風力發(fā)電課程設計報告

.z--.總結資料課程設計設計題目：風力發(fā)電系統(tǒng)設計姓名黃艷麗院系食品工程學院專業(yè)熱能與動力工程年級2021級學號20212916061指導教師啟一2016年1月5日-.z-.總結資料目錄9365引言1148151設計概述2118401.1風力發(fā)電的意義240461.2明確風力發(fā)電系統(tǒng)設計的要求和條件2237501.3風力發(fā)電系統(tǒng)設計方案的擬定2225061.3.1風力發(fā)電機的類型及選擇原則2234291.3.2風電場類型364451.3.3安裝地點3316512風力發(fā)電系統(tǒng)構造組成設計3176142.2風力發(fā)電系統(tǒng)設計參數323242.2.1風力發(fā)電機類型選擇3185892.2.2風力機的功率4250602.2.3控制方式4224292.2.4最大功率追蹤556863設備計算及選型535333.1風力機設計計算553313.1.1葉片設計計算5242053.1.2輪轂選型5113733.1.3塔架設計計算6110893.1.4齒輪箱的選擇確定6307293.1.5機艙設計7278773.2控制系統(tǒng)選型設計760693.3變流器功率選擇7275933.4逆變器選型計算8245643.5接觸器的選擇8103493.6熔斷器的選擇8157503.7傳感器、繼電器的選擇8231294設計體會9144575主要參考文獻 9-.z-.總結資料引言自然界的風，是由于大氣運動而產生的自然形式。大氣運動則是因為大氣受到太陽的輻射，能量來源于大氣吸收的局部太陽能，太陽到達地球輻射的20%會轉變成風能。人類對于風能利用的歷史長遠，可以追溯到公元10世紀，波斯就出現了種水平轉動的風磨，即為以風車為動力的磨坊。風能是種取之不盡、用之不竭的可再生能源之一。它的特點是生產運用過程平安清潔，本錢花費較低，來源不受限制。風能也是種最具商業(yè)潛力，最具開展活力的綠色能源，運用于發(fā)電這一領域有很大的運用空間。風電是目前技術最成熟、最具市場競爭力且極具開展?jié)摿Φ目稍偕鍧嵞茉?，開展風電對于改善能源構造、保護生態(tài)環(huán)境、保障能源平安和實現經濟的可持續(xù)開展等方面有著及其重要的意義。風力發(fā)電具有裝機容量增長快，本錢下降快，平安環(huán)保等優(yōu)勢。風力發(fā)電在為社會開展和經濟增長提供穩(wěn)定可靠的電力供給的同時，可以有效地緩解空氣污染、水體污染和溫室效應問題。在各類新能源開發(fā)利用中，風力發(fā)電技術相對于其他能源開發(fā)是比擬成熟的，并且具有大規(guī)模場地開發(fā)和商業(yè)經濟開發(fā)的條件。風力發(fā)電可以完全防止像石油、煤炭等化石燃料發(fā)電所產生的大量污染物和二氧化碳排放。我國的風能資源分布：我國風能資源的地區(qū)區(qū)域差異大。沿海、和北部、南部和東部三個區(qū)域風能最多；青藏高原中部和北部、西北、華北、東北三區(qū)域的北部，東南沿海的風能資源豐富；山區(qū)，例如南嶺、武夷山地區(qū)，遼河、華北、長江中下游平原、西北高原地區(qū)，風能可待開發(fā)利用；云貴川、豫西、鄂北、湘西、，盆地地形區(qū)等風能貧乏。我國風能資源的分布除了具有空間上的差異以外，在時間上也有很大的差異。東部沿海地區(qū)，夏季風勢力強勁，風能資源主要集中在夏季。而北方以及西北陸地區(qū)，冬季風勢力強勁，所以這些地區(qū)風能資源主要集中在冬季。海上風電場是最近世界圍廣泛推廣使用的大型有效利用風能資源的形式，在1980年初在美國加利福尼亞首先興起。在海陸線附近由于陸地、海洋吸熱量差異大，表體溫度差異大而產生豐富的風能資源，風力強大，可以大規(guī)模采取進展發(fā)電。不過在海陸線上建立風力發(fā)電廠還存在技術的難度，需要投入巨額資金裝備和維護，所以在美國，德國，中國等這樣的大國才進展投產建立。1設計概述1.1風力發(fā)電的意義隨著電力和能源改革逐步深入，在國家倡導節(jié)能減排的大背景下，風力發(fā)電成為新能源開發(fā)利用的重要領域。在有風力資源的地區(qū)，建立小型風力發(fā)電或風光互補獨立電站(集中供電系統(tǒng)或戶用系統(tǒng))成為為小型負荷供電一種新選擇。研究中小型風力發(fā)電系統(tǒng)的設計顯得十分必要。1.2明確風力發(fā)電系統(tǒng)設計的要求和條件在地區(qū)設計一個裝機容量100的風電場，一臺風力發(fā)電機的功率為10KW，需要10臺風機。中小型風力發(fā)電機一般應在風力資源較豐富的地區(qū)使用。地區(qū)氣象設計參數： 如表：年市，全市平均氣溫2003年12.5℃2021年13.0℃2004年12.7℃2021年12.2℃2005年12.5℃2021年12.1℃2006年13.1℃2021年12.2℃2007年13.4℃2021年12.6℃2021年12.7℃2021年13.4℃由此可得，歷年平均氣溫為℃年平均溫度〔℃)：12.7最高溫度〔℃)：38最低溫度〔℃)：-12.8平均風速〔m/s〕：5.0通過查取風功率密度等級表，得知地區(qū)風功率密度為200~250〔高度為10米〕、320~400〔高度為30米〕、400~500〔高度為50米〕1.3風力發(fā)電系統(tǒng)設計方案的擬定風力發(fā)電機的類型及選擇原則風力發(fā)電機組是將風能轉化為電能的裝置，按其容量可大小以劃分為小型風電機組〔10KW以下〕，中型風電機組〔1劃分為水平軸0~100KW〕，大型風電機組〔100KW以上〕；按其主軸與地面的相對位置，可以風力發(fā)電機組〔主軸與地面平行〕，垂直軸風力發(fā)電機組〔主軸與地面垂直〕。目前國一些廠家研發(fā)生產采用永磁同步發(fā)電機的風機，由于永磁同步電機容易實現多極化，可省去或簡化齒輪增速箱構造，其葉輪主軸與發(fā)電機可以直接禍合，不經齒輪增速而直接驅動發(fā)電機，因此這類風機又稱為直驅(半直驅)式。直驅式風機由塔架、輪轂、槳葉、發(fā)電機、變頻器、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電氣控制等組成。直驅式風機均采用低速永磁同步發(fā)電機。本設計考慮采用永磁同步發(fā)電機。風電場類型并網型：接入電力系統(tǒng)運行，規(guī)模較大的風力發(fā)電場。本設計選“并網型〞風力發(fā)電，可以省去蓄電池等儲能裝置。選用同步發(fā)電機間接并網方式，電壓經歷了交流—直流—交流的變化，防止了同步發(fā)電機直接并網可能出現失步的問題。安裝地點安裝地點確實定主要就是風資源和具體安裝位置選擇。風能資源豐富，具有較穩(wěn)定的風向，風力發(fā)電機盡可能的裝在風向和風速比擬穩(wěn)定，季節(jié)變化比擬小的地方，湍流小，自然災害小。根據設計的要求，主要設計容擬包括風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)中的偏航系統(tǒng)、齒輪箱系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、溫度控制等。最早最簡單的風力發(fā)電機由葉輪和發(fā)電機兩個局部組成，站立于一定高度的塔上。由于外界因素影響風很不穩(wěn)定，這類風力發(fā)電機電壓、頻率差異很大且效率低下，沒有實際運用價值。所以在原有的根底上，增加了偏航系統(tǒng)，齒輪箱，控制系統(tǒng)，停機系統(tǒng)等部件更加有效地使用風能。2風力發(fā)電系統(tǒng)構造組成設計2.1風力發(fā)電系統(tǒng)原理及構造組成風力發(fā)電機是一種將風能轉換為電能的能量轉換裝置，主要包括風力機和發(fā)電機?？諝饬鲃拥哪軇幼饔迷陲L力機風輪上，從未推動風輪旋轉，將空氣動力能轉換風輪的機械能，通過傳動裝置，發(fā)電機將機械能轉換為電能，輸送給電力系統(tǒng)。風力發(fā)電系統(tǒng)的組成：風輪〔風能轉化為機械能的核心部件〕、發(fā)電機、傳動機構、偏航系統(tǒng)、限速平安機構、制動裝置、機艙和塔架等。在現有技術根底上大致可以把一個普通的風電機分為四大局部：風輪組件，機艙組件，塔架組件以及控制局部。2.2風力發(fā)電系統(tǒng)設計參數風力發(fā)電機類型選擇本設計選取水平軸螺旋槳式風力機。水平軸風力機主要由風輪、塔架、對風裝置、齒輪箱組成?！?〕風輪：由1~3個葉片組成，這是吸收風能的主要部件。當風輪旋轉時，葉片受到離心力和氣動力的作用，離心力對葉片是一個拉力，而氣動力使葉片彎曲。當風速高于風力機的設計風速時，為防止葉片損壞，需對風輪進展控制，控制風輪有三種方法：a，使風輪偏離主方向；b，改變葉片角度；利用擾流器，產生阻力，以降低風輪轉速。〔2〕塔架：為了讓風輪能在較高的風速中運行，需要塔架把風輪支撐起來。這時塔架需要承受兩個主要的載荷：一個是風力機的重力，向下壓在塔架上；另一個是阻力，使塔架向風的下游方向彎曲。選擇塔架時要必須考慮其本錢，根據實際情況而定?！?〕對風裝置：自然界的風向及風速一直變化，為了得到較高的風能利用率，應使風能的旋轉面經常對準風向為此需要對風裝置。小型風力機的對風裝置，利用尾舵控制對風。由尾翼帶東水平軸旋轉，是風輪總朝向風吹來的方向?！?〕齒輪箱：由于風輪的轉速比擬低，而且風力的大小經常變化著，這又使得轉速不穩(wěn)定。所以，在帶動發(fā)電機之前，還必須附加一個齒輪箱，再加一個調速裝置使得轉速保持穩(wěn)定，然后在連接到發(fā)電機上。齒輪箱的主要作用是將風輪在風力作用下所產生的動力傳遞給發(fā)電機，通過齒輪副的增速作用使其得到相應的轉速。在裝機是應使其與輪轂相連。為了增加齒輪箱的制動能力，在齒輪箱的輸入端或輸出端設置剎車裝置配合葉尖制動裝置實現聯合制動。風力機的功率風的動能和風速的平方成正比，功率是力和速度的乘積，也可用于風輪功率的計算。風力與速度平方成正比，所以風的功率與風度的三次方成正比。如果風速增加一倍，風的功率便會增加8倍。風輪從風中吸收的功率如下：(2—1)(2—2)式中：P為輸出功率，為風輪機的功率系數，ρ為空氣密度，R為風輪半徑，v為風速。眾所周知，如果接近風力機的空氣全部動能都被風力機全部吸收，則風輪后的空氣就不動了，然而空氣當然不能完全停頓，所以風力機的效率總是小于1。控制方式〔1〕偏航系統(tǒng)的控制方式：偏航系統(tǒng)用于在風向變化時，可以保證風輪跟著轉動，一般由風向傳感器和伺服電機組合而成。并網型風力發(fā)電機組采用主動偏航的齒輪驅動形式?！?〕變槳系統(tǒng)的控制方式：所以，選用電機驅動。最大功率追蹤葉尖速比控制算法：為了表示風輪機運行速度的快慢，通常采用葉尖速比來表征，計算公式如下：(2-3)其中：—為葉尖速比，—風輪機轉速，—風輪機旋轉角速度，—風輪機半徑，最正確葉尖速比控制算法是保持風輪機的葉尖速比始終在最優(yōu)值處，從而使風力發(fā)電機輸出功率最大值。3設備計算及選型3.1風力機設計計算葉片設計計算風輪半徑：(3-1)式中：P——一臺風力機功率，W——空氣密度，取1.235——風速，m/s——功率系數解得R=5.98m風輪的轉速：(3-2)式中：—葉尖速比，取值6解得：=67.07r/min輪轂選型風輪輪轂是連接葉片與風輪轉軸的部件，用于傳遞風輪的力和力矩到后面的機構。輪轂通常由球墨鑄鐵制成。主要有三種構造：〔1〕固定式輪轂：三葉片風輪大多采用固定式輪轂，制造本錢低，維護少，不存在磨損問題。〔2〕葉片之間相對固定的鉸鏈式輪轂，驅動力距變化很大產生很大噪音，風輪具有阻尼器的作用。〔3〕各葉片自由的鉸鏈式輪轂,風輪可保持恒速運轉。綜合考慮本設計輪轂選用固定式。塔架設計計算塔架高度：塔架高度要滿足風機葉片運轉的要求，而且要考慮經濟方面的因素，塔架一般高度為：(3-3)式中：—接近風輪葉片的地面障礙物的高度，m—風輪葉掃落到障礙物最高點的距離1.5~2m解得：H=12m塔架構造：根據塔架最大承受的載荷及風能資源利用效率、本錢的綜合比擬選擇塔架的高度、材料及構造。塔架設計參數如下：塔架高度安裝方式柱裝材料Q345鋼制材料備注外表鍍鋅構造錐形液壓式加工定制齒輪箱的選擇確定：由上述求得：所以：(3-4)其中：-為掃風面積，；-為風輪半徑，；所以，風力機的有效功率為：(3-5)取齒輪箱效率為，則：齒輪箱的增速比為：(3-6)齒輪箱前段低速軸由風輪驅動，而輸出端高速軸與發(fā)電機軸連接。機艙設計機艙一般包容了將風輪獲得的能量進展傳遞、轉換的全部機械和電氣部件。機艙多為鑄鐵構造，或采用帶加強筋的板式焊接構造。設計機艙要求盡可能減小機艙質量而增加其剛度；兼顧艙各部件安裝、檢修便利與機艙空間要緊湊，滿足通風、散熱、檢查等維護需求，機艙對流動空氣的阻力要小。水平軸風力機常采用單級或多級定軸線直齒齒輪或行星齒輪增速器。3.2控制系統(tǒng)選型設計ZK460-W12/10型控制器主要用于風電系統(tǒng)組成的供電網絡，控制器操作比擬簡單，性能可靠。風機可接最大容量為12kW技術參數如表3—2所示：工程描述控制器類型ZK460-W12/10額定電壓DC460V最大輸入功率12kW額定輸出功率l0kW保護電壓DC550V~DC570V│環(huán)境溫度-10~45環(huán)境濕度85%RH防護等級IP20整個控制器的主要組成局部有:液晶顯示器、指示燈、顯示儀表、部接線、部操作開關和泄荷器等。3.3變流器功率選擇：變流器將主發(fā)電機發(fā)出來的電能整流成直流電，在逆變成與電網匹配的交流電，電能諧波少，質量高。變流器的功率通常為風電機組的額定功率的1/2~1/3，考慮到風電機組的可靠性，通常為風電機組額定功率的1/2。由此得：型號H8.0-10額定功率空載直流電流逆變效率逆變輸出電壓主供方式輸出頻率運行溫度圍3.4逆變器選型計算用于風力發(fā)電的逆變器輸出交流電的頻率為50Hz。逆變開關電路是逆變器的核心，它通過半導體開關器件的導通與關斷完成逆變的功能。完整的逆變電路由主逆變電路、輸入電路、輸出電路、控制電路、輔助電路和保護電路組成。選用逆變器的型號為；GNW12K3G—(致遠公司產)主要參數如表3—4所示：工程描述工作電壓圍DC380V~680V最大輸入電流30A額定輸入功率12KW過載能力120%輸出連續(xù)運行1min3.5接觸器的選擇：發(fā)電機的開關使用交流接觸器。選用西門子的3TB系列接觸器。電機的過載保護需要使用繼電器進展保護。選用繼電器型號為LCD-84發(fā)電機差動型，它適應于大型交流發(fā)電機差動保護電路中。3.6熔斷器的選擇：熔斷器保護作為電路過載保護最常用的一個手段運用于本文各個電路模塊中。在發(fā)電機處可以選用型號為LMZD2-20的高壓熔斷器；偏航、變槳距以及溫度控制模塊選用RT18低壓熔斷器。3.7傳感器、繼電器的選擇：風速風向傳感器使用PH100S*型號[12]。溫度傳感器選用PT100風管式溫度傳感器。4設計體會通過這次風力發(fā)電設計，讓我了解了風力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電的根本原理和系統(tǒng)組成，學到了很多風電場建立的相關知識。設計過程中掌握了風電系統(tǒng)的運行過程，對風力發(fā)電有了更進一步的深入了解。通過這次設計讓我懂得了理論和實踐相結合的重要性。雖然在設計的過程中出現了一些問題，發(fā)現了自己在這方面知識的欠缺，如在選型計算中，自己設計考慮的因素畢竟有限，得出的計算結果和選用的部件會有一定的誤差。本次課程設計，根本上到達了設計的目的，通過這次的風能發(fā)電系統(tǒng)的設計，真的從里面學到很多東西，風能是可再生的新能源，應用在日常生活的各個方面，這次風能發(fā)電系統(tǒng)設計根本貼近我們的生活，所以學習這方面的知識尤其重要。