风力发电课程设计.docx
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风力发电课程设计
榆林学院之杨若古兰创作
专业综合实训
题目
风力发电零碎设计
先生姓名
任刚
学号
1305310111
院（系）
能源工程学院
专业
能源与动力工程
指点教师
胡广涛
陈述日期
2016年12月23日
风力发电零碎设计1
引言1
1设计概述2
2风力发电零碎结构构成设计4
2.2.2风力机的功率6
3.1.4齿轮箱的选择确定：
9
3.3变流器功率选择：
10
3.5接触器的选择：
11
3.6熔断器的选择：
12
3.7传感器、继电器的选择：
12
4设计体会12
5次要参考文献13
风力发电零碎设计
引言
天然界的风，是因为大气活动而发生的天然方式.大气活动则是因为大气受到太阳的辐射，能量来源于大气接收的部分太阳能，太阳到达地球辐射的20%会转酿成风能.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动弹的风磨，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.它的特点是生产应用过程平安清洁，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，应用于发电这一领域有很大的应用空间.
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、呵护生态环境、包管能源平安和实现经济的可持续发展等方面有着及其次要的意义.
风力发电具有装机容量增加快，成本降低快，平安环保等上风.风力发电在为社会发展和经济增加提供波动可靠的电力供应的同时，可以无效地缓解空气净化、水体净化和温室效应成绩.在各类新能源开发利用中，风力发电技术绝对于其他能源开发是比较成熟的，而且具有大规模场地开发和商业经济开发的条件.风力发电可以完好防止像石油、煤炭等化石燃料发电所发生的大量净化物和二氧化碳排放.
我国的风能资本分布：
我国风能资本的地区区域差别大.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、东南、华北、东北三区域的北部，东南沿海的风能资本丰富；山区，例如南岭、武夷山地区，辽河、华北、长江中下流平原、东南高原地区，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.我国风能资本的分布除了具有空间上的差别之外，在时间上也有很大的差别.东部沿海地区，冬季风势力强劲，风能资本次要集中在冬季.而南方和东南内陆地区，冬季风势力强劲，所以这些地区风能资本次要集中在冬季.海上风电场是比来世界范围内广泛推广使用的大型无效利用风能资本的方式，在1980年初在美国加利福尼亚首先鼓起.在海陆线附近因为陆地、海洋吸热量差别大，表体温度差别大而发生丰富的风能资本，风力强大，可以大规模采纳进行发电.不过在海陆线上建设风力发电厂还存在技术的难度，须要投入巨额资金配备和保护，所以在美国，德国，中国等如许的大国才进行投产建设.
1设计概述
随着电力和能源改革慢慢深入，在国家建议节能减排的大布景下，风
力发电成为新能源开发利用的重方法域.在有风力资本的地区，建设小型
风力发电或风光互补独立电站（集中供电零碎或户用零碎）成为为小型负
荷供电一种新选择.研讨中小型风力发电零碎的设计显得十分须要.
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，须要10台风机.
中小型风力发电机普通应在风力资本较丰富的地区使用. 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（℃
通过查取风功率密度等级表，得知烟台地区风功率密度为200~250
（高度为10米）、320~400
（高度为30米）、400~500
（高度为50米）
风力发电机组是将风能转化为电能的安装，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0~100KW），大型风电机组（100KW以上）；按其主轴与地面的绝对地位，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取永磁同步发电机的风机，因为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，是以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、偏航零碎、液压零碎和电气控制等构成.直驱式风机均采取低速永磁同步发电机.
本设计考虑采取永磁同步发电机.
并网型：
接入电力零碎运转，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安装.选用同步发电机间接并网方式，电压经历了交流—直流—交流的变更，防止了同步发电机直接并网可能出现失步的成绩.
安装地点的确定次要就是风资本和具体安装地位选择.风能资本丰富，具有较波动的风向，风力发电机尽可能的装在风向和风速比较波动，季节变更比较小的地方，湍流小，天然灾祸小.
根据设计的请求，次要设计内容拟包含风力发电机组控制零碎中的偏航零碎、齿轮箱零碎、液压零碎、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构成，站立于必定高度的塔上.因为外界身分影响风很不波动，这类风力发电机电压、频率差别很大且效力低下，没有实际应用价值.所以在原本的基础上，添加了偏航零碎，齿轮箱，控制零碎，停机零碎等部件更加无效地使用风能.
2风力发电零碎结构构成设计
风力发电机是一种将风能转换为电能的能量转换安装，次要包含风力机和发电机.空气流动的能动感化在风力机风轮上，从未推动风轮扭转，将空气动力能转换风轮的机械能，通过传动安装，发电机将机械能转换为电能，输送给电力零碎.
风力发电零碎的构成：
风轮（风能转化为机械能的核心部件）、发电机、传动机构、偏航零碎、限速平安机构、制动安装、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，塔架组件和控制部分.
本设计拔取水平轴螺旋桨式风力机.
水平轴风力机次要由风轮、塔架、对风安装、齿轮箱构成.
（1）风轮：
由1~3个叶片构成，这是接收风能的次要部件.当风轮扭转时，叶片受到离心力和气动力的感化，离心力对叶片是一个拉力，而气动力使叶片曲折.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，发生阻力，以降低风轮转速.
（2）塔架：
为了让风轮能在较高的风速中运转，须要塔架把风轮支持起来.这时候塔架须要承受两个次要的载荷：
一个是风力机的重力，向下压在塔架上；另一个是阻力，使塔架向风的下流方向曲折.选择塔架时要必须考虑其成本，根据实际情况而定.
（3）对风安装：
天然界的风向及风速不断变更，为了得到较高的风能利用率，应使风能的扭转面经常对准风向为此须要对风安装.小型风力机的对风安装，利用尾舵控制对风.由尾翼带东水平轴扭转，是风轮总朝向风吹来的方向.
（4）齿轮箱：
因为风轮的转速比较低，而且风力的大小经常变更着，这又使得转速不波动.所以，在带动发电机之前，还必须附加一个齿轮箱，再加一个调速安装使得转速坚持波动，然后在连接到发电机上.齿轮箱的次要感化是将风轮在风力感化下所发生的动力传递给发电机，通过齿轮副的增速感化使其得到响应的转速.在装机是应使其与轮毂相连.为了添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安装配合叶尖制动安装实现联合制动.
2.2.2风力机的功率
风的动能和风速的平方成反比，功率是力和速度的乘积，也可用于风轮功率的计算.风力与速度平方成反比，所以风的功率与风度的三次方成反比.如果风速添加一倍，风的功率便会添加8倍.
风轮从风中接收的功率如下：
式中：
P为输出功率，
为风轮机的功率系数，ρ为空气密度，ρ为空气密度，R为风轮半径，v为风速.
尽人皆知，如果接近风力机的空气全部动能都被风力机全部接收，那么风轮后的空气就不动了，然而空气当然不克不及完好停止，所以风力机的效力老是小于1.
（1）偏航零碎的控制方式：
偏航零碎用于在风向变更时，可以包管风轮跟着动弹，普通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取自动偏航的齿轮驱动方式.
（2）变桨零碎的控制方式：
所以，选用电机驱动.
叶尖速比控制算法：
为了暗示风轮机运转速度的快慢，通常采取叶尖速比来表征，计算公式如下：
（2-3）
其中：
—为叶尖速比，
—风轮机转速，
—风轮机扭转角速度，
—风轮机半径，最好叶尖速比控制算法是坚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
风轮半径：
（3-1）
式中：
P——一台风力机功率，W
——
——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：
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.次要有三种结构：
（1）固定式轮毂：
三叶片风轮大多采取固定式轮毂，制形成本低，保护少，不存在磨损成绩.
（2）叶片之间绝对固定的铰链式轮毂，驱动力距变更很大发生很大乐音，风轮具有阻尼器的感化.
（3）各叶片自在的铰链式轮毂,风轮可坚持恒速运转.
综合考虑本设计轮毂选用固定式.
塔架高度：
塔架高度要满足风机叶片运转的请求，而且要考虑经济方面的身分，塔架普通高度为：
（3-3）
式中：
—接近风轮叶片的地面妨碍物的高度，m
—风轮叶扫落到妨碍物最高点的距离1.5~2m
解得：
H=12m
塔架结构：
根据塔架最大承受的载荷及风能资本利用效力、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
概况镀锌
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，风力机的无效功率为：
（3-5）
取齿轮箱效力为
，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.
机舱普通包涵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，或采取带加强筋的板式焊接结构.设计机舱请求尽可能减小机舱质量而添加其刚度；兼顾舱内各部件安装、检修便当与机舱空间要紧凑，满足通风、散热、检查等保护需求，机舱对流动空气的阻力要小.
水平轴风力机常采取单级或多级定轴线直齿齿轮或行星齿轮增速器.
ZK460-W12/10型控制器次要用于风电零碎构成的供电收集，控制器操纵比较简单，功能可靠.风机可接最大容量为12kW
技术参数如表3—2所示：
项目描述
控制器类型ZK460-W12/10
额定电压DC460V
最大输入功率12kW
额定输出功率l0kW
呵护电压DC550V~DC570V│
环境温度-10~45
环境湿度85%RH
防护等级IP20
全部控制器的次要构成部分有:
液晶显示器、唆使灯、显示仪表、内部接线、
内部操纵开关和泄荷器等.
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，在逆酿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1/2~1/3，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
逆变效力
逆变输出电压
主供方式
输出频率
运转温度范围
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.完好的逆变电路由主逆变电路、输入电路、输出电路、控制电路、辅助电路和呵护电路构成.
选用逆变器的型号为；GNW12K3G—CN（致远公司产）次要参数如表3—4所示：
项目描述
工作电压范围DC380V~680V
最大输入电流30A
额定输入功率12KW
过载能力120%输出连续运转1min
3.5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.
电机的过载呵护须要使用继电器进行呵护.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呵护电路中.
3.6熔断器的选择：
熔断器呵护作为电路过载呵护最经常使用的一个手段应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、变桨距和温度控制模块选用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
通过此次风力发电设计，让我了解了风力发电零碎发电的基来源根基理和零碎构成，学到了很多风电场建设的相干常识.设计过程中把握了风电零碎的运转过程，对风力发电有了更进一步的深入了解.通过此次设计让我懂得了理论和实践相结合的次要性.虽然在设计的过程中出现了一些成绩，发现了本人在这方面常识的欠缺，如在选型计算中，本人设计考虑的身分究竟无限，得出的计算结果和选用的部件会有必定的误差.
其实此次的风力发电零碎设计要计算的包含很多方面，但是因为对风力发电零碎没有过实体的考察，很多比较材料系数，及结构构成、当地的风资本情况方面不是很清楚，所以不是做的很具体.我个人觉得课程设计相当于模拟练习，实战演习，我们每一名同学也转而酿成了研讨院里的一名设计师，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，因为理论常识储备缺乏和实践经验的严重缺乏，设计中不成防止地出现了各种错误.还好我们有所认识，有所领悟，我们会在当前的工作中加以改正，弥补缺乏.不管如何，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.从错误中汲取经验和教训，包管当前不再犯类似错误.经验丰富了，常识也就成熟了.随着课程设计的不竭深入，我也逐步发现本人所学的专业常识不敷用，对风力发电零碎、控制零碎、并网零碎的了解其实不透彻，总之有很多缺乏.通过此次设计，我确实提高了各方面的能力，增加了很多常识，积累了丰富的经验，对当前的工作有很大的帮忙.
在此感谢指点老师和同学们的悉心教导和帮忙.
5次要参考文献
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]TonyBurton等著，武鑫译，科学出版社
3.《中国风资本测量和评估实务》，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]VaughnNelson著，李建林肖志东等译，人民邮电出版社
5.《风能技术与利用》，钱伯章编，科学出版社
6.《风能利用技术》，郭重生编著，化学工业出版社
7《风能利用技术》，化学工业出版社，郭重生主编
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
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