1、 本科 毕业设计 船用风力发电装置设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘要 风力发电是一种清洁的能源利用方式。随着风力发电技术的发展，海上风力发电已逐渐成为风电发展的新领域。由于海上风资源丰富，而且不会受到土地使用的限制。 中国具有很长的海岸线，邻近海域具有丰富的风资源，如能充分利用这些风能，将有助于解决我国的能源和环境问题。 本次设计是以船用风力发电为主题，在船上利用海上风力发电，提供船舶照明。本文介绍了世界各国的风力发电技术发展的水平，通过比较我国和欧洲各国的风力发电容量，得出我国风力发展的新方向 海上风力发电。利用船舶来使用
2、海上风力资源无疑是最好的，所以在船舶上装设风力发电机可以有效利用风能，并且可以节约船上的能源。 船用风力发电装置的发电机选用的是硅整流发电机，该发电机与其他的相比有很多优点，比如不需要逆流器和断流器 。该风力发电机在风速 34m/s即可启动发电， 9m/s时输出额定功率，发电机发出的电压经过调节器的调压可以直接对蓄电池充电。本文设计的风力发电机可以装载在大多数的渔船上，并可以联网组成风力发电机组，为船舶提供源源不断的电能。 关键词 : 船用风力发电 ;硅整流发电机 ;电压调节器 ;蓄电池 II Abstract With the development of wind power genera
3、tion, a clean way of energy utilization, offshore wind power generation has become a new field in wind power generation. With the abundant wind resources and no limit of land use .If we can make full use of our long coastlines and abundant wind resources, it will help to solve our energy and environ
4、mental problems. This design is Marine theme, wind power in the boat at sea wind power, by providing the ship lighting. Firstly, the article introduced the world begin developing wind power technology in China, through comparing the level of Europe and wind power capacity, draw the new direction of
5、development in our country, the wind - the offshore wind power generation. Use ships to use offshore wind resources is undoubtedly the best, so the wind generator installed on ships, and can effectively use wind can save the energy Marine wind power device selection of wind turbine generator, the si
6、licon rectifying when compared with other generator has many advantages, such as no need for upstream and block device. The wind generator in wind speed 3 4m/s can sta rt generating electricity, 30km/s output power rating, generator issued by the surge voltage regulator can be directly to battery. T
7、his design wind generator can be loaded in most of the fishing vessels, and can networking composition WTG uninterrupted supply, ship for the electricity. Keywords: Marine wind power; silicon rectification generator; Voltage regulator; storage battery III 目 录 前言 .1 第 1章 绪论 .2 1.1 海上风力发电简介 . 2 1.2 国内
8、外风力发电研究 . 3 1.3 海上风力发电装置类型 . 5 第 2章 船用风力发电装置电路的总体方案 .7 2.1 船用风力发电应用 . 7 2.1.1 选择合适的船种 . 7 2.1.2 选择适当的发电机功率 . 7 2.2 船用风力发电机选型 . 7 2.3 船用风力发电装置的构造及原理 . 10 2.3.1 风轮直径的估算 . 11 2.3.2 设计风速的确定 . 11 2.3.3 尖速比 . 11 2.3.4 实度计算 . 12 2.3.5 翼型及其升阻比 . 12 第 3章 船用风力发电装置参数确定 .15 3.1 船用风力发电装置工作参数的 安全运行范围 . 15 3.2 蓄电池
9、 . 15 IV 3.3 船用风力发电装置各装置参数计算 . 16 第四章 船舶风力发电装置发展前瞻 .18 结论 .19 致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 .20 附录 1 硅整流发电机型号及其配套的电压调节器型号 .21 附录 2 蓄电池型号 .22 1 前言 由于现在全球范围的能源短缺和生态环境的日益恶化，人们越来越清醒地认识到开发清洁再生能源、保护环境的重要性和迫切性。目前发展电力的手段 , 风能是最清洁、污染最少的可再生能源。火力发电的压力现在最大火力发电由煤变 成热能必然要燃烧 , 燃烧需要氧 气 , 产生二氧化碳 , 当然也可以用洁净煤燃烧技术 ,用一种提高燃烧效率的办法
10、 ,减少二氧化碳的排放总量 , 但是燃烧必然要产生二氧化碳。此外 , 煤还有含有氮和硫 , 脱硫、脱氮技术成本较高。用石油、夭然气发电也有个温室效应的问题。核电是一种比较好的发电手段 ,但从全世界来看 , 有很多国家通过法律规定，不准再发展核电。水电在发达的资本主义国家已经开发了 30%、 50%、 80%以上，开发程度比较高，几乎不再发展。国外工业发达国家从环 境角度考虑 , 已经不再建设大型水电站 , 原因有移民问题，保 护鱼类问题 , 保护绿色植物等问题。风电和以上发电方式相比 , 无疑是最洁净 , 对环境保护最有利的方式。 风力发电应用的领域在陆上，比如蒙古木兰县的风力发电至少每年节煤
11、 2万吨；海上风力电厂，如上海东海大桥海上风力发电场。然而船舶上的风力发电应用却是当前的一个空白，将风力发电机应用在船舶上，利用海上风力资源提供船舶照明、生活用电，可以节约能源。大多数渔船在作业和停泊在码头时都不会为了对蓄电池充电而使用船上发电机，因此渔民们希望有一种可以不需要船上发电机开机就可以给蓄电池充电的充电装置。船用风力发电装置在船 舶停泊、作业、抛锚工况下可以利用风能转化为机械能，再经过风力发电机转化为电能，供给照明、生活所需，并且可以为蓄电池充电。舟山的渔船有 1万 2千余艘，如果每艘渔船上都使用了风力发电，它带来的经济效益是相当大的，另外渔船停泊在码头上风力电机叶轮转动所带来的视
12、觉效果可以带动第三产业的发展。 2 第 1 章 绪论 1.1 海上风力发电简介 风能是一种可再生能源。全球每年的风能 , 大约相当于目前全球年耗煤量的 100 倍以上 , 不仅大大超过水能 , 也大于固体燃料的液体燃料的能量总和。风能利用有多种形 式 , 其中风力发电是风能利用的最重要形式 , 是技术成熟、具有商业化开发前景的能源应用之一。而海洋风能更加是一种非常具有开发和利用价值的可再生能源，我国东南沿海及其附近的岛屿是风能资源丰富的地区。 海上风速大且稳定 , 利用小时数可达到 3000h以上。同容量装机 , 海上比陆上成本增加60%, 电量却增加 50%以上。海上发电是近年来国际风电产业
13、发展的新领域、新潮流 , 是大方向。 海上风力资源丰富 , 比陆地风力发电量大。通常 ,离岸 10公里的海上风速要比沿岸陆上高约 25%;受环境影响小。海上风力发电受噪声、鸟类 影响及电磁波干扰等问题的限制较少 ,不占用陆上土地资源 ,不涉及土地征用等问题 ;海上风切度小。海上风速随高度的变化较小 ,因此 ,不需要很高的支撑塔架 ,从而可以降低海上风力发电机组的成本，海上湍流强度低 ,海平面摩擦力较小 ,作用在风力发电机组上的疲劳载荷减少 ,延长了风电机组的使用寿命。 海上发电是近年来国际风电产业发展的新领域、新潮流，是大方向。海上风电开发利用经历了两个发展阶段： 2000 年以前一些小型的示
14、范性项目在浅海建造； 2000 年以后，一些较大型项目的建造，这些项目仍具有一定的示范效果，但是已经具有 越来越大的实际经济价值。近 20 多年来，海洋风力发电的发展十分迅速， 单机发电能力由 35000 kW h 增长到 17000 000 kW h 提高了近 500 倍，海上风电场逐步商业化。欧洲一直占据着风力发电的领先地位，无论在陆上风电还是在海上风电均有较大的优势。截止 2009年底，欧洲累计建成 38个海上风电场，累计装机容量超过 2000MW，占世界海上风电装机容量的 90%左右。其中，英国和丹麦是海上风电发展最快的国家，分别占据了世界市场份额的 44%和 30%。 丹麦、瑞典、荷
15、兰、英国等欧洲国家在海上风力发电方面起 步早，发展快，不论在技术还是政策支持方面等均处于国际领先水平。 1990 年瑞典架设了第一座海上风电机，标志着人类拉开了海上风能开发利用的序幕，这台具有实验性质的风机功率为 220 kW，于 1998 年停运。2002 年丹麦北海沿海完成了世界第一个真正意义上的大规模海上风电场 HornsRev 海上风电场，标志着海上风能开发技术逐渐走向成熟，大规模的商业化开发海上风能时代的到来，该电场离岸 14 20 km（至 Blavands Huk的距离将近 14 km），水深 6.5 13.5 m，当地风速 9.7 m/s， 共安 装了 80台单机容量 2 MW
16、的 Vestas型风机，总装机容量为 160 MW，可以为 15 万丹麦家庭提供充足的电力。 2010年 4月德国首座海上风电场“ AlphaVenus”正式并网发电，该风电场装机容量 60 MW，共安装了 12台先进的 5 MW 海洋型风机，建设海域水深 30 m，距离最近的岛屿 Borkum42 km，是世界上第一个大功率深水风电场，可供 5万家庭用电需求。 3 图 1.1 世界风力发电装机容量发展状况 2010 年上海东海大桥 102 MW 海上风电场示范项目整体安装成功，风电场位 于上海南汇区近海海域，上海东海大桥东侧 14 km， 北距南汇岸线 8 km，南距南汇岸线 13 km，
17、95m高年平均风速可达 8.6 m/s。采用华锐风电科技有限公司自主生产、具有国际先进水平的 34台单机功率 3MW 风力机组，可供 20 万户居民使用。上海东海大桥风电场，是中国首座海上风电场，也是全球除欧洲外第一个海上风电并网项目。 1.2 国内外风力发电研究 地球温室效应日益加重 ,进入 21世纪的人类 更加预感到生存危机 。 全世界都在探索可再生的 清洁新能源 ,减少废气排放量 ,以便保护地球保护 人 类 。 风力 发 电和阳光发电便属于这类新能 源 。由于风力发电是一种可再生的清洁新能源 ,既取之不尽 ,又用之不竭 ,而且价廉 ,所以各国都 很重视 ,实施优惠政策 ,倍加鼓励 ,发展
18、很快发展规划也不断修改 ,步伐加大 ,比如欧洲 1997年重新制订的近期发展规划就比原来 1991年的翻了一番。原来谁也没想到全世界的 风电会在 1999年达到 10000MW,更不会料到 2000年又将翻番达到 20000MW以上 .我国的风电事业也从 1997 年排列在世界第十位而跃居到现在的第八位 ,预计今后还将有更大的进步 .当今世界各国的风电容量对比、所占的 百分比率以及与 1997年的排列顺序对比如表 1.1所示 。 当今世界的风力发电仍以欧洲为主 ,约占 2/3,其次是北美约占 1/5,接着是亚洲 ,约占 1/8.2000年全世界的风电将比现在的 10000MW翻番 ,即达到 2
19、0000MW,到 2005年将进一步增大到30000MW以上。预计欧洲在 2020年将使风电在所有电力生产中的比重提高到 20%以上 。 4 表 1.1 世界各国风力发电容量排名 序号 国别 容量 / M W 比例 3 / % 1997 年 的 排列顺序 1 德国 2874 29.2 原为第二位 2 美国 1952 19.8 原为第一位 3 丹麦 1450 14.7 原为第四位 4 印度 968 9.8 原为第三位 5 西班牙 834 8.5 原为第七位 6 荷兰 363 3.7 原为第五位 7 英国 334 3.4 原为第六位 8 中国 224 2.3 原为第十位 9 意大利 180 1.8
20、 原为第九位 10 瑞典 150 1.5 原为第八位 11 加拿大 83 0.8 原为第十二位 12 爱尔兰 63 0.6 原为第十六位 13 葡萄牙 60 0.6 原为第十五位 14 日本 41 0.4 原为第十四位 15 希腊 39 0.4 原为第十一位 16 奥地利 30 0.3 17 哥斯达黎加 26 0.3 原为第十三位 18 法国 19 0.2 原为第十九位 19 芬兰 17 0.2 原为第十六位 20 澳大利亚 17 0.2 原为第十九位 21 阿根廷 12 0.1 22 伊朗 11 0.1 23 多哥 9 0.1 24 挪威 9 0.1 原为第十八位 25 比利时 8 0.1
21、原为第十七位 26 捷克 7 0.1 27 巴西 7 0.1 21 世纪被称为风力新世纪。风能的利用可分为 四个时代 :第一代为 20世纪先驱时代 (到1973年 ,从古典的荷兰风车向现代风轮机变迁的时代 ;第二代为取代石油和资源多样化时代 (石油危机的 1973 年到 20世纪 80年代 ),开发了大型的 MW级风电机组 ,实现了群体化的风电场 ,并 走 向商 业 化 ; 第 三代为防止地球温暖化时 代 (20世纪 90年 代 ),除了欧美先进国家外 ,风电的发展已扩大到印度 、中国 、埃及 、中南美等世界各地 ;第 四 代即风力新世纪 (21世纪 ),作为一项防止地 球 变 暖的关键 技
22、术 ,风电正在质量及 其能力等方 面进一步发展 。 现代风力发电技术发展的新趋势是向高难度 高水平方向发展 ,主要有以下几方面 : ( 1)由高风 速的强风地带向中低风速的弱风地带发展 ,既可扩大利用风源 ,又能降低成本 ,简化维护 ;(2)由正常气象向异常气象区域发展 ,如台风多发地带、南北极地圈内、多发沙尘的沙漠地带以及其他发 生异常气象的地区 ;(3)由平坦地形向复杂地形发展 ,如突入海中的山甲角、5 山岳、孤岛等地域 ;(4)由陆上向海上发展 ,如欧洲正向海洋开发大规模风电 ;(5)由大型机向小型机方向发展 ,即在 开发大型机的同时还重视小型 机。用于海洋时 ,在景观、噪声等方面问题不
23、突出 ,适于采用数 M W的大型机组。当受地形、系统等外部条件限制时 ,应用小型机较有利 ;(6)由联网型向分散型发展 ,因为发展中国家、雪原、孤岛、偏僻地区等电网较小 ,适用于分散型电力系统 ,上述风电发展新 趋势基本上集中于一点 ,即最大限度地挖掘风力资源 ,积极地推进风力发电事业。 1.3 海上风力发电装置类型 尽管风力发电机多种多样，但归纳起来可分为两类： 水平轴风力发电机 ，风轮的旋转轴与风向平行； 垂直轴风力发电机 ，风轮的旋转轴垂直于地面或者气流方向。 水平轴风力发电机 可 分为升力型和阻力型两类。升力型风力发电机旋转速度快，阻力型旋转速度慢。对于风力发电，多采用升力型水平轴风力
24、发电机。大多数水平轴风力发电机具有对风装置，能随风向改变而转动。对于小型风力发电机，这种对风装置采用尾舵，而对于大型的风力发电机，则利 用风向传感元件以及伺服电机组成的传动机构。 风力机 的风轮在塔架前面的称为上风向风力机，风轮在塔架后面的则成为下风向风机。水平轴风力发电机的式样很多，有的具有反转叶片的风轮，有的再一个塔架上安装多个风轮，以便在输出功率一定的条件下减少塔架的成本，还有的水平轴风力发电机在风轮周围产生漩涡，集中气流，增加气流速度。 垂直轴风力发电机在风向改变的时候无需对风，在这点上相对于水平轴风力发 电机是一大优势，它不仅使结构设计简化，而且也减少了风轮对风时的陀螺力。 利用阻力
25、旋转的垂直轴风力发电机有几种类型，其中有利用平板和被子做成的风轮，这是一种纯阻力装置； S型风车，具有部分升力，但主要还是阻力装置。这些装置有较大的启动力矩，但尖速比低，在风轮尺寸、重量和成本一定的情况下，提供的功率输出低。 达里厄式风轮 是 法国 G.J.M达里厄于 19世纪 30年代发明的。在 20世纪 70年 代，加拿大国家科学研究院对此进行了大量的研究，现在是水平轴风力发电机的主要竞争者。达里厄式风轮是一种升力装置，弯曲叶片的剖面是翼型，它的启动力矩低，但尖速比可以很高，对于给定的风轮重量和成本，有较高的功率输出。现在有多种达里厄式风力发电机，如 型， 型， Y型和 H型等。这些风轮可
26、以设计成单叶片，双叶片，三叶片或者多叶片。 随着 电力电子技术 的发展，双馈型 感应发电机 （ Double-Fed Induction Generator）在风能发电中的应用越来越广。这种技术不过分依赖于 蓄电池 的容量，而是从 励磁系统 入手，对励磁电流加以适当的控制，从而达到输出一个恒频电能的目的。双馈感应发电机在结构上类似于异步发电机，但在励磁上 双馈发电机 采用交流励磁。我们知道一个脉振磁势可以分解为两个方向相反的旋转磁势，而三相绕组的适当安排可以使其中一个磁势的效果消去，这样一来就得到一个在空间旋转的磁势，这就相当于同步发电机中带有直流励磁的转子。双馈发电机的优势就在于，交流励磁的频率是可 调的，这就是说旋转励磁磁动势的频率可调。这样当原动机的转速不定时，适当调节励磁电流的频率，就可以满足输出恒频电能的目的。由于电力电子元器件的容量越来越大，所以双馈 发电机组 的励磁系统调节能力也越来越强，这使得双馈机的单机容量得以提高。虽然，部分理论还在完善当中，但是双馈反应发电机的广泛应用这一趋势将越来越明显。
