1、本科毕业论文（20 届）风力压缩空气蓄能装置总体设计OVERALL DESIGN OF WIND STORAGE DEVICE所在学院 专业班级 矿山机电 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I毕业设计（论文）共 77 页（其中：外文文献及译文 14 页） 图纸共 4 张 摘要风能为无污染的再生能源，我国的风力资源丰富。因而在我国风力发电机作为最常见的运用。由于风力时有时无，风向和风力也不断的变化，因而风力机一般都配有电力存储装置，将产生的电能存储起来，从而加强了风力发电机的稳定性。但是风力发电机的工作过程能量发生了多次的转换，因而也产生了大量的能量损失，从而影响了风力发电机的效
2、率，本设计研究风力压缩空气储能装置来攫取并储存风能。风能带动风车直接转动，风车连接空气压缩机，攫取风能以后转化为动能来直接带动压缩机压缩空气，使产生的高压气体储存于储存装置，使动能转换为压缩位能。并设计了配套的风机叶片、增速器、刹车装置、调向装置和调速装置。关键词；风能；空气压缩机；风动力IIAbstractWind is pollution-free renewable sources of energy, and is rich in wind resources in our country, especially in the northeast. Thus wind turbines
3、 as one of the most common use in our country. Because when the wind, the wind and the wind is constantly changing, and wind turbine is equipped with a power storage device commonly, will produce the electric energy stored, to strengthen the stability of wind turbines. But the working process of the
4、 wind turbine energy conversion have occurred many times, and therefore produced a large amount of energy loss, which affects the efficiency of wind turbines, this design study wind-powered compressed-air energy storage device to grab and store wind power. Wind turn direct drive windmill, windmill c
5、onnected air compressors, grab after wind energy into kinetic energy to drive the compressor compressed air directly, make the high pressure gas stored in the storage device, the kinetic energy is converted to compress the potential energy stored in the storage device. And design form a complete set
6、 of accelerator, brake, transferred to the device and control device.Key words:Wind power; Air compressor; The wind power目录1.绪论 .11.1 我国风能资源分布 .11.1.1 概况 .11.1.2 风能资源分布 .11.2 我国风能利用现状 .21.2.1 我国风能利用的市场潜力巨大 .21.2.2 我国大力开发可再生风能 .21.2.3 我国推动风能发展的因素 .31.3 目前我国对风能储能的方法 .41.3.1 二次电池储能系统 .41.3.2 飞轮储能系统 .51
7、.3.3 电解制氢储能 .51.3.4 压缩空气储能系统 .62 机械系统的方案设计 .82.1 方案设计的内容 .82.2 研究给定的设计任务 .82.3 设计任务抽象化 .82.4 确定工艺原理 .92.5 确定技术过程 .92.6 确定基本结构布局 .102.7 方案评价 .112.7.1 方案评价的目的和内容 .112.7.2 方案评定的原则 .122.7.3 现有的四种方案 .122.7.4 利用加权综合评分法法评定五个方案 .123.风轮的结构设计 .153.1 风力机气动设计理论基础(贝茨理论) .153.2 风力机叶片的结构设计 .173.2.1 风力机叶片结构的选择 .173
8、.2.2 叶片数 .183.2.3 额定风速 .193.2.4 翼型的选择 .193.2.5 利用图解法设计风轮叶片外型 .203.2.6 叶片内部结构选择 .253.2.7 叶片材料选取 .254 风力机主轴的结构设计 .274.1 主轴相关参数计算 .274.2 轴段校核 .285 传动机构设计 .315.1 风力发电机增速器的选择 .315.2 使用范围和特点 .315.3 增速器的承载能力和选择方法 .325.4 传动方案的确定 .335.5 增速器基本设计要求及设计步骤 .355.6 增速器各传动部件的材料及力学性能 .365.7 第一级渐开线圆柱齿轮设计 .365.8 第二级渐开线
9、圆柱齿轮设计 .386 液力耦合器的选择 .396.1 液力耦合器特点 .396.2 液力耦合器安装方式 .396.3 液力耦合器的选择 .397 空压机的选取 .417.1 空压机基本类型选择 .417.2 排气压力选择 .417.3 空气压缩机型号的选择 .418 风力发电机的其他元件的设计 .428.1 刹车系统设计 .428.1.1 刹车系统硬件设计 .428.1.2 系统功能的设计 .428.1.3 手动刹车设计 .438.2 托架的基本结构 .448.3 调向机构的选择 .448.3.1 常用的调向机构 .448.3.2 调向机构选择 .458.3.3 尾舵形状的选择 .458.4
10、 塔架设计 .468.4.1 塔架形式选取 .468.4.2 塔架高度的确定 .468.5 调速机构的选择 .479 风力机回转体结构设计 .499.1 初步估计回转体危险轴颈的大小 .499.2 结构设计 .5010 压缩空气设备选型 .5211 结论 .53致谢 .54附录 A .56附录 B .62辽宁工程技术大学毕业设计（论文）11.绪论 1.1 我国风能资源分布1.1.1 概况我国风能资源丰富，可开发利用的风能储量约 10 亿 kW，其中，陆地上风能储量约2.53 亿 kW（陆地上离地 10m 高度资料计算），海上可开发和利用的风能储量约 7.5 亿kW，共计 10 亿 kW。而 2
11、003 年底全国电力装机约 5.67 亿 kW。1.1.2 风能资源分布1) “三北 “（东北、华北、西北）地区风能丰富带包括东北三省、河北、内蒙古、甘肃、青海、西藏和新疆等省自治区近 200 万 km 宽的地带，风功率密度在 200300W/m 2 以上，有的可达 500W/ m2 以上，可开发利用的风能储量约 2 亿 kW，约占全国可利用储量的 79%。该地区风电场地形平坦，交通方便，没有破坏性风速，是我国连成一片的最大风能资源区，有利于大规模的开发风电场。但是，建设风电场时应注意低温和沙尘暴的影响，有的地方联网条件差，应与电网统筹规划发展。2)东南沿海地区风能丰富带东南沿海受台湾海峡的影
12、响，每当冷空气南下到达海峡时，由于狭管效应使风速增大。冬春季的冷空气、夏秋的台风，都能影响到沿海及其岛屿，是我国风能最佳丰富区。我国有海岸线约 1800km，岛屿 6000 多个，这是风能大有开发利用前景的地区。沿海及其岛屿风能丰富带，年有效风功率密度在 200W/m2 以上，风功率密度线平行于海岸线，沿海岛屿风功率密度在 500W/m2 以上，如台山、平潭、东山、南鹿、大陈、嵊泗、南澳、马祖、马公、东沙等，可利用小时数约在 70008000 小时。这一地区特别是东南沿海，由海岸向内陆是丘陵连绵，风能丰富地区仅在距海岸 50km 之内。3)内陆局部风能丰富地区在两个风能丰富带之外，风功率密度一
13、般在 100W/m2 以下，可利用小时数 3000 小时以下。但是在一些地区由于湖泊和特殊地形的影响，风能也较丰富，如鄱阳湖附近较周围地区风能就大，湖南衡山、湖北的九宫山、河南的嵩山、山西的五台山、安徽的黄山、云南太华山等也较平地风能为大。4)海上风能丰富区辽宁工程技术大学毕业设计（论文）2我国海上风能资源丰富，10m 高度可利用的风能资源约 7 亿多 kW。海上风速高，很少有静风期，可以有效利用风电机组发电容量。海水表面粗糙度低，风速随高度的变化小，可以降低塔架高度。海上风的湍流强度低，没有复杂地形对气流的影响，可减少风电机组的疲劳载荷，延长使用寿命。一般估计海上风速比平原沿岸高 20%，发
14、电量增加70%，在陆上设计寿命 20 年的风力机组在海上可达 25 年到 30 年，且距离电力负荷中心很近。随着海上风电场技术的发展成熟，经济上可行，将来必然会成为重要的可持续能源。1.2 我国风能利用现状1.2.1 我国风能利用的市场潜力巨大我国位于亚洲大陆东南，毗邻太平洋西岸，季风强烈。季风是我国的气候的基本特征。冬季季风在华北长达六个月，东北长达七个月，东南季风则遍布我国半壁江山。目前我国已经验证出 100 多种不同形式的，不同容量的风力机。并初步形成了风力机电产业。近几年发展较为迅速，自 2004 年以来，每年装机容量增速均超过 100%。2006 年新增装机容量同比大幅度增长 166
15、%，达到 134 万 kw，2014 年装机容量同比大幅度增长105%，达到万 kw。位居世界第十位，亚洲第三位，成为继欧洲、美国和印度之后发展风力发电的主要市场之一。尽管如此，与发达国家相比，我国的风能开发技术和利用程度还是比较落后的，不但发展缓慢而且设施落户，远没有形成规模。我国应该在风能的开发利用上加大投资力度，使高效清洁的风能在我国的能源格局中占有一席之地。1.2.2 我国大力开发可再生风能据报道,我国风能资源理论蕴藏量为 32.26 亿 kw，加上近岸海域可利用风能资源共计约 10 亿 kw,初步估算可开发的装机容量逾 2.53 亿 kw，居世界首位。风能资源主要分布在“三北”（东北
16、、华北北部、西北地区），东部沿海陆地、岛屿及近岸海域。另外，内陆还有局部风能丰富区。总的看来，风能资源开发投入上、实际利用上、效益上与西方国家相比差距较大。为鼓励风电产业的进一步发展国家经贸委在深入调差研究的知识长廊基础上，与财政部、国家税务总局协调,提出了给予风力机减免增值税优惠政策的建议。中华人民共和国电力法 规定;国家鼓励和支持利用可再生和清洁能源发电。从1998 年 1 月 1 日开始执行的国家海关总署关于对鼓励外商投资的产业进行减免税的通知，对 300kw 以上大中型风力机进口关税予以减免。1998 年 2 月,国家计委和科技部联合下发了 国家计委、科技部关于进一步支持可再生能源发展
17、有关问题的通知，提出了促进辽宁工程技术大学毕业设计（论文）3可再生能源发展特别是针对风力机的几项优惠政策。2005 年可再生能源法颁布实施后,风力机产业得到快速发展。据科技日报 2009/2/9 报道，2006 年底全国累计装机容量295.9 万 kw, 新增风力机组 3155 台，当年就达 133.7 万 kw 比 2005 年增长率 166%2007年底全国累计装机容量 605 万 kw，新增 344.9 万 kw，其中 1.5 Mw 容量风电机组 1000台，比 2006 年新增装机增长率 158%。目前,600kw 风力机组已经初实现了国产化 ,这是国家经贸委利用国债技贴息推动我国风力
18、发电装备国产化取得的一项重要成果。湖南株洲电力机车研究所有限公司投巨资研究开发生产风力发电机组整 300 台/年, 将带动电机、风叶叶片、机械、电气、五金和金属材料等多个配套产业与技术,带来产业集群效应。财政部和国家税务总局联合下发文件，对风力机实行按增值税应纳税额减半的优惠政策。国家计委和国家电力公司联合调研，根据有关省市（自治区）的风力资源情况和电网电价水平，制定风力发电的全国统一发展规划，已启动 6 个千万千瓦级风电基地规划和建设按此我国风电电价平均将降低约 56 分钱,新建风电场电价有望降低到 0.50 元/kwh。这些利好对我国风力发电产业发展产生积极的影响,也将大力推动风电事业的快
19、速发展，坚持改革开放政策，加强国际合作,积极引进国外先进技术和设备，利用外资，拓宽引资融资渠道，争取国外政府贷款、国际金融组织贷款以及国际商业信贷。同时，鼓励外商以直接投资方式参与中国风电建设。目前，全国累计安装小型风力机近 20 万 。 1.2.3 我国推动风能发展的因素1)缓解能源危机与保护环境的需要 风电具有安全、清洁的优势，且风能可就地取材，用之不竭。发展风电，不仅在一定程度上缓解了 一些国家能源供应紧张的局面， 而且减少了温室气 体排放，是实现可持续发展的重要途径。 另外，风力发电的社会效益和经济效益显著，研究结果表明，风力发电与相同发电量的燃煤火电相比，每年可节约标煤 31 800 t， 减排 SO2 约 636 t、NO2 约 346 t、CO2 约 70000 t，减少灰渣排放 9549 t，此外，还可节约淡水 2.7105 m3，并相应减少水力排灰废水和温排水等对水域的污染。2)投资的风险低 从项目投资风险的角度分析，在目前稳定的政策框架（如精心设计的上网电价政策）下，和高风险 投资项目相比，风能在燃料、运行和维护上的费用支出相对于总投资来说比较容易预测，且可界定分析， 而且风力发电的环境风险投资低；从中长期来看，由于风能投资的低风险特征及其显著的社会效益和经 济效益，风能也符合能源消耗大国在能
