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1、 前言自然界的风是可以利用的资源，然而，我们现在还没有很好的对它进行开发。这就向我们提出了一个课题：我们如何开发利用风能？自然风的速度和方向是随机变化的，风能具有不确定特点，如何使风力发电机的输出功率稳定，是风力发电技术的一个重要课题。迄今为止，已提出了多种改善风力品质的方法，例如采用变转速控制技术，可以利用风轮的转动惯量平滑输出功率。由于变转速风力发电组采用的是电力电子装置，当它将电能输出输送给电网时，会产生变化的电力协波，并使功率因素恶化。因此，为了满足在变速控制过程中良好的动态特性，并使发电机向电网提供高品质的电能，发电机和电网之间的电力电子接口应实现以下功能：一，在发电机和电网上产生尽
2、可能低的协波电波；二，具有单位功率因素或可控的功率因素；三，使发电机输出电压适应电网电压的变化；四，向电网输出稳定的功率；五，发电机磁转距可控8。此外，当电网中并入的风力电量达到一定程度，会引起电压不稳定。特别是电网发生短时故障时，电压突降，风力发电机组就无法向电网输送能量，最终由于保护动作而从电网解列。在风能占较大比例的电网中，风力发电机组的突然解列，会导致电网的不稳定。因此，用合理的方法使风力发电机组电功率平稳具有非常重要的意义。本文通过对风力发电机的总体设计，叶片、轮毂机构的设计，水平回转机构的设计，齿轮箱系统的设计，以达到利用风能发电的目的，有效利用风能资源，减少对不可再生资源的消耗，
3、降低对环境的污染。1概述1.1风力发电机的发展史简介我国是最早使用风帆船和风车的国家之一，至少在3000年前的商代就出现了帆船，到唐代风帆船已广泛用于江河航运。最辉煌的风帆时代是明代，14世纪初叶中国航海家郑和七下西洋，庞大的风帆船队功不可没。明代以后风车得到了广泛的应用，我国沿海沿江的风帆船和用风力提水灌溉或制盐的做法，一直延续到20世纪50年代，仅在江苏沿海利用风力提水的设备增达20万台7。随着蒸汽机的出现，以及煤、石油、天然气的大规模开采和廉价电力的获得，各种曾经被广泛使用的风力机械，由于成本高、效率低、使用不方便等，无法与蒸汽机、内燃机和电动机等相竞争，渐渐被淘汰。欧洲到中世纪才广泛利
4、用风能，荷兰人发展了水平轴风车。18世纪荷兰曾用近万座风车排水，在低洼的海滩上造出良田，成为著名的风车之国。德国、丹麦、西班牙、英国、荷兰、瑞典、印度加拿大等国在风力发电技术的研究与应用上投入了相当大的人力及资金，充分综合利用空气动力学、新材料、新型电机、电力电子技术、计算机、自动控制及通信技术等方面的最新成果，开发建立了评估风力资源的测量及计算机模拟系统，发展了变浆距控制及失速控制的风力机设计理论，采用了新型风力机设计理论，采用了新型风力机叶片材料及叶片翼型，研制出了变极、变滑差、变速、恒频及低速永磁等新型发电机，开发了由微机控制的单台及多台风力发电机组成的机群的自动控制技术，从而大大提高了
5、风力发电的效率及可靠性。到了19世纪末，开始利用风力发电，这在解决农村电气化方面显示了重要的作用，特别是20世纪70年代以后，利用风力发电更进入了一个蓬勃发展的阶段3。1.2我国现阶段风电技术发展状况中国现代风力发电机技术的开发利用起源于20世纪70年代初。经过初期发展、单机分散研制、系列化和标准化几个阶段的发展，无论在科学研究、设计制造，还是试验、示范、应用推广等方面均有了长足的进步和很大的提高，并取得了明显的经济效益和社会效益1。 我国对风电已有部分优惠政策，包括一下几个方面。1)风电配额 制定出常规火电污染排放量分配比例，由全国所有省区共同分摊的政策。2)风电上网电价 落实风电高于火电的
6、价差摊到全省的平均销售电价中。制定出按常规水电污染排放量分配比例，由全国所有省区共同分摊的政策。按地区具体情况定出风电最高上网电价的限制，并保持10年不变，促使业主充分利用资源，降低成本。 3)售电增值税 发电增加了新的税源，建议参照小水电，核定风电销售环节增值税率为6%。 4)银行贷款 为降低风电电价，减轻还贷压力，建议适当延长风电还贷期限，还贷期增至15年；为风电项目提供贴息贷款。5)鼓励采用国产化风电机 为采用国产化风电机的业主提供补贴和贴息贷款，补偿开发商的风险，帮助初期国产化机组进入市场，得到批量生产和改进产品的机会，以利降低成本。表1-1 中国风电场装机容量发展情况（单位：万KW）
7、Table 1-1 Chinas installed capacity of wind power development (unit : 10，000 KW)装机容量199920002001200220032004当年新增4.477.655.726.699.9819.8累计容量26.8334.4840.2046.6256.676.41.3 风力的等级选择风力等级是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象，按风力的强度等级来估计风力的大小，国际上采用的是英国人蒲福（Francis Beaufort，17741859）于1805年所拟定的等级，故又称蒲福风级，他把静风到飓风分为13级7。见表2
8、-2。表1-2 蒲福风力等级表Table 1 -2 Bofu wind scale风力等级名称相当于平地10m高处的风速（m/s）陆上地物征象中文英文范围中数0静风Calm0.00.20静、烟直上1软风Light air0.31.51烟能表示风向，树叶略有摇动2轻风Light breeze1.63.32人面感觉有风，树叶有微响，旗子开始飘动，高的草开始摇动3微风Gentle breeze3.45.44树叶及小枝摇动不息，旗子展开，高的草摇动不息4和风Moderate breeze5.57.97能吹起地面灰尘和纸张，树枝动摇，高的草呈波浪起伏5清劲风Fresh breeze8.010.79有叶的
9、小树摇摆，内陆的水面有小波，高的草波浪起伏明显6强风Strong breeze10.813.812大树枝摇动，电线呼呼有声，撑伞困难，高的草不时倾伏于地7疾风Near gale13.917.116大树摇动，大树枝弯下来，迎风步行感觉不变8大风Gale17.220.720可折毁小树枝，人迎风前行感觉阻力甚大9烈风Strong gale20.824.423草房遭受破坏，屋瓦被掀起，大树枝可折断10狂风Storm24.528.426树木可被吹倒，一般建筑物遭破坏11暴风Violent storm28.532.631大树可被吹倒，一般建筑物遭严重破坏12飓风Hurricane32.633陆上少见，其摧
10、毁力极大1.4 风能利用发展中的关键技术问题风能利用发展中的关键技术问题风能技术是一项涉及多个学科的综合技术。而且，风力机具有不同于通常机械系统的特性：动力源是具有很强随机性和不连续性的自然风，叶片经常运行在失速工况，传动系统的动力输入异常不规则，疲劳负载高于通常旋转机械几十倍7。对于这样的强随机性的综合系统，其技术发展中有下列几个关键技术问题1）空气动力学问题空气动力设计是风力机设计技术的基础，它主要涉及下列问题:一是风场湍流模型，早期风力机设计采用简化风场模型，对风力机疲劳载荷和极端载荷的确定具有重要意义；另一是动态气动模型。再一是新系列翼型。2）结构动力学问题准确的结构动力学分析是风力机
11、向更大、更柔和结构更优方向发展的关键。3）控制技术问题风力机组的控制系统是一个综合性的控制系统。随着风力机组由恒速定浆距运行发展到变速变浆距运行，控制系统除了对机组进行并网、脱网和调向控制外，还要对机组进行转速和功率的控制，以保证机组安全和跟踪最佳运行功率8。2 风轮的结构设计2.1风轮设计中的关键技术-迎风技术风速的大小、方向随时间总是在不断变化，为保证风轮机稳定工作，必须有一个装置跟踪风向变化，使风轮随风向变化自动相应转动，保持风轮与风向始终垂直。这种装置就是风轮机迎风装置。 (2-1) (2-2)式中 P风轮机输出功率， KW；空气密度， kg/；r 风轮半径， m；风能利用系数 ；风速
12、， m/s；n 风轮转速， r/min；由式（2-1）和（2-2）可知风轮机的输出功率与风速立方成正比，转速与风速一次方成正比。因此，风速变化将引起出力和转速的变化。风轮迎风装置有三种方法：尾舵法、舵轮法和偏心法。风向变化时，机身上受三个扭力矩作用，机头转动的摩擦力矩，斜向风作用于主轴上的扭力矩，尾舵轮扭力矩。与机头质量、支持轴承有关，决定于风斜角、距离L，尾舵力矩由下式近似计算 （2-3）式中 尾舵升力、阻力合力系数由实验曲线查得；尾舵面积，；风轮的圆周速率，m/s；K风速损失系数约0.75；L尾舵距离，m。机头转动条件 （2-4）尾舵面积 （2-5）式中 尾舵轮扭力矩， ； 机头转动的摩擦
13、力矩， ； 斜向风作用于主轴上的扭力矩， ；按上式设计的尾舵面积就可以保证风轮机桨叶永远对准风向。舵轮法是用自动测风装置测定风向，按风向偏差信号控制同步电动机转动风轮，此方法也可保证风轮机桨叶永远对准风向。在本设计中把尾舵取消增加桨叶轴与圆盘角度到7角这样可以加大与斜向风的接触面积增大斜向风对主轴的转矩当斜向风的转矩为零时风轮机桨叶对准风向7。2.2 风轮桨叶的结构设计2.2.1 桨叶材料的选择水平轴风力机的风轮一般由13个叶片组成（本设计中取6片桨叶），它是风力机从风中吸收能量的部件。叶片采用实心木质叶片。这种叶片是用优质木材精心加工而成，其表面可以蒙上一层玻璃钢9。在本设计中桨叶材料选用落叶松作为内部骨架，木材物理力学性能见下表。 表2-1 木材物理力学性能Table 2-1 Physical and mechanical properties of wood 顺纹抗压强度/MPa顺纹抗拉强/Mpa强度极限/MPa 弹性模数/MPa顺纹抗剪强度/MPa52.2122.699.3126径向 弦向 8.8 7.02.2.2 风轮扫掠半径的参数计算任何种类风力机产生的功率可用下式表示：风轮机功率 P= （2-6）风轮半
