結(jié)構(gòu)的三維設(shè)計(jì)、中期報(bào)告。
3
根據(jù)計(jì)算所得設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行二維設(shè)計(jì)；修改、完善二維裝配圖設(shè)計(jì)；進(jìn)行部分零件圖設(shè)計(jì)。
160
10-13周
完成三維設(shè)計(jì)，二維裝配圖設(shè)計(jì)、部分零件圖設(shè)計(jì)。
4
撰寫畢業(yè)論文；
80
13-14周
按要求完成畢業(yè)論文
5
論文修改、提交材料準(zhǔn)備答辯。
80
14-15周
準(zhǔn)備好各項(xiàng)材料
合計(jì)工作量：160+200+160+80+80=680
五、評(píng)審意見(jiàn)
指導(dǎo)教師對(duì)本課題的評(píng)價(jià)
指導(dǎo)教師簽名
年 月 日
4