1、毕业设计开题报告 机械设计制造及其自动化 风力发电机风压自控调节装置设计 一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 1、绿色能源 -风力发电 近些年来，我国正面临严峻的能源压力，“煤、电、油”三方面全部告急，有将近八成的省份拉闸限电，能源资源的瓶颈已经成为制约我国国民经济在健康可持续发展道路上的主要因素。能源是全人类生存发展的最基本的要素，同时是各国经济发展的重要物质基础。伴随着工业化进程的推进，未来全球能源消费预计将以 3%的速度增长，常规能源面临着愈加枯竭的困境。在众多的绿色能源与新能源技术开发 中，最成熟、最具有规模化和商业化开发前景，而且最具竞争力的就是风力发电。 风能是绿色
2、可再生能源，与其他的一次性能源如煤、天然气、石油等不同的是，风能不会随其本身的转化和使用而日渐减少。风能是一种过程性能源，与煤、石油、天然气等广为利用的能源不同，不能被直接存储，只有将其转化成其他的形式，才可以储存。风能在 2世纪 70 年代中叶之后再次受到重视和开发利用，风能与太阳能、海洋能、地热能、生物质能等一并被称为新能源。 在发达国家，风能作为一种高效清洁的新能源也日益受到重视。美国早在 1974 年就开始实行联邦风能计划。据 中国风力发电网专家介绍其内容主要是：评估国家的风能资源；研究风能开发中的社会和环境问题；改进风力机的性能，降低造价；主要研究为农业和其他用户用的小于 100kw
3、 的风力机；为电力公司及工业用户设计的兆瓦级的风力发电机组。美国已于 80 年代成功地开发了 100、 200、 2000、 2500、 6200、 7200kw 的 6 种风力机组。目前美国已成为世界上风力机装机容量最多的国家，超过 2X104MW，每年还以 10%的速度增长。现在世界上最大的新型风力发电机组已在夏威夷岛建成运行，其风力机叶片直径为 97.5m，重 144t，风轮迎 风角的调整和机组的运行都由计算机控制，年发电量达 1000 万 kwh。根据美国能源部的统计至 1990 年美国风力发电已占总发电量的 1%。在瑞典、荷兰、英国、丹麦、德国、日本、西班牙，也根据各自国家的情况制定
4、了相应的风力发电计划。如瑞典 1990年风力机的装机容量已达 350MW，年发电 10 亿 kwh。丹麦在 1978 年即建成了日德兰风力发电站，装机容量 2000kw，三片风叶的扫掠直径为 54m，混凝土塔高 58m，预计到 2005年电力需求量的 10%将来源于风能。德国 1980 年就在易北河口建成了一座风力电站，装机容量为 3000kw，到本世纪末风力发电也将占总发电量的 8%。英国，英伦三岛濒临海洋，风能十分丰富，政府对风能开发也十分重视，到 1990 年风力发电已占英国总发电量的 2%。在日本， 1991 年 10 月轻津海峡青森县的日本最大的风力发电站投人运行， 5 台风力发电机
5、可为 700 户家庭提供电力。中国位于亚洲大陆东南、濒临太平洋 11.89 0.85%西岸，季风强盛。季风是中国气候的基本特征，如冬季季风在华北长达 6 个月，东北长达 7 个月。东南季风则遍及中国的东半壁。根据国家气象局估计，全国风力资源的总储量为每年 16 亿 kw，近期可开发的约 为 1.6 亿 kw，内蒙古、青海、黑龙江、甘肃等省风能储量居中国前列，年平均风速大于 3m s 的天数在 200 天以上。 2、 风电的技术发展 2.1、 风力机的技术 不同风力机技术方案的比较 截至 20 世纪 90 年代初，丹麦型的风力发电机占主导，这类风力机采用异步发电机直接并网发电，异步电机转速稳定，
6、它必须固定在 50Hz 频率上。由于它不需要改变叶片的角度，因而这种风力机简单而结实耐用，如图 1.1 所示，叶尖气动刹车在风力超过设计转速是可起到保护作用，比如电网突然断电的情况下。 方案 1 方案 2 3 个桨叶 2 个桨叶 定转速 根据风速变转速 定桨控制 变桨控制 （叶片角度不变） （叶片角度变化） 异步发电机 同步发电机 齿轮箱 无齿轮箱直接驱动 玻璃纤维和碳纤维叶片 金属和木质叶片 液压作动器 电动作动器 直接并网 通过 AC-DC-AC 变流器并网 图 1.1 丹麦型风力发电机（定转速、异步电机、直接并网） 20 世纪 90 年代中期，在兆瓦级的风力发电机的领域中，推出了由风速反
7、馈的变速、变桨距的风力发电机。这种风力发电机 采用直接驱动的多级同步电机，交变电流通过AC-DC-AC 变流装置而整流为 50HZ 电流 ,之后输入电网。 1996 年，采用变流技术的变转速双馈异步电机开始被应用。由于保留了齿轮箱机构，发电机轻巧了许多。变转速风力发电机可更加容易地适应不同地域、不同的时间下的风力条件，所以功率为 2MW 以上的风力发电机都采用这种方案。如图 1.2 所示 图 1.2 变速、变桨风力发电机（同步电机、通过 AC-DC-AC 转化成 50Hz 电流并网） 2.2、风力发电设备 从能量的转换角度看，风力发电机包括两部分：一部分是风力机，它将风 能转换为机械能；另一部
8、分是发电机，它将机械能转换为电能。 风力机种类繁多，根据收集风能的机构的结构形式以及在空间上的布置情况，可以将发电机分为水平轴式和垂直轴式；可以从塔架位置上，分为上风式和下风式；也可以按桨叶的数量，将风力机分为单片、双叶片、三叶片、四叶片和多叶片。如果从桨叶和形式来分，有螺旋浆式、 H 型、 S 型等；如果按桨叶的工作原理分，有升力型和阻力型。如果以风力机的容量分，有微型（ 1kw 一下）、小型（ 1 10kw）、中型（ 10 100kw）、大型（ 100kw 以上）。 风力机在结构上，水平轴式和垂直轴式 都存在，但在数量上，水平轴式的风力机占绝大多数，达 98%以上，垂直轴式风力机主要是达厘
9、厄型，并大多是分布在北美国家，如美国和加拿大。 2.2、风力发电的发展趋势 (1) 风力发电技术目前还在不断发展，主要体现在单机容量不断增大上 目前的主流风力发电机组的功率，已经上升到 600 750kw,MW级的机组也已成批生产。2MW 级的机组已在试验生产。单机容量的不断增大，要求采用一些新的复合材料和新技术。桨叶长度不断增长，目前最长的叶片已做到 50m.。桨叶由玻璃纤维增强树脂发展为高强度、重量轻的碳纤维。桨叶也向柔性方 向发展。 (2) 在大、中型风电机组的设计中，采用了更高的塔架以捕获更多的风能 地处平坦地带的风力机，在 50 米高处捕捉的风能要比 30 米高处多 20%。 (3)
10、 变速风力发电机组的发展，取消增速齿轮箱 变速发电机的机轴直接连接与风力发电机组轴上，发电机转子转速随风速改变而改变，交流电的频率同样随之改变，经过 AC-DC-AC 整流输出。试验显示，变速电机在平均风速6.7m/s 的情况下，其比恒速发电机组多捕捉到 15%的风能。同时由于减轻了重量和传动系统的优化，各部件的撑力状况得到了改善，使得风力发电机的支持机构减轻， 费用降低。 (4) 海上发电领域受到重视 德国、丹麦、西班牙、瑞典等国都在规划大型的海上风电项目。由于海上风速较之陆上大且稳定，一般陆上风电平均设备利用为 2000h，高的为 2600h，在海上则可达到 3000h 以上。海上风电场一
11、般建在水深为 3 8 米处，所以较同装机容量的陆上机组成本会增加 60%，但是发电量可以增加 50%以上。 2.3 并网运行方式 采用风力发电机与电网连接，由电网输送电能的方式，是克服风的随机性而带来的蓄 能问题的最稳妥易行的运行方式，同时可达到节约矿物燃料的目的。 lOkW 以上直至 MW 级的风力 发电机组皆可采用这种运行方式。并网运行又可分为两种不同的方式 :恒速恒 频方式，即风力发电机组的转速不随风速的波动而变化，始终维持恒转速运转，从而输出 恒定额定频率的交流电。这种方式目前已普遍采用，具有简单可靠的优点，但是对风能的 利用不充分，因为风力机只有在一定的叶尖速比的数值下才能达到最高的
12、风能利用率。 变速恒频方式，即风力发电机组的转速随风速的波动作变速运行，但仍输出恒定频率的交 流电。这种方式可提高风能的利用率，但将导致必须增加实现恒频输出的电力电子设备， 同时还应解决由于变速运行而在风力发电机组 支撑结构上出现共振现象等问题。 3、 我国风电利用发展 中国是风能资源较为丰富的国家，有悠久的风能开发利用的历史。在“六五”到“十五”期间的科技攻关项目中，在产业化发展中，在国家“ 863”计划中，都将风力机的研制列在其中。国家为大规模利用风力资源制定了发展规划和优惠政策，为我国的风电发展打下了良好的基础。但是无论从发电能力的需求还是从环境保护的压力来分析，我国风能的开发利用还任重
13、而道远。 (1) 不掌握风电设备制造的关键技术。目前我国国内还不能够自主研制风电设备的关键核心技术，国内几家可以批量生产的大型企业所生 产的产品都是许可证生产的。 40 多家风电设备组装企业之中的大多数同样也是采用许可证的生产方式。 (2) 风电资源与电网规划和经济发展不协调。国内的陆上风力资源绝大多数集中在内蒙、甘肃和新疆一带，总量约是可开发风能资源量的 90%以上。但是，这些地区都是经济欠发达地区，电网规模都较小，用电负荷少，对风电的容纳能力低，这导致当地的风电发展受到限制。 （ 3）上网电价过低 。与欧洲国家的固定电价的方式不同，我国实行的电价政策主要是招标电价，但从实际情况来看，由于承
14、诺上网电价最低的投标商中标，使企业以不合理的低价 格进行投标，形成事实上的恶性竞争，造成风电项目无利可图甚至亏损，不能起到激励产业发展的目的。特许权招标的平均电价为 0.469 元，这个电价就是加上出售 CDM 的收人，也几乎是无利可图，根据风场利用小时以及投资成本等情况测算，只有将上网电价提高到0.6 元 /(kW h)左右，才能保证风电项目投资能够得到回报，使我国的风电产业进人良性循环。 （ 4）风机购置成本过高。由于近两年国内风电一哄而上，约 75%的风电场选用的是国外的风电机组，导致国内风力发电设备的供不应求，国外各大风机生产厂家趁机提价，使风机购置成本居高不下， 每千瓦折合成本在一万
15、元左右，而风电的成本至少有 70%以上为风机设备成本，大大增加了风力发电企业的负担。由于国内企业大都采取许可证的生产方式，据说德国一家风力发电机制造企业每周都会收到一到两家中国公司购买许可证的申请，导致许可证价格飞的使用费，这使风力发电机的成本激增 30%以上。 （ 5）专业人才缺乏。由子近年来国内风电行业发展太快，使得风电行业各类人才紧缺，风电场缺少熟练的维护人员，风机制造厂家则缺少专业风机设计人员和现场调试及售后服务人员，人才的流动性较大。 4、解决现有问题的建议 （ 1）继续发展小型风力机 组 我冈幅员辽阔，地域差别大，经济发展不平衡，一些边远和海岛地区的人民还没有用 风电。小型风力发电
16、机组在解决有风无电地区的生活用电方面是一条非常有效的方式，这方面我国有很好的研制基础和应用推广经验，应继续大力发展。 （ 2）加速发展大型风力发电机组 我国风电场运行的风力发电机组绝大部分是从国外引进或合作制造，国内自行研制的机组很少。因此，加速大型风力机组的国产化势在必行。要组织国内相关单位的技术攻关，同时加强基础研究工作。 （ 3）快速建设风电场 实践表明，风电场是大规模利用风能。实现风电产业化的最好方 式要制定符合国情的优惠政策和法规，各相关部门也应大力支待风电场的建设。 （ 4）综合利用新能源和可再生能源 风能在众多可再生资源中最有大规模发电前景，但也受到资源的限制，为更好地利用风能，
17、应与其他形式的能源综合利用，根据当地对能源的不同需求做到新能源和可再生能源与常规能源之间的综合利用，如组成风一光混合系统 ;风一油混合系统等。另外，在重点发展风力发电的同时要注意解决风能在提水、助航、制冷、制亥等古而的质用向顾。 5、关键技术问题和解决方法 在风力发电技术发展里程中，变桨距功率调节技术是一项较早发展的技术， 与定桨距 失速功率调节技术相比较，变桨距功率调节使机组的承载结构重量相对减少，可以使风力发电机组在高于额定风速的情况下保持稳定的功率输出，减少对电网的干扰，提高机组的发电量。但变桨距功率调节需要增加一套桨距调节装置，使设备价格升高同时，自然界的风速变化是一个十分复杂和频繁的
18、过程，风速的不断变化导致变桨机构不断频繁动作，变桨机构中的关键部件变桨轴承承受了各种复杂负载，其寿命一般仅为 4 一 5 年左右，使得维修费用昂贵，机组可靠性大大降低。因此，在中小型风力发电机组的设计生产中，各 风力机制造公司较少采用变桨距功率 调节 技术。 自然界的风速随高度升高而变化。在大型风电机组中，随着机组容量的加大，叶轮直 径由以前的 40-50.增加到 70-80.,塔架高度也不断增加。叶轮中心高度升高使得大型风电机组的叶轮所承受的风剪切力加大，变桨机构轴承承受的负载更加复杂，需要更加准确地对变桨系统各部件进行设计和受力分析。目前主要通过对变桨轴承的改进和设计优化。采用专门设计的轴
19、承，解决了轴承使用寿命短的问题。同时，通过采用变滑差发电机、叶片主动失速等技术，组成了一种“混合”功率调节方式，减少了变桨机构的动作次数，降低了变桨轴承的机械磨 损。通过各种改进技术，基本解决了变桨系统对风电机组安全可靠运行的影响，与采用定桨距失速功率调节的风电机组相比，机组发电量上升了 3%一 10%(根据不同地区的风力资源状况而有所不同 )。 变转速风力发电机组的技术关键，在于发电机与电网的连接环节。在该环节中，广泛 应用了电力电子技术、微机控制技术和矢量控制理论等。以变转速风力发电机组中运用的 双馈电机为例，在发电机的转子和定子中均采用了微机控制装置，对定子与转子之间的转 差功率进行调节
20、，从而实现发电机转速的连续变化。其工作原理十分简单，但要求控制精 度高， 控制计算复杂，仅双馈电机从理论的提出到第一台实际样机的生产，就经历了 10 年的研制时间。 6、 本课题研究的意义 1、技术意义 风力发电机组根据其机组功率调节方式的不同，又划分为变桨距功率调节和定桨距失 速功率调节两种类型。定桨距失速功率调节是依靠叶片的气动外形完成的，其叶片有一定的扭角，在额定风速以下，空气沿叶片表面稳定流动，叶轮吸收的能量随空气流速的上升 而增加 ;当风速超过额定风速后，在叶片后侧，空气气流发生分离，产生湍流，叶片吸收 能量的效率急剧下降，导致叶轮吸收的能量随空气流速的上升而减少，由于失 速叶片自身
21、 存在扭角，因此叶片的失速从叶片的局部开始，随风速的上升而逐步向叶片全长发展，保 证叶轮吸收的总功率低于额定值，起到了功率调节的作用。变桨距功率调节主要依靠叶片 攻角改变，保持叶轮的吸收功率在额定功率以下。两种功率调节方式的风力机相比较，定 桨距失速功率调节型风力机由于依靠叶片外形完成功率的调节，机组结构相对简单，但机 组结构受力较大 ;变桨距功率调节风力机由于需要增加一套桨叶角度调整装置，增加了设备造价，但与定桨距失速功率调节型风力机相比可增加部分发电量 。 综上所述，研制小型风压式全桨变距 风力机具有以下几点实际意义 : （ 1）、使风力机能够跟踪各种风速的变化，克服以往定桨距风力机只有在
22、设计风速下才能捕捉到最大风能的缺点，使风力机在额定风速以下都能够获得较高的风能利用系数 PC 。 （ 2）、使风力机安全、平稳的运行。克服定桨距风力机在风速急剧变化时运行不稳定的缺陷 :同时可以避免定桨距风力机在额定风速后的失速现象，保证风力机在大于额定风速时仍然具有较高的输出功率。 （ 3）、有利于风力机的起动。在低风速时，将桨叶节距转动到合适的角度，使风力机具有 较大的起动力矩，起动更容易。 2、社会意义 就社会效益来讲，开展风力发电技术的研究有助于解决我国乃至全世界范围内的能源短缺的问题。 全球风能资源极为丰富，而日 _分布在几乎所有的地区和国家。技术上可以利用的资源总最估计约 53 O
23、OOTW *h/a( 53 x 106 亿度 /年 )。 1973 年发生石油危机以后，美国、西欧等发达国家为寻求替代化石燃料的能源，投人大最经费，动员高科技产业，利用计算机、空气动力学、结构力学和材料科学等领域的新技术研制现代风力发电机组，开创了风能利用的新时期。 经过 30 年的努力， 世界风电发展取得了引人注目的成就。 2003 年全世界风电的电量约 822 亿度，占当年各种电源总电最 16.7 x 104 亿度的 0. 5%。 就我国来讲，风能资源也十分丰富。专家估计中国陆地风能资源理论储量为 32. 26 亿千瓦，实际可开发的风能资源约为 2. 53 亿千瓦，而据估计，中国近海风能资
24、源约为陆地的三倍，中国可开发风能资源总量约为 10 亿千瓦。在常规能源日渐匮乏的今天，如此巨大的风能储备，对人类来说是十分宝贵的一笔财富。然而，风能资源的不可调控性，给风能的开发利用带来了困难。风能利用技术近几十年来虽然有了长足的 发展，但还存在许多技术难题尚未解决，积极开展风力发电技术的研究，对于发展风电事业、克服能源危机、促进环境保护等具有重要意义。 气候变迁、环境恶化、资源短缺已经成为人类生存和发展的挑战，而发展包括风能在内的可再生能源则是应对挑战的重要策略。风力发电技术的快速发展和风电装机容量的高速增长体现了众多国家的共识和行动。加和风电机组单机容量的增大阐述风力发电的动因和由此所带来
25、的效应。风能既是可再生能源。又是“政策性能源” .即风能利用的规模和水平取决于国家的宏观目标。展望未来，随着风电机组制造成本的不断降低，化石燃料的 逐步减少及其开采成本的增加，风电将逐步增强市场竞争力，其发展前景将十分光明！ 二、研究的基本内容，拟解决的主要问题： 1、风力发电机风压自控调节装置的相关设计，如风的变化情况；风力发电机的原理；叶片的设计；变浆距问题的研究和探讨等。其主要问题是其变浆技术的应用。 三、技术关键问题 （ 1）风的变化情况的探讨； （ 2）风力发电机的原理、叶轮的设计； （ 3）变浆距技术的研究。 基本要求： （ 1）机构要紧凑，重量要轻； （ 2）能适应复杂的天气情况
26、； （ 3）装配后 应当转动灵活，寿命长，功率稳定，便于维修。 四、参考文献 1 濮良贵，纪名刚 机械设计 北京：高等教育出版社， 2001 2 王知行，刘廷荣，过玉卿，机械原理，北京：高等教育出版社， 1999 3 机械设计手册联合编写组编。机械设计手册 上册 北京：化学工业出版社， 1987 4 机械设计手册联合编写组编。机械设计手册 中册 北京：化学工业出版社， 1987 5 刘鸿文 材料力学（第三版） 北京：高等教育出版社， 1991 6 何存兴 液压元件 机械工业出 版社， 1981 7 丹麦汉森 风力机空气动力学，中国电力出版社， 2009 8 2009 年风电产业发展分析报 9
27、能源领域组 . 能源领域 科技发展“十五规划”和 2015 年远景研究， 1999 10 郭继高 .小型风能发电及其发电机 (1).风能发电， 1999:3 9-42 11 王长贵 ,崔容强 新能源发电技术 :中国电力出版社， 2003 12 内蒙古机械工业经济技术情报研究所 .风能设备手册 .内蒙古 :内蒙古人民出版社，1985:45-48 13 王锦侠，车茂隆 .风能利用装置的设计基础 .北京 :机械工业出版社， 1986:110-112 14 陈云程 .风力机设计与应用 .上海 :上海科技出版社， 1990:55-58 15 孙恒，陈作模 .机械原理 .北京 :高等教育出版社， 1997
28、:349-363 16 风力发电新技术与发电工程设计、运行、维护及标准规范实用手册 17 风力机空气动力学 .中国电力出版社， 2008 18 2004 年 全球风能发展统计报告 R. 19 Prats M M， Carrasco J M， etc A new fuzzy logic controller to improVe the captllred wind energy in a real 800KW Variable speed Variable pitch wind tllrbineJ IEEE Power E1ectronics Specialists Conf erence，
29、2002， 1： 1 01 1 05 20 Chen Z， S Amalte Gomez M McComick A Fuzzy Logic Controlled Power Electronic System for Variable Speed Wind Energy ConVersion SystemsA IEEE Power Electronics and VariableSpeed Drives， Conference publicationC， 2000， 114-119 21 张方军 .风力发电技术及其发展方向 J .电气时代 , 2005(11). 22 2010 年中国风力发电机产业深度研究报告 五、研究工作进度： （ 1）第一周了解课题背影，查阅有关技术资料和图纸。 （ 2）第四周进行方案设计， 确定合理的方案。 （ 3）第五、六周绪论部分的整理和归纳。 （ 4）第七、八周设计计算叶轮部分和叶片的选择设计计算。 （ 5）第九周调速器的相关设计计算。 （ 6）第十、十一周风力发电机变浆距控制的设计计算。 （ 7）第十二、十三周传动机构的设计与分析计算。 （ 8）第十四周 做 PPT 文稿，准备答辩
