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小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
開題報(bào)告
班級(jí)（學(xué)號(hào)）：機(jī)0405-19 姓名：崔亮
指導(dǎo)老師： 許寶杰
一、綜述
1.課題研究的目的和意義
能源是發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)和提高人民生活的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“火車頭”，能源已成為制約國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展推動(dòng)能源需求的持續(xù)增長(zhǎng)，要求不斷開發(fā)新的能源。雖然，人類的技術(shù)進(jìn)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(duì)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(yán)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(jī)和石油總體價(jià)格的攀升，已在向世人警示能源安全問題,引起對(duì)能源安全的廣泛擔(dān)憂?，F(xiàn)實(shí)告誡人們，要生存就必須尋求開發(fā)新能源。[1]
我國(guó)地域遼闊，廣大邊遠(yuǎn)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(fēng)力資源往往又比較豐富。充分利用這些地區(qū)的風(fēng)力資源來解決無電、缺電問題，對(duì)改善當(dāng)?shù)厝嗣竦纳钏?，發(fā)展地方經(jīng)濟(jì)具有深遠(yuǎn)的意義。小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有機(jī)組投資小，使用靈活，非常適用于解決居住相對(duì)分散、風(fēng)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(fēng)力發(fā)電技術(shù)作為農(nóng)村能源的組成部分，它的進(jìn)一步推廣應(yīng)用，將會(huì)推動(dòng)農(nóng)村能源的發(fā)展，對(duì)于改善用能結(jié)構(gòu)，特別是邊遠(yuǎn)山區(qū)等的生產(chǎn)、生活用能，推動(dòng)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(chǎng)前景。[3]
風(fēng)能具有隨機(jī)性和不確定性，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)。簡(jiǎn)化小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、降低成本、提高可靠性及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
2.課題的研究現(xiàn)狀及已有成果
風(fēng)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(guó)開始重視開發(fā)和利用可再生、且無污染的風(fēng)能資源。自80年代以來,風(fēng)能利用的主要趨勢(shì)是風(fēng)力發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電最初出現(xiàn)在邊遠(yuǎn)地區(qū),應(yīng)用的方式主要有:1)單獨(dú)使用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)供家庭住宅使用;2)風(fēng)力發(fā)電機(jī)與其它電源聯(lián)用可為海上導(dǎo)航設(shè)備和遠(yuǎn)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(fēng)電場(chǎng)是由多臺(tái)并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,并按一定規(guī)律排列組成的風(fēng)力發(fā)電機(jī)群。每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般包括風(fēng)力機(jī)、異步發(fā)電機(jī)和中間的傳動(dòng)連接機(jī)構(gòu):輪轂、齒輪箱、連軸器。通常機(jī)端還有并聯(lián)電容器,提供異步發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)所需的無功功率,以提高發(fā)電場(chǎng)的功率因數(shù)。[5]
1 風(fēng)力機(jī)現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)從基本結(jié)構(gòu)上分為兩類,即水平軸風(fēng)機(jī)(HAWT)和立軸風(fēng)機(jī)(VAWT),如圖1所示，這兩類風(fēng)機(jī)都是利用空氣動(dòng)力升力原理來獲取風(fēng)能的。目前水平軸風(fēng)機(jī)較多采用。水平軸風(fēng)機(jī)輪轂上有三個(gè)或兩個(gè)風(fēng)翼,也稱葉片。葉片用強(qiáng)化聚酯玻璃纖維、膠合板、鋁或鋼制造。[6]
風(fēng)力機(jī)通過葉片捕獲風(fēng)能,將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為作用在輪轂上的機(jī)械轉(zhuǎn)矩。風(fēng)力機(jī)的特性通常用風(fēng)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(shí),風(fēng)能利用系數(shù)CP對(duì)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(fēng)機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速(r/s),V是作用于風(fēng)輪機(jī)的迎面風(fēng)速(m/s)。對(duì)于同一CP,風(fēng)輪機(jī)可能有兩個(gè)運(yùn)行點(diǎn),它們分別對(duì)應(yīng)于風(fēng)輪機(jī)的高風(fēng)速運(yùn)行區(qū)和低風(fēng)速運(yùn)行區(qū)。當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)風(fēng)輪機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)將要發(fā)生變化。
對(duì)一臺(tái)實(shí)際的風(fēng)力機(jī),其捕獲風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械輸出功率Pm的表達(dá)式為
Pm= 0.5ρACPV3
式中 ρ——空氣密度,kg/m3
A——掃掠面積,m2
風(fēng)力機(jī)的整體設(shè)計(jì)和相應(yīng)的運(yùn)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(shí)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(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)元件存在轉(zhuǎn)速上限。因此風(fēng)機(jī)存在三個(gè)典型運(yùn)行狀態(tài):保證恒定CP,控制風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速(維持λ不變)直到轉(zhuǎn)速達(dá)到極限;風(fēng)力機(jī)以恒定速度運(yùn)行,通過調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)可使CP具有較大數(shù)值,直到最大輸出功率;當(dāng)風(fēng)速過大,輸出功率達(dá)到極限時(shí)風(fēng)力機(jī)按恒定功率控制,使輸出功率限制在額定值附近。[7]
2 風(fēng)力機(jī)的功率調(diào)節(jié)
功率調(diào)節(jié)是風(fēng)輪機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一,目前投入運(yùn)行的機(jī)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(fēng)力機(jī)的功率調(diào)節(jié)完全依靠葉片的氣動(dòng)特性,稱為定漿距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。這種機(jī)組的輸出功率隨風(fēng)速的變化而變化,從CP的關(guān)系看,難以保證在額定風(fēng)速之前CP最大,特別是在低風(fēng)速段。這種機(jī)組通常設(shè)計(jì)有兩個(gè)不同功率,不同極對(duì)數(shù)的異步發(fā)動(dòng)機(jī)。大功率高轉(zhuǎn)速的發(fā)動(dòng)機(jī)工作于高風(fēng)速區(qū),小功率低轉(zhuǎn)速的發(fā)動(dòng)機(jī)工作于低風(fēng)速區(qū),由此來調(diào)整λ,追求最佳CP。當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時(shí),通過葉片的失速或偏航控制降低CP,從而維持功率恒定。實(shí)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(fēng)力機(jī)風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率和保證風(fēng)力機(jī)輸出功率平穩(wěn),風(fēng)力機(jī)將進(jìn)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(fēng)力機(jī)組。變漿距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率調(diào)節(jié)不完全依靠葉片的氣動(dòng)特性,它要依靠與葉片相匹配的葉片攻角改變來進(jìn)行調(diào)節(jié)。在額定風(fēng)速以下時(shí)攻角處于零度附近,此時(shí),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(fēng)機(jī)。在額定風(fēng)速以上時(shí),變漿距機(jī)構(gòu)發(fā)揮作用,調(diào)整葉片攻角,保證發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率在允許范圍以內(nèi)。變漿距風(fēng)力機(jī)的起動(dòng)風(fēng)速較定漿距風(fēng)力機(jī)低,停機(jī)時(shí)傳動(dòng)機(jī)械的沖擊應(yīng)力相對(duì)緩和。風(fēng)機(jī)正常工作時(shí),主要采用功率控制。[9]
3 發(fā)電機(jī)
目前風(fēng)力發(fā)電所采用的發(fā)電機(jī)主要有兩種:同步發(fā)電機(jī)和異步發(fā)電機(jī)。而采用最多的是籠型異步發(fā)電機(jī)?；\型異步發(fā)電機(jī)既可以孤立運(yùn)行,也可以聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。由于它的低耗、高可靠性、無需勵(lì)磁裝置和電刷、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單尺寸小、堅(jiān)固耐用、基本上無需維修,它已成為風(fēng)力及其它發(fā)電系統(tǒng)的最理想設(shè)備。
異步發(fā)電機(jī)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(yùn)行的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速不變,而風(fēng)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(fēng)力機(jī)常常運(yùn)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(jī)作為并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī),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(yùn)行,如圖4所示。異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度高于同步轉(zhuǎn)速。當(dāng)風(fēng)力機(jī)傳給發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率隨風(fēng)速而增加時(shí),發(fā)電機(jī)的輸出功率及其反轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)增大,運(yùn)行點(diǎn)發(fā)生改變。當(dāng)轉(zhuǎn)子速度高于同步轉(zhuǎn)速3%~5%時(shí)達(dá)到最大值,若超過這個(gè)轉(zhuǎn)速,異步發(fā)電機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū),產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)矩減小,導(dǎo)致轉(zhuǎn)速迅速升高,引起飛車,這是十分危險(xiǎn)的。
異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí),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(jī)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(jī)的參數(shù)。轉(zhuǎn)差率與異步發(fā)電機(jī)負(fù)荷的大小有關(guān),電機(jī)的參數(shù)無法改變。[8]
風(fēng)力發(fā)電機(jī)多采用機(jī)端并聯(lián)電容器以提高功率因數(shù),如圖5所示。運(yùn)行中當(dāng)發(fā)電機(jī)和并聯(lián)電容器與電網(wǎng)突然斷開時(shí),電容器的過勵(lì)和異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升可能引起有害的自勵(lì)現(xiàn)象。自勵(lì)產(chǎn)生的過電壓可能危及發(fā)電機(jī)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(hù)線路上要采取措施。
2)變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)
雖然目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用最多的異步發(fā)電機(jī)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(fēng)力機(jī)在很大風(fēng)速范圍內(nèi)按最佳效率運(yùn)行的重要優(yōu)點(diǎn)越來越引起人們的重視。從風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行原理可知,這就要求風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速正比于風(fēng)速保護(hù)并保持一個(gè)恒定的最佳葉尖比λ,從而使風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)CP保持最大值不變,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出最大的功率。例如目前已投入應(yīng)用的一項(xiàng)變速技術(shù)是通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)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?jī)?nèi)容
小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)。小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)效率很高，但它不是只由一個(gè)發(fā)電機(jī)頭組成的，而是一個(gè)有一定科技含量的小系統(tǒng)：風(fēng)力發(fā)電機(jī)＋充電器＋數(shù)字逆變器。風(fēng)力發(fā)電機(jī)由機(jī)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(fēng)力并通過機(jī)頭轉(zhuǎn)為電能；尾翼使葉片始終對(duì)著來風(fēng)的方向從而獲得最大的風(fēng)能；轉(zhuǎn)體能使機(jī)頭靈活地轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)尾翼調(diào)整方向的功能；機(jī)頭的轉(zhuǎn)子是永磁體，定子繞組切割磁力線產(chǎn)生電能。風(fēng)機(jī)工作穩(wěn)定是一個(gè)非常重要的問題，通過回顧過去成功的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)，就可以發(fā)現(xiàn)它們的共同特點(diǎn)是簡(jiǎn)單，只有簡(jiǎn)單才可能做到活動(dòng)部件少，應(yīng)力連續(xù)而無突變，才能使小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作穩(wěn)定。所以本課題是設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、成本低、易維修、使用壽命長(zhǎng)的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。其研究?jī)?nèi)容具體如下：
(1) 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)整體方案設(shè)計(jì)；
(2) 進(jìn)行小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)械裝配圖設(shè)計(jì)；
(3) 對(duì)裝置的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行仿真計(jì)算分析；
(4) 根據(jù)功能要求進(jìn)行修改，進(jìn)一步的優(yōu)化；
(5) 恒速控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)；
(6) 試制原理模型裝置。
三、實(shí)現(xiàn)方法及其預(yù)期目標(biāo)
本課題研制的是小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，總體要求是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、易維修、使用壽命長(zhǎng)。在滿足功能要求的前提下，盡可能使發(fā)電機(jī)外型美觀、可靠性強(qiáng)、制造簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉。
目標(biāo)：1.完成小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案并試進(jìn)行模型驗(yàn)證。
2.完成小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)恒速控制的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。
該小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主體部分包括風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、調(diào)向機(jī)構(gòu)、調(diào)速機(jī)構(gòu)和停車機(jī)構(gòu)、塔架、蓄電池。具體如下：
1)風(fēng)輪
用2～3個(gè)葉片組成,它把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。
2)發(fā)電機(jī)
采用永磁式交流發(fā)電機(jī),風(fēng)輪驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生交流電,經(jīng)過整流后變成直流電儲(chǔ)存在蓄電池中?？刂破骱湍孀兤?
3)調(diào)向機(jī)構(gòu)、調(diào)速機(jī)構(gòu)和停車機(jī)構(gòu)
為了從風(fēng)中獲取能量,風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面應(yīng)垂直于風(fēng)向,在小型風(fēng)力機(jī)中,這一功能靠風(fēng)力機(jī)的尾翼作為調(diào)向機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)隨著風(fēng)速的增加,要對(duì)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速有所限制,這是因?yàn)榧纫乐惯^快的轉(zhuǎn)速對(duì)風(fēng)輪和風(fēng)力機(jī)的其他部件造成損壞。
在風(fēng)速較大時(shí),特別是蓄電池已經(jīng)充滿的情況下,應(yīng)人工控制風(fēng)力機(jī)停機(jī)。小型風(fēng)力機(jī)中設(shè)計(jì)有手動(dòng)剎車機(jī)構(gòu),在實(shí)踐中可采用側(cè)偏停機(jī)方式,即在尾翼上固定一軟繩,當(dāng)需要停機(jī)時(shí),拉動(dòng)尾翼,使風(fēng)輪側(cè)向于風(fēng)向,從而達(dá)到停機(jī)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(guó)內(nèi)開發(fā)出的適用于風(fēng)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(fēng)力機(jī)對(duì)蓄電池的充電,使其不至于過充放,以保證正常使用和整個(gè)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(duì)進(jìn)度的具體安排
1．第1-3周 調(diào)研，查閱資料，學(xué)習(xí)相關(guān)理論，研究總體方案。
2．第 4 周 撰寫并提交調(diào)研報(bào)告和開題報(bào)告；
3．第5-7周 確定總體方案，完成相關(guān)計(jì)算；
4．第8-11周 完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖；
5．第12-15周 完成恒速控制系統(tǒng)方法的設(shè)計(jì)；
6．第16-17周 撰寫并提交畢業(yè)論文、審閱、評(píng)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(xiàn)
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指導(dǎo)老師： 年 月 日
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