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小型風(fēng)力發(fā)電機組動力結(jié)構(gòu)設(shè)計
開題報告
班級（學(xué)號）： 姓名：
指導(dǎo)教師：
一、 綜述
1.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Γ貏e是對沿海島嶼，交通不便的邊遠山區(qū)，地廣人稀的草原牧場，以及遠離電網(wǎng)和近期內(nèi)電網(wǎng)還難以達到的農(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，她資源豐富，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，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)國和消費國，能源利用以煤炭為主。在當前以石化能源為主體的能源結(jié)構(gòu)中，煤炭占73.8%，石油占18.6%，天然氣占2%，其余為水電等其它資源。在電力的能源消費中，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、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)跨世紀的戰(zhàn)略發(fā)展目標①。
表1-1 1996-2005年世界風(fēng)電市場增長
從表1-1可以看出，世界上的風(fēng)電能源增長的非常迅速，10年平均增長率達到了29.77。截止2005年底，全世界并網(wǎng)運行的風(fēng)力發(fā)電機總裝機容量達到59237 MW ,是1996年裝機容量的9.76倍②。
風(fēng)力發(fā)電近幾年發(fā)展如此之快，是因為它有許多優(yōu)點:1.設(shè)備簡單，投資少，成本低，風(fēng)力發(fā)電機的整個設(shè)備成本不足功率相當?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;2.節(jié)省燃料和運輸費用。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;3.利用風(fēng)力可以減少對大氣的污染，保護我們?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。
2.課題的研究現(xiàn)狀及已有成果
(1)研究現(xiàn)狀
我國風(fēng)電的利用大體上采用三種方式，一是戶用式，可獨立運行，用蓄電池，直流輸出或逆變交流輸出;單機容量為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，獨立運行，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，單機容量為1～５kW。這種方式也可供無電風(fēng)區(qū)邊防哨所、氣象臺站、雷達站、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)電機組或太陽能電站聯(lián)合，有穩(wěn)定的輸出。
(2)已有成果
①FD2.5—300型風(fēng)力發(fā)電機
1)性能特點
FD2.5—300型風(fēng)力發(fā)電機是低速型風(fēng)機。該機具有發(fā)電效率高，結(jié)構(gòu)簡單，維護方便，可靠性高等待點，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。它可為用戶的照明、彩色電視機、音響設(shè)備、洗衣機、電冰箱、組合收錄機、航標燈等電器提供穩(wěn)定可靠的電源。參見圖1和圖2。
圖1 FD2.5—300型風(fēng)力發(fā)電機 圖2 FD2.5—300型風(fēng)力發(fā)電機輸出特性
2）主要技術(shù)指標
葉片型式：木質(zhì)芯，外表包玻璃鋼
風(fēng)輪直徑：2.5米
葉片數(shù)：3片
風(fēng)能利用系數(shù)：0.42
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)電機型式：三相交流永磁式發(fā)電機
直流額定電壓：24伏、36伏、48伏
控制/逆變交流電壓：AC220伏(±10％方波或正弦波)；頻率：50赫茲±1％
儲能方式：120安·時，蓄電池2只或3、4只串聯(lián)
塔架型式:立柱拉索式塔架
風(fēng)機高度：5米
整機重量：175千克
②FD7—5000／9型風(fēng)力發(fā)電機
1) 性能特點
FD7一5000／9型風(fēng)力發(fā)電機組屬水平軸、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)電機可以形成2.5干瓦、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)動異步電動機或輸入電網(wǎng)。參見圖3、圖4。
圖3 FD7-5000/9型風(fēng)力發(fā)電機 圖4 FD7-5000/9型風(fēng)力發(fā)電機輸出特性
2)主要技術(shù)指標
葉片型式：木質(zhì)芯，外表包玻璃鋼結(jié)構(gòu)
葉片數(shù):2片
風(fēng)輪直徑：7米
風(fēng)輪標定轉(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
最高安全運行風(fēng)速：60米/秒
發(fā)電機型式：電容勵磁異步
額定功率：5000瓦
額定電壓：交流380伏
機頭重量(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)動電動機式)；RES(并網(wǎng)式)
蓄電池容量：350安·時
塔架高：12米
整機重量：2500千克
二、 研究內(nèi)容
本課題的研究內(nèi)容包括:
1、進行小型風(fēng)力發(fā)電機的總體功能需求分析，進行風(fēng)力機的方案設(shè)計。
2、進行變向器的方案設(shè)計。
3、進行機械裝配圖設(shè)計，功能完備后，然后進行機械零件的詳盡設(shè)計。
三、實現(xiàn)方法及與其預(yù)期目標
1、用Solidworks軟件繪制機組結(jié)構(gòu)的三維裝配圖。
2、完成風(fēng)力機設(shè)計裝配圖。
3、完成變向器設(shè)計裝配圖。
4、完成部分零件部件圖。
5、完成小型風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計的總裝圖。
本課題研制的小型風(fēng)力發(fā)電機主要定位于它可為用戶的照明、彩色電視機、音響設(shè)備、洗衣機、電冰箱、組合收錄機、航標燈等電器提供穩(wěn)定可靠的電源?？傮w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，低成本。
從能量轉(zhuǎn)換的角度看，風(fēng)力發(fā)電機組由兩大部分組成。其一是風(fēng)力機，它的功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能;其二是發(fā)電機，它的功能是將機械能轉(zhuǎn)換為電能。大型風(fēng)力發(fā)電機組發(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)電機一般將風(fēng)力發(fā)電機組發(fā)出的電能用儲能設(shè)備儲存起來(一般用蓄電池)，需要時再提供給負載(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。
風(fēng)力機械
負載（電網(wǎng)）
發(fā)電機
風(fēng)
儲能設(shè)備
圖5 風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)方框圖
設(shè)計過程牽涉到了機械知識，控制系統(tǒng)知識，電子電路知識，軟件知識等各方面的知識，雖然實現(xiàn)了一些單純由機械或電子技術(shù)都難以實現(xiàn)的功能，但是同時由于多學(xué)科融合的特點也給這些機械產(chǎn)品的設(shè)計提出了更高的要求，產(chǎn)品設(shè)計問題較傳統(tǒng)機械更為突出，設(shè)計在產(chǎn)品的整個生命周期中占據(jù)越來越重的比重，它從根本上決定了產(chǎn)品的內(nèi)在和外在的品質(zhì)。
預(yù)期目標是向新型立體式風(fēng)力發(fā)電機發(fā)展。立體式風(fēng)力發(fā)電機即風(fēng)力發(fā)電機的軸和風(fēng)的方向垂直。它克服了一般風(fēng)力發(fā)電機葉片需要不斷增長和提高塔架以及在材料和加工工藝等方面的困難。這樣來自任何方向的風(fēng)都可以充分利用，提高了風(fēng)能利用率。又可以降低高大的支撐鐵塔，結(jié)果造價低，重量也輕了許多。葉片是風(fēng)力發(fā)電機的關(guān)鍵部件，它的作用是將風(fēng)的流動轉(zhuǎn)換為風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動從而驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。葉片設(shè)計制造的好壞直接關(guān)系到風(fēng)力發(fā)電機的效率和使用壽命，所以對葉片的設(shè)計制造的研究有著非常重要的現(xiàn)實意義。葉片和風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計是重點也是難點。
四、對進度的具體安排
1. 第 1-3 周 課題調(diào)研，學(xué)習(xí)相關(guān)理論；
2. 第 4 周 撰寫并提交調(diào)研報告和開題報告；
3. 第 5-6 周 系統(tǒng)的整體方案的確立；
4. 第 7-9 周 系統(tǒng)硬件的設(shè)計（主要是風(fēng)力機的結(jié)構(gòu)設(shè)計）；
5. 第10-11周 零件部件的繪制；
6. 第12-14周 其它硬件的設(shè)計；
7. 第15-16周 撰寫并提交畢業(yè)論文；審閱、評審并修改畢業(yè)論文；
8. 第 17 周 完成畢業(yè)答辯
五、參考文獻
1.世界能源理事會.新的可再生能源一未來發(fā)展指南.北京:海洋出版社，1998，②；
2.中國國家科委一歐盟能源總司.中國一歐洲聯(lián)盟能源合作大會文集.北京，1996；
3.中華人民共和國國家發(fā)展計劃委員會基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)發(fā)展司編.中國新能源與可再生能源1999白皮書.北京:中國計劃出版社，2000，①；
4.國家經(jīng)貿(mào)委可再生能源發(fā)電及熱利用研究項目組.中國可再生能源技術(shù)評價.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，1999；
5.胡蛟抨.取之不盡的風(fēng)力發(fā)電.生態(tài)經(jīng)濟，2000，③；
6.黃素逸.能源科學(xué)導(dǎo)論.北京:中國電力出版社，1999；
7.國家經(jīng)貿(mào)委可再生能源發(fā)展經(jīng)濟激勵政策研究組中國可再生能源發(fā)展經(jīng)濟激勵政策研究.北京二中國環(huán)境科學(xué)出版社，1998；
8.江文.政府的支持推動新能源快速發(fā)展.能源政策研究，1997；
9.孫剛，吳剛，劉春娟.先進風(fēng)力發(fā)電機葉型設(shè)計, 2005；
10.包耳，邵曉榮，劉德庸.風(fēng)力機葉片設(shè)計的新方法 機械設(shè)計, 2005；
11.張維智，董文華.風(fēng)力機葉片優(yōu)化設(shè)計的探討 風(fēng)力發(fā)電，2003；
12.陳家權(quán)，楊新彥.風(fēng)力機葉片立體圖的設(shè)計 機電工程，2006。
指導(dǎo)老師： 年 月 日
督導(dǎo)老師： 年 月 日
領(lǐng)導(dǎo)小組審查意見：
審查人簽字： 年 月 日
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