RB800WB型小型风力发电机设计开题报告颜子阳.doc

毕业设计开题报告题 目： RB800W-B型小型风力发电机设计 学 院： 应用技术学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 颜子阳 学 号： 200713090307 指导教师： 傅彩明 2011年 4月 20日 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告文 献 综 述引言风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。风很早就被人们利用-主要是通过风车来抽水、磨面等，而现在，人们感兴趣的是如何利用风来发电。风是一种潜力很大的新能源，十八世纪初，横扫英法两国的一次狂 暴大风，吹毁了四百座风力磨坊、八百座房屋、一百座教堂、四百多条帆船，并有数千人受到伤害，二十五万株大树连根拔起。仅就拔树一事而论，风在数秒钟内就发出了一千万马力(即750万千瓦；一马力等于075千瓦)的功率!有人估计过，地球上可用来发电的风力资源约有100亿千瓦，几乎是现在全世界水力发电量的10倍。目前全世界每年燃烧煤所获得的能量，只有风力在一年内所提供能量的三分之一。因此，国内外都很重视利用风力来发电，开发新能源。风能开发利用已有数千年的历史。在蒸汽机发明以前，风能就曾作为重要的动力，用于船舶航行、 提水饮用和灌溉、排水造田、磨面和锯木等。在几千年前，埃及的风帆船就在尼罗河上航行。中国是最早使用帆船和风车的国家之一，至少在三千年前的商代就出现了帆船。唐代有“乘风破浪会有时，直挂云帆济沧海”的诗句，可见那时风帆船已广泛用于江河航运。方以智著的物理小识 记载有：“用风帆六幅，车水灌田，淮阳海皆为之”，描述利用风车驱动水车灌田的场景。受化石能源资源日趋枯竭、能源供应安全和保护环境等的驱动，自20世纪70年代中期以来， 世界主要发达国家和一些发展中国家都重视风能的开发利用。特别是自20世纪90年代初以来， 现代风能最主要的利用形式风力发电的发展十分迅速，世界风电机装机容量的年平均增长率超过了30%，从 1993年的216万千瓦上升到2003年的4030万千瓦1。一、风力发电1 .1 原理把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。 风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。 风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。这种风力发电机组，大体上可分风轮(包括尾舵)、发电机和铁塔三部分。（大型风力发电站基本上没有尾舵，一般只有小型（包括家用型）才会拥有尾舵）风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只(或更多只)螺旋桨形的叶轮组成。当风吹向浆叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。桨叶的材料要求强度高、重量轻，目前多用玻璃钢或其它复合材料(如碳纤维)来制造。（现在还有一些垂直风轮，s型旋转叶片等，其作用也与常规螺旋桨型叶片相同） 由于风轮的转速比较低，而且风力的大小和方向经常变化着，这又使转速不稳定；所以，在带动发电机之前，还必须附加一个把转速提高到发电机额定转速的齿轮变速箱，再加一个调速机构使转速保持稳定，然后再联接到发电机上。为保持风轮始终对准风向以获得最大的功率，还需在风轮的后面装一个类似风向标的尾舵。铁塔是支承风轮、尾舵和发电机的构架。它一般修建得比较高，为的是获得较大的和较均匀的风力，又要有足够的强度。铁塔高度视地面障碍物对风速影响的情况，以及风轮的直径大小而定，一般在6-20米范围内。发电机的作用，是把由风轮得到的恒定转速，通过升速传递给发电机构均匀运转，因而把机械能转变为电能2。1.2 贝兹理论贝兹理论是在有贝兹（A.Betz）和哥劳特（H.Glauert）首先定义的自由流场风力机规则下提出的，是理想状况下的风能转换规律，它与实施的技术方案无关。风力机可做成水平轴式的和垂直轴式的，叶片可采用升力叶型或阻力叶型，叶型自身也有多种几何形状与尺寸选择。但无论如何不可能达到理想的风能转换效率，而必然存在与贝兹公式计算的最大功率相比较而言的效率。贝兹假设风轮是理想的。风轮没有轮毂，而叶片数无穷多，并且风轮对通过它的气流没有阻力，他是一个不产生损耗的能量转换器；此外，还进一步假设风轮前、风轮扫掠面、风轮后气流速度都是均匀的。空气流过风轮的瞬时能量转换可由流线图表达，风轮前远方具有流通截面相等的流线。在图中虚线包围处，风轮前流线较窄，空气通过风轮时，受风轮阻挡被向外挤压，绕过风轮的空气能量未被利用。只有通过F截面的气流，在风轮里释放了其所携带的部分动能。由于风速远小于当地的声速，即运动气流的马赫数Ma1，空气的压缩性可被忽略。所以F截面的大小取决于速度差V=V1-V2。当V=0时，所有通过F截面的气流穿过风轮后，动能不变，根本没有能量转换；如果V= V1即V2=0，风轮后面没有气流流动，也就没有气流通过风轮，依然没有能量转换。气流如何运动才能获得可用能量，而且获得最大的转换效率呢？贝兹给出了解决这一问题的数学公式3。1.3 风力发电的输出风力发电机因风量不稳定，故其输出的是1325V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。 通常人们认为，风力发电的功率完全由风力发电机的功率决定，总想选购大一点的风力发电机，而这是不正确的。目前的风力发电机只是给电瓶充电，而由电瓶把电能贮存起来，人们最终使用电功率的大小与电瓶大小有更密切的关系。功率的大小更主要取决于风量的大小，而不仅是机头功率的大小。在内地，小的风力发电机会比大的更合适。因为它更容易被小风量带动而发电，持续不断的小风，会比一时狂风更能供给较大的能量。当无风时人们还可以正常使用风力带来的电能，也就是说一台200W风力发电机也可以通过大电瓶与逆变器的配合使用，获得500W甚至1000W乃至更大的功率输出。二、风机的主要分类及其特点2 .1 定桨定速型风机定桨定速机型风机主要特点是桨叶与轮毅固定连接在一起，风速变化时桨叶的角度不会变。桨叶经过特殊的设计，可以依靠其气动特性保持叶轮转速相对不变。当风速超过额定值时，叶片会通过自动失速来调节功率，防止转速过快造成过载，所以又称失速式风机。定桨定速型厅帆主要由塔架、论段、桨叶、主轴、变速箱、发电机、偏航系统、液压系统和电气控制等组成。桨叶与齿轮增速箱通过主轴连接，发电衫睬用笼式异步发电机，为了提高发电机的效率，多采用双绕组发电机，控制系统根据不同的风速切换力小电机，低风垂时切人小发电机，高网垂时大发电机工作。为了减小凤机并网时对电网的冲击，定桨定速型风机采用晶闸管软并网，再由并网开关（或接触器）旁路晶闸管，将并网冲击减少到最低。大多数失速式风机因起动困难而设计有电动机起动程序（Motor start ) ，起动程序由小发电机执行。为保证风机在突然失电情况下的制动能力，定桨距风机的叶片安装有叶尖扰流器，在紧急情况下叶尖扰流器释放并旋转90 '形成阻尼板，对风机进行空气动力刹车，低速或高速轴上的盘式制动器与扰流器配合保证机组可靠制动。由于发电机采用笼式异步发电机，风机在并网状态时需从电网吸收大量的无功电流用于励磁，因而功率因素较低，必须配置一定数量的移相电容器进行补偿。失速式定桨定速机型风机为早期产品，机组容量多为兆瓦级以下，功率以600kw 、750kw 为主。兆瓦级机组也有采用失速式设计，如苏司兰的51250 kw 风机，国内主要的生产企业为新疆金风和浙江运达，其中以金风的750kw为代表机型。失速式风机采用的是早期引进消化的技术，结构简单、成本较低、坚固耐用，但效率偏低。2 .2 变桨变速型风机变桨变速型风机按变桨执行机构的动力形式可分为电动和液压变桨控制按采用的发电机类型主要可分双馈异步发电机和永磁同步发电机，按传动方式又可分为齿轮增速和直驱（半直驱）式。定桨定速型风机和采用双馈发电机的风机，由于其额定转速较高，必须要采用齿轮箱来增速，而永磁同步发电机可采用多极化设计，发电机转速可低至十几转，因而可采用直驱式。2.2.1 变桨距控制 变桨距控主要有两个作用：一是在高干额定凤速的情况下通过增大桨距角改变气流对叶片的攻角，将输出功率稳定在额定功率下，保证功率曲线的平滑，防止风机过负荷。二是在风机失电脱网等紧急状态下进行空气动力制动，配合高速轴制动器对风机叶轮快速刹车风机变桨执行机构的动力形式可分为两种，即电一液伺服变桨和电动伺服变桨。2.2.2 采用双馈异步电机的发电机绝大多数的变桨变速型风电发电机组采用了双馈异步变速恒频控制方式，由塔架、轮毅、桨叶、主轴、变速箱、发电机、变频器、偏航系统、液压系统和电气控制等组成，某些机型采用无主轴结构，叶轮直接祸合在齿轮箱上双馈异步发电机的工作原理是由变频器在转子绕组中产生一个低速旋转磁场，这个旋转磁场的转速与转子由风力带动所产生的机械转速几相叠加，在转子绕组中形成一个合成的旋转磁场，合成磁场的旋转速度等于同步转速，最终在发电机定子绕组中感应出相应于同步转速的工频（50 Hz ）电压输出到电网。当风速发生变化时，转速几也随着发生变化，通过改变转子电流的频率调节旋转磁场的转速，就能够补偿发电机转子转速的变化，从而保持输出到电网的频率恒定不变。2 .2.3 采用永磁同步发电机的风机由于永磁同步电机容易实现多极化，可省去或简化齿轮增速箱结构，其叶轮主轴与发电机可以直接藕合，不经齿轮增速而直接驱动发电机，因此这类风机又称为直驱（半直驱）式。由塔架、轮毅、桨叶、发电机、变频器、偏航系统、液压系统和电气控制等组成。国内金风科技生产的1.2MW 、1.5MW机型、湘电股份研制的ZMW 机型都是采用了直驱式结构，已经实现了批量生产和安装。由于齿轮箱是目前在兆瓦级风机中损坏率较高和损耗较大的部件，而永磁同步发电机的转子采用稀土永磁材料制作，不需电励磁，没有转子绕组和集电环组件，因此，大大提高了机组可靠性和效率，具有结构简单、噪声低、寿命长、机组体积小、低风速时效率高、运行维护成本低等诸多优点4。三、风力发电现状和展望3.1 我国风力发电的现状和前景中国的风力发电起步较晚，但是发展较快。目前风力发电机组的研制开发重点分两方面。中国新能源战略开始把大力发展风力发电设为重点。按照国家规划，未来15年，全国风力发电装机容量将达到2000万至3000万千瓦。以每千瓦装机容量设备投资7000元计算，根据风能世界杂志发布，未来风电设备市场将高达1400亿元至2100亿元。中国风力等新能源发电行业的发展前景十分广阔，预计未来很长一段时间都将保持高速发展，同时盈利能力也将随着技术的逐渐成熟稳步提升。2009年该行业的利润总额将保持高速增长，经过2009年的高速增长，预计2010、2011年增速会稍有回落，但增长速度也将达到60%以上。风电发展到目前阶段，其性价比正在形成与煤电、水电的竞争优势。风电的优势在于：能力每增加一倍，成本就下降15%，近几年世界风电增长一直保持在30%以上。随着中国风电装机的国产化和发电的规模化，风电成本可望再降。因此风电开始成为越来越多投资者的逐金之地。我国可再生能源中长期发展规划明确指出：通过大规模的风电开发和建设，促进风电技术进步和产业发展，实现风电设备制造自主化，尽快使风电具有市场竞争力。在经济发达的沿海地区，发挥其经济优势，在“三北”(西北、华北北部和东北)地区发挥其资源优势，建设大型和特大型风电场，在其他地区，因地制宜地发展中小型风电场，充分利用各地的风能资源。主要发展目标和建设重点如下：(1)到2010 年，全国风电总装机容量达到 500万千瓦。重点在东部沿海和“三北”地区，建设30个左右10万千瓦等级的大型风电项目，形成江苏、河北、内蒙古 3个 100万千瓦级的风电基地。建成 12个10万千瓦级海上风电试点项目。(2)到2020 年，全国风电总装机容量达到3000万千瓦。在广东、福建、江苏、山东、河北、内蒙古、辽宁和吉林等具备规模化开发条件的地区，进行集中连片开发，建成若干个总装机容量200万千瓦以上的风电大省。建成新疆达坂城、甘肃玉门、苏沪沿海、内蒙古辉腾锡勒、河北张北和吉林白城等6个百万千瓦级大型风电基地，并建成100万千瓦海上风电 5 。3.2 国外风力发电现状及前景风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。中国风能储量很大、分布面广，仅陆地上的风能储量就有约2.53亿千瓦。随着全球经济的发展，风能市场也迅速发展起来。自2004年以来，全球风力发电能力翻了一番，2006年至2007年间，全球风能发电装机容量扩大27%。2007年已有9万兆瓦，这一数字到2010年将是16万兆瓦。预计未来20-25年内，世界风能市场每年将递增25%。随着技术进步和环保事业的发展，风能发电在商业上将完全可以与燃煤发电竞争。现代风力发电机组经过几十年的研究和发展，就机组技术而言正逐步呈现以下趋势：A. 由定桨距向变桨距机型发展。变桨距风力机组在低风速区的输出功率可以高于定桨距机组，但是其机械装置和控制系统会变得更复杂。 B. 机组由定速运行向变速运行发展。变速运行的优点在于可以在低风速区以最优尖速比运行而最多地获得风能。 C. 有齿轮箱式向直接驱动式发展。无齿轮箱的机组结构简单，可靠性增加。D. 由单一陆地型机组逐渐开始向海上机组发展。海上风电场的建立大大节省了宝贵的陆地面积，而且风资源状况更好。E. 由百 kW 级向 MW 级乃至多 MW 级发展。为了提高单位土地面积的发电量。在近二十年的时间内，从国外风机容量由 55kW发展到5MW，叶轮直径由15m加长到125m，可靠性从 50提高到 98等事实，可以说明风力发电机组的发展趋势是功率较大、重量较轻、造价较低、可靠性较高6。四、虚拟样机技术简介随着技术的不断进步，仿真在产品设计过程中的应用变得越来越广泛而深刻，由原先的局部应用（单领域、单点）逐步扩展到系统应用（多领域、全生命周期）。虚拟样机技术正是这一发展趋势的典型代表。 虚拟样机技术是一种基于虚拟样机的数字化设计方法，是各领域CAx/DFx技术的发展和延伸。虚拟样机技术进一步融合先进建模/仿真技术、现代信息技术、先进设计制造技术和现代管理技术，将这些技术应用于复杂产品全生命周期、全系统，并对它们进行综合管理。与传统产品设计技术相比，虚拟样机技术强调系统的观点、涉及产品全生命周期、支持对产品的全方位测试、分析与评估、强调不同领域的虚拟化的协同设计7。五、虚拟样机技术在风力发电机设计研究中的应用风力发电机的动态特性研究既要考虑其刚体运动，也要考虑其柔体运动和振动，由此需要将有限元分析与多体系统动力学仿真结合在一起。采用MSC.Nastran有限元仿真系统软件进行。在MSC.Nastran中进行运动学仿真，保证模型的可靠性和准确性后，对风力发电机在空载、满载情况下动力学仿真以确定其受力特点和运动特征，为风力发电机结构优化设计打下基础，同时确定有限元分析所需的外力。在风力发电机仿真研究中，首先要建立风力发电机的真实三维模型，即产生一个复杂的机械系统的“虚拟样机”，然后才可以仿真其真实样机的特性参数， 最后综合风力发电机有限元静力仿真和模态仿真结果，对风力发电机的结构参数进行优化，并重复有限元仿真。在风力发电机优化过程中，采用虚拟样机技术，具有三个方面的优越性：极大地缩短设计时间，模型和参数的修改都很方便，最终确定合理的结构参数所需时间得到大幅度的缩短；降低成本，整个过程都在计算机上完成，利用虚拟样机技术分析离心机的动态性能所需的费用大幅减少；有利于通过优化等手段开发出动态性能更为优越的产品，而且可以对风力发电机运动学和动力学的特性以图形显示，可以动态进行仿真过程观察、模型更改以及仿真结果的处理工作，能直观地进行改进和优化。当然，从实际应用的角度来说，风力发电机虚拟样机技术作用的发挥还依赖两个重要前提：其一是对虚拟样机技术的熟练掌握，另一个是要提供最基本的实验数据和相关数据库8。六、结论随着技术的发展已经机器规模的增大，风力发电的成本持续减少。在过去的30年里，风力发电成本从0.8美元/KWH降至0.4 美元/KWH。风力发电与以煤为燃料的新建电厂相比，已具备竞争力。技术的经一部改进将使风力发电成本再降低30%。随着在经济方面的吸引力越来越突出，风能利用已成为一个很有前途的行业。现代风力机是一个涉及多学科的复杂系统。设计像这类复杂的系统，必须要有完善的分析技术来支持。从初始设计到详细设计，乃至到样机试制阶段的整个设计过程中，应该有详尽程度不同的分析。要完成这样的分析，必须要利用计算机来辅助进行9。随着虚拟技术的不断发展，人们对于利用虚拟样机技术来研发新的产品的观念将更趋于成熟，它以设计周期短、费用低等优点将逐步取代传统的物理样机，在产品开发中占有重要地位。有限元分析是现代机械产品结构动态设计的基础，是一项对描述系统动力学特性所需参数进行研究和估算的技术。同时还可以根据仿真分析结果对有限元模型进行修正10。动态性能分析在结构设计和评价中具有极其重要的位置。特别是随着现代工业的进步，许多产品朝着更大、更快、更轻和更安全可靠的方向发展，因此对动态特性的要求越来越高，强度和振动分析愈显重要。对关键零件进行有限元分析，对零件的结构提出了改进意见，并为其它设计改进提供了可靠的理论依据11。参 考 文 献1 熊礼俭.风力发电新技术与发电工程设计、运 行 、维 护 及 标 准 规 范 实 用 手 册.北京：中国科技文化出版社,20052 刘细平.林鹤云.风力发电机及其风力发电控制技术综述J.大机电技术.2007(3)3 郭新生.风能利用技术.北京：化学工业出版社，20074 何山.兆瓦级永磁同步风力发电机的电磁场分析.学位论文.20055 国家发展和改革委员会.可再生能源中长期发展规划.北京，20076 Bossanyi, E.A. Electrical aspects of variable-speed operation of horizontal axis wind turbine generators'.UK:Etsu W/33/00221/REP, Energy Technology Support Unit, Harwell.19947 熊光楞.数字化设计与虚拟样机.技术佳工机电网8 Theodore G Mordin.Component Body Modeling and Controlled Articulated Flexible Multibody Dynamics：dissertation9 宗楠楠.小型水平轴风力机叶片设计与有限元分析.上海：上海交通大学硕士学位论文.200910 田武刚，潘孟春，陈棣湘，罗飞路.直线同步电动机磁场及力的有限元仿真分析.国防科技大学机电工程与自动化学院.微电机，2004年04期11 曹树谦.振动结构模态分析.天津：天津大学出版社，2002，6毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告开 题 报 告一本课题研究的目的和意义风力发电项目是具有良好的环境效益、社会效益和经济效益的新型能源项目。由于不排放废水、废气，风电项目的环境保护一直没有引起人们足够的重视，对风电项目的环境影响评价的研究尚处于起步阶段。目前我国风电行业正处在高速发展的时期，但是，目前对于风电类项目还没有相关的环境影响评价技术规范，因此研究、探讨该行业的环境影响评价技术方法有着重要的理论和实际应用意义二本课题的主要内容和要求1、课题主要内容（1）分析小型风力发电机的工作特点和运动特点（2）确定RB800W-B型小型风力发电机的结构方案；（3）对风叶、尾翼等主要零件进行计算、分析；（4）确定RB800W-B型小型风力发电机的整体设计方案；设计任务：写出设计依据，并通过设计依据画出CAD图纸2、课题主要要求（1）对风叶、尾翼等主要零件进行仿真分析，对其结构参数进行修改、比较，确定最佳结构； （2）完成小型风力发电机主要零件，包括风叶、尾翼等的设计； （3）设计图纸；三研究方法和步骤 1、研究方法：在分析了现有的几种风力发电相关理论的基础上，对RB800W-B型小型风力发电机进行研究、设计。首先，查阅大量的相关资料并结合所学知识，研究影响小型风力发电机性能的各项相关指标。分析小型风力发电机的工作特点和结构特点，并据此制定严谨合理的设计标准，作为设计的纲领性文件；第二步，进行相应的理论计算和分析，确定初步的整体方案；在此基础上，建立RB800W-B型小型风力发电机的虚拟样机模型。 2、研究步骤：（1）了解风力发电机的工作原理；（2）建立小型风力发电机的三维模型和虚拟样机模型（3）对该小型风力发电机进行分析，获得关键零部件的受力状况和受力特点。（4）设计完成图纸毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告指导教师意见：1对“文献综述”的评语：2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测： 指导教师： 年 月 日所在专业审查意见： 负责人： 年 月 日