風能工程課程設(shè)計

1、課 程 設(shè) 計（2015-2016學年第一學期）課程名稱： 風能工程 學生姓名： 張嘉栗 專業(yè)班級： 13能源 學 院： 工程學院 學 號： 176340018 學生成績： 目錄第一章小型風力發(fā)電系統(tǒng)概述11.1 小型風力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀11.2小型風力發(fā)電的前景2第二章設(shè)計原始資料22.1 設(shè)計地點22.2 設(shè)計要求及用途2第三章風力機的設(shè)計計算33.1 風力機的基本參數(shù)33.1.1 風力機的額定風速33.1.2 風力機的風輪直徑33.2 風力機功率33.3尾舵的長度與面積43.4 塔架高度及形式53.5 蓄電池容量63.6控制器、逆變器、泄荷器的容量83.6.1 控制器的容量83.6.2 逆

2、變器的容量83.6.3 泄荷器的容量8第4章風力機其他部件選擇與匹配94.1 葉片的組成94.2風輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計124.3 調(diào)速機構(gòu)側(cè)翼式組成134.4 發(fā)電機型號選擇144.5 其它附屬部件的設(shè)計說明15第五章設(shè)計總結(jié)15參考文獻17第一章小型風力發(fā)電系統(tǒng)概述1.1 小型風力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀小型風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)在持續(xù)地發(fā)展， 但遠沒有大型風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)那么迅速。到目前為止，對全球 50W-100kW 的小型風力發(fā)電機組生產(chǎn)量的粗略估計是 650,000 到 700,000 臺， 裝機容量為 200MW 

3、到 280MW。最成功的是用于分散家庭的小型風力發(fā)電機組，功率往往僅幾百瓦。最大的市場是我國和蒙古的戶用系統(tǒng)，也包括一些較大容量的風能互補系統(tǒng)， 風力發(fā)電機組的單機容量為 1-50kW。同時，還有大量的小型風力發(fā)電機組被應用到了移動通信基站。中國的風能資源十分豐富。根據(jù)全國900多個氣象站的觀測資料進行估計，中國陸地風能資源總儲量約32.26億KW，其中可開發(fā)的風能儲量為2.53億KW，而海上的風能儲量有7.5億KW，總計為10億KW。我國的風電開發(fā)起步較晚，大體分為三個階段。      第一階段是19861990

4、年我國并網(wǎng)風電項目的探索和示范階段。其特點是項目規(guī)模小，單機容量小，最大單機200KW，總裝機容量4.2千KW。      第二階段是19911995年示范項目取得成效并逐步推廣階段。共建5個風電場，安裝風機131臺，裝機容量3.3萬KW，最大單機500KW。  第三階段是1996年后擴大建設(shè)規(guī)模階段。其特點是項目規(guī)模和裝機容量較大，發(fā)展速度較快，平均年新增裝機容量6.18萬KW，最大單機容量達到1300KW。 小型風力發(fā)電機組一般由風輪、發(fā)電機、調(diào)速和調(diào)向機構(gòu)、停車機構(gòu)、塔架及拉索等、控制器、蓄電池、逆變器等幾部分組成。1

5、.2小型風力發(fā)電的前景中國風力等新能源發(fā)電行業(yè)的發(fā)展前景十分廣闊，預計未來很長一段時間都將保持快速發(fā)展。隨著中國風電設(shè)備的國產(chǎn)化，風光互補系統(tǒng)等新型技術(shù)的日漸成熟，小型風力發(fā)電的成本可望再降，經(jīng)濟效益和社會效益提升，小型風力發(fā)電市場潛力巨大。小型風電機組相關(guān)設(shè)備制造、小型風電技術(shù)研發(fā)、風電路燈等領(lǐng)域成為投資熱點，市場前景看好。第二章設(shè)計原始資料2.1 設(shè)計地點遼寧省沈陽市沈陽農(nóng)業(yè)大學能源基地2.2 設(shè)計要求及用途表1 沈陽市氣象資料年平均風速(m/s)海拔高度/m平均空氣溫度盛行風向（2011-2015）/天3.1508.1 西南風428小型風力發(fā)電機組可為沈陽農(nóng)業(yè)大學能源基地的照明提供穩(wěn)定可

6、靠的電源。第三章風力機的設(shè)計計算3.1 風力機的基本參數(shù)3.1.1 風力機的額定風速小型風力發(fā)電機的額定風速為當?shù)啬昶骄L速的1.6倍，即v=1.6×3.1=4.963.1.2 風力機的風輪直徑D=2080Nev3（公式1）式中：D風輪直徑，m；v額定風速，m/s ；風力機的系統(tǒng)效率，取 = 20%； Ne輸出功率，KW，取Ne=18KW。求得D=39.2m3.2風力機功率風輪的功率與風輪葉片數(shù)目無直接關(guān)系，與風輪直徑的平方成正比，與風速的立方成正比，與風輪功率系數(shù)成正比，即風輪的功率可表示為：N=D2v32080Cp(kW) (公式2)Ne=NV(KW) (公式3)式中：D風輪直徑

7、,m ； v額定風速，m/s ；風力發(fā)電系統(tǒng)總效率，=0.2 ；Cp風輪功率系數(shù)，Cp= 0.2；N風輪功率，KW；Nv吹向風輪的風具有的功率；Ne風力機最終所發(fā)出的有效功率，KW 。3.3尾舵的長度與面積尾舵是最常見的一種調(diào)向裝置，它廣泛用于小、微型風力機上。尾舵由尾桿和尾翼組成（圖1）圖1尾舵結(jié)構(gòu)示意圖尾舵的長度按下式取值:L1：L2=1：4（公式4）實用中一般常使L1=0.15D；L2=0.6D。D為風輪直徑?？傻茫篖1=0.15×39.2=5.88m，L2=0.6×39.2=23.52m設(shè)轉(zhuǎn)動著的風輪掃掠面積為A，尾翼的面積為Ai，其面積之比按如下關(guān)系取值:對3葉風

8、輪，取Ai=0.04A。（公式5）其中A=NefCACT（公式6）表2 f與v的關(guān)系已知v=3.1m/s=11.09mile/h，根據(jù)表2利用內(nèi)插法可得f=7.023表3 海拔校正因子CA值已知海拔=50m=164ft，根據(jù)表3利用內(nèi)插法可得CA=0.994表4 溫度校正因子CT值已知T=8.1=46.58，根據(jù)表4利用內(nèi)插法可得CT=1.028由公式5和公式6可得Ai=12541.32ft2=1165.14m23.4 塔架高度及形式對于該小型風力發(fā)電系統(tǒng)，塔架采用單管拉線式，塔架由一個鋼管和3條拉線組成，具有結(jié)構(gòu)簡單、輕便、穩(wěn)定等優(yōu)點。圖2單管拉線式塔架示意圖塔架的最低高度可按下式考慮:H=

9、h+C+R（公式7）式中：h接近風力機的障礙物高度，取h=5m； C由障礙物最高點到風輪掃掠而最低點距離，常為1.52m，取C=2m; R風輪半徑?？傻盟艿淖畹透叨龋篐=5+2+39.2/2=26.6m3.5 蓄電池容量蓄電池在直流發(fā)供電系統(tǒng)中起著貯存電能和穩(wěn)定電壓的重要作用。配置合理容量的蓄電池，延長蓄電池的使用壽命，對用戶的用電和節(jié)省經(jīng)費開支都有重要的現(xiàn)實意義。蓄電池容量采用風能工程中連續(xù)無有效風期計算法來確定：連續(xù)無有效風期計算法只要計算出平均日耗電量，再乘以當?shù)剡B續(xù)無有效風的天數(shù)，再考慮到蓄電池的效率，就可估算出所需蓄電池的容量?？刹捎孟旅婀?C=耗*N/（公式8）式中：C選配蓄電

10、池的容量，Wh；耗平均日電量， Wh； N連續(xù)無有效風期；蓄電池效率，若采用A.h單位可取0.85，若采用W.h單位，可取0.75。風力發(fā)電機的額定功率為18KW，風輪直徑為39.2m，由調(diào)查資料可知：連續(xù)無有效風期為5天。初步調(diào)查估算得出能源基地用電設(shè)備如下：（1） 能源基地實驗室的電燈40個，功率40W，使用時間為6h/d；（2）路燈6個，功率50W，使用時間平均10h/d；計算得出：平均每天耗電量：耗=40×40×6+6×50×10=12.6 (KW.h)；由公式35可得出：蓄電池容量為：C=12.6×5/0.75=84(KW.h)；換算

11、成安時單位:84000/24=3500（Ah）。因此，選用容量為3500 Ah的蓄電池比較合適。即選用18塊24V/200A.h的蓄電池串聯(lián)。3.6控制器、逆變器、泄荷器的容量我們知道，風能有很大的限制性。風的能量密度低，氣流瞬息萬變，時有時無，時大時小，日、月、季、年的變化都十分明顯，波動很大，極不穩(wěn)定。如果只有一臺風力發(fā)電機，它發(fā)的電就會時有時無，電壓時高時低，無法正常向用戶提供所需的電能。我們必須建立一個發(fā)電系統(tǒng)，來保證其正常供電。整個發(fā)電系統(tǒng)包括控制器、逆變器、泄荷器、蓄電池。3.6.1 控制器的容量很多風力發(fā)電機將整流設(shè)備設(shè)置在控制器中，同時控制器具有防止風力發(fā)電機向蓄電池過充電和防

12、止蓄電池向用電器過放電等控制功能。為了保證控制器的運行安全，控制器的相關(guān)部分的最大工做功率必須比風力發(fā)電機發(fā)出的最大功率大20%，計算得出C值為21.6KW。3.6.2 逆變器的容量由于蓄電池輸出的是直流電，它只能為直流用電器供電，而我們在日常生活和生產(chǎn)中很多用電器是用交流電的，所以需要用逆變器將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姟Ｍǔ＿x用高效率、高可靠性、較寬適用范圍的逆變器。逆變器越接近最大額定功率處工作，工作效率越高，可達80%。因此，應選用容量接近于風力發(fā)電機的額定功率，取C值為18KW。3.6.3 泄荷器的容量系統(tǒng)中需配備泄荷器。當風力發(fā)電機輸送的高電壓加載到系統(tǒng)中會嚴重破壞控制器或者逆變器；當停止

13、給蓄電池充電時，需提供一個放電通道，當系統(tǒng)中加入泄荷器時能保證系統(tǒng)的安全。為了保證泄荷器的運行安全，泄荷器的相關(guān)部分的最大做功率必須比風力發(fā)電機發(fā)出的最大功率大20%，計算得C值為21.6KW。第4章風力機其他部件選擇與匹配4.1 葉片的組成風力發(fā)電機螺旋槳式的葉片一般有兩個特點：一是葉片橫截面形狀接近流線型；二是沿葉片的長度方向呈螺旋狀。故該風力機風輪可采用螺旋槳式葉片。風力機葉片的設(shè)計方法采用圖解設(shè)計法。如圖所示的葉片其橫截面(翼型)近似呈流線形，圖3 Clark-Y翼型圖中:R風輪半徑(從風輪中心到葉尖的距離);ri一從風輪中心到計算橫截面位置的距離;Li一弦長(從翼型前緣到后緣的直線距

14、離);i一攻角(弧與水平面之間的夾角);尖速比;i一各翼型處的周速比(該處圓周線速度與風速比)。在開始設(shè)計葉片形狀之前，先按上述方法確定風輪面積，計算出風輪的直徑D，風力發(fā)電機的風輪葉片數(shù)多為2片或3片，尖速比一般為8葉片為3、風輪直徑為39.2m、尖速比為8的螺旋槳式葉片圖解設(shè)計法。第一步:按適當比例繪一直線，長度為39.2/2=19.6m，并等分8份，各個位置間距離為1.73m。計算出各個位置上的周速比。以i=0riR式計算： 1位置：r1=2.45m， 1=0×r1R=8×2.4519.6=1 2位置: r2=4.9m ， 2=0×r2R=8×4.

15、919.6=23位置:r3=7.35m， 3=0×r3R=8×7.3519.6=34位置：r4=9.8m ， 4=0×r4R=8×9.819.6=45位置：r5=12.25m, 5=0×r5R=8×12.2519.6=56位置：r6=14.7m，6=0×r6R=8×14.719.6=67位置：r7=17.15m，7=0×r7R=8×17.1519.6=78位置：r8=19.6m，8=0×r8R=8×19.619.6=8第二步:分析各位置處的攻角。攻角與周速比的關(guān)系如圖3所示。

16、即1位置:1=1，查圖得1=30°2位置:2=2，查圖得2=17°3位置:3=3，查圖得3=12°4位置:4=4，查圖得4=9.5°5位置:5=5，查圖得5=7.5°6位置:6=6，查圖得6=6.5°7位置:7=7，查圖得7=5.5°8位置:8=8，查圖得8=5°圖4葉片的周速比和攻角的關(guān)系圖5葉片的周速比和弦長的關(guān)系由圖3可知，在靠近風輪中心處，攻角值急劇增大，在制造和葉片安裝有困難時，可使此處的。角略小一些，光滑過渡即可。第三步:計算各位置的翼型弦長。各位置的弦長與周速比的關(guān)系如圖4所示。對于三葉片的風輪計算如

17、下:2位置:2=2，查圖得L2r2=0.26，L2=4.9×0.26=1.274m3位置:3=3，查圖得L3r3=0.16，L3=7.34×0.16=1.174m4位置:4=2，查圖得L4r4=0.11，L4=9.8×0.11=1.078m5位置:5=5，查圖得L5r5=0.085，L5=12.25×0.085=1.041m6位置:6=6，查圖得L6r6=0.07，L6=14.7×0.07=1.029m7位置:7=7，查圖得L7r7=0.05，L7=17.15×0.05=0.858m8位置:8=8，查圖得L8r8=0.04，L8=19

18、.6×0.04=0.785m第四步:把各個位置的弦長連接起來，便得到了葉片受風平面展開形狀。再按各個位置上的攻角值，把這個平面形狀“扭”成螺旋狀。至于翼型的上部曲線形狀，則根據(jù)實際需要繪制出。4.2風輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計風輪是風力機區(qū)別于其他動力機的主要標志。其作用是捕捉和吸收風能，并將其轉(zhuǎn)化為機械能，由風輪軸將能量送至傳動裝置。風輪主要由葉片、葉柄、輪轂、風輪軸等組成。葉片的基本形式有三種，即平板型、弧板型、和流線型。具體構(gòu)成簡圖如下：1.葉片 2.葉柄 3.輪轂 4.風輪軸圖6 風輪組成示意圖風輪的主要幾何參數(shù)有風輪軸（風輪的旋轉(zhuǎn)軸），回轉(zhuǎn)面積(垂直于風輪軸的平面),風輪直徑（風輪掃風面

19、的直徑），葉片軸線（葉片縱軸線）風輪的主要設(shè)計參數(shù)：（1） 風輪葉片數(shù)一般風輪的葉片數(shù)取決于風輪的尖速比。由于本風機的尖速比為8，因此選用葉片數(shù)為2或3片；又因為三葉片的風力機的運行與輸出功率較平穩(wěn)，因此選用葉片數(shù)為3。（2） 風輪直徑D 由公式1可得D=39.2m（3） 設(shè)計風速v 設(shè)計風速取決于風力發(fā)電機組地區(qū)的風能資源?？梢园慈戢@得的最大原則確定設(shè)計風速。v=5m/s.（4） 尖速比 尖速比是風輪的葉尖速度與設(shè)計風速之比。=8。（5） 實寬實寬是風輪的葉片面積之和與風輪掃掠面積之比。（6） 翼型及升阻比本風機采用流線型，升阻比即葉片升力與阻力的比值。4.3 調(diào)速機構(gòu)側(cè)翼式組成風力發(fā)電機

20、若要有一個穩(wěn)定的功率輸出，就要設(shè)置調(diào)速機構(gòu)。該風機采用側(cè)翼式定槳距調(diào)速：側(cè)翼式側(cè)翼式調(diào)速(限速)機構(gòu)(圖7)是在風輪后面向一側(cè)伸出一只側(cè)冀，翼柄平行于地面和風輪旋轉(zhuǎn)面，同時配有能使風輪回位裝置，如彈簧、配重等。它的工作原理是:當風速處于額定風速之內(nèi)時，風輪在(圖7)(a)工作狀態(tài)，此時側(cè)翼雖然也有風的正面壓力，但壓力的數(shù)值尚沒達到使彈簧被拉伸的程度;當風速超過額定風速后側(cè)翼所受風壓使風輪偏轉(zhuǎn)到(圖7)(b)的位置，彈簧被拉伸，此時風速雖然增大，但由于風輪迎風面積縮小了，風輪仍在額定轉(zhuǎn)速下工作;當風速一旦減小，彈簧又將風輪拉回到原來的方位;圖7中(c)為強風時狀況，以防大風時對風力機造成破壞。圖

21、7 側(cè)翼式調(diào)速機構(gòu)示意圖4.4 發(fā)電機型號選擇小型風力發(fā)電機系統(tǒng)選用發(fā)電機型號為靜電電容器勵磁的三相異步電發(fā)電機。選用揚州神州發(fā)電機有限公司生產(chǎn)的 光芒/FD20KW額定電壓為220V，額定轉(zhuǎn)速180r/min，啟動風速為2.5m/s。通過控制器、逆變器等部件可穩(wěn)定輸出220V交流電。1.輪轂2.傳動系統(tǒng)3.增速齒輪箱 4.剎車5.發(fā)電機6.塔架7.風速風向儀圖8水平軸風力發(fā)電機4.5 其它附屬部件的設(shè)計說明表5其它附屬部件的設(shè)計詳表部件材質(zhì)機艙機頭座回轉(zhuǎn)體尾翼停車機構(gòu)齒輪增速箱耐腐蝕性的玻璃纖維鋼用法蘭盤固定在塔架頂端向心球軸承加推力軸承用螺栓及法蘭盤固定在回轉(zhuǎn)體后端 帶式制動器，安裝在風輪

22、軸上 輸出軸與發(fā)電機軸用聯(lián)軸器連接第五章設(shè)計總結(jié)根據(jù)設(shè)計原始資料，通過各種途徑查閱相關(guān)文獻資料，設(shè)計了較為完整的小型風力發(fā)電系統(tǒng)，并為其匹配了相關(guān)附件。設(shè)計的小型風力發(fā)電系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，持續(xù)供電，滿足了設(shè)計要求。設(shè)計過程中在蓄電池的匹配和用電器與風能電力系統(tǒng)三者平衡匹配方面發(fā)現(xiàn)有很大部分的風能資源得不到充分利用，否則需要大量的蓄電池來儲存能量。根據(jù)能量平衡法算出的值跟連續(xù)無有效風期計算法算出的值存在很大差異 。在課程設(shè)計中將老師在上課講的理論知識應用到具體實踐當中，使得對知識有了更深入的理解，在老師的指導下順利完成了課程設(shè)計任務。風力發(fā)電系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)見表6和表7：表6小型風力發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)詳表