风能工程课程设计

1、课 程 设 计（2015-2016学年第一学期）课程名称： 风能工程 学生姓名： 张嘉栗 专业班级： 13能源 学 院： 工程学院 学 号： 176340018 学生成绩： 目录第一章小型风力发电系统概述11.1 小型风力发电的发展现状11.2小型风力发电的前景2第二章设计原始资料22.1 设计地点22.2 设计要求及用途2第三章风力机的设计计算33.1 风力机的基本参数33.1.1 风力机的额定风速33.1.2 风力机的风轮直径33.2 风力机功率33.3尾舵的长度与面积43.4 塔架高度及形式53.5 蓄电池容量63.6控制器、逆变器、泄荷器的容量83.6.1 控制器的容量83.6.2 逆

2、变器的容量83.6.3 泄荷器的容量8第4章风力机其他部件选择与匹配94.1 叶片的组成94.2风轮的结构设计124.3 调速机构侧翼式组成134.4 发电机型号选择144.5 其它附属部件的设计说明15第五章设计总结15参考文献17第一章小型风力发电系统概述1.1 小型风力发电的发展现状小型风力发电产业在持续地发展， 但远没有大型风力发电产业那么迅速。到目前为止，对全球 50W-100kW 的小型风力发电机组生产量的粗略估计是 650,000 到 700,000 台， 装机容量为 200MW 

3、到 280MW。最成功的是用于分散家庭的小型风力发电机组，功率往往仅几百瓦。最大的市场是我国和蒙古的户用系统，也包括一些较大容量的风能互补系统， 风力发电机组的单机容量为 1-50kW。同时，还有大量的小型风力发电机组被应用到了移动通信基站。中国的风能资源十分丰富。根据全国900多个气象站的观测资料进行估计，中国陆地风能资源总储量约32.26亿KW，其中可开发的风能储量为2.53亿KW，而海上的风能储量有7.5亿KW，总计为10亿KW。我国的风电开发起步较晚，大体分为三个阶段。      第一阶段是19861990

4、年我国并网风电项目的探索和示范阶段。其特点是项目规模小，单机容量小，最大单机200KW，总装机容量4.2千KW。      第二阶段是19911995年示范项目取得成效并逐步推广阶段。共建5个风电场，安装风机131台，装机容量3.3万KW，最大单机500KW。  第三阶段是1996年后扩大建设规模阶段。其特点是项目规模和装机容量较大，发展速度较快，平均年新增装机容量6.18万KW，最大单机容量达到1300KW。 小型风力发电机组一般由风轮、发电机、调速和调向机构、停车机构、塔架及拉索等、控制器、蓄电池、逆变器等几部分组成。1

5、.2小型风力发电的前景中国风力等新能源发电行业的发展前景十分广阔，预计未来很长一段时间都将保持快速发展。随着中国风电设备的国产化，风光互补系统等新型技术的日渐成熟，小型风力发电的成本可望再降，经济效益和社会效益提升，小型风力发电市场潜力巨大。小型风电机组相关设备制造、小型风电技术研发、风电路灯等领域成为投资热点，市场前景看好。第二章设计原始资料2.1 设计地点辽宁省沈阳市沈阳农业大学能源基地2.2 设计要求及用途表1 沈阳市气象资料年平均风速(m/s)海拔高度/m平均空气温度盛行风向（2011-2015）/天3.1508.1 西南风428小型风力发电机组可为沈阳农业大学能源基地的照明提供稳定可

6、靠的电源。第三章风力机的设计计算3.1 风力机的基本参数3.1.1 风力机的额定风速小型风力发电机的额定风速为当地年平均风速的1.6倍，即v=1.6×3.1=4.963.1.2 风力机的风轮直径D=2080Nev3（公式1）式中：D风轮直径，m；v额定风速，m/s ；风力机的系统效率，取 = 20%； Ne输出功率，KW，取Ne=18KW。求得D=39.2m3.2风力机功率风轮的功率与风轮叶片数目无直接关系，与风轮直径的平方成正比，与风速的立方成正比，与风轮功率系数成正比，即风轮的功率可表示为：N=D2v32080Cp(kW) (公式2)Ne=NV(KW) (公式3)式中：D风轮直径

7、,m ； v额定风速，m/s ；风力发电系统总效率，=0.2 ；Cp风轮功率系数，Cp= 0.2；N风轮功率，KW；Nv吹向风轮的风具有的功率；Ne风力机最终所发出的有效功率，KW 。3.3尾舵的长度与面积尾舵是最常见的一种调向装置，它广泛用于小、微型风力机上。尾舵由尾杆和尾翼组成（图1）图1尾舵结构示意图尾舵的长度按下式取值:L1：L2=1：4（公式4）实用中一般常使L1=0.15D；L2=0.6D。D为风轮直径。可得：L1=0.15×39.2=5.88m，L2=0.6×39.2=23.52m设转动着的风轮扫掠面积为A，尾翼的面积为Ai，其面积之比按如下关系取值:对3叶风

8、轮，取Ai=0.04A。（公式5）其中A=NefCACT（公式6）表2 f与v的关系已知v=3.1m/s=11.09mile/h，根据表2利用内插法可得f=7.023表3 海拔校正因子CA值已知海拔=50m=164ft，根据表3利用内插法可得CA=0.994表4 温度校正因子CT值已知T=8.1=46.58，根据表4利用内插法可得CT=1.028由公式5和公式6可得Ai=12541.32ft2=1165.14m23.4 塔架高度及形式对于该小型风力发电系统，塔架采用单管拉线式，塔架由一个钢管和3条拉线组成，具有结构简单、轻便、稳定等优点。图2单管拉线式塔架示意图塔架的最低高度可按下式考虑:H=

9、h+C+R（公式7）式中：h接近风力机的障碍物高度，取h=5m； C由障碍物最高点到风轮扫掠而最低点距离，常为1.52m，取C=2m; R风轮半径。可得塔架的最低高度：H=5+2+39.2/2=26.6m3.5 蓄电池容量蓄电池在直流发供电系统中起着贮存电能和稳定电压的重要作用。配置合理容量的蓄电池，延长蓄电池的使用寿命，对用户的用电和节省经费开支都有重要的现实意义。蓄电池容量采用风能工程中连续无有效风期计算法来确定：连续无有效风期计算法只要计算出平均日耗电量，再乘以当地连续无有效风的天数，再考虑到蓄电池的效率，就可估算出所需蓄电池的容量。可采用下面公式:C=耗*N/（公式8）式中：C选配蓄电

10、池的容量，Wh；耗平均日电量， Wh； N连续无有效风期；蓄电池效率，若采用A.h单位可取0.85，若采用W.h单位，可取0.75。风力发电机的额定功率为18KW，风轮直径为39.2m，由调查资料可知：连续无有效风期为5天。初步调查估算得出能源基地用电设备如下：（1） 能源基地实验室的电灯40个，功率40W，使用时间为6h/d；（2）路灯6个，功率50W，使用时间平均10h/d；计算得出：平均每天耗电量：耗=40×40×6+6×50×10=12.6 (KW.h)；由公式35可得出：蓄电池容量为：C=12.6×5/0.75=84(KW.h)；换算

11、成安时单位:84000/24=3500（Ah）。因此，选用容量为3500 Ah的蓄电池比较合适。即选用18块24V/200A.h的蓄电池串联。3.6控制器、逆变器、泄荷器的容量我们知道，风能有很大的限制性。风的能量密度低，气流瞬息万变，时有时无，时大时小，日、月、季、年的变化都十分明显，波动很大，极不稳定。如果只有一台风力发电机，它发的电就会时有时无，电压时高时低，无法正常向用户提供所需的电能。我们必须建立一个发电系统，来保证其正常供电。整个发电系统包括控制器、逆变器、泄荷器、蓄电池。3.6.1 控制器的容量很多风力发电机将整流设备设置在控制器中，同时控制器具有防止风力发电机向蓄电池过充电和防

12、止蓄电池向用电器过放电等控制功能。为了保证控制器的运行安全，控制器的相关部分的最大工做功率必须比风力发电机发出的最大功率大20%，计算得出C值为21.6KW。3.6.2 逆变器的容量由于蓄电池输出的是直流电，它只能为直流用电器供电，而我们在日常生活和生产中很多用电器是用交流电的，所以需要用逆变器将直流电转变为交流电。通常选用高效率、高可靠性、较宽适用范围的逆变器。逆变器越接近最大额定功率处工作，工作效率越高，可达80%。因此，应选用容量接近于风力发电机的额定功率，取C值为18KW。3.6.3 泄荷器的容量系统中需配备泄荷器。当风力发电机输送的高电压加载到系统中会严重破坏控制器或者逆变器；当停止

13、给蓄电池充电时，需提供一个放电通道，当系统中加入泄荷器时能保证系统的安全。为了保证泄荷器的运行安全，泄荷器的相关部分的最大做功率必须比风力发电机发出的最大功率大20%，计算得C值为21.6KW。第4章风力机其他部件选择与匹配4.1 叶片的组成风力发电机螺旋桨式的叶片一般有两个特点：一是叶片横截面形状接近流线型；二是沿叶片的长度方向呈螺旋状。故该风力机风轮可采用螺旋桨式叶片。风力机叶片的设计方法采用图解设计法。如图所示的叶片其横截面(翼型)近似呈流线形，图3 Clark-Y翼型图中:R风轮半径(从风轮中心到叶尖的距离);ri一从风轮中心到计算横截面位置的距离;Li一弦长(从翼型前缘到后缘的直线距

14、离);i一攻角(弧与水平面之间的夹角);尖速比;i一各翼型处的周速比(该处圆周线速度与风速比)。在开始设计叶片形状之前，先按上述方法确定风轮面积，计算出风轮的直径D，风力发电机的风轮叶片数多为2片或3片，尖速比一般为8叶片为3、风轮直径为39.2m、尖速比为8的螺旋桨式叶片图解设计法。第一步:按适当比例绘一直线，长度为39.2/2=19.6m，并等分8份，各个位置间距离为1.73m。计算出各个位置上的周速比。以i=0riR式计算： 1位置：r1=2.45m， 1=0×r1R=8×2.4519.6=1 2位置: r2=4.9m ， 2=0×r2R=8×4.

15、919.6=23位置:r3=7.35m， 3=0×r3R=8×7.3519.6=34位置：r4=9.8m ， 4=0×r4R=8×9.819.6=45位置：r5=12.25m, 5=0×r5R=8×12.2519.6=56位置：r6=14.7m，6=0×r6R=8×14.719.6=67位置：r7=17.15m，7=0×r7R=8×17.1519.6=78位置：r8=19.6m，8=0×r8R=8×19.619.6=8第二步:分析各位置处的攻角。攻角与周速比的关系如图3所示。

16、即1位置:1=1，查图得1=30°2位置:2=2，查图得2=17°3位置:3=3，查图得3=12°4位置:4=4，查图得4=9.5°5位置:5=5，查图得5=7.5°6位置:6=6，查图得6=6.5°7位置:7=7，查图得7=5.5°8位置:8=8，查图得8=5°图4叶片的周速比和攻角的关系图5叶片的周速比和弦长的关系由图3可知，在靠近风轮中心处，攻角值急剧增大，在制造和叶片安装有困难时，可使此处的。角略小一些，光滑过渡即可。第三步:计算各位置的翼型弦长。各位置的弦长与周速比的关系如图4所示。对于三叶片的风轮计算如

17、下:2位置:2=2，查图得L2r2=0.26，L2=4.9×0.26=1.274m3位置:3=3，查图得L3r3=0.16，L3=7.34×0.16=1.174m4位置:4=2，查图得L4r4=0.11，L4=9.8×0.11=1.078m5位置:5=5，查图得L5r5=0.085，L5=12.25×0.085=1.041m6位置:6=6，查图得L6r6=0.07，L6=14.7×0.07=1.029m7位置:7=7，查图得L7r7=0.05，L7=17.15×0.05=0.858m8位置:8=8，查图得L8r8=0.04，L8=19

18、.6×0.04=0.785m第四步:把各个位置的弦长连接起来，便得到了叶片受风平面展开形状。再按各个位置上的攻角值，把这个平面形状“扭”成螺旋状。至于翼型的上部曲线形状，则根据实际需要绘制出。4.2风轮的结构设计风轮是风力机区别于其他动力机的主要标志。其作用是捕捉和吸收风能，并将其转化为机械能，由风轮轴将能量送至传动装置。风轮主要由叶片、叶柄、轮毂、风轮轴等组成。叶片的基本形式有三种，即平板型、弧板型、和流线型。具体构成简图如下：1.叶片 2.叶柄 3.轮毂 4.风轮轴图6 风轮组成示意图风轮的主要几何参数有风轮轴（风轮的旋转轴），回转面积(垂直于风轮轴的平面),风轮直径（风轮扫风面

19、的直径），叶片轴线（叶片纵轴线）风轮的主要设计参数：（1） 风轮叶片数一般风轮的叶片数取决于风轮的尖速比。由于本风机的尖速比为8，因此选用叶片数为2或3片；又因为三叶片的风力机的运行与输出功率较平稳，因此选用叶片数为3。（2） 风轮直径D 由公式1可得D=39.2m（3） 设计风速v 设计风速取决于风力发电机组地区的风能资源。可以按全年获得的最大原则确定设计风速。v=5m/s.（4） 尖速比 尖速比是风轮的叶尖速度与设计风速之比。=8。（5） 实宽实宽是风轮的叶片面积之和与风轮扫掠面积之比。（6） 翼型及升阻比本风机采用流线型，升阻比即叶片升力与阻力的比值。4.3 调速机构侧翼式组成风力发电机

20、若要有一个稳定的功率输出，就要设置调速机构。该风机采用侧翼式定桨距调速：侧翼式侧翼式调速(限速)机构(图7)是在风轮后面向一侧伸出一只侧冀，翼柄平行于地面和风轮旋转面，同时配有能使风轮回位装置，如弹簧、配重等。它的工作原理是:当风速处于额定风速之内时，风轮在(图7)(a)工作状态，此时侧翼虽然也有风的正面压力，但压力的数值尚没达到使弹簧被拉伸的程度;当风速超过额定风速后侧翼所受风压使风轮偏转到(图7)(b)的位置，弹簧被拉伸，此时风速虽然增大，但由于风轮迎风面积缩小了，风轮仍在额定转速下工作;当风速一旦减小，弹簧又将风轮拉回到原来的方位;图7中(c)为强风时状况，以防大风时对风力机造成破坏。图

21、7 侧翼式调速机构示意图4.4 发电机型号选择小型风力发电机系统选用发电机型号为静电电容器励磁的三相异步电发电机。选用扬州神州发电机有限公司生产的 光芒/FD20KW额定电压为220V，额定转速180r/min，启动风速为2.5m/s。通过控制器、逆变器等部件可稳定输出220V交流电。1.轮毂2.传动系统3.增速齿轮箱 4.刹车5.发电机6.塔架7.风速风向仪图8水平轴风力发电机4.5 其它附属部件的设计说明表5其它附属部件的设计详表部件材质机舱机头座回转体尾翼停车机构齿轮增速箱耐腐蚀性的玻璃纤维钢用法兰盘固定在塔架顶端向心球轴承加推力轴承用螺栓及法兰盘固定在回转体后端 带式制动器，安装在风轮

22、轴上 输出轴与发电机轴用联轴器连接第五章设计总结根据设计原始资料，通过各种途径查阅相关文献资料，设计了较为完整的小型风力发电系统，并为其匹配了相关附件。设计的小型风力发电系统能够稳定运行，持续供电，满足了设计要求。设计过程中在蓄电池的匹配和用电器与风能电力系统三者平衡匹配方面发现有很大部分的风能资源得不到充分利用，否则需要大量的蓄电池来储存能量。根据能量平衡法算出的值跟连续无有效风期计算法算出的值存在很大差异 。在课程设计中将老师在上课讲的理论知识应用到具体实践当中，使得对知识有了更深入的理解，在老师的指导下顺利完成了课程设计任务。风力发电系统的相关参数见表6和表7：表6小型风力发电系统参数详表