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1、 毕业设计开题报告题 目： RB800W-B 型小型风力发电机设计 学 院： 应用技术学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 颜子阳 学 号： 200713090307 指导教师： 傅彩明 2011 年 4 月 20 日1毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告文 献 综 述引言风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风能约为 2.74109MW，其中可利用的风能为 2107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大 10 倍。风很早就被人们利用-主要是通过风车来抽水、磨面等，而现在，人们感兴趣的是如何利用风来发电。风 是一种潜力很大的新 能 源 ，十
2、八世纪初，横扫英法两国的一次狂 暴大风，吹毁了四百座风 力 磨坊、八百座房屋、一百座教堂、四百多条帆船，并有数千人受到伤害，二十五万株大树连根拔起。仅就拔树一事而论，风在数秒钟内就发出了一千万马力(即 750 万千瓦；一马力等于 075 千瓦)的功 率 !有人估计过，地球上可用来发电的风力资源约有 100 亿千瓦，几乎是现在全世界水 力 发 电 量的 10 倍。目前全世界每年燃烧煤所获得的能量，只有风力在一年内所提供能量的三分之一。因此，国内外都很重视利用风力来发电，开发新能源。风能开发利用已有数千年的历史。在蒸汽机发明以前，风能就曾作为重要的动力，用于船舶航行、 提水饮用和灌溉、排水造田、磨
3、面和锯木等。在几千年前，埃及的风帆船就在尼罗河上航行。中国是最早使用帆船和风车的国家之一，至少在三千年前的商代就出现了帆船。唐代有“乘风破浪会有时，直挂云帆济沧海”的诗句，可见那时风帆船已广泛用于江河航运。方以智著的物理小识 记载有：“用风帆六幅，车水灌田，淮阳海皆为之” ，描述利用风车驱动水车灌田的场景。受化石能源资源日趋枯竭、能源供应安全和保护环境等的驱动，自 20 世纪 70 年代中期以来， 世界主要发达国家和一些发展中国家都重视风能的开发利用。特别是自 20 世纪 90 年代初以来， 现代风能最主要的利用形式风力发电的发展十分迅速，世界风电机装机容量的年平均增长率超过了 30%，从 1
4、993 年的 216 万千瓦上升到 2003 年的 4030 万千瓦 1。2一、风力发电1 .1 原理把 风 的 动 能 转 变 成 机 械 动 能 ， 再 把 机 械 能 转 化 为 电 力 动 能 ， 这 就 是 风 力 发 电 。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 米 的 微 风 速 度 （ 微 风 的 程度 ） ， 便 可 以 开 始 发 电 。 风 力 发 电 正 在 世 界
5、上 形 成 一 股 热 潮 ， 因 为 风 力 发 电 不 需要 使 用 燃 料 ， 也 不 会 产 生 辐 射 或 空 气 污 染 。 风 力 发 电 所 需 要 的 装 置 ， 称 作 风 力 发 电 机 组 。 这 种 风 力 发 电 机 组 ， 大 体 上 可 分风 轮 (包 括 尾 舵 )、 发 电 机 和 铁 塔 三 部 分 。 （ 大 型 风 力 发 电 站 基 本 上 没 有 尾 舵 ， 一般 只 有 小 型 （ 包 括 家 用 型 ） 才 会 拥 有 尾 舵 ）风 轮 是 把 风 的 动 能 转 变 为 机 械 能 的 重 要 部 件 ， 它 由 两 只 (或 更 多 只 )
6、螺 旋 桨 形的 叶 轮 组 成 。 当 风 吹 向 浆 叶 时 ， 桨 叶 上 产 生 气 动 力 驱 动 风 轮 转 动 。 桨 叶 的 材 料 要 求强 度 高 、 重 量 轻 ， 目 前 多 用 玻 璃 钢 或 其 它 复 合 材 料 (如 碳 纤 维 )来 制 造 。 （ 现 在 还有 一 些 垂 直 风 轮 ， s 型 旋 转 叶 片 等 ， 其 作 用 也 与 常 规 螺 旋 桨 型 叶 片 相 同 ） 由 于 风 轮 的 转 速 比 较 低 ， 而 且 风 力 的 大 小 和 方 向 经 常 变 化 着 ， 这 又 使 转 速 不 稳定 ； 所 以 ， 在 带 动 发 电 机
7、之 前 ， 还 必 须 附 加 一 个 把 转 速 提 高 到 发 电 机 额 定 转 速 的 齿轮 变 速 箱 ， 再 加 一 个 调 速 机 构 使 转 速 保 持 稳 定 ， 然 后 再 联 接 到 发 电 机 上 。 为 保 持 风轮 始 终 对 准 风 向 以 获 得 最 大 的 功 率 ， 还 需 在 风 轮 的 后 面 装 一 个 类 似 风 向 标 的 尾 舵 。铁 塔 是 支 承 风 轮 、 尾 舵 和 发 电 机 的 构 架 。 它 一 般 修 建 得 比 较 高 ， 为 的 是 获 得 较大 的 和 较 均 匀 的 风 力 ， 又 要 有 足 够 的 强 度 。 铁 塔
8、高 度 视 地 面 障 碍 物 对 风 速 影 响 的 情况 ， 以 及 风 轮 的 直 径 大 小 而 定 ， 一 般 在 6-20 米 范 围 内 。发 电 机 的 作 用 ， 是 把 由 风 轮 得 到 的 恒 定 转 速 ， 通 过 升 速 传 递 给 发 电 机 构 均 匀 运转 ， 因 而 把 机 械 能 转 变 为 电 能 2。1.2 贝兹理论贝兹理论是在有贝兹（A.Betz）和哥劳特（H.Glauert）首先定义的自由流场风力机规则下提出的，是理想状况下的风能转换规律，它与实施的技术方案无关。风力机可做成水平轴式的和垂直轴式的，叶片可采用升力叶型或阻力叶型，叶型自身也有多种几何
9、形状与尺寸选择。但无论如何不可能达到理想的风能转换效率，而必然存在9与贝兹公式计算的最大功率相比较而言的效率。贝兹假设风轮是理想的。风轮没有轮毂，而叶片数无穷多，并且风轮对通过它的气流没有阻力，他是一个不产生损耗的能量转换器；此外，还进一步假设风轮前、风轮扫掠面、风轮后气流速度都是均匀的。空气流过风轮的瞬时能量转换可由流线图表达，风轮前远方具有流通截面相等的流线。在图中虚线包围处，风轮前流线较窄，空气通过风轮时，受风轮阻挡被向外挤压，绕过风轮的空气能量未被利用。只有通过F截面的气流，在风轮里释放了其所携带的部分动能。由于风速远小于当地的声速，即运动气流的马赫数Ma1，空气的压缩性可被忽略。所以
10、F截面的大小取决于速度差V=V 1-V2。当V=0时，所有通过F截面的气流穿过风轮后，动能不变，根本没有能量转换；如果V= V1即V 2=0，风轮后面没有气流流动，也就没有气流通过风轮，依然没有能量转换。气流如何运动才能获得可用能量，而且获得最大的转换效率呢？贝兹给出了解决这一问题的数学公式 3。1.3 风 力 发 电 的 输 出风 力 发 电 机 因 风 量 不 稳 定 ， 故 其 输 出 的 是 13 25V 变 化 的 交 流 电 ， 须 经 充 电器 整 流 ， 再 对 蓄 电 瓶 充 电 ， 使 风 力 发 电 机 产 生 的 电 能 变 成 化 学 能 。 然 后 用 有 保 护
11、电路 的 逆 变 电 源 ， 把 电 瓶 里 的 化 学 能 转 变 成 交 流 220V 市 电 ， 才 能 保 证 稳 定 使 用 。 通 常 人 们 认 为 ， 风 力 发 电 的 功 率 完 全 由 风 力 发 电 机 的 功 率 决 定 ， 总 想 选 购 大 一点 的 风 力 发 电 机 ， 而 这 是 不 正 确 的 。 目 前 的 风 力 发 电 机 只 是 给 电 瓶 充 电 ， 而 由 电 瓶把 电 能 贮 存 起 来 ， 人 们 最 终 使 用 电 功 率 的 大 小 与 电 瓶 大 小 有 更 密 切 的 关 系 。 功 率 的大 小 更 主 要 取 决 于 风 量 的
12、 大 小 ， 而 不 仅 是 机 头 功 率 的 大 小 。 在 内 地 ， 小 的 风 力 发 电机 会 比 大 的 更 合 适 。 因 为 它 更 容 易 被 小 风 量 带 动 而 发 电 ， 持 续 不 断 的 小 风 ， 会 比 一时 狂 风 更 能 供 给 较 大 的 能 量 。 当 无 风 时 人 们 还 可 以 正 常 使 用 风 力 带 来 的 电 能 ， 也 就是 说 一 台 200W 风 力 发 电 机 也 可 以 通 过 大 电 瓶 与 逆 变 器 的 配 合 使 用 ， 获 得 500W 甚至 1000W 乃 至 更 大 的 功 率 输 出 。二、风机的主要分类及其特
13、点2 .1 定桨定速型风机定桨定速机型风机主要特点是桨叶与轮毅固定连接在一起，风速变化时桨叶的角度不会变。桨叶经过特殊的设计，可以依靠其气动特性保持叶轮转速相对不变。当风速超过额定值时，叶片会通过自动失速来调节功率，防止转速过快造成过载，所以又称失速式风机。定桨定速型厅帆主要由塔架、论段、桨叶、主轴、变速箱、发电机、偏航系统、液压系统和电气控制等组成。桨叶与齿轮增速箱通过主轴连接，发电衫睬10用笼式异步发电机，为了提高发电机的效率，多采用双绕组发电机，控制系统根据不同的风速切换力小电机，低风垂时切人小发电机，高网垂时大发电机工作。为了减小凤机并网时对电网的冲击，定桨定速型风机采用晶闸管软并网，
14、再由并网开关（或接触器）旁路晶闸管，将并网冲击减少到最低。大多数失速式风机因起动困难而设计有电动机起动程序（Motor start ) ，起动程序由小发电机执行。为保证风机在突然失电情况下的制动能力，定桨距风机的叶片安装有叶尖扰流器，在紧急情况下叶尖扰流器释放并旋转 90 形成阻尼板，对风机进行空气动力刹车，低速或高速轴上的盘式制动器与扰流器配合保证机组可靠制动。由于发电机采用笼式异步发电机，风机在并网状态时需从电网吸收大量的无功电流用于励磁，因而功率因素较低，必须配置一定数量的移相电容器进行补偿。失速式定桨定速机型风机为早期产品，机组容量多为兆瓦级以下，功率以 600kw 、750kw 为主
15、。兆瓦级机组也有采用失速式设计，如苏司兰的51250 kw 风机，国内主要的生产企业为新疆金风和浙江运达，其中以金风的 750kw为代表机型。失速式风机采用的是早期引进消化的技术，结构简单、成本较低、坚固耐用，但效率偏低。2 .2 变桨变速型风机变桨变速型风机按变桨执行机构的动力形式可分为电动和液压变桨控制按采用的发电机类型主要可分双馈异步发电机和永磁同步发电机，按传动方式又可分为齿轮增速和直驱（半直驱）式。定桨定速型风机和采用双馈发电机的风机，由于其额定转速较高，必须要采用齿轮箱来增速，而永磁同步发电机可采用多极化设计，发电机转速可低至十几转，因而可采用直驱式。2.2.1 变桨距控制 变桨距
16、控主要有两个作用：一是在高干额定凤速的情况下通过增大桨距角改变气流对叶片的攻角，将输出功率稳定在额定功率下，保证功率曲线的平滑，防止风机过负荷。二是在风机失电脱网等紧急状态下进行空气动力制动，配合高速轴制动器对风机叶轮快速刹车风机变桨执行机构的动力形式可分为两种，即电一液伺服变桨和电动伺服变桨。2.2.2 采用双馈异步电机的发电机绝大多数的变桨变速型风电发电机组采用了双馈异步变速恒频控制方式，由塔架、轮毅、桨叶、主轴、变速箱、发电机、变频器、偏航系统、液压系统和电气控制等组成，某些机型采用无主轴结构，叶轮直接祸合在齿轮箱上双馈异步发电机的工作原理11是由变频器在转子绕组中产生一个低速旋转磁场，这个旋转磁场的转速与转子由风力带动所产生的机械转速几相叠加，在转子绕组中形成一个合成的旋转磁
