【正文】 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)動力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1 第一章 概述 課題研究的目的和意義 數(shù)千年來，風(fēng)能技術(shù)發(fā)展緩慢，也沒有引起人們足夠的重視。但自 1973年世界石油危機(jī)以來，在常規(guī)能源告急和全球生態(tài)環(huán)境惡化的雙重壓力下，風(fēng)能作為新能源的一部分才重新有了長足的發(fā)展。風(fēng)能作為一種無污染和可再生的新能源有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，特別是對沿海島嶼，交通不便的邊遠(yuǎn)山區(qū)，地廣人稀的草原牧場，以及遠(yuǎn)離電網(wǎng)和近期內(nèi)電網(wǎng)還難以達(dá)到的農(nóng)村、邊疆，作為解決生產(chǎn)和生活能源的一種可靠途徑，有著十分重要的意義。 當(dāng)前，全球都面臨著能源枯竭、環(huán)境惡化、氣溫升高等問題，日益增長的能源需求 、能源安全問題受到世界各國廣泛關(guān)注。風(fēng)能是一種可再生能源，它資源豐富，是一種永久性的本地資源，可為人類提供長期穩(wěn)定的能源供應(yīng) 。她安全、清潔，沒有燃料風(fēng)險(xiǎn)，更不會在使用中破壞環(huán)境。為此，世界各國都在加快風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究，以緩解越來越重的能源與環(huán)境壓力，中國也不例外。 中國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費(fèi)國，能源利用以煤炭為主。在當(dāng)前以石化能源為主體的能源結(jié)構(gòu)中，煤炭占 %，石油占 %，天然氣占 2%，其余為水電等其它資源。在電力的能源消費(fèi)中，也是以煤炭為主，燃煤發(fā)電量占總發(fā)電量的 80%。但是，能為人 類所用的石化資源是有限的，據(jù)第二屆環(huán)太平洋煤炭會議資料介紹，按目前的技術(shù)水平和采掘速度計(jì)算，全球煤炭資源還可開采 200 年。此外，石油探明儲量預(yù)測僅能開采 34 年，天然氣約能開采 60 年。隨著人口的增長和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源供需矛盾加劇，如果不趁早調(diào)整以石化能源為主體的能源結(jié)構(gòu)，勢必形成對數(shù)億年來地球積累的生物石化遺產(chǎn)更大規(guī)模的挖掘、消耗，由此將導(dǎo)致有限的石化能源趨于枯竭，人類生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降的惡性循環(huán)，不利于經(jīng)濟(jì)、能源、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。電力部己制定“大力發(fā)展水電，繼續(xù)發(fā)展火電，適當(dāng)發(fā)展核電，積極發(fā)展新能源發(fā)電”的基 本原則，把風(fēng)力發(fā)電作為優(yōu)化我國電力工業(yè)結(jié)構(gòu)跨世紀(jì)的戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo) ① 。 表 11 19962021年世界風(fēng)電市場增長 從表 11可以看出，世界上的風(fēng)電能源增長的非常迅速， 10年平均增長率達(dá)到了 。截止 2021年底，全世界并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)總裝機(jī)容量達(dá)到 59237 MW ,是 1996 年裝機(jī)容量的 ② 。 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)動力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 風(fēng)力發(fā)電近幾年發(fā)展如此之快，是因?yàn)樗性S多優(yōu)點(diǎn) :，投資少，成本低，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整個設(shè)備成本不足功率相當(dāng)?shù)幕鹆Πl(fā)電、水力發(fā)電和核電站成本的 1/4，在二、三年內(nèi)就可以收回全產(chǎn)投資 。在風(fēng)力資源豐富的地區(qū)，風(fēng)力是取之不盡，用之不竭的，可就地建立風(fēng)力發(fā)電站，就地用電，這樣就可以節(jié)省大量的輸電設(shè)備和能源。許多燃料是十分重要的化學(xué)原料，把它白白的燃掉是十分可惜的。我國資源并不十分豐富，充分利用風(fēng)力資源意義就更重大了 。，保護(hù)我們?nèi)祟愘囈陨娴淖匀画h(huán)境?；瘜W(xué)燃料不斷向大氣中排放對生物有害物質(zhì)，嚴(yán)重的威脅人們健康，而風(fēng)力能源則沒有任何影響人類健康的有害物質(zhì) ③ 。 課題的研究現(xiàn)狀及已有成果 我國風(fēng)電的利用大體上采用三種方 式，一是戶用式，可獨(dú)立運(yùn)行，用蓄電池，直流輸出或逆變交流輸出 。單機(jī)容量為 100～ 300W，可基本滿足照明、電視等家用電器的生活用電需要。其次是孤立的小居民區(qū)用，獨(dú)立運(yùn)行，有蓄電池、直流輸出或逆變交流輸出，統(tǒng)一向各家各戶供電或每天為其更換蓄電池，單機(jī)容量為 1～５ kW。這種方式也可供無電風(fēng)區(qū)邊防哨所、氣象臺站、雷達(dá)站、電視差轉(zhuǎn)臺以及無電區(qū)小火車站使用。三是建立風(fēng)電場，聯(lián)網(wǎng)后輸出，有的與柴油發(fā)電機(jī)組或太陽能電站聯(lián)合，有穩(wěn)定的輸出。 — 300型風(fēng)力發(fā)電機(jī) 1)性能特 點(diǎn) — 300型風(fēng)力發(fā)電機(jī)是低速型風(fēng)機(jī)。該機(jī)具有發(fā)電效率高，結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，可靠性高等待點(diǎn)，是大電網(wǎng)以外而風(fēng)力資源豐富的農(nóng)牧區(qū)、海島、邊防哨所及氣象臺站等較理想的小功率風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，也是迄今我國銷售量最多的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。它可為用戶的照明、彩色電視機(jī)、音響設(shè)備、洗衣機(jī)、電冰箱、組合收錄機(jī)、航標(biāo)燈等電器提供穩(wěn)定可靠的電源。參見圖 1和圖 2。 圖 1 — 300型風(fēng)力發(fā)電機(jī) 圖 2 — 300型風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出特性 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)動力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3 2）主要技術(shù)指標(biāo) 葉片型式：木質(zhì)芯，外表包 玻璃鋼 風(fēng)輪直徑： 葉片數(shù)： 3片 風(fēng)能利用系數(shù)： 額定風(fēng)速： 8米 /秒 額定轉(zhuǎn)速： 400／分 額定功率： 300瓦 最大發(fā)電量： 500瓦 調(diào)速方式：偏側(cè)并尾 工作風(fēng)速范圍： 3～ 25 米 /秒 發(fā)電機(jī)型式：三相交流永磁式發(fā)電機(jī) 直流額定電壓： 24伏、 36伏、 48伏 控制 /逆變交流電壓： AC220伏 (177。 10％方波或正弦波 )；頻率： 50 赫茲177。 1％ 儲能方式： 120安178。時(shí)，蓄電池 2只或 4只串聯(lián) 塔架型式 :立柱拉索式塔架 風(fēng)機(jī)高度： 5米 整機(jī)重量： 175千克 FD7— 5000／ 9型風(fēng)力發(fā) 電機(jī) 1) 性能特點(diǎn) FD7一 5000／ 9型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組屬水平軸、上風(fēng)式、變槳距調(diào)節(jié)的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，適用的自然條件為全天候。配用不同的增速箱和發(fā)電機(jī)可以形成 、 5千瓦、 10千瓦三種功率檔次、 8種不同用途的變型產(chǎn)品。機(jī)組發(fā)出的三相交流電可用來給蓄電池充電貯能、給電阻器加熱、驅(qū)動異步電動機(jī)或輸入電網(wǎng)。參見圖 圖 4。 圖 3 FD75000/9型風(fēng)力發(fā)電機(jī) 圖 4 FD75000/9型風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出特性 2)主要技術(shù)指標(biāo) 葉片型式：木質(zhì)芯，外表包玻璃鋼結(jié)構(gòu) 葉片數(shù) :2片 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)動力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4 風(fēng)輪直 徑： 7米 風(fēng)輪標(biāo)定轉(zhuǎn)速 (額定轉(zhuǎn)速 )： 195/分 風(fēng)輪最高允許轉(zhuǎn)速： 250/分 啟動風(fēng)速： 4米 /秒 額定風(fēng)速： 9米 /秒 最高安全運(yùn)行風(fēng)速： 60米 /秒 發(fā)電機(jī)型式：電容勵磁異步 額定功率： 5000瓦 額定電壓：交流 380伏 機(jī)頭重量 (塔架以上部分 )： 560千克 利用方式： BAT(充電儲能式 )； CHA(電阻加熱式 )； MOT(驅(qū)動電動機(jī)式 )； RES(并網(wǎng)式 ) 蓄電池容量： 350安178。時(shí) 塔架高： 12米 整機(jī)重量： 2500千克 本課題的研究內(nèi)容 本課題研制的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要定位于它可為用戶的照明、彩色電視機(jī) 、音響設(shè)備、洗衣機(jī)、電冰箱、組合收錄機(jī)、航標(biāo)燈等電器提供穩(wěn)定可靠的電源。 總體要求是在滿足功能要求的前提下，使用簡單，外型明快，可靠性強(qiáng)，低成本。 從能量轉(zhuǎn)換的角度看，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由兩大部分組成。其一是風(fēng)力機(jī)，它的功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能 。其二是發(fā)電機(jī)，它的功能是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出的電能直接并到電網(wǎng)上，向電網(wǎng)饋電，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出的電能用儲能設(shè)備儲存起來 (一般用蓄電池 )，需要時(shí)再提供給負(fù)載 (可直流供電，亦可用逆變器變換為交流供給用戶 )，其簡要的系統(tǒng)圖如圖 5。 圖 5 風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)方框圖 本課題的研究內(nèi)容包括 : 進(jìn)行小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的總體功能需求分析，進(jìn)行整體方案設(shè)計(jì)，力求實(shí)現(xiàn)機(jī)與電的完美結(jié)合和統(tǒng)一。 風(fēng)力機(jī) 負(fù)載（電網(wǎng)） 發(fā)電機(jī) 風(fēng) 儲能設(shè)備 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)動力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5 進(jìn)行機(jī)器的機(jī)械裝配圖設(shè)計(jì)，功能完備后，然后進(jìn)行機(jī)械零件的詳盡設(shè)計(jì)。 根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片設(shè)計(jì)理論及實(shí)際風(fēng)能情況，設(shè)計(jì)出合適的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，并利用三維建模軟件 Solidworks建立葉片的三維實(shí)體模型。 根據(jù)功能要求設(shè)計(jì)一變速器裝置，其實(shí)達(dá)到改變方向的功能。 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)動力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 6 第二章 風(fēng)能資源 風(fēng)的 重要性 提到風(fēng)，誰都會說出很多切身的體會。如微風(fēng)吹過臉頰時(shí)的舒爽，狂風(fēng)刮過時(shí)的樹葉紛飛、飛沙走石的情景，如果遇上可怕的龍卷風(fēng)，那將是拔樹毀屋的恐怖景象，凡是見過的人無不“ 談風(fēng) 色 變 ” ?？傊?， 風(fēng)有時(shí)友好有時(shí) 又 不近人情，來 無 影去 無 蹤讓人捉摸不透。風(fēng)到底是什么，用科學(xué)的說法就是：地球表面的空氣水平運(yùn)動稱之為風(fēng)。太陽輻射對地球表面不均勻件加熱是形成風(fēng)的主要成因。 太陽對地球的輻射，透過厚厚的大氣層，到達(dá)地球表面，地球表面各處 (海洋和陸地；高山巖石 和平原土壤；沙漠、荒原和植被、森林地區(qū) )吸收熱量不同；由于地球自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)、季節(jié)、氣候的變化和晝夜溫差的影響，使地表各處散熱情況也各不相同，散熱多的地區(qū)，靠近地表的空氣受熱膨脹，壓力減少，形成低氣壓區(qū)，這時(shí)空氣從高氣壓區(qū)向低氣壓區(qū)流動，這就產(chǎn)生了風(fēng)。地形、地貌的差異， 地球自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)的影響，更加劇 了 空氣流動的力量和流動方向的多變性，使風(fēng)速和風(fēng)向的變化 更加 復(fù)雜 ⑤ 。 風(fēng)作為一種自然現(xiàn)象，有它本身的特性。通常采用風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)頻等基本指標(biāo)來表述。 (1)風(fēng)速：空氣在單位時(shí)間內(nèi)運(yùn)動的距離，用米 /秒 或千米 /時(shí) 作為計(jì)量單位。例如空氣在 1秒鐘內(nèi)運(yùn)動了 3米，那么風(fēng)速就是 3