小型风力发电机组动力结构设计

开题报告

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指导教师：

一、 综述

1.课题研究的目的和意义

数千年来，风能技术发展缓慢，也没有引起人们足够的重视。但自1973年世界石油危机以来，在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下，风能作为新能源的一部分才重新有了长足的发展。风能作为一种无污染和可再生的新能源有着巨大的发展潜力，特别是对沿海岛屿，交通不便的边远山区，地广人稀的草原牧场，以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、边疆，作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，有着十分重要的意义。

当前，全球都面临着能源枯竭、环境恶化、气温升高等问题，日益增长的能源需求、能源安全问题受到世界各国广泛关注。风能是一种可再生能源，她资源丰富，是一种永久性的本地资源，可为人类提供长期稳定的能源供应;她安全、清洁，没有燃料风险，更不会在使用中破坏环境。为此，世界各国都在加快风力发电技术的研究，以缓解越来越重的能源与环境压力，中国也不例外。

中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，能源利用以煤炭为主。在当前以石化能源为主体的能源结构中，煤炭占73.8%，石油占18.6%，天然气占2%，其余为水电等其它资源。在电力的能源消费中，也是以煤炭为主，燃煤发电量占总发电量的80%。但是，能为人类所用的石化资源是有限的，据第二届环太平洋煤炭会议资料介绍，按目前的技术水平和采掘速度计算，全球煤炭资源还可开采200年。此外，石油探明储量预测仅能开采34年，天然气约能开采60年。随着人口的增长和经济的发展，能源供需矛盾加剧，如果不趁早调整以石化能源为主体的能源结构，势必形成对数亿年来地球积累的生物石化遗产更大规模的挖掘、消耗，由此将导致有限的石化能源趋于枯竭，人类生态环境质量下降的恶性循环，不利于经济、能源、环境的协调发展。电力部己制定“大力发展水电，继续发展火电，适当发展核电，积极发展新能源发电”的基本原则，把风力发电作为优化我国电力工业结构跨世纪的战略发展目标^①。

表1-1 1996-2005年世界风电市场增长

从表1-1可以看出，世界上的风电能源增长的非常迅速，10年平均增长率达到了29.77。截止2005年底，全世界并网运行的风力发电机总装机容量达到59237 MW ,是1996年装机容量的9.76倍^②。

风力发电近几年发展如此之快，是因为它有许多优点:1.设备简单，投资少，成本低，风力发电机的整个设备成本不足功率相当的火力发电、水力发电和核电站成本的1/4，在二、三年内就可以收回全产投资;2.节省燃料和运输费用。在风力资源丰富的地区，风力是取之不尽，用之不竭的，可就地建立风力发电站，就地用电，这样就可以节省大量的输电设备和能源。许多燃料是十分重要的化学原料，把它白白的燃掉是十分可惜的。我国资源并不十分丰富，充分利用风力资源意义就更重大了;3.利用风力可以减少对大气的污染，保护我们人类赖以生存的自然环境。化学燃料不断向大气中排放对生物有害物质，严重的威胁人们健康，而风力能源则没有任何影响人类健康的有害物质^③。

2.课题的研究现状及已有成果

(1)研究现状

我国风电的利用大体上采用三种方式，一是户用式，可独立运行，用蓄电池，直流输出或逆变交流输出;单机容量为100～300W，可基本满足照明、电视等家用电器的生活用电需要。其次是孤立的小居民区用，独立运行，有蓄电池、直流输出或逆变交流输出，统一向各家各户供电或每天为其更换蓄电池，单机容量为1～５kW。这种方式也可供无电风区边防哨所、气象台站、雷达站、电视差转台以及无电区小火车站使用。三是建立风电场，联网后输出，有的与柴油发电机组或太阳能电站联合，有稳定的输出。

(2)已有成果

①FD2.5—300型风力发电机

1)性能特点

FD2.5—300型风力发电机是低速型风机。该机具有发电效率高，结构简单，维护方便，可靠性高等待点，是大电网以外而风力资源丰富的农牧区、海岛、边防哨所及气象台站等较理想的小功率风力发电设备，也是迄今我国销售量最多的小型风力发电机。它可为用户的照明、彩色电视机、音响设备、洗衣机、电冰箱、组合收录机、航标灯等电器提供稳定可靠的电源。参见图1和图2。

图1 FD2.5—300型风力发电机        图2 FD2.5—300型风力发电机输出特性

2）主要技术指标

叶片型式：木质芯，外表包玻璃钢

风轮直径：2.5米

叶片数：3片

风能利用系数：0.42

额定风速：8米/秒

额定转速：400／分

额定功率：300瓦

最大发电量：500瓦

调速方式：偏侧并尾

工作风速范围：3～25米/秒

发电机型式：三相交流永磁式发电机

直流额定电压：24伏、36伏、48伏

控制/逆变交流电压：AC220伏(±10％方波或正弦波)；频率：50赫兹±1％

储能方式：120安·时，蓄电池2只或3、4只串联

塔架型式:立柱拉索式塔架

风机高度：5米

整机重量：175千克

②FD7—5000／9型风力发电机

1) 性能特点

FD7一5000／9型风力发电机组属水平轴、上风式、变桨距调节的风力发电设备，适用的自然条件为全天候。配用不同的增速箱和发电机可以形成2.5干瓦、5千瓦、10千瓦三种功率档次、8种不同用途的变型产品。机组发出的三相交流电可用来给蓄电池充电贮能、给电阻器加热、驱动异步电动机或输入电网。参见图3、图4。

图3 FD7-5000/9型风力发电机         图4 FD7-5000/9型风力发电机输出特性

2)主要技术指标

叶片型式：木质芯，外表包玻璃钢结构

叶片数:2片

风轮直径：7米

风轮标定转速(额定转速)：195/分

风轮最高允许转速：250/分

启动风速：4米/秒

额定风速：9米/秒

最高安全运行风速：60米/秒

发电机型式：电容励磁异步

额定功率：5000瓦

额定电压：交流380伏

机头重量(塔架以上部分)：560千克

利用方式：BAT(充电储能式)；CHA(电阻加热式)；MOT(驱动电动机式)；RES(并网式)

蓄电池容量：350安·时

 塔架高：12米

整机重量：2500千克

二、 研究内容

本课题的研究内容包括:

1、进行小型风力发电机的总体功能需求分析，进行风力机的方案设计。

2、进行变向器的方案设计。

3、进行机械装配图设计，功能完备后，然后进行机械零件的详尽设计。

三、实现方法及与其预期目标

1、用Solidworks软件绘制机组结构的三维装配图。

2、完成风力机设计装配图。

3、完成变向器设计装配图。

4、完成部分零件部件图。

5、完成小型风力发电机设计的总装图。

本课题研制的小型风力发电机主要定位于它可为用户的照明、彩色电视机、音响设备、洗衣机、电冰箱、组合收录机、航标灯等电器提供稳定可靠的电源。总体要求是在满足功能要求的前提下，使用简单，外型明快，可靠性强，低成本。

从能量转换的角度看，风力发电机组由两大部分组成。其一是风力机，它的功能是将风能转换为机械能;其二是发电机，它的功能是将机械能转换为电能。大型风力发电机组发出的电能直接并到电网上，向电网馈电，小型风力发电机一般将风力发电机组发出的电能用储能设备储存起来(一般用蓄电池)，需要时再提供给负载(可直流供电，亦可用逆变器变换为交流供给用户)，其简要的系统图如图5。

图5 风力发电机系统方框图

设计过程牵涉到了机械知识，控制系统知识，电子电路知识，软件知识等各方面的知识，虽然实现了一些单纯由机械或电子技术都难以实现的功能，但是同时由于多学科融合的特点也给这些机械产品的设计提出了更高的要求，产品设计问题较传统机械更为突出，设计在产品的整个生命周期中占据越来越重的比重，它从根本上决定了产品的内在和外在的品质。

预期目标是向新型立体式风力发电机发展。立体式风力发电机即风力发电机的轴和风的方向垂直。它克服了一般风力发电机叶片需要不断增长和提高塔架以及在材料和加工工艺等方面的困难。这样来自任何方向的风都可以充分利用，提高了风能利用率。又可以降低高大的支撑铁塔，结果造价低，重量也轻了许多。叶片是风力发电机的关键部件，它的作用是将风的流动转换为风轮的转动从而驱动发电机发电。叶片设计制造的好坏直接关系到风力发电机的效率和使用寿命，所以对叶片的设计制造的研究有着非常重要的现实意义。叶片和风力发电机的设计是重点也是难点。

四、对进度的具体安排

1. 第 1-3 周      课题调研，学习相关理论；

2. 第  4  周      撰写并提交调研报告和开题报告；

3. 第 5-6 周      系统的整体方案的确立；

4. 第 7-9 周      系统硬件的设计（主要是风力机的结构设计）；

5. 第10-11周      零件部件的绘制；

6. 第12-14周      其它硬件的设计；

7. 第15-16周      撰写并提交毕业论文；审阅、评审并修改毕业论文；

8. 第 17  周      完成毕业答辩

五、参考文献

1.世界能源理事会.新的可再生能源一未来发展指南.北京:海洋出版社，1998，②；

2.中国国家科委一欧盟能源总司.中国一欧洲联盟能源合作大会文集.北京，1996；

3.中华人民共和国国家发展计划委员会基础产业发展司编.中国新能源与可再生能源1999白皮书.北京:中国计划出版社，2000，①；

4.国家经贸委可再生能源发电及热利用研究项目组.中国可再生能源技术评价.北京:中国环境科学出版社，1999；

5.胡蛟抨.取之不尽的风力发电.生态经济，2000，③；

6.黄素逸.能源科学导论.北京:中国电力出版社，1999；

7.国家经贸委可再生能源发展经济激励政策研究组中国可再生能源发展经济激励政策研究.北京二中国环境科学出版社，1998；

8.江文.政府的支持推动新能源快速发展.能源政策研究，1997；

9.孙刚，吴刚，刘春娟.先进风力发电机叶型设计, 2005；

10.包耳，邵晓荣，刘德庸.风力机叶片设计的新方法 机械设计, 2005；

11.张维智，董文华.风力机叶片优化设计的探讨 风力发电，2003；

12.陈家权，杨新彦.风力机叶片立体图的设计 机电工程，2006。