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1、課 程 設(shè) 計 設(shè)計題目：風力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計姓 名 黃艷麗 院 系 食品工程學院 專 業(yè) 熱能與動力工程 年 級 2012級 學 號 20122916061 指導教師 劉啟一 2016年 1 月 5 日目錄引言11設(shè)計概述21.1風力發(fā)電的意義21.2明確風力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計的要求和條件21.3風力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計方案的擬定21.3.1風力發(fā)電機的類型及選擇原則21.3.2風電場類型31.3.3安裝地點32風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成設(shè)計32.2風力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)32.2.1風力發(fā)電機類型選擇32.2.2 風力機的功率42.2.3控制方式42.2.4最大功率追蹤53設(shè)備計算及選型53.1風力機設(shè)計計算53.1

2、.1葉片設(shè)計計算53.1.2輪轂選型53.1.3塔架設(shè)計計算63.1.4齒輪箱的選擇確定63.1.5機艙設(shè)計73.2控制系統(tǒng)選型設(shè)計73.3變流器功率選擇73.4逆變器選型計算83.5接觸器的選擇83.6熔斷器的選擇83.7傳感器、繼電器的選擇84設(shè)計體會95主要參考文獻9引言自然界的風，是由于大氣運動而產(chǎn)生的自然形式。大氣運動則是因為大氣受到太陽的輻射，能量來源于大氣吸收的部分太陽能，太陽到達地球輻射的20%會轉(zhuǎn)變成風能。人類對于風能利用的歷史久遠，可以追溯到公元10世紀，波斯就出現(xiàn)了種水平轉(zhuǎn)動的風磨，即為以風車為動力的磨坊。風能是種取之不盡、用之不竭的可再生能源之一。它的特點是生產(chǎn)運用過程

3、安全清潔，成本花費較低，來源不受限制。風能也是種最具商業(yè)潛力，最具發(fā)展活力的綠色能源，運用于發(fā)電這一領(lǐng)域有很大的運用空間。風電是目前技術(shù)最成熟、最具市場競爭力且極具發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕鍧嵞茉矗l(fā)展風電對于改善能源結(jié)構(gòu)、保護生態(tài)環(huán)境、保障能源安全和實現(xiàn)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展等方面有著及其重要的意義。風力發(fā)電具有裝機容量增長快，成本下降快，安全環(huán)保等優(yōu)勢。風力發(fā)電在為社會發(fā)展和經(jīng)濟增長提供穩(wěn)定可靠的電力供應(yīng)的同時，可以有效地緩解空氣污染、水體污染和溫室效應(yīng)問題。在各類新能源開發(fā)利用中，風力發(fā)電技術(shù)相對于其他能源開發(fā)是比較成熟的，并且具有大規(guī)模場地開發(fā)和商業(yè)經(jīng)濟開發(fā)的條件。風力發(fā)電可以完全避免像石油、煤炭等

4、化石燃料發(fā)電所產(chǎn)生的大量污染物和二氧化碳排放。 我國的風能資源分布：我國風能資源的地區(qū)區(qū)域差異大。沿海、內(nèi)蒙古和甘肅北部、黑龍江南部和吉林東部三個區(qū)域風能最多；青藏高原中部和北部、西北、華北、東北三區(qū)域的北部，東南沿海的風能資源豐富；山區(qū)，例如南嶺、武夷山地區(qū)，遼河、華北、長江中下游平原、西北高原地區(qū)，風能可待開發(fā)利用；云貴川陜西、豫西、鄂北、湘西、福建廣東，盆地地形區(qū)等風能貧乏。我國風能資源的分布除了具有空間上的差異以外，在時間上也有很大的差異。東部沿海地區(qū)，夏季風勢力強勁，風能資源主要集中在夏季。而北方以及西北內(nèi)陸地區(qū)，冬季風勢力強勁，所以這些地區(qū)風能資源主要集中在冬季。海上風電場是最近世

5、界范圍內(nèi)廣泛推廣使用的大型有效利用風能資源的形式，在1980年初在美國加利福尼亞首先興起。在海陸線附近由于陸地、海洋吸熱量差異大，表體溫度差異大而產(chǎn)生豐富的風能資源，風力強大，可以大規(guī)模采取進行發(fā)電。不過在海陸線上建設(shè)風力發(fā)電廠還存在技術(shù)的難度，需要投入巨額資金裝備和維護，所以在美國，德國，中國等這樣的大國才進行投產(chǎn)建設(shè)。1設(shè)計概述1.1風力發(fā)電的意義 隨著電力和能源改革逐步深入，在國家倡導節(jié)能減排的大背景下，風力發(fā)電成為新能源開發(fā)利用的重要領(lǐng)域。在有風力資源的地區(qū)，建設(shè)小型風力發(fā)電或風光互補獨立電站(集中供電系統(tǒng)或戶用系統(tǒng))成為為小型負荷供電一種新選擇。研究中小型風力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計顯得十分必

6、要。1.2明確風力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計的要求和條件在煙臺地區(qū)設(shè)計一個裝機容量100的風電場，一臺風力發(fā)電機的功率為10KW，需要10臺風機。中小型風力發(fā)電機一般應(yīng)在風力資源較豐富的地區(qū)使用。煙臺地區(qū)氣象設(shè)計參數(shù)：如表：年煙臺市，全市平均氣溫2003年12.5 2009年13.0 2004年12.7 2010年12.2 2005年12.5 2011年12.1 2006年13.1 2012年12.2 2007年13.4 2013年12.6 2008年12.7 2014年13.4 由此可得， 歷年平均氣溫為年平均溫度（)：12.7最高溫度（)：38最低溫度（)：-12.8平均風速（m/s）：5.0通過查取風

7、功率密度等級表，得知煙臺地區(qū)風功率密度為200250（高度為10米）、320400（高度為30米）、400500（高度為50米）1.3風力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計方案的擬定1.3.1風力發(fā)電機的類型及選擇原則風力發(fā)電機組是將風能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，按其容量可大小以劃分為小型風電機組（10KW以下），中型風電機組（1劃分為水平軸0100KW），大型風電機組（100KW以上）；按其主軸與地面的相對位置，可以風力發(fā)電機組（主軸與地面平行），垂直軸風力發(fā)電機組（主軸與地面垂直）。目前國內(nèi)一些廠家研發(fā)生產(chǎn)采用永磁同步發(fā)電機的風機，由于永磁同步電機容易實現(xiàn)多極化，可省去或簡化齒輪增速箱結(jié)構(gòu)，其葉輪主軸與發(fā)電機可以直接禍

8、合，不經(jīng)齒輪增速而直接驅(qū)動發(fā)電機，因此這類風機又稱為直驅(qū)(半直驅(qū))式。直驅(qū)式風機由塔架、輪轂、槳葉、發(fā)電機、變頻器、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電氣控制等組成。直驅(qū)式風機均采用低速永磁同步發(fā)電機。本設(shè)計考慮采用永磁同步發(fā)電機。1.3.2風電場類型 并網(wǎng)型：接入電力系統(tǒng)運行，規(guī)模較大的風力發(fā)電場。本設(shè)計選“并網(wǎng)型”風力發(fā)電，可以省去蓄電池等儲能裝置。選用同步發(fā)電機間接并網(wǎng)方式，電壓經(jīng)歷了交流直流交流的變化，避免了同步發(fā)電機直接并網(wǎng)可能出現(xiàn)失步的問題。1.3.3安裝地點 安裝地點的確定主要就是風資源和具體安裝位置選擇。風能資源豐富，具有較穩(wěn)定的風向，風力發(fā)電機盡可能的裝在風向和風速比較穩(wěn)定，季節(jié)變化比較小

9、的地方，湍流小，自然災(zāi)害小。根據(jù)設(shè)計的要求，主要設(shè)計內(nèi)容擬包括風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)中的偏航系統(tǒng)、齒輪箱系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、溫度控制等。最早最簡單的風力發(fā)電機由葉輪和發(fā)電機兩個部分組成，站立于一定高度的塔上。由于外界因素影響風很不穩(wěn)定，這類風力發(fā)電機電壓、頻率差異很大且效率低下，沒有實際運用價值。所以在原有的基礎(chǔ)上，增加了偏航系統(tǒng)，齒輪箱，控制系統(tǒng)，停機系統(tǒng)等部件更加有效地使用風能。2風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成設(shè)計2.1風力發(fā)電系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)組成風力發(fā)電機是一種將風能轉(zhuǎn)換為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置，主要包括風力機和發(fā)電機?？諝饬鲃拥哪軇幼饔迷陲L力機風輪上，從未推動風輪旋轉(zhuǎn)，將空氣動力能轉(zhuǎn)換風輪的機械能，通過傳動

10、裝置，發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換為電能，輸送給電力系統(tǒng)。風力發(fā)電系統(tǒng)的組成：風輪（風能轉(zhuǎn)化為機械能的核心部件）、發(fā)電機、傳動機構(gòu)、偏航系統(tǒng)、限速安全機構(gòu)、制動裝置、機艙和塔架等。在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上大致可以把一個普通的風電機分為四大部分：風輪組件，機艙組件，塔架組件以及控制部分。2.2風力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)2.2.1風力發(fā)電機類型選擇 本設(shè)計選取水平軸螺旋槳式風力機。 水平軸風力機主要由風輪、塔架、對風裝置、齒輪箱組成。（1）風輪：由13個葉片組成，這是吸收風能的主要部件。當風輪旋轉(zhuǎn)時，葉片受到離心力和氣動力的作用，離心力對葉片是一個拉力，而氣動力使葉片彎曲。當風速高于風力機的設(shè)計風速時，為防止葉片損壞，需

11、對風輪進行控制，控制風輪有三種方法：a，使風輪偏離主方向；b，改變?nèi)~片角度；利用擾流器，產(chǎn)生阻力，以降低風輪轉(zhuǎn)速。（2）塔架：為了讓風輪能在較高的風速中運行，需要塔架把風輪支撐起來。這時塔架需要承受兩個主要的載荷：一個是風力機的重力，向下壓在塔架上；另一個是阻力，使塔架向風的下游方向彎曲。選擇塔架時要必須考慮其成本，根據(jù)實際情況而定。（3）對風裝置：自然界的風向及風速一直變化，為了得到較高的風能利用率，應(yīng)使風能的旋轉(zhuǎn)面經(jīng)常對準風向為此需要對風裝置。小型風力機的對風裝置，利用尾舵控制對風。由尾翼帶東水平軸旋轉(zhuǎn)，是風輪總朝向風吹來的方向。（4）齒輪箱：由于風輪的轉(zhuǎn)速比較低，而且風力的大小經(jīng)常變化著

12、，這又使得轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定。所以，在帶動發(fā)電機之前，還必須附加一個齒輪箱，再加一個調(diào)速裝置使得轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定，然后在連接到發(fā)電機上。齒輪箱的主要作用是將風輪在風力作用下所產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機，通過齒輪副的增速作用使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。在裝機是應(yīng)使其與輪轂相連。為了增加齒輪箱的制動能力，在齒輪箱的輸入端或輸出端設(shè)置剎車裝置配合葉尖制動裝置實現(xiàn)聯(lián)合制動。2.2.2 風力機的功率風的動能和風速的平方成正比，功率是力和速度的乘積，也可用于風輪功率的計算。風力與速度平方成正比，所以風的功率與風度的三次方成正比。如果風速增加一倍，風的功率便會增加8倍。風輪從風中吸收的功率如下： (21) (22)式中：P為輸出功

13、率， 為風輪機的功率系數(shù)， 為空氣密度， R為風輪半徑， v為風速。眾所周知，如果接近風力機的空氣全部動能都被風力機全部吸收，那么風輪后的空氣就不動了，然而空氣當然不能完全停止，所以風力機的效率總是小于1。2.2.3控制方式（1）偏航系統(tǒng)的控制方式： 偏航系統(tǒng)用于在風向變化時，可以保證風輪跟著轉(zhuǎn)動，一般由風向傳感器和伺服電機組合而成。并網(wǎng)型風力發(fā)電機組采用主動偏航的齒輪驅(qū)動形式。（2）變槳系統(tǒng)的控制方式： 所以，選用電機驅(qū)動。2.2.4最大功率追蹤葉尖速比控制算法：為了表示風輪機運行速度的快慢，通常采用葉尖速比來表征，計算公式如下： (2-3)其中： 為葉尖速比， 風輪機轉(zhuǎn)速， 風輪機旋轉(zhuǎn)角速

14、度， 風輪機半徑，最佳葉尖速比控制算法是保持風輪機的葉尖速比始終在最優(yōu)值處，從而使風力發(fā)電機輸出功率最大值。3設(shè)備計算及選型3.1風力機設(shè)計計算3.1.1葉片設(shè)計計算風輪半徑： (3-1)式中：P一臺風力機功率，W 空氣密度，取1.235 風速，m/s 功率系數(shù)解得R=5.98m風輪的轉(zhuǎn)速： (3-2)式中：葉尖速比，取值6解得：=67.07r/min3.1.2輪轂選型風輪輪轂是連接葉片與風輪轉(zhuǎn)軸的部件，用于傳遞風輪的力和力矩到后面的機構(gòu)。輪轂通常由球墨鑄鐵制成。主要有三種結(jié)構(gòu)：（1）固定式輪轂：三葉片風輪大多采用固定式輪轂，制造成本低，維護少，不存在磨損問題。（2）葉片之間相對固定的鉸鏈式輪

15、轂，驅(qū)動力距變化很大產(chǎn)生很大噪音，風輪具有阻尼器的作用。（3）各葉片自由的鉸鏈式輪轂,風輪可保持恒速運轉(zhuǎn)。綜合考慮本設(shè)計輪轂選用固定式。3.1.3塔架設(shè)計計算塔架高度：塔架高度要滿足風機葉片運轉(zhuǎn)的要求，而且要考慮經(jīng)濟方面的因素，塔架一般高度為： (3-3) 式中：接近風輪葉片的地面障礙物的高度，m 風輪葉掃落到障礙物最高點的距離1.52m解得：H=12m塔架結(jié)構(gòu)：根據(jù)塔架最大承受的載荷及風能資源利用效率、成本的綜合比較選擇塔架的高度、材料及結(jié)構(gòu)。塔架設(shè)計參數(shù)如下：塔架高度安裝方式柱裝材料Q345鋼制材料備注表面鍍鋅結(jié)構(gòu)錐形液壓式加工定制3.1.4齒輪箱的選擇確定：由上述求得： 所以： (3-4

16、)其中： -為掃風面積，； -為風輪半徑，；所以，風力機的有效功率為： (3-5) 取齒輪箱效率為，則： 齒輪箱的增速比為： (3-6) 齒輪箱前段低速軸由風輪驅(qū)動，而輸出端高速軸與發(fā)電機軸連接。3.1.5機艙設(shè)計機艙一般包容了將風輪獲得的能量進行傳遞、轉(zhuǎn)換的全部機械和電氣部件。機艙多為鑄鐵結(jié)構(gòu)，或采用帶加強筋的板式焊接結(jié)構(gòu)。設(shè)計機艙要求盡可能減小機艙質(zhì)量而增加其剛度；兼顧艙內(nèi)各部件安裝、檢修便利與機艙空間要緊湊，滿足通風、散熱、檢查等維護需求，機艙對流動空氣的阻力要小。水平軸風力機常采用單級或多級定軸線直齒齒輪或行星齒輪增速器。3.2控制系統(tǒng)選型設(shè)計 ZK460-W 12/10型控制器主要用

17、于風電系統(tǒng)組成的供電網(wǎng)絡(luò)，控制器操作比較簡單，性能可靠。風機可接最大容量為12kW技術(shù)參數(shù)如表32所示：項目 描述控制器類型 ZK460-W 12/10 額定電壓 DC460V 最大輸入功率 12kW 額定輸出功率 l 0kW 保護電壓 DC550VDC570V環(huán)境溫度 -10 45 環(huán)境濕度 85%RH 防護等級 IP20 整個控制器的主要組成部分有:液晶顯示器、指示燈、顯示儀表、內(nèi)部接線、內(nèi)部操作開關(guān)和泄荷器等。3.3變流器功率選擇： 變流器將主發(fā)電機發(fā)出來的電能整流成直流電，在逆變成與電網(wǎng)匹配的交流電，電能諧波少，質(zhì)量高。變流器的功率通常為風電機組的額定功率的1/21/3，考慮到風電機組

18、的可靠性，通常為風電機組額定功率的1/2。由此得： 型號H8.0-10 額定功率空載直流電流逆變效率逆變輸出電壓主供方式輸出頻率運行溫度范圍3.4逆變器選型計算用于風力發(fā)電的逆變器輸出交流電的頻率為50Hz。逆變開關(guān)電路是逆變器的核心，它通過半導體開關(guān)器件的導通與關(guān)斷完成逆變的功能。完整的逆變電路由主逆變電路、輸入電路、輸出電路、控制電路、輔助電路和保護電路組成。選用逆變器的型號為；GNW12K3GCN(致遠公司產(chǎn))主要參數(shù)如表34所示：項目 描述工作電壓范圍 DC380V680V最大輸入電流 30A額定輸入功率 12KW過載能力 120%輸出連續(xù)運行1 min3.5接觸器的選擇：發(fā)電機的開關(guān)

19、使用交流接觸器。選用西門子的3TB系列接觸器。電機的過載保護需要使用繼電器進行保護。選用繼電器型號為LCD-84發(fā)電機差動型，它適應(yīng)于大型交流發(fā)電機差動保護電路中。3.6熔斷器的選擇：熔斷器保護作為電路過載保護最常用的一個手段運用于本文各個電路模塊中。在發(fā)電機處可以選用型號為LMZD2-20的高壓熔斷器；偏航、變槳距以及溫度控制模塊選用RT18低壓熔斷器。3.7傳感器、繼電器的選擇：風速風向傳感器使用PH100SX型號12。溫度傳感器選用PT100風管式溫度傳感器。4設(shè)計體會 通過這次風力發(fā)電設(shè)計，讓我了解了風力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電的基本原理和系統(tǒng)組成，學到了很多風電場建設(shè)的相關(guān)知識。設(shè)計過程中掌握了

20、風電系統(tǒng)的運行過程，對風力發(fā)電有了更進一步的深入了解。通過這次設(shè)計讓我懂得了理論和實踐相結(jié)合的重要性。雖然在設(shè)計的過程中出現(xiàn)了一些問題，發(fā)現(xiàn)了自己在這方面知識的欠缺，如在選型計算中，自己設(shè)計考慮的因素畢竟有限，得出的計算結(jié)果和選用的部件會有一定的誤差。本次課程設(shè)計，基本上達到了設(shè)計的目的，通過這次的風能發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計，真的從里面學到很多東西，風能是可再生的新能源，應(yīng)用在日常生活的各個方面，這次風能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計基本貼近我們的生活，所以學習這方面的知識尤其重要。這次設(shè)計花費了挺長時間的，從查資料到借書學習，都需要一個過程，尤其學習風能發(fā)電系統(tǒng)的各個設(shè)備及結(jié)構(gòu)，以前做的冷庫設(shè)計一般網(wǎng)上都能找到一些模

21、板，并且資料很齊，而這次設(shè)計的風力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計，基本沒有模板參考，很多都需要自己看書學習，然后一點點的整理計算出來的，所以也許做的不是很好，但是真心能從里面學到的東西很多。其實這次的風力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計要計算的包括很多方面，但是由于對風力發(fā)電系統(tǒng)沒有過實體的考察，很多比較材料系數(shù)，及結(jié)構(gòu)組成、當?shù)氐娘L資源情況方面不是很清楚，所以不是做的很詳細。我個人覺得課程設(shè)計相當于模擬訓練，實戰(zhàn)演習，我們每一位同學也轉(zhuǎn)而變成了研究院里的一名設(shè)計師，承包了一項大工程，從實地考察到確定設(shè)計方案，從設(shè)計計算到施工繪圖每個過程我們都要認認真真，實事求是，本著負責謹慎的態(tài)度，使我們的設(shè)計合理實用，經(jīng)濟舒適。盡管如此，由于

22、理論知識儲備不足和實踐經(jīng)驗的嚴重缺乏，設(shè)計中不可避免地出現(xiàn)了各種錯誤。還好我們有所認識，有所領(lǐng)悟，我們會在以后的工作中加以改正，補充不足。不管怎樣，課程設(shè)計還算順利，能夠按時完成。實踐出真知。失敗是成功之母。從錯誤中吸取經(jīng)驗和教訓，保證以后不再犯類似錯誤。經(jīng)驗豐富了，知識也就成熟了。隨著課程設(shè)計的不斷深入，我也逐漸發(fā)現(xiàn)自己所學的專業(yè)知識不夠用，對風力發(fā)電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、并網(wǎng)系統(tǒng)的了解并不透徹，總之有許多不足。通過這次設(shè)計，我確實提高了各方面的能力，增長了許多知識，積累了豐富的經(jīng)驗，對以后的工作有很大的幫助。在此謝謝指導老師和同學們的悉心教導和幫助。5主要參考文獻1.風電場工程技術(shù)手冊，宮靖遠主編，機械工業(yè)出版社2.風能技術(shù),美 Tony Burton 等著，武鑫譯，科學出版社3.中國風資源測量和評估實務(wù)，高虎，劉薇，王艷等編著，化學工業(yè)出版社4.風能可再生能源與環(huán)境，美Vaughn Nelson著，李建林 肖志東等譯，人民郵電出版社5.風能技術(shù)與應(yīng)用，錢伯章編，科學出版社 6.風能利用技術(shù)，郭新生編著，化學工業(yè)出版社7風能利用技術(shù)，化學工業(yè)出版社，郭新生主編8電力電子技術(shù)， 機械工業(yè)出版社，楊耕主編9風能與風力發(fā)電技術(shù)，化學工業(yè)出版社，張志英主編10風力發(fā)電，中國電力出版社，王承熙主編9