十千瓦风力发电机设计

1前言传统燃料终将逐渐耗竭，其价格势必日益上涨。因此，风能业已唤起人们再检视其能否成为未来主要可靠能源之一。风能是一种干净的、储量极为丰富的可再生能源，他和存在于自然界的矿物燃料能源，如煤、石油、天然气等不同，它不会随着其本身的转化和利用而减少，因此也可以说是一种取之不尽、用之不竭的能源。风能利用已有数千年的历史，在蒸汽机发明以前，风帆和风车是人类生产和生活的重要动力装置埃及被认为可能是最先利用风能的国家，约在几千年以前，他们就开始用风帆来帮助行船。波斯和中国也很早开始利用风能，主要使用垂直轴风车。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。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。有效利用风能资源，减少对不可再生资源的消耗，降低对环境的污染。在设计的过程中主要解决的问题是风力发电机的总体设计，叶片、桨叶复位机构的设计，回转体机构的设计等。大自然的风完全不用进口，是地道的自产能源，多加利用可减低对进口石油、煤炭等化石能源的依赖，促进能源来源多元化，在国家安全上也有其战略意义。另外，风力发电机作为防风墙不但可以发出电能还可以为我国沙尘天气的防治起到一定的作用，并且在偏远山区电网无法安装的地区风力发电机还可以为其解决用电难的问题3,2,1。所以我选择这个题目作为我的毕业设计，希望可以在发挥出其基本功能的前提下，做出价格便宜，结构简单，通用性强的机械设备来填写我在大学最后的一次答卷！十千瓦风力发电机设计21概述1.1选题的目的与意义人类追求经济成长及现代化的结果使得能源大量消耗，然而地球的化石燃料蕴藏量有限，统计显示依照目前的消耗速率，石油蕴藏量能供人类使用不到50年，天然气不到70年，煤炭较久超过200年，终有一日人类将没有石油可用。然而风力发电不一样，由于摄取大自然的风能，只要太阳及地球仍在运行即无匮乏之虞，而且一部装置在一般地区的风力发电机，在它20年使用寿命中所生产的电力发电机，在卸除它能耗费能源的80倍，是能让人们永续使用的再生能源之一。大自然的风完全不用进口，是地道的自产能源，多加利用可减低对进口石油、煤炭等化石能源的依赖，促进能源来源多元化，在国家安全上也有其战略意义。在经济社会层面，风力发电可制造工作机会，从零组件的生产、运输、组装、维护等，皆为设置风力发电机当地带来相当的就业机会与新的产业。有效利用风能资源，减少对不可再生资源的消耗，降低对环境的污染1。风能利用已有数千年的历史，在蒸汽机发明以前，风帆和风车是人类生产和生活的重要动力装置埃及被认为可能是最先利用风能的国家，约在几千年以前，他们就开始用风帆来帮助行船。波斯和中国也很早开始利用风能，主要使用垂直轴风车。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。欧洲到中世纪才广泛利用风能，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。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。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太阳辐射造成地表面受热不均引起大气温度、密度和压力差别。风能是地球表面空气从压力高的地方向压力低的地方移动时产生的动能，风能资源是经过测在量和质上可供人类开发利用的风能。风能的大小用风功率密度来度量，它与风速的立方和空气密度成正比。太阳辐射的能量在地球表面约有2%转化为风能。根据荷兰和美国对风能资源的研究，考虑城镇、森林、复杂地形、交通困难的山区及社会环境的制约，如景观和噪音影响等，取具有风能资源土地面积的4%推算，可利用的风能资源储量估计约96亿kW或18.7万亿kW·h/a。另外，海岸线附近的浅海区域也有非常丰富的风能资源，且平均风速大、湍流小，仅欧盟国家沿岸的海上风能资源估计约3万亿kW·h/a，比欧盟12国目前的年用电量2万亿kW·h还大，如按年满功率发电2500h计划，则装机容量可达12亿kW。风能是一种干净的、储量极为丰富的可再生能源，他和存在于自然界的矿物燃料能源，如煤、石油、天然气等不同，它不会随着其本身的转化和利用而减少，因此也可以说是一种取之不尽、用之不竭的能源；而煤、石油、天然气等矿物燃料能源，其储量将随着利用时间的增长而日趋减少。矿物燃料在利用过程中会带来严重的环境污染问题，如空气中的CONOSOCOx、、、22等气体的排放量的增长导致了温室效应、酸雨等现象的产生。因此自20世纪70年代末以来，随着世界各国对环境保护、能源短缺及节能等问题的日益关注，认为大规模利用风力发电是减少空气污染、减少有害气体（2CO等）排放气体的有效措施之一。传统火力发电燃烧化石燃料而排放大量的二氧化碳及其它污染物质，破坏环境并造成全球暖化，严重影响生态系统病危及人类健康；核能发电虽不像火力发电般排放许多污染物质，但温排水可能影响海洋生态，而且目前尚无法完善处理半衰期长达数千、数万年的高放射性核废料，使其部分环境造成影响。相比之下风力发电完全没有上述问题。风力发电机在转换电力过程中不排放二氧化碳及任何污染物质，更没有放射性物质的困扰，是非常干净的能源，因此广受注重环境保护的欧美国家的欢迎，成为应用最多的再生能源技术之一。1.2目前国内外风电技术发展状况风力发电机组(简称风电机)是将风能转化为电能的机械。风轮是风电机最主要的部件，由浆叶和轮毂组成。桨叶具有良好的空气动力外形，在气流作用下能产生空气动力使风轮旋转，将风能转换成机械能，再通过齿轮箱增速，驱动发电机转变成电能。在理论上，最好的风轮只能将约60%的风能转换为机械能。现代风电机风轮的效率可达到40%。风电十千瓦风力发电机设计4机输出达到额定功率前，功率与风速的立方成正比，即风速增加1倍，输出功率增加8倍，所以同力发电的效益与当地的风速关系极大。由于风速随时在变化，风电机常年在野外运行，承受十分复杂恶劣的交变载荷。当前生产的主力机型为600~750kW，机体庞大，风轮直径和塔架高度都达到40~50m，设计和制造较困难。目前风电机的设计寿命是20a，要求经受住60m/s的11级暴风袭击，代表机组可靠性的可利用率要达到95%以上。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，从而大大提高了风力发电的效率及可靠性。当前，世界风电技术发展的特点是：1）风力机单机大型化风力机单机容量不断增加是风电技术的显著特点之一。商业风力机平均单机容量从1982年为55kw到2002年约为1100kw，20年增加了近20倍。随着技术的逐渐成熟早年多样化的设计理念也趋向统一。单机容量大，有利于降低每千瓦的制造成本；而且大型机组采用更高的塔架，有利于捕获风能，50m高度捕获的风能要比30m高度处多20%。目前，商业化机组的单机容量已达3.6MW。2）变速恒频机组将成为主流机型目前，世界各地风电场的风力发电机组，绝大多数为恒速运行机组。随着控制技术的发展和变速恒频机组的应用，风力机开始改恒速运行为变速运行，风轮转速随风速变化，在低于额定风俗的相当大范围内保持最佳叶尖速比已获得最大风能。3）重量更轻、结构更具柔性随着风力机叶片的增长，其单位功率的重量更轻、结构更柔性。叶片材料由玻璃纤维增强树脂发展为强度高、质量轻的碳纤维。同时，针对风力机的空气动力环境，风力机专用新翼型也得到广泛应用，大大改善叶片的气动性能。4）海上风力发电迅速发展由于海上风力资源比陆地上好，风速比沿岸路上约高25%，且海面粗糙度小，海上风场湍流强度小，具有稳定的主导风向，减少机组疲劳载荷，延长使用寿命。55）中国风力发电的发展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。我国开发、研制、生产小型风力发电机组的单位共47家，年生产能力超过了4万台。产品的额定功率100W-10KW。到2002年底，全国累计生产离网型小型风力发电机组24万多台。表1-1中国风电场装机容量发展情况（单位：万KW）Tab1-1China'sinstalledcapacityofwindpowerdevelopment(unit:10,000KW)装机容量199920002001200220032004当年新增4.477.655.726.699.9819.8累计容量26.8334.4840.2046.6256.676.4累计容量26.8334.4840.2046.6256.676.41.3风力发电的原理和需要解决的问题风力发电依靠空气的流动-也就是风-来推动风力发电机的叶片而发电，风的形成则是源于地球本身的自转以及区域性的太阳辐射热吸收不均匀而引起空气的循环流动，小规模者如海路风、山谷风，大规模者如东北季风或台风。一部典型的现代水平轴式风力发电机包括叶片、轮毂(与叶片合称叶轮)、机舱罩、齿轮箱、发电机、塔架、基座、控制系统、电缆线等。当风流过叶片时，由于空气动力的效应带动叶轮转动，叶轮透过主轴连结齿轮箱，经过齿轮箱加速后带动发电机发电。目前亦有厂商推出无齿轮箱式机组，可降低震动、噪音，提高发电效率，但成本相对较高。风力发电机并不能将所有流经的风力能源转换成电力，理论上最高转换效率约为59%，实际上大多数的叶片转换风能效率约介于30~50%之间，经过机电设备转换成电力能后的总输出效率则约介于20~45%。由于发电效率较高只风力发电机其经济效益较佳,鉴于水平轴式拥有较高发电效率,现代风力发电机多为水平轴式。风力发电机的电力输出与风的速度非常有关，叶片能自风获得之能量与风速的三次方成正比，一般市场上风力发电机的启动风速约介于2.5~4m/s，于风速12~15m/s时达到额定的输出容量，风速更高时风力发电机的控制机构将电力输出稳定在额定容量左右，为避免十千瓦风力发电机设计6过高的风速损坏发电机，大多于风速达20~25m/s范围内停机。一般采用旋角节制或失速节制方式来调节叶片之气动性能及叶轮之输出。除了风速外，叶轮直径决定了可摄取风能的多少，约与叶轮直径平方成正比，以目前商业化的中、大型风力发电机为例，容量600kW的机组其叶轮直径约45m左右，1000kW的机组叶轮直径约55m左右，2000kW的机组叶轮直径则约75m左右，依生产工艺而异。叶片的数量亦影响风力发电机的输出，一般而言多叶片的风车效率较低但机械力矩较高，适用于汲水等工作；少叶片型(1~3叶片)效率较高而力矩较低，其中又以2叶及3叶效率较高。此外，现代风力发电机的叶片多采用机翼翼型，以更有效的摄取风能。图1-1叶轮直径与风能摄取量的关系Fig1-1Impellerdiameterintakeandthenumberofwindenergy风能利用发展中