小型家用風力發電機畢業設計論文-資料下載頁

　　

【正文】 電力。 技術驅動力隨著科技的進步，空氣動力理論的不斷發展、新型高強度、輕質材料的出現，計算機設計技術的廣泛應用和自動控制技術的不斷改進，機械、電氣、電子元件制造技術的成熟，為風電技術向大功率、高效率、高可靠性和高度自動化方向發展提供了條件。 風力發電的現狀 世界風力發電現狀20 世紀 80 年代以來，工業發達國家對風力發電機組的研制取得了巨大進展。1987 年美國研制出單機容量為 的水平軸風力發電機組，安裝于夏威夷群島的瓦胡島上。1987 年加拿大研制出單機容量為 的立軸達里厄風力發電機組，安裝于魁北克省的凱普一柴特。進入 20 世紀 80 年代，單機容量在 100KW 以上的水平軸風力發電機組的研究開發及生產在歐洲的丹麥、德國、荷蘭、西班牙等國取得了快速發展。到 20 世紀 90 年代，單機容湖南電氣職業技術學院畢業設計5量為 100～200KW 的機組已在中型和大型風電場中成為主導機型。同時單機容量在 1MW 以上的風力發電機組也研制開發成功，并在風電場中成功運行。世界風電總裝機容量 1997 年底為 746 萬KW，1998 年底為 1015 萬 KW，1999 年底風力發電機的設計及風力發電系統的研究為 1393 萬 KW，2022 年達 1845 萬 KW，2022 年達 2493 萬 KW，2022 年達 3112KW，平均年增長率在 30%以上。歐洲風能協會預計，全世界到 2020 年風力發電裝機容量將超過 1億 KW，占歐洲總發電量的 20%以上。世界能源委員會預計，全世界到 2020 年風力發電裝機容量可達 億～ 億 KW。 中國風力發電現狀中國風力發電起步較晚，但發展較快。目前風力發發電機組的研制開發重點分兩方面，一是 1KW 以下獨力運行的小型風力發電機組，二是 100KW 以上并網運行的大型風力發電機組。20 世紀 80 年代中期，中國開始規劃風力發電場的建設。1983 年在山東榮城引進 3 臺丹麥 55KW 風力發電機組，開始并網風力發電技術的試驗和示范。1986 年在新疆達坂城安裝了 1 臺100KW 風力發電機組，1989 年又安裝了 13 臺 150KW 風力發電機組，同年在內蒙古朱日和也安裝 5 臺美國 100KW 機組，開始了中國風電場運行的試驗和示范。特別近年來，中國的風力風電場建設取得了較好的經濟效益和巨大的發展。據統計，到 2022 年底，中國共建有 27 座風電場，裝機 812 臺，總容量 方KW。目前正處于前期工作階段和正在建設的風電場以遍及 10 多個省、市和自治區。 風力發電展望風力發電技術目前還在不斷發展，主要體現在單機容量不斷增大上。目前主流發電機組的功率，以上升到 600～750KW，MW級的機組也成批生產，24MW 級的機組已在實驗生產。這就必然湖南電氣職業技術學院畢業設計6要采用一些新的復合材料和新的技術。例如，單機容量不斷增大，槳葉的長度也在不斷增長，容量為 2MW 的風力機葉輪掃風直徑達72m。目前最長的葉片以做到 50m。槳葉材料由玻璃纖維增強樹脂發展為強度高、重量輕的碳纖維。槳葉也向柔性方向發展。早期的一些風力機槳葉是根據直升飛機的機翼設計的，而風力機的槳葉運行在與直升飛機很不同的空氣動力環境中。對葉型的進一步改進，增強了風力機捕捉風能的效率。例如，在美國，國家可再生能源實驗室研制開發了一種新型葉片，比早期的一些風力機槳葉捕捉風能的能力要大 20%。目前，丹麥、美國、德國等風電科技較發達的國家，有許多專業研究人員在利用較先進的設備和技術條件致力與新葉型的從理論到應用的研究開發。在中、大型風電機組的設計中，采用了更高的塔架以捕捉更多的風能。地處平坦地帶的風力機。在 50m 高處捕提的風能要比 30m 高處多20%。尤其值得注意的是，隨著電力電子技術的發展，近年來發展了一種變速風力發電機，風力發電機的設計及風力發電系統的研究組，取消了沉重的增速齒輪箱，發電機軸直接連接到風力發電機組軸上，轉子的轉速隨風阻而改變，其交流電的頻率也隨之變化，經過置于地面的大功率電力電子變換器，將頻率不定的交流電整流成直流電，在逆變成與電網同頻率的交流電輸出。由于他被設計成在幾乎所有的風況下都能獲得較大的空氣動力效率，因而提高了捕捉風能的效率，試驗表明，在平均風速 ，變速風力發電機組要比恒速風力發電機組多捕獲 15%的風能，同時每由于機艙重量減輕和改善了傳動系統各部件的受力狀況，可使風力發電機組的支撐結構減輕，塔架等基礎費用也可降低。其運行維護費用也較低。這是一種很有發展前途的技術。風力發電場未來的發展趨向將集中在：提高機群安裝場地選擇的準確性；進機群布局的合理性：提高運行的可靠性、穩定性，實現運行的最佳控制；進一步降低設備投資及發電成本；總裝機容量在 1MW 以上的風力發電場將占據主導地位，風力發電場內的風力發電機組單機容量將主要是百千瓦以上至兆瓦級的。湖南電氣職業技術學院畢業設計72 風力機理論 基本公式 風能利用系數風力機從自然風能中吸收的能量大小程度用風能利用系數C p表示。橫截面積為s(m 2)的氣流的動能為E=式中 ρ ——空氣密度， ㎏/m3 Vf ——風速，m/s如果風力機實際獲得的軸功率為P,那么風能利用系數為CP=P/E=P/() （21 ） 風壓強如圖21a，根據伯努力方程，風中物體受到的風壓Q為 Q=式中 C——空氣阻力系數與物體形狀有關，平板一般取2Vf——風與平板的相對速度 阻力式風力機的最大效率建立簡單的理想模型，一個平板在風的氣動壓力作用下沿著風速方向運動，如圖2l（b），并規定平板上游一定距離上的風速為V f，平板的運動速度為V，那么平板吸收的功率可以表示為 P=FV=QSV式中 F——板受到風的壓力，牛頓 S——平板的面積， m2湖南電氣職業技術學院畢業設計8圖21 平板模型F=QS=(VfV)2所以P=(VfV)2V (22)對給定的上游風速玲，可以寫出以平板的運動速度V為函數的功率變化關系式，對V進行微分得dp／ dv=CP(VfV)(VfV／ 3)令 dp／ dv=0， 可以得到兩個解：1） V1=Vf沒有物理意義2） V2=Vf／ 3對應于最大值Pmax=(4C/27)CPmax=4C/27 (23)從上式中可以看出，阻力式風力機的效率是比較低的，提高效率的唯一辦法是設法提高風的阻力系數C。 工作風速與輸出功率 風力發電機的輸出效率最理想的風力機也不可能吸收全部的風能，而只能吸收部分風能。如上一節推導的那樣，有一個最大風能利用系數 Cpmax。但是，風力機在制做過程中，由于受到各種條件的限制，做不到完全理想的形狀。因此實際的風力機和理想的風力機之間也有差異。實際風力機吸收的功率與理想風力機吸收的功率的比值叫做風力機的效率。用 η 1 表示。另外還有傳動機構的效率甲 η 2 和發電機的效率 η 3 等，所以實際風力發電機輸出的效率，可以表示為湖南電氣職業技術學院畢業設計9η = η 1η 2η 3 工作風速與輸出功率風力機啟動時，為了克服其內部的摩擦阻力而需要一定的力矩。這一最低力矩值叫做風力機的啟動力矩。啟動力矩主要與風力機本身的傳動機構摩擦阻力有關因此風力機有一最低工作風速稱V fmin，只有風速大于Vfmin時風力機才能工作。當風速超過某一值的時候，基于安全上的考慮(主要是塔架和槳葉強度)，風力機應該停止運轉，所以每一臺風力機都規定有最高風速V fmax，最高風速V fmax與風力機的設計強度有關，是設計時給定的參數。最小風速稱V fmin，和最大風速V fmax之間的風速叫做風力機的工作風速，相應于工作風速風力機有功率輸出。當風力機的輸出功率達到標稱功率時的工作風速叫做該風力機的額定風速。 啟動風速和額定風速的選定如何根據風能資源來選用風力機，使風力機的運行狀態最佳，確定起動風速和額定風速是關鍵。（1） 雙參數威布爾分布 風能就是流動空氣具有的動能。單位時間通過垂直于空氣流的單位面積的空氣流所具有的動能叫風能密度，設ρ為空氣密度， V為風速，則風能密度p= 3，p隨V的立方增大，變化非常快，故知道風速的變化情況是利用風能的先決條件。風速V是隨機變量，經研究專家們多認為用雙參數威布爾概率密度函數擬合風速頻率分布最好腳。威布爾分布函數形如下式其中K為形狀參數，無量綱，C為尺度參數，量綱為ms 1。不同地區，不同時期參數K、C是不同的，可根據某地連續30年的風資料算出該地的K、C參數，威布爾分布函數曲線見圖22。參數K、C影響曲線形狀，K大C大曲線陡峻，峰右移，反之亦然。湖南電氣職業技術學院畢業設計10圖22 威布爾分布函數曲線上式滿足(24)（2）起動風速 啟動風速為風力機風輪由靜止開始轉動并能連續運轉的最小風速:風力機分水平軸和垂直軸兩大類，每一類又有多種形式，同一形式還有若干種規格，只有科學地選擇適合當地風能資源的風力機，才能以較少的投資獲取較多的風能。根據國內外100多種風力機，起動風速的范圍是2ms 1，至 6ms1，這一范圍能滿足風能豐富區、較豐富區、可利用區的不同需要。雙參數威布爾分布函數曲線峰值對應的凡就是起動風速(圖22)。對上式求一階導數且令其等于O有湖南電氣職業技術學院畢業設計11解得(25)證明氣是出現概率最大的風速。使用起動力風速大于上式計算的氣的風力機會損失小風速這一區段的風能，使用起動風速小于上式計算的咋的風力機是否更好呢?表面看低風速的風能得到更多的利用，深入研究可知在之氣的較高風速區風能利用率下降，總體上是得不償失，故選用盡可能接近上式結果的風力機最為理想。（3）額定風速 額定風速的選定直接影響風能利用系統整體的效率和經濟性，是風力發電機設計中的重要參數。己知風能密度p=12ρv 3，對一臺效率為?，槳葉半徑為廠的風力機，輸出功率w(V)的威布爾分布函數為w(V)峰值對應之風速V P應是額定風速，此時風力機提取的風能最多。令(26)（4）風力機的工作風速、輸出功率與風能的關系 湖南電氣職業技術學院畢業設計12風力機的工作風速、輸出功率與風能的關系可以簡單地如圖23來表示(注:圖中縱坐標表示輸出功率，單位為:w/m 2。橫坐標表示風能，單位為:m/s)A—理論風能曲線B—扣除空氣動力損失后的風力機吸收的功率C—計算傳動損失和機械能轉換損失后的功率曲線D—發電機實際輸出功率曲線圖2—3 功率與風速的關系 風能利用與氣象 風的觀測對風能利用的意義在前面已經講述過，風能與風速的三次方成正比。所以，當風速測量有10%的誤差時，風力機輸出功率的誤差將擴大到33%。在風力機的設計中，輸出功率出現30%以上的誤差，將帶來很大的經濟損失。風速隨時間變化很大，而且地區性差異也很大，正確把握風況并不是一件容易的事情。所以在風力機設計計劃中，對風的觀測非常受重視。湖南電氣職業技術學院畢業設計13 風能利用中需要的氣象調查在風能利用中，需要進行四項氣象調查:(l)風能密度調查 結合風能的地區分布和可設立風力機地區面積的調查，在全國范圍內對可利用的風能量進行估算。(2)選定適合地點 在一年中，對通過強風場所的調查。(3)風速的頻率分布調查 在風力機的設計中，為了估算平均出力和運轉時間等量，必須了解風力機軸高處的風況。(4)為了風力機設計強度和安全系數的氣象調查 異常的強風出現的概率、風的不定向性以及突風程度，冰暴、鹽害等的調查。 風的觀測風的觀測，因其目的不同而有各自的特點。對于風能利用，通過對風的觀測，可以估算出該地區可利用的風能大小，為風力機的設計和性能研究以及開發的經濟性等提供條件。風速的測量包括風向和風速的測量。因為風速隨時間變化很大，而且變化不定，所以測量時取一定時間內的風速大小的平均值和最長時間的風向。我國現行的風速觀測有兩種方法:一種是每日定時4次兩分鐘平均風速觀測。一種是一日24次自記10分鐘平均風速觀測。實際測量結果表明，前一種方法的誤差比較大，因此在風力發電機的設計中采用后一種測量方法得到的數據。湖南電氣職業技術學院畢業設計143 風力發電機方案和結構設計 小型垂直式風力發電機方案設計現在，各個發達國家均大力發展新能源產業，雖然太陽能一直是新能源商業化的首選，因為太陽能的設置地點較靈活，不會產生噪音，可以和建筑進行一體化設計。但是風力發電較太陽能而言，它的成本優勢明顯。傳統的風力發電機啟動風速要求較高，發電噪音也很大，所以只能將風力發電機放在人跡罕至的地方或風力較大的地方。設備也是往大型風力發電機發展，專門建設大型風力發電場，這樣，小型風力發電在相當長的時間里未得到較好的發展。所以，如何使風力發電和建筑進行一體化設計，降低小型風力發電機噪音，使其安裝在建筑周圍而不影響人的生活質量，已成為各個國家研究的焦點！我設計的是一種新型的立式垂直軸小型風力發電機，由風機葉輪、立柱、橫梁、變速機構、離合裝置和發電機組成。如下圖所示：圖 31 小型垂直軸風力發電機框圖該小型垂直軸風力發電機的發電原理為：在風的吹動下，風輪轉動起來，使空氣動力能轉變成了機械能（轉速+扭矩）。通過增速系統和離合湖南電氣職業技術學院畢業設計15器使轉矩和扭矩傳遞到風力發電機軸上，帶動發電機