概念性風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

概念型風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電院電氣三班栗宇一、引言能源是支持世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素和戰(zhàn)略資源，隨著經(jīng)濟(jì)全球化與人口的不斷增長，能源需求日益增加，而地球上石油、天然氣、煤炭這三種常規(guī)能源的日益枯竭和環(huán)境的持續(xù)惡化使得人們一方面注重節(jié)能技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，另一方面則著力開發(fā)和利用清潔、高效、可再生的能源。新能源是相對于常規(guī)能源說的有核能、太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、氫能、地?zé)崮芎统毕艿仍S多種。新能源的共同特點是比較干凈，除核裂變?nèi)剂贤猓瑤缀跏怯肋h(yuǎn)用不完的。由于煤、油、氣常規(guī)能源具有污染環(huán)境和不可再生的缺點，因此，人類越來越重視新能源的開發(fā)和利用。（1）核能技術(shù)。核能有核裂變能和核聚變能兩種。核裂變能是指重元素（如鈾、釷）的原子核發(fā)生分裂反應(yīng)時所釋放的能量，通常叫原子能。核聚變能是指輕元素（如氘、氚）的原子核發(fā)生聚合反應(yīng)時所釋放的能量。核能產(chǎn)生的大量熱能可以發(fā)電，也可以供熱。核能的最大優(yōu)點是無大氣污染，集中生產(chǎn)量大，可以替代煤炭、石油和天然氣燃料。①核裂變技術(shù)，從1954年世界上第一座原子能電站建成以后，全世界已有20多個國家建成400多個核電站，發(fā)電量占全世界16％。我國自己設(shè)計制造建成的第一座核電站是浙江秦山核電站30萬千瓦；引進(jìn)技術(shù)建成的是廣東大亞灣核電站180萬千瓦。核電站同常規(guī)火電站的區(qū)別是核反應(yīng)堆代替鍋爐，核反應(yīng)堆按引起裂變的中子不同分為熱中子反應(yīng)堆和快中子反應(yīng)堆。由于熱中子堆比較容易控制，所以采用較多。熱中子堆按慢化劑、冷卻劑和核燃料的不同，有輕水堆、重水堆、石墨氣冷堆、石墨水冷堆，這些堆型各有優(yōu)點，目前一般采用輕水堆較多。快中子反應(yīng)堆的優(yōu)點可以充分利用天然鈾資源，熱中子堆只能利用天然鈾中2％的左右的鈾，而快中子增值堆可以利用60％以上。②核聚變技術(shù)，這是在極高溫度下把兩個以上輕原子核聚合，故叫熱核反應(yīng)。由于聚變核燃料氘在海水中儲量豐富，幾乎人類可用之不盡。可以說，世界人類永恒發(fā)展的能源保證是核聚變能。（2）太陽能技術(shù)。①太陽能熱利用技術(shù)比較成熟，有太陽能熱水器、太陽能鍋爐燒蒸汽發(fā)電、太陽能制冷、太陽能聚焦高溫加工、太陽灶等，在工業(yè)和民用中應(yīng)用較多；②太陽能光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，通過太陽能光電池把光能轉(zhuǎn)換成電能（直流電），主要是光電池制造技術(shù)，太陽能電池有單晶硅、多晶硅、非晶硅、硫化鎘和砷化鋅電池許多種。

這種發(fā)電技術(shù)利用最方便，但大功率發(fā)電成本太高。③光化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)，利用太陽能光化學(xué)電池把水電解分離產(chǎn)生氫氣，氫氣是很干凈的燃料。（3）風(fēng)能技術(shù)。風(fēng)能是一種機(jī)械能，風(fēng)力發(fā)電是常用技術(shù)，目前世界上最大風(fēng)力發(fā)電機(jī)為3200千瓦，風(fēng)機(jī)直徑97.5米，安裝在美國夏威夷。我國風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)總共20萬千瓦，最大風(fēng)力發(fā)電機(jī)為120千瓦。風(fēng)能作為一種可再生能源，具有施工簡單、周期短、維護(hù)費用低、清潔無污染和不消耗任何燃料等優(yōu)點，其開發(fā)和利用可以減少環(huán)境污染、調(diào)整電力工業(yè)結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于偏遠(yuǎn)地區(qū)還具有成本優(yōu)勢。風(fēng)力發(fā)電是最具競爭力、最有發(fā)展前景的一項可再生能源技術(shù)，將在能源供應(yīng)中發(fā)揮越來越重要的作用，因此在世界各國得到了廣泛的開發(fā)和應(yīng)用。（4）生物質(zhì)能技術(shù)。這是利用動植物有機(jī)廢棄物（如木材、柴草、糞便等）的技術(shù)。①熱化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)，把木材等廢料通過氣化爐加熱轉(zhuǎn)換成煤氣，或者通過干餾將生物質(zhì)變成煤氣、焦油和木炭；②生物化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)，主要把

糞便等生物質(zhì)通過沼氣池厭氣發(fā)酵生成沼氣，沼氣的主要成分是甲烷。沼氣技術(shù)在我國農(nóng)村得到較好應(yīng)用，工業(yè)沼氣技術(shù)也開始應(yīng)用。③生物質(zhì)壓塊成型技術(shù)，把烘干粉碎的生物質(zhì)擠壓成型，變成高密度的固體燃料。（5）氫能技術(shù)。氫氣熱值高，燃燒產(chǎn)物是水，完全無污染。而且制氫原料主要也是水，取之不盡，用之不竭。所以氫能是前景廣闊的清潔燃料。（6）地?zé)崮芗夹g(shù)。地?zé)崮苡姓羝蜔崴畠煞N。地?zé)嵴羝休^高壓力和溫度，可直接通過蒸汽輪機(jī)發(fā)電；地?zé)釤崴詈檬翘菁壚茫葘⒏邷氐責(zé)崴糜诟邷赜猛?，再將用過的中溫地?zé)崴糜谥袦赜猛?，然后再將用過的低熱水再利用，最后用于養(yǎng)魚、游泳池等。（7）潮汐能技術(shù)。潮汐發(fā)電技術(shù)是低水頭水力發(fā)電技術(shù)，容量小，造價高。我國海岸線長達(dá)14000公里，有豐富潮汐能。據(jù)估算，全國可開發(fā)利用潮汐發(fā)電裝機(jī)容量為2800萬千瓦，年發(fā)電700億千瓦時發(fā)展趨勢隨著資源的日益枯竭和環(huán)境保護(hù)意識的加強(qiáng)，風(fēng)力發(fā)電作為最具競最有發(fā)展前景的一項可再生能源技術(shù)，在全球范圍內(nèi)得到了高度重視。量子永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有與傳統(tǒng)電機(jī)不同的旋轉(zhuǎn)模式，其電樞轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子相向旋轉(zhuǎn)，同樣風(fēng)速條件下發(fā)電能力提高一倍，最低工作風(fēng)速降為普通永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的一半，最高工作風(fēng)速與普通永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)一樣，能加寬工作風(fēng)速范圍和提高風(fēng)能利用率。同時，同樣的極對數(shù)下雙轉(zhuǎn)子永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速只需普通永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的一半即可，因此在風(fēng)力發(fā)電尤其是直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域具有獨特的優(yōu)勢。全球風(fēng)能資源豐富，約為2.74×109MW，可利用的風(fēng)能約為2×107MW，比上可開發(fā)利用的水能總量大10倍，而且?guī)缀醴植荚谒械牡貐^(qū)和國家。自從1973年世界發(fā)生石油危機(jī)以來，美國、西歐等發(fā)達(dá)國家為尋求替代化石燃料的能源，開創(chuàng)了風(fēng)能利用的新時期。80年代開始建立示范風(fēng)電場，成為電網(wǎng)新的電源；到了90年代對環(huán)境保護(hù)的要求日益嚴(yán)格，特別是要兌現(xiàn)減排CO2等溫室效應(yīng)氣體的承諾，風(fēng)電的發(fā)展進(jìn)一步加快。德國和丹麥?zhǔn)抢吓频娘L(fēng)電大國，20世紀(jì)90年代幾乎壟斷著風(fēng)機(jī)制造業(yè)；進(jìn)入21世紀(jì)，西班牙和印度迅速成為后起之秀。風(fēng)力發(fā)電經(jīng)歷了從獨立系統(tǒng)到并網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展過程，大規(guī)模風(fēng)力田的建設(shè)已成為發(fā)達(dá)國家風(fēng)電發(fā)展的主要形式，發(fā)電能力每增加一倍，成本就下降15％，近年來全世界風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量的年平均增長率均超過了30％。我國風(fēng)力產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀近年國際石油市場大幅波動，國內(nèi)能源供應(yīng)趨向緊張，能源價格也在不斷攀升，嚴(yán)重影響了我國國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。我國能源結(jié)構(gòu)的不合理也造成了嚴(yán)重的煤煙型環(huán)境污染，在氣候變化和溫室氣體排放問題上承受著越來越大的國際壓力。根據(jù)世界能源委員會的計算，風(fēng)電每提供1000MW的電量，便能減少600頓CO2的排放，將在很大程度上有助于環(huán)境質(zhì)量的改善。另外，根據(jù)世界銀行專家從我國煤電與風(fēng)電價格的變化趨勢估計，風(fēng)電價格將從2005年的0.55元／千瓦時，下降到2020年的0.4元／千瓦時左右，而煤電價格將從近年的0.35元／千瓦時上升到0.4元／千瓦時左右。由此看來，到2020年，風(fēng)電將變成我國一種經(jīng)濟(jì)上很具競爭力的電力資源。我國發(fā)展風(fēng)電的特點(l）在風(fēng)力資源豐富、電網(wǎng)通達(dá)的地區(qū)，風(fēng)力發(fā)電作為一種清潔的可再生能源，補(bǔ)充和逐步替代部分常規(guī)能源，緩解電力供應(yīng)緊張的現(xiàn)狀，提高當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境質(zhì)量，以發(fā)展大型風(fēng)電場為主；(2）在風(fēng)力資源豐富或較豐富的邊遠(yuǎn)無電、缺電地區(qū)，以發(fā)展小型或中型獨立運行的風(fēng)電系統(tǒng)為主，利用風(fēng)力發(fā)電解決邊遠(yuǎn)地區(qū)的生活用電和部分生產(chǎn)用電。小型風(fēng)電在我國的應(yīng)用前景風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的趨勢是單機(jī)容量不斷增大，但與小容量發(fā)電系統(tǒng)相比，它們的造價及引進(jìn)費用非常昂貴，更受到風(fēng)源條件的制約。而小型風(fēng)機(jī)造價低廉、運輸方便，可單獨應(yīng)用于個別家庭和企業(yè)，如果將低價的小型風(fēng)機(jī)并聯(lián)起來使用，不但能滿足負(fù)荷需求，還能節(jié)省費用且更具靈活性。我國可以利用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的地方主要有以下幾點：（1）東南沿海各孤立的島嶼及農(nóng)牧區(qū)和邊遠(yuǎn)山區(qū)：這些偏遠(yuǎn)地區(qū)居民居住比較分散，常規(guī)能源缺乏，用覆蓋電網(wǎng)的方式供電成本較高或根本無法到達(dá)，但它們屬風(fēng)能資源豐富區(qū)，用小型風(fēng)力發(fā)電可以很好地解決用電困難問題。20世紀(jì)80年代，內(nèi)蒙古小型戶用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的推廣應(yīng)用，就很好地解決了大多數(shù)農(nóng)牧民的用電問題，使他們的生活方式發(fā)生了質(zhì)的變化。(2）航運系統(tǒng)：如長江航運中的拖船，一般為100一200t，經(jīng)常被擱置在江中間的錨地上，用電主要靠蓄電池。使用風(fēng)力發(fā)電機(jī)對蓄電池充電效果很好，這方面已有成功的經(jīng)驗。另外，我國大小河流湖泊上的船舶數(shù)量驚人，可以用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)來解決它們的照明、收看電視、聽廣播等日常生活用電。(3）森林防火高山觀察站：據(jù)林業(yè)部防火指揮部介紹，東北約有400個觀察站，西南也有幾百個高山觀察站，各省市都有一些森林高山防火觀察站，站上的工作人員從每年10月到第二年4、5月的防火期期間晝夜在站上值勤，由于山高、道路狹窄崎嶇、運輸困難，又不能使用明火，解決他們的生活用電頗為費神，使用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以基本解決這一問題。(4）城市路燈的光伏、風(fēng)力互補(bǔ)系統(tǒng)：可節(jié)省能源、美化城市環(huán)境、減輕空氣污染，提高當(dāng)?shù)鼐用竦纳钯|(zhì)量等。(5）通風(fēng)管道：將小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用在各工廠的通風(fēng)管道系統(tǒng)中，節(jié)能效果非常顯著。雙轉(zhuǎn)子風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計已采用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)有三種，即直流發(fā)電機(jī)、異步和同步交流發(fā)電機(jī)，不論是何種電機(jī)，均由定子和轉(zhuǎn)子兩大主要部件組成，靠轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動在處于變化磁場中的繞組內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，將風(fēng)輪捕獲的風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能。實際上不可能將捕獲的風(fēng)能全部轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電機(jī)只有在額定的風(fēng)速范圍內(nèi)才能正常運轉(zhuǎn)，工作風(fēng)速的范圍較窄，風(fēng)能利用系數(shù)較低，即使在正常工作時，其風(fēng)能利用系數(shù)也很低，一般在0.3左右，超過半數(shù)的風(fēng)能未能得到充分的捕捉和轉(zhuǎn)化。另外，在現(xiàn)有的百瓦級小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)絕大多數(shù)采用三相同步發(fā)電機(jī)加整流器的結(jié)構(gòu)，也有少數(shù)采用直流發(fā)電機(jī)。不論是直流發(fā)電機(jī)還是永磁同步發(fā)電機(jī)，它們在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用時都存在一定的缺點與不足。雙轉(zhuǎn)子風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究意義己采用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)有三種，即直流發(fā)電機(jī)、異步和同步交流發(fā)電機(jī)，不論是何種電機(jī)，均由定子和轉(zhuǎn)子兩大主要部件組成，靠轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動在處于變化磁場中的繞組內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，將風(fēng)輪捕獲的風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能。實際上不可能將捕獲的風(fēng)能全部轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電機(jī)只有在額定的風(fēng)速范圍內(nèi)才能正常運轉(zhuǎn)，工作風(fēng)速的范圍較窄，風(fēng)能利用系數(shù)較低，即使在正常工作時，其風(fēng)能利用系數(shù)也很低，一般在0.3左右，超過半數(shù)的風(fēng)能未能得到的捕捉和轉(zhuǎn)化。另外，在現(xiàn)有的百瓦級小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)絕大多數(shù)采用三相同步發(fā)電機(jī)加整流器的結(jié)構(gòu)，也有少數(shù)采用直流發(fā)電機(jī)。不論是直流發(fā)電機(jī)還是永磁同步發(fā)電機(jī)，它們在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用時都存在一定的缺點與不足。直流發(fā)電機(jī)的輸出電壓波形較平穩(wěn)，但其換向裝置容易磨損、故障率高、壽命短。風(fēng)力發(fā)電機(jī)都安裝在幾十米高的塔架上，維修更換很不方便；同時，換向裝置的維修更提高了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的度電成本。普通永磁同步發(fā)電機(jī)采用永磁體勵磁，無需外加勵磁裝置，減少了勵磁損耗；同時它無需換向裝置，因此具有效率高，壽命長等優(yōu)點。但是由于其勵磁不能調(diào)節(jié)，從而使得輸出電壓調(diào)整率較高，輸出電壓波動范圍較大，勢必會造成蓄電池欠、過壓保護(hù)裝置的頻頻動作，縮短其使用壽命，會使發(fā)電成本居高不下，從而使小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)難于推廣應(yīng)用。因此，在小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，維持發(fā)電機(jī)電壓平穩(wěn)，對保證用電設(shè)備的性能與壽命和系統(tǒng)的穩(wěn)定運行及風(fēng)電系統(tǒng)的推廣應(yīng)用都具有重要意義。雙轉(zhuǎn)子永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)（dual一rotorpermanent一magnetwindgenerator，簡稱DRPMWG)與普通永磁同步發(fā)電機(jī)的差別僅僅在于原來靜止不動的定子現(xiàn)在也可以相對于機(jī)座自由地旋轉(zhuǎn)，即電樞部分也能旋轉(zhuǎn)，使得電樞與永磁體的相對轉(zhuǎn)速提高一倍，同樣風(fēng)速條件下發(fā)電能力也能提高一倍，且即使在風(fēng)速很低的情況下也能建壓工作，降低了起動風(fēng)速，最低工作風(fēng)速為普通永磁電機(jī)的一半，最高工作風(fēng)速兩者一致，因此能加寬工作風(fēng)速范圍，提高風(fēng)能利用率。極對數(shù)相同時，其工作轉(zhuǎn)速可降為普通永磁發(fā)電機(jī)的一半，因此在直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電方面更具有明顯優(yōu)勢。雙轉(zhuǎn)子永磁發(fā)電機(jī)除了能應(yīng)用于上述風(fēng)力發(fā)電場合外，還能應(yīng)用于水輪發(fā)電機(jī)、飛機(jī)引擎的渦輪發(fā)動機(jī)、潛艇和魚雷的推進(jìn)器改進(jìn)等軍事科研方面，具有極其重要的科研地位。雙轉(zhuǎn)子電機(jī)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)因其結(jié)構(gòu)新穎簡單、功率密度和轉(zhuǎn)矩密度高、應(yīng)用范圍廣，引起了廣大研究者的興趣。德國的NikolausNeuberger最早提出一種單定子雙轉(zhuǎn)子異步電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖所示，包括內(nèi)、外兩個轉(zhuǎn)子和一個兩面開槽的定子，可看作由兩臺共用定子鐵心的異步電機(jī)組成，該電機(jī)與普通異步電機(jī)的最大區(qū)別在于定子采用環(huán)形繞線方式，可以大大縮短端部長度，2極或4極該電機(jī)的漏感僅為普通異步電機(jī)的70一80%，效率和功率因數(shù)可分別提高3％和0.08。雙轉(zhuǎn)子電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮到所設(shè)計的DRPMWG需要引入滑環(huán)和碳刷裝置，采用內(nèi)永磁外繞線轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。在外繞線轉(zhuǎn)子沖片疊壓形成的鐵心外層套一個兩端帶出軸的外殼并燒焊成一個整體，再在兩端加設(shè)端蓋，用螺栓將其與外轉(zhuǎn)子固定為一體，將滑環(huán)熱套在該轉(zhuǎn)軸的一端上以引出繞組，另一端引出軸。將整體的且一端有出軸的內(nèi)永磁轉(zhuǎn)子通過兩端軸承同軸心地嵌套在外繞線轉(zhuǎn)子內(nèi)，在外轉(zhuǎn)子兩端裝設(shè)軸承用來連接外轉(zhuǎn)子和機(jī)座，內(nèi)、外轉(zhuǎn)子各伸出的軸頭上分別安裝兩組具有相反偏轉(zhuǎn)角的風(fēng)輪以帶動內(nèi)、外轉(zhuǎn)子各自獨立地相向旋轉(zhuǎn)。圖1-2給出了所設(shè)計DRPMWG的結(jié)構(gòu)示意圖。總結(jié)雙轉(zhuǎn)子永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)改變了傳統(tǒng)電機(jī)結(jié)構(gòu)，使得電樞也能與永磁轉(zhuǎn)子相向旋轉(zhuǎn)，同樣風(fēng)速條件下發(fā)電能力提高一倍，最低工作轉(zhuǎn)速