风力发电系统设计毕业设计.doc

课 程 设 计 设计题目：风力发电系统设计姓 名 黄艳丽 院 系 食品工程学院 专 业 热能与动力工程 年 级 2012级 学 号 20122916061 指导教师 刘启一 2016年 1 月 5 日目录引言11设计概述21.1风力发电的意义21.2明确风力发电系统设计的要求和条件21.3风力发电系统设计方案的拟定21.3.1风力发电机的类型及选择原则21.3.2风电场类型31.3.3安装地点32风力发电系统结构组成设计32.2风力发电系统设计参数32.2.1风力发电机类型选择32.2.2 风力机的功率42.2.3控制方式42.2.4最大功率追踪53设备计算及选型53.1风力机设计计算53.1.1叶片设计计算53.1.2轮毂选型53.1.3塔架设计计算63.1.4齿轮箱的选择确定63.1.5机舱设计73.2控制系统选型设计73.3变流器功率选择73.4逆变器选型计算83.5接触器的选择83.6熔断器的选择83.7传感器、继电器的选择84设计体会95主要参考文献9引言自然界的风，是由于大气运动而产生的自然形式。大气运动则是因为大气受到太阳的辐射，能量来源于大气吸收的部分太阳能，太阳到达地球辐射的20%会转变成风能。人类对于风能利用的历史久远，可以追溯到公元10世纪，波斯就出现了种水平转动的风磨，即为以风车为动力的磨坊。风能是种取之不尽、用之不竭的可再生能源之一。它的特点是生产运用过程安全清洁，成本花费较低，来源不受限制。风能也是种最具商业潜力，最具发展活力的绿色能源，运用于发电这一领域有很大的运用空间。风电是目前技术最成熟、最具市场竞争力且极具发展潜力的可再生清洁能源，发展风电对于改善能源结构、保护生态环境、保障能源安全和实现经济的可持续发展等方面有着及其重要的意义。风力发电具有装机容量增长快，成本下降快，安全环保等优势。风力发电在为社会发展和经济增长提供稳定可靠的电力供应的同时，可以有效地缓解空气污染、水体污染和温室效应问题。在各类新能源开发利用中，风力发电技术相对于其他能源开发是比较成熟的，并且具有大规模场地开发和商业经济开发的条件。风力发电可以完全避免像石油、煤炭等化石燃料发电所产生的大量污染物和二氧化碳排放。 我国的风能资源分布：我国风能资源的地区区域差异大。沿海、内蒙古和甘肃北部、黑龙江南部和吉林东部三个区域风能最多；青藏高原中部和北部、西北、华北、东北三区域的北部，东南沿海的风能资源丰富；山区，例如南岭、武夷山地区，辽河、华北、长江中下游平原、西北高原地区，风能可待开发利用；云贵川陕西、豫西、鄂北、湘西、福建广东，盆地地形区等风能贫乏。我国风能资源的分布除了具有空间上的差异以外，在时间上也有很大的差异。东部沿海地区，夏季风势力强劲，风能资源主要集中在夏季。而北方以及西北内陆地区，冬季风势力强劲，所以这些地区风能资源主要集中在冬季。海上风电场是最近世界范围内广泛推广使用的大型有效利用风能资源的形式，在1980年初在美国加利福尼亚首先兴起。在海陆线附近由于陆地、海洋吸热量差异大，表体温度差异大而产生丰富的风能资源，风力强大，可以大规模采取进行发电。不过在海陆线上建设风力发电厂还存在技术的难度，需要投入巨额资金装备和维护，所以在美国，德国，中国等这样的大国才进行投产建设。1设计概述1.1风力发电的意义 随着电力和能源改革逐步深入，在国家倡导节能减排的大背景下，风力发电成为新能源开发利用的重要领域。在有风力资源的地区，建设小型风力发电或风光互补独立电站(集中供电系统或户用系统)成为为小型负荷供电一种新选择。研究中小型风力发电系统的设计显得十分必要。1.2明确风力发电系统设计的要求和条件在烟台地区设计一个装机容量100的风电场，一台风力发电机的功率为10KW，需要10台风机。中小型风力发电机一般应在风力资源较丰富的地区使用。烟台地区气象设计参数：如表：年烟台市，全市平均气温2003年12.5 2009年13.0 2004年12.7 2010年12.2 2005年12.5 2011年12.1 2006年13.1 2012年12.2 2007年13.4 2013年12.6 2008年12.7 2014年13.4 由此可得， 历年平均气温为年平均温度（)：12.7最高温度（)：38最低温度（)：-12.8平均风速（m/s）：5.0通过查取风功率密度等级表，得知烟台地区风功率密度为200250（高度为10米）、320400（高度为30米）、400500（高度为50米）1.3风力发电系统设计方案的拟定1.3.1风力发电机的类型及选择原则风力发电机组是将风能转化为电能的装置，按其容量可大小以划分为小型风电机组（10KW以下），中型风电机组（1划分为水平轴0100KW），大型风电机组（100KW以上）；按其主轴与地面的相对位置，可以风力发电机组（主轴与地面平行），垂直轴风力发电机组（主轴与地面垂直）。目前国内一些厂家研发生产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祸合，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。直驱式风机由塔架、轮毂、桨叶、发电机、变频器、偏航系统、液压系统和电气控制等组成。直驱式风机均采用低速永磁同步发电机。本设计考虑采用永磁同步发电机。1.3.2风电场类型 并网型：接入电力系统运行，规模较大的风力发电场。本设计选“并网型”风力发电，可以省去蓄电池等储能装置。选用同步发电机间接并网方式，电压经历了交流直流交流的变化，避免了同步发电机直接并网可能出现失步的问题。1.3.3安装地点 安装地点的确定主要就是风资源和具体安装位置选择。风能资源丰富，具有较稳定的风向，风力发电机尽可能的装在风向和风速比较稳定，季节变化比较小的地方，湍流小，自然灾害小。根据设计的要求，主要设计内容拟包括风力发电机组控制系统中的偏航系统、齿轮箱系统、液压系统、温度控制等。最早最简单的风力发电机由叶轮和发电机两个部分组成，站立于一定高度的塔上。由于外界因素影响风很不稳定，这类风力发电机电压、频率差异很大且效率低下，没有实际运用价值。所以在原有的基础上，增加了偏航系统，齿轮箱，控制系统，停机系统等部件更加有效地使用风能。2风力发电系统结构组成设计2.1风力发电系统原理及结构组成风力发电机是一种将风能转换为电能的能量转换装置，主要包括风力机和发电机。空气流动的能动作用在风力机风轮上，从未推动风轮旋转，将空气动力能转换风轮的机械能，通过传动装置，发电机将机械能转换为电能，输送给电力系统。风力发电系统的组成：风轮（风能转化为机械能的核心部件）、发电机、传动机构、偏航系统、限速安全机构、制动装置、机舱和塔架等。在现有技术基础上大致可以把一个普通的风电机分为四大部分：风轮组件，机舱组件，塔架组件以及控制部分。2.2风力发电系统设计参数2.2.1风力发电机类型选择 本设计选取水平轴螺旋桨式风力机。 水平轴风力机主要由风轮、塔架、对风装置、齿轮箱组成。（1）风轮：由13个叶片组成，这是吸收风能的主要部件。当风轮旋转时，叶片受到离心力和气动力的作用，离心力对叶片是一个拉力，而气动力使叶片弯曲。当风速高于风力机的设计风速时，为防止叶片损坏，需对风轮进行控制，控制风轮有三种方法：a，使风轮偏离主方向；b，改变叶片角度；利用扰流器，产生阻力，以降低风轮转速。（2）塔架：为了让风轮能在较高的风速中运行，需要塔架把风轮支撑起来。这时塔架需要承受两个主要的载荷：一个是风力机的重力，向下压在塔架上；另一个是阻力，使塔架向风的下游方向弯曲。选择塔架时要必须考虑其成本，根据实际情况而定。（3）对风装置：自然界的风向及风速一直变化，为了得到较高的风能利用率，应使风能的旋转面经常对准风向为此需要对风装置。小型风力机的对风装置，利用尾舵控制对风。由尾翼带东水平轴旋转，是风轮总朝向风吹来的方向。（4）齿轮箱：由于风轮的转速比较低，而且风力的大小经常变化着，这又使得转速不稳定。所以，在带动发电机之前，还必须附加一个齿轮箱，再加一个调速装置使得转速保持稳定，然后在连接到发电机上。齿轮箱的主要作用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机，通过齿轮副的增速作用使其得到相应的转速。在装机是应使其与轮毂相连。为了增加齿轮箱的制动能力，在齿轮箱的输入端或输出端设置刹车装置配合叶尖制动装置实现联合制动。2.2.2 风力机的功率风的动能和风速的平方成正比，功率是力和速度的乘积，也可用于风轮功率的计算。风力与速度平方成正比，所以风的功率与风度的三次方成正比。如果风速增加一倍，风的功率便会增加8倍。风轮从风中吸收的功率如下： (21) (22)式中：P为输出功率， 为风轮机的功率系数， 为空气密度， R为风轮半径， v为风速。众所周知，如果接近风力机的空气全部动能都被风力机全部吸收，那么风轮后的空气就不动了，然而空气当然不能完全停止，所以风力机的效率总是小于1。2.2.3控制方式（1）偏航系统的控制方式： 偏航系统用于在风向变化时，可以保证风轮跟着转动，一般由风向传感器和伺服电机组合而成。并网型风力发电机组采用主动偏航的齿轮驱动形式。（2）变桨系统的控制方式： 所以，选用电机驱动。2.2.4最大功率追踪叶尖速比控制算法：为了表示风轮机运行速度的快慢，通常采用叶尖速比来表征，计算公式如下： (2-3)其中： 为叶尖速比， 风轮机转速， 风轮机旋转角速度， 风轮机半径，最佳叶尖速比控制算法是保持风轮机的叶尖速比始终在最优值处，从而使风力发电机输出功率最大值。3设备计算及选型3.1风力机设计计算3.1.1叶片设计计算风轮半径： (3-1)式中：P一台风力机功率，W 空气密度，取1.235 风速，m/s 功率系数解得R=5.98m风轮的转速： (3-2)式中：叶尖速比，取值6解得：=67.07r/min3.1.2轮毂选型风轮轮毂是连接叶片与风轮转轴的部件，用于传递风轮的力和力矩到后面的机构。轮毂通常由球墨铸铁制成。主要有三种结构：（1）固定式轮毂：三叶片风轮大多采用固定式轮毂，制造成本低，维护少，不存在磨损问题。（2）叶片之间相对固定的铰链式轮毂，驱动力距变化很大产生很大噪音，风轮具有阻尼器的作用。（3）各叶片自由的铰链式轮毂,风轮可保持恒速运转。综合考虑本设计轮毂选用固定式。3.1.3塔架设计计算塔架高度：塔架高度要满足风机叶片运转的要求，而且要考虑经济方面的因素，塔架一般高度为： (3-3) 式中：接近风轮叶片的地面障碍物的高度，m 风轮叶扫落到障碍物最高点的距离1.52m解得：H=12m塔架结构：根据塔架最大承受的载荷及风能资源利用效率、成本的综合比较选择塔架的高度、材料及结构。塔架设计参数如下：塔架高度安装方式柱装材料Q345钢制材料备注表面镀锌结构锥形液压式加工定制3.1.4齿轮箱的选择确定：由上述求得： 所以： (3-4)其中： -为扫风面积，； -为风轮半径，；所以，风力机的有效功率为： (3-5) 取齿轮箱效率为，则： 齿轮箱的增速比为： (3-6) 齿轮箱前段低速轴由风轮驱动，而输出端高速轴与发电机轴连接。3.1.5机舱设计机舱一般包容了将风轮获得的能量进行传递、转换的全部机械和电气部件。机舱多为铸铁结构，或采用带加强筋的板式焊接结构。设计机舱要求尽可能减小机舱质量而增加其刚度；兼顾舱内各部件安装、检修便利与机舱空间要紧凑，满足通风、散热、检查等维护需求，机舱对流动空气的阻力要小。水平轴风力机常采用单级或多级定轴线直齿齿轮或行星齿轮增速器。3.2控制系统选型设计 ZK460-W 12/10型控制器主要用于风电系统组成的供电网络，控制器操作比较简单，性能可靠。风机可接最大容量为12kW技术参数如表32所示：项目 描述控制器类型 ZK460-W 12/10 额定电压 DC460V 最大输入功率 12kW 额定输出功率 l 0kW 保护电压 DC550VDC570V环境温度 -10 45 环境湿度 85%RH 防护等级 IP20 整个控制器的主要组成部分有:液晶显示器、指示灯、显示仪表、内部接线、内部操作开关和泄荷器等。3.3变流器功率选择： 变流器将主发电机发出来的电能整流成直流电，在逆变成与电网匹配的交流电，电能谐波少，质量高。变流器的功率通常为风电机组的额定功率的1/21/3，考虑到风电机组的可靠性，通常为风电机组额定功率的1/2。由此得： 型号H8.0-10 额定功率空载直流电流逆变效率逆变输出电压主供方式输出频率运行温度范围3.4逆变器选型计算用于风力发电的逆变器输出交流电的频率为50Hz。逆变开关电路是逆变器的核心，它通过半导体开关器件的导通与关断完成逆变的功能。完整的逆变电路由主逆变电路、输入电路、输出电路、控制电路、辅助电路和保护电路组成。选用逆变器的型号为；GNW12K3GCN(致远公司产)主要参数如表34所示：项目 描述工作电压范围 DC380V680V最大输入电流 30A额定输入功率 12KW过载能力 120%输出连续运行1 min3.5接触器的选择：发电机的开关使用交流接触器。选用西门子的3TB系列接触器。电机的过载保护需要使用继电器进行保护。选用继电器型号为LCD-84发电机差动型，它适应于大型交流发电机差动保护电路中。3.6熔断器的选择：熔断器保护作为电路过载保护最常用的一个手段运用于本文各个电路模块中。在发电机处可以选用型号为LMZD2-20的高压熔断器；偏航、变桨距以及温度控制模块选用RT18低压熔断器。3.7传感器、继电器的选择：风速风向传感器使用PH100SX型号12。温度传感器选用PT100风管式温度传感器。4设计体会 通过这次风力发电设计，让我了解了风力发电系统发电的基本原理和系统组成，学到了很多风电场建设的相关知识。设计过程中掌握了风电系统的运行过程，对风力发电有了更进一步的深入了解。通过这次设计让我懂得了理论和实践相结合的重要性。虽然在设计的过程中出现了一些问题，发现了自己在这方面知识的欠缺，如在选型计算中，自己设计考虑的因素毕竟有限，得出的计算结果和选用的部件会有一定的误差。本次课程设计，基本上达到了设计的目的，通过这次的风能发电系统的设计，真的从里面学到很多东西，风能是可再生的新能源，应用在日常生活的各个方面，这次风能发电系统设计基本贴近我们的生活，所以学习这方面的知识尤其重要。这次设计花费了挺长时间的，从查资料到借书学习，都需要一个过程，尤其学习风能发电系统的各个设备及结构，以前做的冷库设计一般网上都能找到一些模板，并且资料很齐，而这次设计的风力发电系统设计，基本没有模板参考，很多都需要自己看书学习，然后一点点的整理计算出来的，所以也许做的不是很好，但是真心能从里面学到的东西很多。其实这次的风力发电系统设计要计算的包括很多方面，但是由于对风力发电系统没有过实体的考察，很多比较材料系数，及结构组成、当地的风资源情况方面不是很清楚，所以不是做的很详细。我个人觉得课程设计相当于模拟训练，实战演习，我们每一位同学也转而变成了研究院里的一名设计师，承包了一项大工程，从实地考察到确定设计方案，从设计计算到施工绘图每个过程我们都要认认真真，实事求是，本着负责谨慎的态度，使我们的设计合理实用，经济舒适。尽管如此，由于理论知识储备不足和实践经验的严重缺乏，设计中不可避免地出现了各种错误。还好我们有所认识，有所领悟，我们会在以后的工作中加以改正，补充不足。不管怎样，课程设计还算顺利，能够按时完成。实践出真知。失败是成功之母。从错误中吸取经验和教训，保证以后不再犯类似错误。经验丰富了，知识也就成熟了。随着课程设计的不断深入，我也逐渐发现自己所学的专业知识不够用，对风力发电系统、控制系统、并网系统的了解并不透彻，总之有许多不足。通过这次设计，我确实提高了各方面的能力，增长了许多知识，积累了丰富的经验，对以后的工作有很大的帮助。在此谢谢指导老师和同学们的悉心教导和帮助。5主要参考文献1.风电场工程技术手册，宫靖远主编，机械工业出版社2.风能技术,美 Tony Burton 等著，武鑫译，科学出版社3.中国风资源测量和评估实务，高虎，刘薇，王艳等编著，化学工业出版社4.风能可再生能源与环境，美Vaughn Nelson著，李建林 肖志东等译，人民邮电出版社5.风能技术与应用，钱伯章编，科学出版社 6.风能利用技术，郭新生编著，化学工业出版社7风能利用技术，化学工业出版社，郭新生主编8电力电子技术， 机械工业出版社，杨耕主编9风能与风力发电技术，化学工业出版社，张志英主编10风力发电，中国电力出版社，王承熙主编9