小型風力發(fā)電機組動力結構設計【說明書+CAD+3D】

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小型風力發(fā)電機動力結構設計 第一章 概述 1.1課題研究的目的和意義 數千年來，風能技術發(fā)展緩慢，也沒有引起人們足夠的重視。但自1973年世界石油危機以來，在常規(guī)能源告急和全球生態(tài)環(huán)境惡化的雙重壓力下，風能作為新能源的一部分才重新有了長足的發(fā)展。風能作為一種無污染和可再生的新能源有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，特別是對沿海島嶼，交通不便的邊遠山區(qū)，地廣人稀的草原牧場，以及遠離電網和近期內電網還難以達到的農村、邊疆，作為解決生產和生活能源的一種可靠途徑，有著十分重要的意義。 當前，全球都面臨著能源枯竭、環(huán)境惡化、氣溫升高等問題，日益增長的能源需求、能源安全問題受到世界各國廣泛關注。風能是一種可再生能源，它資源豐富，是一種永久性的本地資源，可為人類提供長期穩(wěn)定的能源供應;她安全、清潔，沒有燃料風險，更不會在使用中破壞環(huán)境。為此，世界各國都在加快風力發(fā)電技術的研究，以緩解越來越重的能源與環(huán)境壓力，中國也不例外。 中國是世界上最大的煤炭生產國和消費國，能源利用以煤炭為主。在當前以石化能源為主體的能源結構中，煤炭占73.8%，石油占18.6%，天然氣占2%，其余為水電等其它資源。在電力的能源消費中，也是以煤炭為主，燃煤發(fā)電量占總發(fā)電量的80%。但是，能為人類所用的石化資源是有限的，據第二屆環(huán)太平洋煤炭會議資料介紹，按目前的技術水平和采掘速度計算，全球煤炭資源還可開采200年。此外，石油探明儲量預測僅能開采34年，天然氣約能開采60年。隨著人口的增長和經濟的發(fā)展，能源供需矛盾加劇，如果不趁早調整以石化能源為主體的能源結構，勢必形成對數億年來地球積累的生物石化遺產更大規(guī)模的挖掘、消耗，由此將導致有限的石化能源趨于枯竭，人類生態(tài)環(huán)境質量下降的惡性循環(huán)，不利于經濟、能源、環(huán)境的協(xié)調發(fā)展。電力部己制定“大力發(fā)展水電，繼續(xù)發(fā)展火電，適當發(fā)展核電，積極發(fā)展新能源發(fā)電”的基本原則，把風力發(fā)電作為優(yōu)化我國電力工業(yè)結構跨世紀的戰(zhàn)略發(fā)展目標①。 表1-1 1996-2005年世界風電市場增長 從表1-1可以看出，世界上的風電能源增長的非常迅速，10年平均增長率達到了29.77。截止2005年底，全世界并網運行的風力發(fā)電機總裝機容量達到59237 MW ,是1996年裝機容量的9.76倍②。 風力發(fā)電近幾年發(fā)展如此之快，是因為它有許多優(yōu)點:1.設備簡單，投資少，成本低，風力發(fā)電機的整個設備成本不足功率相當的火力發(fā)電、水力發(fā)電和核電站成本的1/4，在二、三年內就可以收回全產投資;2.節(jié)省燃料和運輸費用。在風力資源豐富的地區(qū)，風力是取之不盡，用之不竭的，可就地建立風力發(fā)電站，就地用電，這樣就可以節(jié)省大量的輸電設備和能源。許多燃料是十分重要的化學原料，把它白白的燃掉是十分可惜的。我國資源并不十分豐富，充分利用風力資源意義就更重大了;3.利用風力可以減少對大氣的污染，保護我們人類賴以生存的自然環(huán)境?；瘜W燃料不斷向大氣中排放對生物有害物質，嚴重的威脅人們健康，而風力能源則沒有任何影響人類健康的有害物質③。 1.2 課題的研究現狀及已有成果 1.2.1研究現狀 我國風電的利用大體上采用三種方式，一是戶用式，可獨立運行，用蓄電池，直流輸出或逆變交流輸出;單機容量為100～300W，可基本滿足照明、電視等家用電器的生活用電需要。其次是孤立的小居民區(qū)用，獨立運行，有蓄電池、直流輸出或逆變交流輸出，統(tǒng)一向各家各戶供電或每天為其更換蓄電池，單機容量為1～５kW。這種方式也可供無電風區(qū)邊防哨所、氣象臺站、雷達站、電視差轉臺以及無電區(qū)小火車站使用。三是建立風電場，聯網后輸出，有的與柴油發(fā)電機組或太陽能電站聯合，有穩(wěn)定的輸出。 1.2.2已有成果 1.2.2.1 FD2.5—300型風力發(fā)電機 1)性能特點 FD2.5—300型風力發(fā)電機是低速型風機。該機具有發(fā)電效率高，結構簡單，維護方便，可靠性高等待點，是大電網以外而風力資源豐富的農牧區(qū)、海島、邊防哨所及氣象臺站等較理想的小功率風力發(fā)電設備，也是迄今我國銷售量最多的小型風力發(fā)電機。它可為用戶的照明、彩色電視機、音響設備、洗衣機、電冰箱、組合收錄機、航標燈等電器提供穩(wěn)定可靠的電源。參見圖1和圖2。 圖1 FD2.5—300型風力發(fā)電機 圖2 FD2.5—300型風力發(fā)電機輸出特性 2）主要技術指標 葉片型式：木質芯，外表包玻璃鋼 風輪直徑：2.5米 葉片數：3片 風能利用系數：0.42 額定風速：8米/秒 額定轉速：400／分 額定功率：300瓦 最大發(fā)電量：500瓦 調速方式：偏側并尾 工作風速范圍：3～25米/秒 發(fā)電機型式：三相交流永磁式發(fā)電機 直流額定電壓：24伏、36伏、48伏 控制/逆變交流電壓：AC220伏(±10％方波或正弦波)；頻率：50赫茲±1％ 儲能方式：120安·時，蓄電池2只或3、4只串聯 塔架型式:立柱拉索式塔架 風機高度：5米 整機重量：175千克 1.2.2.2 FD7—5000／9型風力發(fā)電機 1) 性能特點 FD7一5000／9型風力發(fā)電機組屬水平軸、上風式、變槳距調節(jié)的風力發(fā)電設備，適用的自然條件為全天候。配用不同的增速箱和發(fā)電機可以形成2.5干瓦、5千瓦、10千瓦三種功率檔次、8種不同用途的變型產品。機組發(fā)出的三相交流電可用來給蓄電池充電貯能、給電阻器加熱、驅動異步電動機或輸入電網。參見圖3、圖4。 圖3 FD7-5000/9型風力發(fā)電機 圖4 FD7-5000/9型風力發(fā)電機輸出特性 2)主要技術指標 葉片型式：木質芯，外表包玻璃鋼結構 葉片數:2片 風輪直徑：7米 風輪標定轉速(額定轉速)：195/分 風輪最高允許轉速：250/分 啟動風速：4米/秒 額定風速：9米/秒 最高安全運行風速：60米/秒 發(fā)電機型式：電容勵磁異步 額定功率：5000瓦 額定電壓：交流380伏 機頭重量(塔架以上部分)：560千克 利用方式：BAT(充電儲能式)；CHA(電阻加熱式)；MOT(驅動電動機式)；RES(并網式) 蓄電池容量：350安·時 塔架高：12米 整機重量：2500千克 1.3本課題的研究內容 本課題研制的小型風力發(fā)電機主要定位于它可為用戶的照明、彩色電視機、音響設備、洗衣機、電冰箱、組合收錄機、航標燈等電器提供穩(wěn)定可靠的電源?？傮w要求是在滿足功能要求的前提下，使用簡單，外型明快，可靠性強，低成本。 從能量轉換的角度看，風力發(fā)電機組由兩大部分組成。其一是風力機，它的功能是將風能轉換為機械能;其二是發(fā)電機，它的功能是將機械能轉換為電能。大型風力發(fā)電機組發(fā)出的電能直接并到電網上，向電網饋電，小型風力發(fā)電機一般將風力發(fā)電機組發(fā)出的電能用儲能設備儲存起來(一般用蓄電池)，需要時再提供給負載(可直流供電，亦可用逆變器變換為交流供給用戶)，其簡要的系統(tǒng)圖如圖5。 風力機 負載（電網） 發(fā)電機 風 儲能設備 圖5 風力發(fā)電機系統(tǒng)方框圖 本課題的研究內容包括: 1、進行小型風力發(fā)電機的總體功能需求分析，進行整體方案設計，力求實現機與電的完美結合和統(tǒng)一。 2、進行機器的機械裝配圖設計，功能完備后，然后進行機械零件的詳盡設計。 根據風力發(fā)電機葉片設計理論及實際風能情況，設計出合適的風力發(fā)電機葉片，并利用三維建模軟件Solidworks建立葉片的三維實體模型。 3、根據功能要求設計一變速器裝置，其實達到改變方向的功能。 第二章 風能資源 2.1風的重要性 2.1.1什么是風 提到風，誰都會說出很多切身的體會。如微風吹過臉頰時的舒爽，狂風刮過時的樹葉紛飛、飛沙走石的情景，如果遇上可怕的龍卷風，那將是拔樹毀屋的恐怖景象，凡是見過的人無不“談風色變”?？傊L有時友好有時又不近人情，來無影去無蹤讓人捉摸不透。風到底是什么，用科學的說法就是：地球表面的空氣水平運動稱之為風。太陽輻射對地球表面不均勻件加熱是形成風的主要成因。 太陽對地球的輻射，透過厚厚的大氣層，到達地球表面，地球表面各處(海洋和陸地；高山巖石和平原土壤；沙漠、荒原和植被、森林地區(qū))吸收熱量不同；由于地球自轉、公轉、季節(jié)、氣候的變化和晝夜溫差的影響，使地表各處散熱情況也各不相同，散熱多的地區(qū)，靠近地表的空氣受熱膨脹，壓力減少，形成低氣壓區(qū)，這時空氣從高氣壓區(qū)向低氣壓區(qū)流動，這就產生了風。地形、地貌的差異， 地球自轉、公轉的影響，更加劇了空氣流動的力量和流動方向的多變性，使風速和風向的變化更加復雜⑤。 2.1.2風的特性 風作為一種自然現象，有它本身的特性。通常采用風速、風向、風頻等基本指標來表述。 (1)風速：空氣在單位時間內運動的距離，用米/秒或千米/時作為計量單位。例如空氣在1秒鐘內運動了3米，那么風速就是3米/秒。由于風是不斷變化的，通常所說的風速是指一段時間內各瞬時風速的算術平均值，即平均風速。風速可由測風儀測量得到。 (2)風速隨高度的變化：從地球表面到10000米高空層內，空氣的流動受到渦流、黏滯和地面摩擦等因素的影響，風速隨著高度的增加而增大。 通過實驗，我們常用的計算風速隨高度的變化的公式有: 指數公式：v＝v1(h／h1)n （2-1） 對數公式：v=v1（lgh/h0）/（lgh1/h0） （2-2） 式中：v1——高度為h1的風速；h0——風速為零的高度；n——值取決于地面的平整度(粗糙度)和大氣的穩(wěn)定度，取值范圍為1/8—1/2。在開闊、平坦、穩(wěn)定度正常的地區(qū)，n值取1/7。 (3)風頻：分為風速頻率和風向頻率。 風速頻率：各種速度的風出現的頻繁程度。對于風力發(fā)電的風能利用而言，為了有利于風力發(fā)電機平穩(wěn)運行，便于控制，希望平均風速高、而風速大小變化小。 風向頻率：各種風向出現的頻繁程度。對于風力發(fā)電的風能利用而言，總是希望某一風向的頻率盡可能的大。 2.2風能的特點和限制性 2.2.1風能的特點 大家可能深有體會，在大風中會站立不穩(wěn)，說明風具有能量。風所具有的動能我們稱為風能，是指空氣相對地面做水平運動的時候所產生的動能。根據理論計算和實踐結果，我們把具有一定風速的風，通常是指3米/秒到20米/秒的風作為一種能量資源加以開發(fā)，用來做功(如發(fā)電)，我們把這一范圍的風稱為有效風能或風能資源。因為風速低于3米/秒時，它的能量太小，沒有利用的價值，而風速大于20米/秒時，它對風力發(fā)電機的破壞性很大，很難利用。那么風速和我們常常聽到的“幾級風”有什么關系呢？世界氣象組織將風力分為13個等級，如表2-1所示，在沒有風速計的時候，可以根據它來粗略估計風速⑥。 表2-1 風力等級表 續(xù)表 大風所具有的能量是很大的。風速為9—10米/秒的5級風，吹到物體表面上的力，每平方米約為10千克；風速為20米/秒的9級風，吹到物體表面上的力，每平方米約為50千克；風所含的能量比人類迄今為止所能控制的能量要大得多。 2.2.2 風能的優(yōu)點和局限性 風能與其他能源相比，有明顯的優(yōu)點，但也合其突出的局限性。 Ⅰ.風能的優(yōu)點 ①蘊藏量大：我們已知道風能是太陽能的一種轉換形式，是取之不盡、用之不竭的可再生能源，根據計算，太陽至少還可以像現在一樣照射地球60億年左右。 ②無污染：在風能轉換為電能的過程中，不產生任何有害氣體和廢料，不污染環(huán)境。 ③可再生：風能是靠空氣的流動而產生的，這種能源依賴于太陽的存在。只要太陽存在，就可不斷地、有規(guī)律地形成氣流，周而復始地產生風能，可永續(xù)利用。 ④分布廣泛、就地取材、無需運輸：在邊遠地區(qū)如高原、山區(qū)、島嶼、草原等地區(qū)，由于缺乏煤、石油和大然氣等資源，給生活在這一地區(qū)的人民群眾帶來諸多不便，而且由于地處偏遠、交通不便，即使從外界運輸燃料也十分困難。因此，利用風能發(fā)電可就地取材、無需運輸，具有很大的優(yōu)越性。 ⑤適應性強、發(fā)展?jié)摿Υ螅何覈衫玫娘L力資源區(qū)域占全國國土面積的76％，在我國發(fā)展小型風力發(fā)電，潛力巨大、前景廣闊。 Ⅱ.風能的限制性 ①能量密度低：由于風能來源于空氣的流動，而空氣的密度很小，因此風力的能量密度很小，只有水力的1／816。 ②不穩(wěn)定性：由于氣流瞬息百變，風時有時無，時大時小，日、月、季、年的變化都十分明顯。 ③地區(qū)差異大：由于地形變化，地理緯度不同，因此風力的地區(qū)差異很大。兩個近鄰區(qū)域，由于地形的不同，其風力可能相差幾倍甚至幾十倍。 2.3我國風能資源區(qū)劃 根據國家氣象局氣象研究院的估算，我國的地面風能潛力理論可開發(fā)的總量全國32．26億千瓦，10米高度層實際可供開發(fā)量為253億千瓦，可開發(fā)的風能資源是十分豐富的。 為了充分開發(fā)利用豐富的風能資源，在研究了各地風能資源差異的基礎上，進行了風能資源區(qū)劃，為設計、生產部門研制風力機以及廣大用戶選購風力機提供科學依據，并為政府部門制定能源規(guī)劃提供參考⑦。 我國風能資源區(qū)劃。 在我國的不同地區(qū)，風能資源是不同的。分為4種類型： (1)風能資源豐富區(qū)：這一區(qū)域的有效風能功率密度在200瓦/米2以上，風速不低于3．5米/秒的時間，全年為7000—8000小時左右。 (2)風能資源較豐富區(qū)：這一區(qū)域的有效風能功率密度為150瓦/米2以上，風速不低于3．5米/秒的時間，全年為4000小時以上。 (3)風能資源可利用區(qū)：這一區(qū)域的有效風能功率密度為50瓦/米2以上，風速不低于3．5米/秒的時間，全年為2000小時以上。 (4)風能資源欠缺區(qū)：這一區(qū)域的有效風能功率密度50瓦／米2以下，風速不低于3．5米/秒的時間，全年為2000小時以下。 根據全國氣象臺站風能資料的統(tǒng)計和計算，表2-2給出我國風能區(qū)占全國面積的百分比。 表2-2 我國風能區(qū)占全國面積的百分比 2.4什么樣的風能對人類有用 風雖然隨處可見，但是也有可利用和不可利用之分，它與風速有直接關系。根據上面風能資源區(qū)劃，年平均風速小于2米/秒的地區(qū)，其潛能很低，至少目前沒有什么利用價值。年平均風速在2—4米/秒的地區(qū)，是風能可利用區(qū)，在這一區(qū)域內，年平均風速在3—4米/秒的地區(qū)，利用價值較高，有一定的利用前景，但從總體考慮，該地區(qū)的風力資源仍是不高。 年平均風速在4—4、5米/秒的地區(qū)基本相當于風能較豐富區(qū)；年平均風速大于4．5米/秒的地區(qū)，屬于風能豐富區(qū)。 由此可見，除去一些破壞性極大的風(如臺風、龍卷風等)，絕大多數風速在2米/秒以上的風能都是對人類有用的風能。 目前，國內外一般選擇年平均風速為6米/秒或以上的高風速區(qū)(即風能資源豐富區(qū))，安裝并網型風力發(fā)電機組，即大型風力發(fā)電機組。在這些機組中。我國一般選用單機容量600千瓦以亡的機組建設風電場。這樣才能保證機組多發(fā)電，經濟效益才能顯著。獨立運行的小型風力發(fā)電機組啟動風速較低，一般為3米/秒以上就能發(fā)電，這些地區(qū)分布區(qū)域廣、我國有相當部分農耕區(qū)、山區(qū)和牧區(qū)屬于這種地區(qū)⑧。 第三章 風力發(fā)電機組的設計方案確定 3.1風力發(fā)電機的結構 風力發(fā)電機從結構上可分為兩類。其—是水平軸風力機，葉片安裝在水平軸上，葉片接受風能轉動去驅動所要驅動的機械。水平軸風力機分多葉片低速風力機和1-3個葉片的高速風力機。如圖3-1所示。其二是垂直軸風力機，風輪軸是垂直布置的，葉片帶動風輪軸轉動再驅動所要驅動的機械。如圖3-2所示。 風力發(fā)電機就是利用風力機驅動的發(fā)電機組。 圖3-1 水平軸風力機葉片形式 (a)單葉片；(b)雙葉片；(c)三葉片；(d)多葉片；(e)上風向-下風向布置的兩組葉片； (f) 上風向布置的兩組葉片；(5)水平軸索旺尼斯型葉片 在20世紀末，風力發(fā)電機得到了不斷地完善、發(fā)展，技術成熟，已經達到微機自控無人現場值守的程度。工業(yè)發(fā)達國家的風力發(fā)電機已達到商品化生產。 圖3-2 垂直軸風力機葉片形式 (a) 垂直軸索旺尼斯型葉片；(b)一般型葉片 (c)垂直軸杯型（d）達里厄風輪 3.2風力發(fā)電機的分類 3.2.1．按風力發(fā)電機的功率分類 (1)微型風力發(fā)電機，其額定功率為50—1000W。 (2)小型風力發(fā)電機，其額定功率為1.0—10.0KW。 (3)中型風力發(fā)電機，其額定功率為10.0—100.0KW。 (4)大型風力發(fā)電機，其額定功率大于100.0KW。 3.2.2．按風輪軸安裝形式分類 風力發(fā)電機按風輪軸不同可分為水平軸風力發(fā)電機和垂直軸風力發(fā)電機兩種。 3.2.2.1水平軸風力發(fā)電機的結構 水平軸風力發(fā)電機是目前世界各國風力發(fā)電機最為成功的一種形式，而生產垂直軸風力發(fā)電機的國家很少，主要原因是垂直軸風力發(fā)電機效率低、需啟動設備，同時還有些技術問題尚待解決。 水平軸風力發(fā)電機主要由風輪、風輪軸、低速聯軸器、增速器、高速軸聯軸器、發(fā)電機、塔架、調速裝置、調向裝置、制動器等結構組成⑨。 典型結構見圖3-3。 圖3-3 美國MOD-0型風力發(fā)電機結構 1-左調向電機；2-左調向減速器；3-右調向電機；4-右調向減速器；5-調向傳動軸；6-發(fā)電機；7-高速軸；8-高速軸結合器；9-低速制動器；10-低速軸；11-調速裝置；12-增速器；13-調向制動盤；14-調向制動器；15-葉片 1、風輪 葉片安裝在輪鼓上稱作風輪，它包括葉片、輪鼓等。風輪是風力發(fā)電機接受風能的部件?，F代的風力發(fā)電機的葉片數，常為1-4枚葉片，常用的是2枚或3枚葉片。出于葉片是風力發(fā)電機接受風能的部件，所以葉片的扭曲、翼型的各種參數及葉片結構都直接影響葉片接受風能的效率和葉片的壽命。 2、增速器 由于風輪的轉速低而發(fā)電機轉速高，為匹配發(fā)電機，要在低速的風輪軸與高速的發(fā)電機軸之間接一個增速器。增速器就是一個使轉速提高的變速器。增速器的增速比i是發(fā)電機額定轉數nD與風輪額定轉數n的比，即i＝nD／n。 3、聯軸器 增速器與發(fā)電機之間用聯軸器連接，為了減少占地空間，往往聯軸器與制動器設計在一起。風輪軸與增速器之間也有用聯軸器的，稱低速聯軸器。 4、制動器 制動器是使風力發(fā)電機停止運轉的裝置，也稱剎車。制動器有手制動器、電磁制動器和液壓制動器。當采用電磁制動器時，需有外電源；當采用液壓制動器時，除需外電源外，還需泵站、電磁閥、液壓油缸及管路等。 5、發(fā)電機 葉片接受風能而轉動最終傳給發(fā)電機，發(fā)電機是將風能最終轉變成電能的設備。 風力發(fā)電機上常用的發(fā)電機有四種： (1)直流發(fā)電機，常用在微、小型風力發(fā)電機上。直流電壓12，24，36V等。中型風力發(fā)電機也有用直流發(fā)電機的。 (2)永磁發(fā)電機，常用在小型風力發(fā)電機上，電壓一般為115，127V等，有直流也有交流。水磁交流發(fā)電機在中、大型風力發(fā)電機上尚未得到使用，主要有些技術問題還未解 決?，F在我國已經發(fā)明了交流電壓440／240V的高效永磁交流發(fā)電機，可以做成多級低轉速。特別適合風力發(fā)電機。 (3)同步交流發(fā)電機，它的電樞磁場與主磁場同步旋轉，同步轉速nD＝60f/p。 (4)異步交流發(fā)電機，它的電樞磁場與主磁場不同步旋轉，其轉速比同步轉速略低。當并網時轉速應提高。 6、塔架 塔架是支撐風力發(fā)電機的支架。塔架有型鋼架結構的，有圓錐型鋼管和鋼筋混凝土的等三種形式。同時塔架又分為硬塔，柔塔，甚柔塔。硬塔的固有頻率大于kn，其k為葉片數．n為風輪轉數；柔塔的固有頻率在kn和n之間；甚柔塔的固有頻率小于n。 為防止鋼制塔架生銹，往往對鋼制塔架熱鍍鋅。 7、調速裝置 風速是變化的，風輪的轉速也會隨風速的變化而變化。為了使風輪運轉在所需要的額定轉速下的裝置稱為調速裝置。 當風速超過停機風速時，調速裝置會使風力發(fā)電機停機。調速裝置只在額定風速以上時調速。 目前世界各國所采用的調速裝置主要有以下幾種。 (1) 可變槳距調速裝置。 (2) 定槳距葉尖失速控制調速裝置。 (3) 離心飛球調速裝置。 (4) 空氣動力調速裝置。 (5) 扭頭、仰頭調速裝量。 8、調向裝置 調向裝置就是使風輪正常運轉時一直使風輪對準風向的裝置。風力發(fā)電機的調向有很多種形式，總的說來有五種形式：尾艙調向、側風輪調向、下風向調向及調向電機（伺服電機)調向和液壓驅動調向。 3.2.2.2垂直軸風力發(fā)電機的結構 現代垂直軸風力發(fā)電機尚未商品化生產。主要原因是效率低，需啟動設備。但垂直軸風力發(fā)電機優(yōu)點很多，增速器、聯軸器、制動器、發(fā)電機都可以安裝在地面上，安裝、維修都非常方便，不用調向，垂直軸風力發(fā)電機主要有達里厄垂直軸風力發(fā)電機和旋翼式垂直軸風力發(fā)電機，如圖3-4及圖3-5。 達里厄垂直軸風力發(fā)電機主要由葉片、垂直軸、增速器、聯軸器、制動器、發(fā)電機、塔架及拉線等組成。 旋翼垂直軸風力發(fā)電機由—上支撐、葉片、鋼架、翼片致動器、下支撐、塔架、增速器、發(fā)電機等組成。 垂直軸風力發(fā)電機有很多水平軸風力發(fā)電機所不具備的優(yōu)點，但是也存在一些難以解決的技術難題。比如達里厄垂直軸風力發(fā)電機葉片變槳距問題，需要啟動設備問題。旋翼式垂直軸風力發(fā)電機葉片在風向不同位置變換葉片迎角問題，而現在僅能通過翼片致動器變換葉片是否迎風，但不能隨風速變換葉片迎角。旋翼式葉片與達里厄葉片接受風能的效率都比水平軸葉片接受風能的效率低，這主要原因在于葉片不能按風速而變換葉片迎角。達里厄葉片在轉動中葉片各位置距轉動中心的半徑不同，難以做到按不同風速變換葉片迎角和葉片弦長。這些問題還有待研究解決⑩。 圖3-4 達里厄垂直軸風力發(fā)電機 圖3-5 旋翼式垂直軸風力發(fā)電機 1- 塔架；2-發(fā)電機；3-制動器；4-聯軸器； 1-發(fā)電機；2-增速器；3-塔架； 5-增速器；6-垂直軸；7-葉片；8-拉線 4-下支撐；5-翼片致動器；6-鋼架； 7-葉片；8-上支撐 通過上述介紹及其所查資料顯示，水平軸風力發(fā)電機的研究遠遠多于垂直軸風力發(fā)電機的研究，水平軸風力發(fā)電機已有大量資料可用來進行設計計算，而垂直軸風力發(fā)電機的研究卻沒有較大進展，雖然垂直軸風力發(fā)電機有很多缺點，但其優(yōu)點是水平軸風力發(fā)電機所不能替代的，所以在下一章節(jié)將重點介紹本課題研究的內容，垂直軸風力發(fā)電機組的部分零部件的設計。 第四章 垂直軸風力發(fā)電機組部分零部件的設計 一定速度前進的風吹在靜止的風力機葉片上做功并驅動發(fā)電機發(fā)電，將風能有效地轉變成電能。風力發(fā)電機就是由風力機驅動發(fā)電機的機組。本章將對風力發(fā)電機的部分結構進行設計計算。 4.1風力機的基本原理 空氣的流動就是風。風是由于地球自轉及緯度溫差等原因致使空氣流動形成的。風能在這里指的是風的動能。 關于風力機的理論有幾種。如貝茨(Betz)理論，薩比寧(Sabinin)理論，葛勞渥(Clauert)理論，斯特法尼亞克(Stefaniak)理論，許特爾(Hutter)理論等。本節(jié)主要介紹貝茨理論。 世界上第一個關于風力機風輪葉片接受風能的完整的理論是1919年由A·貝茨(Betz)建立的。貝獲理論的建立，是假定風輪是“理想”的，全部接受風能(沒有輪鼓)，葉片無限多，對空氣流沒有阻力?？諝饬魇沁B續(xù)的，不可壓縮的，葉片掃掠面上的氣流是均勻的，氣流速度的方向不論在葉片前或流經葉片后都是垂直葉片掃掠面的(或稱平行風輪軸線的)，這時的風輪稱“理想風輪”。 分析一個放置在移動的空氣中的“理想風輪”葉片上所受到的力及移動空氣對風輪葉片所做的功。設風輪前方的風速為v1，v是實際通過風輪的風速，v2是葉片掃掠后的風速，通過風輪葉片前風速面積s1，葉片掃掠面的風速面積s及掃掠后風速面積s2。風吹到葉片上所做的功是將風的動能轉化為葉片轉動的機械能，則必v2＜v1，s2＞s1。如圖4-l所示。 圖4-1貝茨(Betz)理論計算簡圖 v1--風輪前方的風速 v--實際通過風輪的風速 v2 --葉片掃掠后的風速 s1--通過風輪葉片前風速面積 s-- 葉片掃掠面的風速面積 s2--掃掠后風速面積 于是s1 v1=s2 v2=sv 風作用在葉片上的力由歐拉定理求得 F=svρ(v2- v1) （4-1） 式中 ρ--空氣當時的密度。 風輪所接受的功率為 N=Fv= sv2ρ(v2- v1) （4-2） 經過風輪葉片的風的動能轉化 △T= svρ(v12- v22)/2 （4-3） 式中svρ--空氣質量。 N=△T v=（v2+ v1）/2 風作用在風輪葉片上的力F和風輪輸出的功率N分別為 F= sρ(v12- v22)/2 （4-4） N= sρ(v12- v22) （v2+ v1）/4 （4-5） 風速v1是給定的，N的大小取決于v2，N是v2的函數，對N微分求最大值，得 dN/d v2= sρ(v12- 2v1 v2-3v22)/4 另其等于0，求解方程，得 v2= v1/3 求Nmax得 Nmax=8 sv13ρ/27 令16/27=0.593為CP，稱為貝茨功率系數，有 Nmax= CPsv13ρ/2 而sv13ρ/2正是風速為v1的風能T，故 Nmax= CPT （4-6） CP=0.593說明風吹在葉片上，葉片上所能獲得的最大功率Nmax為風吹過葉片掃掠面積s的風能的59.3％。貝茨理論說明，理想的風能對風輪葉片做功的最高效率是59.3％。 通常風力機風輪葉片接受風能的效率達不到59．3％，一般設計時根據葉片的數量、葉片翼型、功率等情況，取0.25—0.45。 4.2小型風力發(fā)電機部分零部件的設計 在貝茨(Betz) 基本理論的基礎上，通過實踐設計小型風力發(fā)電機的部分零部件。 垂直軸風力發(fā)電機不受風向限制，不用調向，發(fā)電機、增速器、聯軸器、離合器、制動器等可直接安裝在地面上，具有結構簡單，維修方便等優(yōu)點，致使一些國家不遺余力地研究。但垂直軸風力發(fā)電機啟動困難，需其他動力來啟動，且效率較水平軸風力發(fā)電機低。所以其發(fā)展受到限制，目前世界發(fā)達國家商品風力發(fā)電機都是水平軸。尚未見到垂直軸風力發(fā)電機商品。 下面介紹本課題中垂直軸小型風力發(fā)電機的部分零部件的設計。 4.2.1葉片 4.2.1.1．風輪功率的確定 經驗公式給出風輪輸出功率的最大值 Ne=0.25Sv3 （4-7） 式中 Ne--最大輸出功率，w或kw； S--葉片掃掠面積，m2； v--風速，m/s。 4.2.1.2葉片掃掠面積S S= Ne/0.25 v3 （4-8） 還可以表達為 S=8/3RH （4-9） 式中 R--葉片掃掠的最大半徑，m H--風輪高度之半，m。 4.2.1.3．風輪半徑R的確定 R=3S/8H （4-10） 4.2.1.4尖速比λ的確定 λ=2πnR/60v （4-11） 4.2.1.5葉片各處的尖速比 λi= riλ/R （4-12） 式中λi--距轉動中心不同半徑的尖速比； ri--葉片至轉動中心不同位置的半徑，m； R--葉片最大轉動半徑，m。 4.2.1.6葉片弦長L 根據加拿大涅太華的J．TemPlin(J·騰普林)試驗結果 葉片弦長可由下式給出 L=5R/K λ2 （4-13） 式中 L--葉片弦長，m； K--葉片數。 4.2.1.7葉片距轉動中心不同位置的半徑的弦長Li Li=5ri/kλi2 （4-14） 式中 Li--葉片距轉動中心不同半徑的弦長，m； ri--葉片距轉動中心不同位置的半徑，m； k--葉片數。 4.2.1.8增速比i的確定 i= nD /n （4-15） 式中 nD--發(fā)電機額定轉速，r／min； n--風輪額定轉速數，r／min。 4.2.1.9葉片設計計算 本課題所設計的葉片如圖4-2所示，a）、b）為二維圖，c）為三維圖。 其總長為1000mm，總寬為355mm，最大使用風速為20m/s 由此得葉片掃掠面積 S=1000×355=0.355 m2 風輪輸出功率的最大值 Ne=0.25Sv3=0.25×0.355×203=0.71kw。 符合設計要求。 圖4-2 a）葉片左視圖 圖4-2 b）葉片的主視圖 圖4-2 c）葉片三維圖 4.2.1.10葉片的材料 本設計中葉片材料采用的鑄造鋁合金（ZL104）。Al-Si系鑄造鋁合金的鑄造性能好，密度小，具有良好的耐蝕性、耐熱性和焊接性能，可通過熱處理來強化。最后表面拋光處理。 圖4-3 a）軸轂的三維圖 圖4-3 b）軸轂的二維圖 4.2.2軸轂 根據經驗和所查資料設計出垂直軸小型風力發(fā)電機的軸轂部分，如圖4-3所示，a）為三維圖，b）為二維圖。數據如圖所示。 4.2.3架子 為了將軸轂和葉片連接起來，設計了其連接件--架子，其材料為Q235，加工方法是鑄造后加工孔。 設計方案和數據如圖4-4所示，a）為二維圖，b）為三維圖。 圖4-4 a）架子二維圖 圖4-4 b）架子三維圖 4.2.4支撐架 為了支撐風力機，設計了支撐架，有效地分散了風力機的重量，承擔了部分軸向力，支撐架的低端與地面接觸，用地腳螺栓連接，起支撐作用。 其三維圖如圖4-5所示。 圖4-5 支撐架的三維圖 4.2.5風力機設計中標準零部件的選型 4.2.5.1風力機軸承的選型 垂直軸小型風力發(fā)電機安裝的是推力調心滾子軸承。 設計時，必須合理選擇軸承的潤滑方式和潤滑路徑。加工支撐架上的油路時，往往要打若干工藝孔才行，最后用密封堵頭封閉這些工藝孔，防止漏油。 對于雙列軸承，箱體的油孔應對準雙列軸承中間的入油孔，使油液能夠準確流入軸承的內部。有入油孔就必然對應有出油孔，入油孔開設在方便安裝的地方。 潤滑方式有：油液循環(huán)潤滑、脂潤滑、油霧潤滑、噴射潤滑等。其中油脂潤滑（如高級鋰基脂）是目前最常用的方式。油脂封入量通常為軸承空間容積的10％，如果填得太滿會加劇軸承發(fā)熱。對于油液循環(huán)潤滑，一般用于中等轉速的主軸上，多用于后支承上，設計時注意油路布局合理，既暢通、方便，又不影響其它結構件的剛度。 設計時，選擇合理的密封方式。 4.2.5.2風力機主軸上鍵的選型 根據結構需求主軸與軸轂的之間通過鍵來傳遞扭矩，在這里采用的是楔鍵連接，其尺寸 為28*16*180。 4.2.5.3風力機軸轂上銷的選型 根據結構需求用銷來固定軸轂與軸的相對位置，采用的是開尾錐銷，其尺寸為16*200。 垂直軸小型風力發(fā)電機風力機部分的三維圖如圖4-6所示。 圖4-6垂直軸小型風力發(fā)電機風力機部分的三維圖 4.2.6變向器 由于本課題所設計的垂直軸小型風力發(fā)電機的風力機隨風轉動后，其扭矩是豎直傳遞的，所以需設計一裝置使其轉化成水平傳遞的才能滿足設計要求，根據結構需要設計了一變向器。結構如圖4-7所示。 圖4-7 變向器的主視圖 以下是變向器的相關設計計算。 4.2.6.1錐齒輪的設計 變向器的作用只是將垂直的輸出量轉化成水平輸出，無需變速，所以其錐齒輪的齒數比為1，在以下的計算中只列出其中一個錐齒輪的數據，另一個錐齒輪數據與其相同。 計算如下： 齒輪比 u=1 大端分度圓直徑 de1=200mm 齒數 Z1=Z2=30 大端模數 me1=de1/Z1=6.67 分錐角δ1=45° 外錐距 Re=de1/2sinδ1=141.4 齒寬 b1=φRRe=42.42 齒寬系數 φR=b/Re=0.3 平均分度圓直徑 dm1=de1 (1-0.5φR)=170 中錐距 Rm=Re((1-0.5φR)=120.19 平均模數 Mm=me1 (1-0.5φR)=5.6695 切向變位系數 Xt=0 徑向變位系數 Xε=0.46（1-cosδ2/ucosδ1）=0 齒頂高 ha1=me（1+x1）=6-67 齒根高 hf1=me（1+c＊-x1）=8.004 頂隙 c= c＊m 齒距角 θa1=θf2=θf1 齒根角θf1=arctan(hf1/Re)=3.24° 頂錐角 δa1=δ1+δf2=48.24° 根錐角 δf1=δ1-θf1=41.76° 齒頂圓直徑 da1=de1+2ha1cosδ1=209.43 安裝距A1 冠頂距 Ak1=de2/2-ha1sinaδ1=95.285 輪冠距=H1=A1-Ak1 大端分度圓齒厚S1=me（π/2+2x1tanα+xt1） 端面當量齒數 Zv1=z1/cosδ1=42.43 4.2.6.2箱體 箱體采用以垂直軸的圓錐齒輪的軸線為對稱中心的對稱機構，以便水平軸圓錐齒輪調頭安裝，改變輸出軸的方向。 4.2.6.3軸承 兩個錐齒輪軸均安裝32312型圓錐滾子軸承。這是因為該系列圓錐滾子軸承接觸角較大，承受軸向力的能力較強，并能對錐齒輪嚙合加以精確引導。滾子軸承通常也用以承受錐齒輪的徑向力。 軸承的剛度計算：軸承在零間隙時的變形和剛度，可以按下列公式計算。 線接觸的滾子軸承 式中： ——徑向與周向變形（）； ——徑向與周向剛度（）； ——軸承的徑向和軸向載荷（N）； ——接觸角（°）； db——球徑（mm）； ——滾子有效長度（mm）; ——列數和每列滾動體數； ——單個滾動體的徑向和軸向載荷（N）； 軸承的剛度不是一個定值，而是載荷的函數，載荷越大，剛度也越大。 由于球軸承載荷對剛度的影響比滾子軸承的影響大，所以，球軸承在計算時應該同時考慮預緊力。 計算時，當外載荷無法確定時，常取軸承額定動載荷的0.1倍作為軸承的載荷。 主動錐齒輪軸上的圓錐滾子軸承，系軸向游動軸承，因此，將其外圈以可移動方式配合于H6級精度的外殼孔內。另一個圓錐滾子軸承，一般用端蓋通過外圈進行調整，因此應將外圈間隙配合于H6級的外殼孔中。安裝在輸出軸上的圓錐滾子軸承，為適應軸的熱伸長，也應將外殼孔加工到H6級精度。 兩根軸上所有軸承的內圈，均受循環(huán)載荷，故全部采用過盈配合的方式，安裝在k5級精度的軸上。當載荷很大時，可將軸的精度降為m6。 由于錐齒輪的線速度已超過2m/s，因此該變向器里的全部軸承均采用飛濺潤滑。即依靠錐齒輪的旋轉，將油甩到箱體內壁上，然后經上箱壁和下箱座拋分面上的輸出溝，以及軸承蓋上的導油槽，將油引入軸承。 為保證良好的潤滑，應控制箱體內油面的高度。一般情況下，應把大錐齒輪的整個齒寬，至少0.7倍齒寬浸入油中 為了防止變向器周圍環(huán)境中的灰塵、水氣、酸氣、和其他雜質浸入軸承內，同時防止箱內潤滑油外漏，在軸伸出端蓋的部分，應設置密封裝置。在多數情況下，應使用橡膠密封圈。 4.2.6.4鍵的選擇 根據軸徑大小所選鍵均為16*10，與聯軸器相連的兩個鍵為16*10*70，主動軸與錐齒輪連接的鍵為16*10*56，從動軸與錐齒輪連接的鍵為16*10*63。 以上為本課題所涉及到的設計計算。 第五章 垂直軸風力發(fā)電機正常工作的條件 5.1垂直軸風力發(fā)電機的調速 垂直軸風力發(fā)電機調速的方式也很多，如改變葉片轉動半徑以改變葉片掃掠面達到調速的目的；用改變葉片的迎風角來調速等等。但結構都很復雜，制造成本也很高，且難以穩(wěn) 定在風輪額定轉速范圍內。較好的辦法是采用恒定扭矩輸出器以保證發(fā)電機獲得恒定扭矩達到發(fā)電機運行在額定轉速范圍內。另一種較好的辦法是不調速，為了更好地利用風能，可 安裝二臺或更多臺發(fā)電機。當風輪所獲得的風能滿足1臺發(fā)電機時接通1臺，當風速增大，能滿足2臺發(fā)電機功率時接通2臺……，所發(fā)交流電經交一交逆變器達到并網的頻率。 5.2垂直軸風力發(fā)電機的啟動 垂直軸小型風力發(fā)電機不能自行啟動，需外部動力啟動后方能自行運轉。 大、中型垂直軸風力發(fā)電機并網的并且調速穩(wěn)定，可以采用異步發(fā)電機。當啟動時，電網向發(fā)電機供電，發(fā)電機成為電動機轉動啟動風輪轉動，風輪轉動后再切斷電網供電。 不并網的單機使用的垂直軸風力發(fā)電機，應附加啟動裝置。一般在增速器與發(fā)電機之間安裝離合器并安裝啟動裝置，動力由直流或交流電機供給。啟動后將啟功電機分離，再將增速器與發(fā)電機之間的離合器結合，實現發(fā)電機正常運轉發(fā)電。單機使用的垂直軸風力發(fā)電機應備有儲存電能的蓄電池，將多余電能經整流(交流發(fā)電機)或直接(直流發(fā)電機)向蓄電池充電，用以啟動和無風時向用電器供電。 5.3垂直軸風力發(fā)電機制動器的設計 一般微型和小型風力發(fā)電機不設制動器，中大型風力發(fā)電機大部分的制功器采用液壓或電磁制動器，也有備用手制動器的。 為了使風力發(fā)電機結構簡單、重量輕，一般將聯軸器與制動器設計在一起，并且置于增速器與發(fā)電機之間的高速軸部位，很少有布置在低速軸位置的，因為低速軸的制動力矩大。 我國制功器已有標準并且有商品可供應。但我國制定制動器標準時沒有考慮風力發(fā)電機，主要適合于通用機械、起重機械等制動用，制動器通常既大又重。 風力發(fā)電機用制動器應具有重量輕、制動力矩大、經久耐用、制動可靠等特點。 5.4 小型風力發(fā)電系統(tǒng)中配置的蓄電池 5.4.1為什么用蓄電池 由于風能的間歇性和不穩(wěn)定性，如果用電器直接由風力發(fā)電機來供電，會出現供電時有時無、忽高忽低現象，這種電能是無法使用的。為建立一個供電電壓穩(wěn)定、能夠全天候提供均衡供電的電源系統(tǒng)，就必須在風力發(fā)電機和用電器之間設置儲能裝置，把風力發(fā)電機發(fā)出的電儲存起來，穩(wěn)定地向用電器供電。 理想的電能儲存裝置應當具有大的儲存密度和容量；儲存和供電具有良好的可逆性；有高的轉換效率和低的轉換損耗；運行要便于控制和維護；使用安全，無污染；有良好的經濟性和較長的使用壽命。 現在，正在研究、開發(fā)和應用的電能貯存方式有改進型鉛蓄電池和新型蓄電池儲能；飛輪儲能；水位儲能；壓縮空氣儲能；超導線圈儲能等形式。 從目前小型風力發(fā)電機的實際應用看，最方便、經濟和有效的儲能方式是采用蓄電池儲能。 蓄電池又稱“電瓶”，它能夠把電能轉變?yōu)榛瘜W能儲存起來，使用時再把化學能轉變?yōu)殡娔埽儞Q過程是可逆的，充電和放電過程可以重復循環(huán)、反復使用，因此蓄電池又稱為“二次電池”。 5.4.2．現在使用的蓄電池 現在使用的蓄電池，雖然從外形看有大有小，形狀不一，但從電解液的性質來區(qū)分，主要分為酸性蓄電池和堿性蓄電池兩大類酸性蓄電池也叫鉛蓄電池，它是各種二次電池中使用最多的一種。由于鉛的資源豐富，鉛蓄電池的造價較低，因而應用非常廣泛。 作為風力發(fā)電系統(tǒng)中的儲能設備，無論是酸性蓄電池還是堿性蓄電池，只有用戶了解它們的性能和使用操作方法，才能延長蓄電他的使用壽命。早期的鉛蓄電他的充放電循環(huán)次數只有200—300次，使用壽命只有1—2年。隨著工藝及結構不斷改進，其性能不斷提高，目前充放電次數已超過500次，使用壽命可達3—4年，不過蓄電池的實際使用壽命和能否正確使用維護有很大關系。若能正確操作使用，按時維護．有的鉛蓄電池可使用5年以上。 5.5發(fā)電機系統(tǒng)中的防雷擊設施 風力發(fā)電機安裝在室外，塔架加風輪和輪轂高度達十幾米，遭受雷擊屢見不鮮，特別是在雷電多發(fā)地區(qū)，電閃雷鳴，釋放出巨大能量，雷擊會造成風力發(fā)電機葉片損壞，井常常引起發(fā)電系統(tǒng)過電壓，造成發(fā)電機擊穿、控制設備燒毀、電氣設備損壞等事故，甚至危及人員安全。所以，雷擊威脅著風力發(fā)電機的安全運行。因此，我們在安裝風力發(fā)電機時，一定要注意做好防雷擊措施。 小型風力發(fā)電機上如果不方便安裝防雷擊設施，可在其附近安裝避雷設施，達到防雷擊效果。 結束語 根據導師布置的課題，本文對小型風力發(fā)電機部分零部件的設計進行了研究和探討，針對垂直軸小型風力發(fā)電機的葉片、軸轂、支撐架、變向器等重要部件的結構進行了研究。其主要內容如下： 1、 根據現有理論和條件要求設計出了合適的葉片，并利用Solidworks軟件建立葉片的三維模型，葉片是設計的重點也是難點，它直接影響所設計的小型風力發(fā)電機的工作效率。 2、 根據設計需求，設計出了軸轂、支撐架等零部件，并利用Solidworks軟件建立了三維模型。 3、 根據設計需求，設計出了變向器裝置，并合理地選擇了軸承、鍵等配套零部件。 待解決的問題: 由于個人時間和知識水平的限制，雖然通過努力完成了上述內容的研究，但對于垂直軸小型風力發(fā)電機尚有以下3個問題需要進一步研究： 1、葉片三維模型的氣動特性模擬與仿真。目前國內外對氣動特性的模擬與仿真主要集中在二維葉素的研究上，針對三維模型特別是旋轉的葉輪模型的氣動特性模擬與仿真卻留有很大空白，在技術和方法上的研究有很大的提升空間。 2、葉片氣動實驗研究。主要利用風洞實驗等空氣動力學研究的常用方法對葉片在實際運行情況下的各項特性進行研究，如流場情況、風輪的啟動情況、高風速下的失速特性、噪音大小等，這些指標的好壞將能夠全方位反映葉片的設計制造水平。 3、小型風力發(fā)電機的手動制動系統(tǒng)。雖然小型風力發(fā)電機有單片機控制的制動系統(tǒng)，可以不設計手動剎車系統(tǒng)，但為了維修方便，最好設計出相應的手動剎車系統(tǒng)。 展望： 隨著石油、煤炭等化石能源的日益枯竭及越來越嚴重的環(huán)境污染問題，21世紀必將是風能快速發(fā)展的世紀，風力發(fā)電技術也必將得到快速提高，因此對于小型風力發(fā)電機來說充滿著機遇與挑戰(zhàn)，性能優(yōu)越的風力發(fā)電機將越來越廣泛的應用到人們的日常生活中，因此對垂直軸小型風力發(fā)電機的研究有著非常重要的現實意義，對此作以下展望: (1) 垂直軸小型風力發(fā)電機的研究將繼續(xù)向著提高風能轉換效率的方向發(fā)展，也將繼續(xù)向著輕質高強的方向發(fā)展，碳纖維將越來越多的使用到小型發(fā)電機葉片的制造中來。 (2)計算機技術，特別是有限元技術將會更多的用到風力發(fā)電機的設計與制造及分析中來，其中將會出現風力發(fā)電機葉片設計制造與分析的專門軟件，風力發(fā)電機的設計將更加專門化和商業(yè)化。 參考文獻 [1]王承熙,張源.風力發(fā)電[M].北京：中國電力出版社，2004,① [2]周鶚，電機學（第三版）[M]. 北京：中國電力出版社，1995,② [3]肖勁松，風力機組控制理論研究的現狀與展望，風力發(fā)電，2002,③ [4]《機械設計手冊—齒輪傳動》，機械工業(yè)出版社，2007 [5]《機械設計手冊—減速器和變速器》，機械工業(yè)出版社，2007 [6]《機械設計手冊--》，機械工業(yè)出版社，2007 [7]葉偉昌，機械工程及自動化簡明設計手冊，機械工業(yè)出版社，2001 [8]李俊峰等,風力12在中國〔M].北京:化學工業(yè)出版社，2005,④ [9]張希良,風能開發(fā)利用「M].北京:化學工業(yè)出版社，2005 [10] 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