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1、小型风力发电机总体结构的设计开题报告 一、综述1.课题研究的目的和意义能源是发展国民经济和提高人民生活的重要物质基础，是经济发展的“火车头”，能源已成为制约国民经济发展的重要因素。社会经济发展推动能源需求的持续增长，要求不断开发新的能源。虽然，人类的技术进步旨在提高能源的利用效率、减少能源的消耗，但现今的能源生产量依然满足不了人类发展的需求。由于对能源的渴求，人们无节制地开采石油、煤炭、天然气等这些埋在地层深处的维系人类生存的“能源食粮”，不仅严重地污染了我们的生存空间，恶化了自然环境，而且带来了更可怕的恶果能源枯竭。传统化石能源资源的减少，引发的石油危机和石油总体价格的攀升，已在向世人警示能
2、源安全问题,引起对能源安全的广泛担忧。现实告诫人们，要生存就必须寻求开发新能源。1我国地域辽阔，广大边远山区、沿海岛屿和少数民族地区地广人稀、交通不便，利用大电网的延伸解决供电问题非常困难，而这些地区风力资源往往又比较丰富。充分利用这些地区的风力资源来解决无电、缺电问题，对改善当地人民的生活水平，发展地方经济具有深远的意义。小型风力发电系统具有机组投资小，使用灵活，非常适用于解决居住相对分散、风力资源较好的无电地区居民的基本生活用电及部分小型生产用电问题。2小型风力发电技术作为农村能源的组成部分，它的进一步推广应用，将会推动农村能源的发展，对于改善用能结构，特别是边远山区等的生产、生活用能，推
3、动生态和环境建设诸领域的发展将发挥积极作用，具有广阔的市场前景。3风能具有随机性和不确定性，风力发电系统是一个复杂系统。简化小型风力发电系统的结构、降低成本、提高可靠性及实现系统优化运行，具有重要的理论意义和实际应用价值。2.课题的研究现状及已有成果风能的利用有着悠久的历史。近年来,资源的短缺和环境的日趋恶化使世界各国开始重视开发和利用可再生、且无污染的风能资源。自80年代以来,风能利用的主要趋势是风力发电。风力发电最初出现在边远地区,应用的方式主要有:1)单独使用小型风力发电机供家庭住宅使用;2)风力发电机与其它电源联用可为海上导航设备和远距离通信设备供电;3)并入地方孤立小电网为乡村供电。
4、4风电场是由多台并网型风力发电机组,并按一定规律排列组成的风力发电机群。每台风力发电机组一般包括风力机、异步发电机和中间的传动连接机构:轮毂、齿轮箱、连轴器。通常机端还有并联电容器,提供异步发电机运行时所需的无功功率,以提高发电场的功率因数。51 风力机现代风力机从基本结构上分为两类,即水平轴风机(HAWT)和立轴风机(VAWT),如图1所示，这两类风机都是利用空气动力升力原理来获取风能的。目前水平轴风机较多采用。水平轴风机轮毂上有三个或两个风翼,也称叶片。叶片用强化聚酯玻璃纤维、胶合板、铝或钢制造。6风力机通过叶片捕获风能,将风能转换为作用在轮毂上的机械转矩。风力机的特性通常用风能利用系数C
5、P尖速比曲线来表示,如图2所示。不同浆距角时,风能利用系数CP对应的尖速比不同。这里尖速比=mR/V,R为叶片半径(m),m是风机的机械转速(r/s),V是作用于风轮机的迎面风速(m/s)。对于同一CP,风轮机可能有两个运行点,它们分别对应于风轮机的高风速运行区和低风速运行区。当风速变化时风轮机的运行点将要发生变化。对一台实际的风力机,其捕获风能转变为机械输出功率Pm的表达式为Pm= 0.5ACPV3式中 空气密度,kg/m3 A扫掠面积,m2风力机的整体设计和相应的运行控制策略应尽可能追求CP最大,从而增加其输出功率。然而实际应用中输出功率的提高却受到两方面的限制:一方面是电气回路中元器件的
6、功率限制;另一方面是机械传动系统元件存在转速上限。因此风机存在三个典型运行状态:保证恒定CP,控制风力机转速(维持不变)直到转速达到极限;风力机以恒定速度运行,通过调节风力机可使CP具有较大数值,直到最大输出功率;当风速过大,输出功率达到极限时风力机按恒定功率控制,使输出功率限制在额定值附近。72 风力机的功率调节功率调节是风轮机的关键技术之一,目前投入运行的机组主要有两类功率调节方式:一类是定浆距失速控制;另一类是变浆距控制。1)浆距失速控制风力机的功率调节完全依靠叶片的气动特性,称为定浆距风力发电机组。这种机组的输出功率随风速的变化而变化,从CP的关系看,难以保证在额定风速之前CP最大,特
7、别是在低风速段。这种机组通常设计有两个不同功率,不同极对数的异步发动机。大功率高转速的发动机工作于高风速区,小功率低转速的发动机工作于低风速区,由此来调整,追求最佳CP。当风速超过额定风速时,通过叶片的失速或偏航控制降低CP,从而维持功率恒定。实际上难以做到功率恒定,通常有些下降,如图3所示。2)变浆距控制为了尽可能提高风力机风能转换效率和保证风力机输出功率平稳,风力机将进行浆距调整。在定浆距基础上加装浆距调节环节,称为变浆距风力机组。变浆距风力发电机组的功率调节不完全依靠叶片的气动特性,它要依靠与叶片相匹配的叶片攻角改变来进行调节。在额定风速以下时攻角处于零度附近,此时,叶片角度受控制环节精
8、度的影响,变化范围很小,可看作等同于定浆距风机。在额定风速以上时,变浆距机构发挥作用,调整叶片攻角,保证发动机的输出功率在允许范围以内。变浆距风力机的起动风速较定浆距风力机低,停机时传动机械的冲击应力相对缓和。风机正常工作时,主要采用功率控制。93 发电机目前风力发电所采用的发电机主要有两种:同步发电机和异步发电机。而采用最多的是笼型异步发电机。笼型异步发电机既可以孤立运行,也可以联网运行。由于它的低耗、高可靠性、无需励磁装置和电刷、结构简单尺寸小、坚固耐用、基本上无需维修,它已成为风力及其它发电系统的最理想设备。异步发电机作为并网型发电设备的方案可分为两类:恒速恒频发电系统和变速恒频发电系统
9、。1)恒速恒频发电系统恒速运行的风力机转速不变,而风速经常变化,因此叶尖比不可能经常保持在最佳值(即使采用变浆距叶片),CP值往往与最大值相差很大,使风力机常常运行于低效状态。恒速恒频发电系统中,多采用笼型异步电机作为并网运行的发电机,在并网后其输出功率在输出功率P(或转矩)与转速n/ns曲线的稳定区内运行,如图4所示。异步发电机的转子速度高于同步转速。当风力机传给发电机的机械功率随风速而增加时,发电机的输出功率及其反转矩也相应增大,运行点发生改变。当转子速度高于同步转速3%5%时达到最大值,若超过这个转速,异步发电机进入不稳定区,产生的反转矩减小,导致转速迅速升高,引起飞车,这是十分危险的。
10、异步发电机并网运行时,一方面向电网输出有功功率,另一方面又必须从电网吸收落后的无功功率。异步发电机向电网输出的电流大小及功率因数,取决于转差率及电机的参数。转差率与异步发电机负荷的大小有关,电机的参数无法改变。8风力发电机多采用机端并联电容器以提高功率因数,如图5所示。运行中当发电机和并联电容器与电网突然断开时,电容器的过励和异步发电机转速上升可能引起有害的自励现象。自励产生的过电压可能危及发电机和电容器的绝缘,必须予以重视。一方面应从最不利的过速情况来选择电容器的电容量,另一方面在保护线路上要采取措施。2)变速恒频发电系统虽然目前风力发电系统采用最多的异步发电机都属于恒速恒频发电系统,但变速
11、恒频发电系统可以使风力机在很大风速范围内按最佳效率运行的重要优点越来越引起人们的重视。从风力机的运行原理可知,这就要求风力机的转速正比于风速保护并保持一个恒定的最佳叶尖比,从而使风力机的风能利用系数CP保持最大值不变,风力发电机组输出最大的功率。例如目前已投入应用的一项变速技术是通过调节发电机转子电流的大小和相位来追求CP最优和输出。10二、研究内容小型风力发电机系统是一个典型的机电一体化系统。小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统：风力发电机充电器数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，各部分功能为：叶片用来接受
12、风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。风机工作稳定是一个非常重要的问题，通过回顾过去成功的小型风力发电机组的设计，就可以发现它们的共同特点是简单，只有简单才可能做到活动部件少，应力连续而无突变，才能使小型风力发电机工作稳定。所以本课题是设计一款结构简单、使用方便、成本低、易维修、使用寿命长的小型风力发电机。其研究内容具体如下：(1) 小型风力发电机整体方案设计；(2) 进行小型风力发电机的机械装配图设计；(3) 对装置的运动过程进行仿真计算分析；(4) 根据功能要求
13、进行修改，进一步的优化；(5) 恒速控制系统方案设计；(6) 试制原理模型装置。三、实现方法及其预期目标本课题研制的是小型风力发电机总体结构设计，总体要求是结构简单、使用方便、易维修、使用寿命长。在满足功能要求的前提下，尽可能使发电机外型美观、可靠性强、制造简单、价格低廉。目标：1.完成小型风力发电机组总体结构的设计方案并试进行模型验证。 2.完成小型风力发电机恒速控制的系统设计方案。该小型风力发电机的主体部分包括风轮、发电机、调向机构、调速机构和停车机构、塔架、蓄电池。具体如下：1)风轮用23个叶片组成,它把风能转化为机械能。2)发电机采用永磁式交流发电机,风轮驱动发电机产生交流电,经过整流
14、后变成直流电储存在蓄电池中。控制器和逆变器3)调向机构、调速机构和停车机构为了从风中获取能量,风轮旋转面应垂直于风向,在小型风力机中,这一功能靠风力机的尾翼作为调向机构来实现。同时随着风速的增加,要对风轮的转速有所限制,这是因为既要防止过快的转速对风轮和风力机的其他部件造成损坏。在风速较大时,特别是蓄电池已经充满的情况下,应人工控制风力机停机。小型风力机中设计有手动刹车机构,在实践中可采用侧偏停机方式,即在尾翼上固定一软绳,当需要停机时,拉动尾翼,使风轮侧向于风向,从而达到停机的目的。4)塔架由塔管和34根拉索组成。5)蓄电池采用汽车用铅酸电瓶,也可用近年来国内开发出的适用于风能太阳能应用的专
15、用铅酸蓄电池。6)控制器和逆变器控制器的功能是控制和显示风力机对蓄电池的充电,使其不至于过充放,以保证正常使用和整个系统的可靠工作。逆变器是把直流电(12 V、24 V、36 V、48 V)变成220 V交流电的装置。四、对进度的具体安排1第1-3周 调研，查阅资料，学习相关理论，研究总体方案。2第 4 周 撰写并提交调研报告和开题报告；3第5-7周 确定总体方案，完成相关计算；4第8-11周 完成结构设计图；5第12-15周 完成恒速控制系统方法的设计；6第16-17周 撰写并提交毕业论文、审阅、评审并修改毕业论文；7第 18 周 完成毕业答辩。五、参考文献1、陈通漠. 世界风电20 年及发展趋向. 风力发电, 1999(3) .2、周篁. 马胜红1 世界风力发电简况. 风力发电, 1999(4) .3、 陈宗器.风力发电综述与我国的开发设想.电机与控制学报.1997. (1)4、周小谦. 中国电力工业发展的前景. 中国电力, 1999,32(10) .5、 符亚杰.浅谈小型风力发电系统.风力发电.2007.(8)6、肖劲松. 风力机组控制理论研究的现状与展望. 风力发电, 2000(2) .7、 牛山泉.三野正洋著.小型风车手册.汪淑贞译. 1987
