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小型風力發(fā)電機總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計
開題報告
一、綜述
1.課題研究的目的和意義
能源是發(fā)展國民經(jīng)濟和提高人民生活的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是經(jīng)濟發(fā)展的“火車頭”，能源已成為制約國民經(jīng)濟發(fā)展的重要因素。社會經(jīng)濟發(fā)展推動能源需求的持續(xù)增長，要求不斷開發(fā)新的能源。雖然，人類的技術(shù)進步旨在提高能源的利用效率、減少能源的消耗，但現(xiàn)今的能源生產(chǎn)量依然滿足不了人類發(fā)展的需求。由于對能源的渴求，人們無節(jié)制地開采石油、煤炭、天然氣等這些埋在地層深處的維系人類生存的“能源食糧”，不僅嚴重地污染了我們的生存空間，惡化了自然環(huán)境，而且?guī)砹烁膳碌膼汗茉纯萁?。傳統(tǒng)化石能源資源的減少，引發(fā)的石油危機和石油總體價格的攀升，已在向世人警示能源安全問題,引起對能源安全的廣泛擔憂?，F(xiàn)實告誡人們，要生存就必須尋求開發(fā)新能源。[1]
我國地域遼闊，廣大邊遠山區(qū)、沿海島嶼和少數(shù)民族地區(qū)地廣人稀、交通不便，利用大電網(wǎng)的延伸解決供電問題非常困難，而這些地區(qū)風力資源往往又比較豐富。充分利用這些地區(qū)的風力資源來解決無電、缺電問題，對改善當?shù)厝嗣竦纳钏?，發(fā)展地方經(jīng)濟具有深遠的意義。小型風力發(fā)電系統(tǒng)具有機組投資小，使用靈活，非常適用于解決居住相對分散、風力資源較好的無電地區(qū)居民的基本生活用電及部分小型生產(chǎn)用電問題。[2]小型風力發(fā)電技術(shù)作為農(nóng)村能源的組成部分，它的進一步推廣應(yīng)用，將會推動農(nóng)村能源的發(fā)展，對于改善用能結(jié)構(gòu)，特別是邊遠山區(qū)等的生產(chǎn)、生活用能，推動生態(tài)和環(huán)境建設(shè)諸領(lǐng)域的發(fā)展將發(fā)揮積極作用，具有廣闊的市場前景。[3]
風能具有隨機性和不確定性，風力發(fā)電系統(tǒng)是一個復雜系統(tǒng)。簡化小型風力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、降低成本、提高可靠性及實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化運行，具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。
2.課題的研究現(xiàn)狀及已有成果
風能的利用有著悠久的歷史。近年來,資源的短缺和環(huán)境的日趨惡化使世界各國開始重視開發(fā)和利用可再生、且無污染的風能資源。自80年代以來,風能利用的主要趨勢是風力發(fā)電。風力發(fā)電最初出現(xiàn)在邊遠地區(qū),應(yīng)用的方式主要有:1)單獨使用小型風力發(fā)電機供家庭住宅使用;2)風力發(fā)電機與其它電源聯(lián)用可為海上導航設(shè)備和遠距離通信設(shè)備供電;3)并入地方孤立小電網(wǎng)為鄉(xiāng)村供電。[4]
風電場是由多臺并網(wǎng)型風力發(fā)電機組,并按一定規(guī)律排列組成的風力發(fā)電機群。每臺風力發(fā)電機組一般包括風力機、異步發(fā)電機和中間的傳動連接機構(gòu):輪轂、齒輪箱、連軸器。通常機端還有并聯(lián)電容器,提供異步發(fā)電機運行時所需的無功功率,以提高發(fā)電場的功率因數(shù)。[5]
1 風力機現(xiàn)代風力機從基本結(jié)構(gòu)上分為兩類,即水平軸風機(HAWT)和立軸風機(VAWT),如圖1所示，這兩類風機都是利用空氣動力升力原理來獲取風能的。目前水平軸風機較多采用。水平軸風機輪轂上有三個或兩個風翼,也稱葉片。葉片用強化聚酯玻璃纖維、膠合板、鋁或鋼制造。[6]
風力機通過葉片捕獲風能,將風能轉(zhuǎn)換為作用在輪轂上的機械轉(zhuǎn)矩。風力機的特性通常用風能利用系數(shù)CP—尖速比λ曲線來表示,如圖2所示。不同漿距角β時,風能利用系數(shù)CP對應(yīng)的尖速比λ不同。這里尖速比λ=ωmR/V,R為葉片半徑(m),ωm是風機的機械轉(zhuǎn)速(r/s),V是作用于風輪機的迎面風速(m/s)。對于同一CP,風輪機可能有兩個運行點,它們分別對應(yīng)于風輪機的高風速運行區(qū)和低風速運行區(qū)。當風速變化時風輪機的運行點將要發(fā)生變化。
對一臺實際的風力機,其捕獲風能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械輸出功率Pm的表達式為
Pm= 0.5ρACPV3
式中 ρ——空氣密度,kg/m3
A——掃掠面積,m2
風力機的整體設(shè)計和相應(yīng)的運行控制策略應(yīng)盡可能追求CP最大,從而增加其輸出功率。然而實際應(yīng)用中輸出功率的提高卻受到兩方面的限制:一方面是電氣回路中元器件的功率限制;另一方面是機械傳動系統(tǒng)元件存在轉(zhuǎn)速上限。因此風機存在三個典型運行狀態(tài):保證恒定CP,控制風力機轉(zhuǎn)速(維持λ不變)直到轉(zhuǎn)速達到極限;風力機以恒定速度運行,通過調(diào)節(jié)風力機可使CP具有較大數(shù)值,直到最大輸出功率;當風速過大,輸出功率達到極限時風力機按恒定功率控制,使輸出功率限制在額定值附近。[7]
2 風力機的功率調(diào)節(jié)
功率調(diào)節(jié)是風輪機的關(guān)鍵技術(shù)之一,目前投入運行的機組主要有兩類功率調(diào)節(jié)方式:一類是定漿距失速控制;另一類是變漿距控制。
1)漿距失速控制
風力機的功率調(diào)節(jié)完全依靠葉片的氣動特性,稱為定漿距風力發(fā)電機組。這種機組的輸出功率隨風速的變化而變化,從CP的關(guān)系看,難以保證在額定風速之前CP最大,特別是在低風速段。這種機組通常設(shè)計有兩個不同功率,不同極對數(shù)的異步發(fā)動機。大功率高轉(zhuǎn)速的發(fā)動機工作于高風速區(qū),小功率低轉(zhuǎn)速的發(fā)動機工作于低風速區(qū),由此來調(diào)整λ,追求最佳CP。當風速超過額定風速時,通過葉片的失速或偏航控制降低CP,從而維持功率恒定。實際上難以做到功率恒定,通常有些下降,如圖3所示。
2)變漿距控制
為了盡可能提高風力機風能轉(zhuǎn)換效率和保證風力機輸出功率平穩(wěn),風力機將進行漿距調(diào)整。在定漿距基礎(chǔ)上加裝漿距調(diào)節(jié)環(huán)節(jié),稱為變漿距風力機組。變漿距風力發(fā)電機組的功率調(diào)節(jié)不完全依靠葉片的氣動特性,它要依靠與葉片相匹配的葉片攻角改變來進行調(diào)節(jié)。在額定風速以下時攻角處于零度附近,此時,葉片角度受控制環(huán)節(jié)精度的影響,變化范圍很小,可看作等同于定漿距風機。在額定風速以上時,變漿距機構(gòu)發(fā)揮作用,調(diào)整葉片攻角,保證發(fā)動機的輸出功率在允許范圍以內(nèi)。變漿距風力機的起動風速較定漿距風力機低,停機時傳動機械的沖擊應(yīng)力相對緩和。風機正常工作時,主要采用功率控制。[9]
3 發(fā)電機
目前風力發(fā)電所采用的發(fā)電機主要有兩種:同步發(fā)電機和異步發(fā)電機。而采用最多的是籠型異步發(fā)電機。籠型異步發(fā)電機既可以孤立運行,也可以聯(lián)網(wǎng)運行。由于它的低耗、高可靠性、無需勵磁裝置和電刷、結(jié)構(gòu)簡單尺寸小、堅固耐用、基本上無需維修,它已成為風力及其它發(fā)電系統(tǒng)的最理想設(shè)備。
異步發(fā)電機作為并網(wǎng)型發(fā)電設(shè)備的方案可分為兩類:恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)和變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)。
1)恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)
恒速運行的風力機轉(zhuǎn)速不變,而風速經(jīng)常變化,因此葉尖比λ不可能經(jīng)常保持在最佳值(即使采用變漿距葉片),CP值往往與最大值相差很大,使風力機常常運行于低效狀態(tài)。恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中,多采用籠型異步電機作為并網(wǎng)運行的發(fā)電機,在并網(wǎng)后其輸出功率在輸出功率P(或轉(zhuǎn)矩)與轉(zhuǎn)速n/ns曲線的穩(wěn)定區(qū)內(nèi)運行,如圖4所示。異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子速度高于同步轉(zhuǎn)速。當風力機傳給發(fā)電機的機械功率隨風速而增加時,發(fā)電機的輸出功率及其反轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)增大,運行點發(fā)生改變。當轉(zhuǎn)子速度高于同步轉(zhuǎn)速3%~5%時達到最大值,若超過這個轉(zhuǎn)速,異步發(fā)電機進入不穩(wěn)定區(qū),產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)矩減小,導致轉(zhuǎn)速迅速升高,引起飛車,這是十分危險的。
異步發(fā)電機并網(wǎng)運行時,一方面向電網(wǎng)輸出有功功率,另一方面又必須從電網(wǎng)吸收落后的無功功率。異步發(fā)電機向電網(wǎng)輸出的電流大小及功率因數(shù),取決于轉(zhuǎn)差率及電機的參數(shù)。轉(zhuǎn)差率與異步發(fā)電機負荷的大小有關(guān),電機的參數(shù)無法改變。[8]
風力發(fā)電機多采用機端并聯(lián)電容器以提高功率因數(shù),如圖5所示。運行中當發(fā)電機和并聯(lián)電容器與電網(wǎng)突然斷開時,電容器的過勵和異步發(fā)電機轉(zhuǎn)速上升可能引起有害的自勵現(xiàn)象。自勵產(chǎn)生的過電壓可能危及發(fā)電機和電容器的絕緣,必須予以重視。一方面應(yīng)從最不利的過速情況來選擇電容器的電容量,另一方面在保護線路上要采取措施。
2)變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)
雖然目前風力發(fā)電系統(tǒng)采用最多的異步發(fā)電機都屬于恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng),但變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)可以使風力機在很大風速范圍內(nèi)按最佳效率運行的重要優(yōu)點越來越引起人們的重視。從風力機的運行原理可知,這就要求風力機的轉(zhuǎn)速正比于風速保護并保持一個恒定的最佳葉尖比λ,從而使風力機的風能利用系數(shù)CP保持最大值不變,風力發(fā)電機組輸出最大的功率。例如目前已投入應(yīng)用的一項變速技術(shù)是通過調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流的大小和相位來追求CP最優(yōu)和輸出。[10]
二、研究內(nèi)容
小型風力發(fā)電機系統(tǒng)是一個典型的機電一體化系統(tǒng)。小型風力發(fā)電系統(tǒng)效率很高，但它不是只由一個發(fā)電機頭組成的，而是一個有一定科技含量的小系統(tǒng)：風力發(fā)電機＋充電器＋數(shù)字逆變器。風力發(fā)電機由機頭、轉(zhuǎn)體、尾翼、葉片組成。每一部分都很重要，各部分功能為：葉片用來接受風力并通過機頭轉(zhuǎn)為電能；尾翼使葉片始終對著來風的方向從而獲得最大的風能；轉(zhuǎn)體能使機頭靈活地轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)尾翼調(diào)整方向的功能；機頭的轉(zhuǎn)子是永磁體，定子繞組切割磁力線產(chǎn)生電能。風機工作穩(wěn)定是一個非常重要的問題，通過回顧過去成功的小型風力發(fā)電機組的設(shè)計，就可以發(fā)現(xiàn)它們的共同特點是簡單，只有簡單才可能做到活動部件少，應(yīng)力連續(xù)而無突變，才能使小型風力發(fā)電機工作穩(wěn)定。所以本課題是設(shè)計一款結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、成本低、易維修、使用壽命長的小型風力發(fā)電機。其研究內(nèi)容具體如下：
(1) 小型風力發(fā)電機整體方案設(shè)計；
(2) 進行小型風力發(fā)電機的機械裝配圖設(shè)計；
(3) 對裝置的運動過程進行仿真計算分析；
(4) 根據(jù)功能要求進行修改，進一步的優(yōu)化；
(5) 恒速控制系統(tǒng)方案設(shè)計；
(6) 試制原理模型裝置。
三、實現(xiàn)方法及其預期目標
本課題研制的是小型風力發(fā)電機總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，總體要求是結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、易維修、使用壽命長。在滿足功能要求的前提下，盡可能使發(fā)電機外型美觀、可靠性強、制造簡單、價格低廉。
目標：1.完成小型風力發(fā)電機組總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案并試進行模型驗證。
2.完成小型風力發(fā)電機恒速控制的系統(tǒng)設(shè)計方案。
該小型風力發(fā)電機的主體部分包括風輪、發(fā)電機、調(diào)向機構(gòu)、調(diào)速機構(gòu)和停車機構(gòu)、塔架、蓄電池。具體如下：
1)風輪
用2～3個葉片組成,它把風能轉(zhuǎn)化為機械能。
2)發(fā)電機
采用永磁式交流發(fā)電機,風輪驅(qū)動發(fā)電機產(chǎn)生交流電,經(jīng)過整流后變成直流電儲存在蓄電池中?？刂破骱湍孀兤?
3)調(diào)向機構(gòu)、調(diào)速機構(gòu)和停車機構(gòu)
為了從風中獲取能量,風輪旋轉(zhuǎn)面應(yīng)垂直于風向,在小型風力機中,這一功能靠風力機的尾翼作為調(diào)向機構(gòu)來實現(xiàn)。同時隨著風速的增加,要對風輪的轉(zhuǎn)速有所限制,這是因為既要防止過快的轉(zhuǎn)速對風輪和風力機的其他部件造成損壞。
在風速較大時,特別是蓄電池已經(jīng)充滿的情況下,應(yīng)人工控制風力機停機。小型風力機中設(shè)計有手動剎車機構(gòu),在實踐中可采用側(cè)偏停機方式,即在尾翼上固定一軟繩,當需要停機時,拉動尾翼,使風輪側(cè)向于風向,從而達到停機的目的。
4)塔架
由塔管和3～4根拉索組成。
5)蓄電池
采用汽車用鉛酸電瓶,也可用近年來國內(nèi)開發(fā)出的適用于風能太陽能應(yīng)用的專用鉛酸蓄電池。
6)控制器和逆變器
控制器的功能是控制和顯示風力機對蓄電池的充電,使其不至于過充放,以保證正常使用和整個系統(tǒng)的可靠工作。逆變器是把直流電(12 V、24 V、36 V、48 V)變成220 V交流電的裝置。
四、對進度的具體安排
1．第1-3周 調(diào)研，查閱資料，學習相關(guān)理論，研究總體方案。
2．第 4 周 撰寫并提交調(diào)研報告和開題報告；
3．第5-7周 確定總體方案，完成相關(guān)計算；
4．第8-11周 完成結(jié)構(gòu)設(shè)計圖；
5．第12-15周 完成恒速控制系統(tǒng)方法的設(shè)計；
6．第16-17周 撰寫并提交畢業(yè)論文、審閱、評審并修改畢業(yè)論文；
7．第 18 周 完成畢業(yè)答辯。
五、參考文獻
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2、 周篁. 馬勝紅1 世界風力發(fā)電簡況. 風力發(fā)電, 1999(4) .
3、 陳宗器.風力發(fā)電綜述與我國的開發(fā)設(shè)想.電機與控制學報.1997. (1)
4、 周小謙. 中國電力工業(yè)發(fā)展的前景. 中國電力, 1999,32(10) .
5、 符亞杰.淺談小型風力發(fā)電系統(tǒng).風力發(fā)電.2007.(8)
6、 肖勁松. 風力機組控制理論研究的現(xiàn)狀與展望. 風力發(fā)電, 2000(2) .
7、 牛山泉.三野正洋著.小型風車手冊.汪淑貞譯. 1987.34一36
8、 中國農(nóng)業(yè)機械化科學院主編.中國風力機圖冊[M].1983.234一240
9、 章瑋. 無刷雙饋電機電動狀態(tài)下的能量分析. 電機及控制學報, 2000(2) .
10、 潘文霞. 風力發(fā)電機的發(fā)展現(xiàn)狀.中小型電機. 2001,28(4)
指導老師： 年 月 日
督導老師： 年 月 日
領(lǐng)導小組審查意見：
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