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小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動(dòng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
開(kāi)題報(bào)告
班級(jí)（學(xué)號(hào)）： 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(lái)，風(fēng)能技術(shù)發(fā)展緩慢，也沒(méi)有引起人們足夠的重視。但自1973年世界石油危機(jī)以來(lái)，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(zhǎng)足的發(fā)展。風(fēng)能作為一種無(wú)污染和可再生的新能源有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，特別是對(duì)沿海島嶼，交通不便的邊遠(yuǎn)山區(qū)，地廣人稀的草原牧場(chǎng)，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(wèn)題，日益增長(zhǎng)的能源需求、能源安全問(wèn)題受到世界各國(guó)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(lèi)提供長(zhǎng)期穩(wěn)定的能源供應(yīng);她安全、清潔，沒(méi)有燃料風(fēng)險(xiǎn)，更不會(huì)在使用中破壞環(huán)境。為此，世界各國(guó)都在加快風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究，以緩解越來(lái)越重的能源與環(huán)境壓力，中國(guó)也不例外。
中國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，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(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(lèi)所用的石化資源是有限的，據(jù)第二屆環(huán)太平洋煤炭會(huì)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(kāi)采200年。此外，石油探明儲(chǔ)量預(yù)測(cè)僅能開(kāi)采34年，天然氣約能開(kāi)采60年。隨著人口的增長(zhǎng)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(shì)必形成對(duì)數(shù)億年來(lái)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(lèi)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(guó)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1-1 1996-2005年世界風(fēng)電市場(chǎng)增長(zhǎng)
從表1-1可以看出，世界上的風(fēng)電能源增長(zhǎng)的非常迅速，10年平均增長(zhǎng)率達(dá)到了29.77。截止2005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9.76倍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):1.設(shè)備簡(jiǎn)單，投資少，成本低，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整個(gè)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;2.節(jié)省燃料和運(yùn)輸費(fèi)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(guó)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(duì)大氣的污染，保護(hù)我們?nèi)祟?lèi)賴(lài)以生存的自然環(huán)境?；瘜W(xué)燃料不斷向大氣中排放對(duì)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(méi)有任何影響人類(lèi)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(guó)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1～５kW。這種方式也可供無(wú)電風(fēng)區(qū)邊防哨所、氣象臺(tái)站、雷達(dá)站、電視差轉(zhuǎn)臺(tái)以及無(wú)電區(qū)小火車(chē)站使用。三是建立風(fēng)電場(chǎng)，聯(lián)網(wǎng)后輸出，有的與柴油發(fā)電機(jī)組或太陽(yáng)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(jī)
1)性能特點(diǎn)
FD2.5—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(jiǎn)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(tái)站等較理想的小功率風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，也是迄今我國(guó)銷(xiāo)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(jiàn)圖1和圖2。
圖1 FD2.5—300型風(fēng)力發(fā)電機(jī) 圖2 FD2.5—300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
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(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(±10％方波或正弦波)；頻率：50赫茲±1％
儲(chǔ)能方式：120安·時(shí)，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(jī)高度：5米
整機(jī)重量：175千克
②FD7—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(jī)組發(fā)出的三相交流電可用來(lái)給蓄電池充電貯能、給電阻器加熱、驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)或輸入電網(wǎng)。參見(jiàn)圖3、圖4。
圖3 FD7-5000/9型風(fēng)力發(fā)電機(jī) 圖4 FD7-5000/9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
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(dòng)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(lì)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(chǔ)能式)；CHA(電阻加熱式)；MOT(驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)式)；RES(并網(wǎng)式)
蓄電池容量：350安·時(shí)
塔架高：12米
整機(jī)重量：2500千克
二、 研究?jī)?nèi)容
本課題的研究?jī)?nèi)容包括:
1、進(jìn)行小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的總體功能需求分析，進(jìn)行風(fēng)力機(jī)的方案設(shè)計(jì)。
2、進(jìn)行變向器的方案設(shè)計(jì)。
3、進(jìn)行機(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)。
三、實(shí)現(xiàn)方法及與其預(yù)期目標(biāo)
1、用Solidworks軟件繪制機(jī)組結(jié)構(gòu)的三維裝配圖。
2、完成風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)裝配圖。
3、完成變向器設(shè)計(jì)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(jī)設(shè)計(jì)的總裝圖。
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?？傮w要求是在滿足功能要求的前提下，使用簡(jiǎn)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(chǔ)能設(shè)備儲(chǔ)存起來(lái)(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(jiǎn)要的系統(tǒng)圖如圖5。
風(fēng)力機(jī)械
負(fù)載（電網(wǎng)）
發(fā)電機(jī)
風(fēng)
儲(chǔ)能設(shè)備
圖5 風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)方框圖
設(shè)計(jì)過(guò)程牽涉到了機(jī)械知識(shí)，控制系統(tǒng)知識(shí)，電子電路知識(shí)，軟件知識(shí)等各方面的知識(shí)，雖然實(shí)現(xiàn)了一些單純由機(jī)械或電子技術(shù)都難以實(shí)現(xiàn)的功能，但是同時(shí)由于多學(xué)科融合的特點(diǎn)也給這些機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提出了更高的要求，產(chǎn)品設(shè)計(jì)問(wèn)題較傳統(tǒng)機(jī)械更為突出，設(shè)計(jì)在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期中占據(jù)越來(lái)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(biāo)是向新型立體式風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展。立體式風(fēng)力發(fā)電機(jī)即風(fēng)力發(fā)電機(jī)的軸和風(fēng)的方向垂直。它克服了一般風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片需要不斷增長(zhǎng)和提高塔架以及在材料和加工工藝等方面的困難。這樣來(lái)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(jià)低，重量也輕了許多。葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部件，它的作用是將風(fēng)的流動(dòng)轉(zhuǎn)換為風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)從而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。葉片設(shè)計(jì)制造的好壞直接關(guān)系到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效率和使用壽命，所以對(duì)葉片的設(shè)計(jì)制造的研究有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。葉片和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)是重點(diǎn)也是難點(diǎn)。
四、對(duì)進(jìn)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(xiě)并提交調(diào)研報(bào)告和開(kāi)題報(bào)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(jì)（主要是風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）；
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(jì)；
7. 第15-16周 撰寫(xiě)并提交畢業(yè)論文；審閱、評(píng)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(xiàn)
1.世界能源理事會(huì).新的可再生能源一未來(lái)發(fā)展指南.北京:海洋出版社，1998，②；
2.中國(guó)國(guó)家科委一歐盟能源總司.中國(guó)一歐洲聯(lián)盟能源合作大會(huì)文集.北京，1996；
3.中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展計(jì)劃委員會(huì)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)發(fā)展司編.中國(guó)新能源與可再生能源1999白皮書(shū).北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2000，①；
4.國(guó)家經(jīng)貿(mào)委可再生能源發(fā)電及熱利用研究項(xiàng)目組.中國(guó)可再生能源技術(shù)評(píng)價(jià).北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1999；
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6.黃素逸.能源科學(xué)導(dǎo)論.北京:中國(guó)電力出版社，1999；
7.國(guó)家經(jīng)貿(mào)委可再生能源發(fā)展經(jīng)濟(jì)激勵(lì)政策研究組中國(guó)可再生能源發(fā)展經(jīng)濟(jì)激勵(lì)政策研究.北京二中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1998；
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10.包耳，邵曉榮，劉德庸.風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)的新方法 機(jī)械設(shè)計(jì), 2005；
11.張維智，董文華.風(fēng)力機(jī)葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)的探討 風(fēng)力發(fā)電，2003；
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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(jiàn)：
審查人簽字： 年 月 日
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