《机械设计制造及自动化专业开题报告（3000字）》

开题报告表课题名称小型风力发电机风轮的结构设计指导教师学生姓名学号专业机械设计制造及自动化1．研究目的和意义当前火力发电仍然是主要的发电方式，其高污染高能耗正一步步吞噬着地球脆弱的生态环境，地球急需一种环保高效的可再生能源来替代火力发电。风力发电不像火力发电那样需要大量的煤炭、水力发电那样需要建造巨大的水库，也不像核电那样需要消耗铀，它不需要燃料就可以源源不断地产生能源，建好之后除了日常的维护费用外几乎不需要其他费用支持。风力发电的用法很多，既可以并网使用也可以离网使用，可以同太阳能一起使用，也可以单独构成大型风力发电厂。风力机的种类千奇百怪，设计思路五花八门，充分发挥了人类丰富的想象力和创造力，按轴的方向分有水平轴风力机、垂直轴风力机，按驱动方式分有升力型和阻力型等等。虽然目前世界各地的大部分风场所用的风力机为水平轴的，但由于垂直轴风力机，尤其提到达里厄型风力机，有着优越的空气动力性能，提高了效率，并且很大程度降低了造价，所以近年来广泛受到各国研究人员的关注。垂直轴风力机的旋转半径可以小至一两米，也可以大到数十米，发电风速范围比较广。垂直轴风力机（VerticalAxisWindTurbine或VAWT）的风轮轴与风向垂直，风轮的转动与风向无关，但是由于其启动风速较高且功率不稳定，其发展并不像水平轴风力机那么迅速。随着计算科学的飞速发展，垂直轴风力机的优异空气动力性能（尤其是达里厄风力机）渐渐为世人所认识，近年来广泛受到各国研究人员的关注。国外较大的风力发电公司有加拿大的CleanfiledEnergy公司，其主导产品是一种额定功率为3.5kW的升力型叶轮风力发电机，整套系统由玻璃钢纤维和钢材组成，约重181.4kg，叶轮高3m，轮辐直径2.5m。2006年，中国垂直风力发电机实验基地在内蒙古化德县启动运行，目前50kW小样机组已投入运行开始发电，如图1-4所示。2007年，西峡瑞发水电设备公司和哈尔滨发电设备研究中心联合开发设计的1.5MW垂直轴永磁风力发电机研制成功，并在张家口风电场安装运行。2．阅读的主要参考文献及资料[1]唐炼.世界能源供需现状与发展趋势[J].国际石油经济,2005(1):30-33.[2]郭健.风力发电机整机性能评估与载荷计算的研究[D].大连：大连理工大学硕士学位论文.2003(8).[3]翟秀静，刘奎仁，韩庆等.新能源技术[M].北京：化学工业出版社.2005.[4]钟伟强.国内外风力发电的概况[J].风机技术.2005(5)：44-46.[5]黎发贵，郭太英.风力发电在中国电力可持续发展中的作用[J].第三届亚洲风能大会暨国际风能设备展览会论文集.2006(6)：27-36.[6]贺德馨.风能技术发展中的几个问题[J].世界科技研究与现状.2003(8)：44-48.[7]李华明.基于有限元法的风力发电机组塔架优化设计与分析[D].乌鲁木齐：新疆农业大学硕士学位论文.2004.[8]郭健.风力发电机整机性能评估与载荷计算的研究[D].大连：大连理工大学工程硕士学位论文.2003.[9]徐华舫.空气动力学基础[M].北京:北京航空学院出版社.1987.[10]贺德馨.风工程与工业空气动力学[M].北京：国防工业出版社.2006(1).[11]Bossanyi,E.A.Electricalaspectsofvariable-speedoperationofhorizontalaxiswindturbinegenerators'[J].EtsuW/33/00221/REP,EnergyTechnologySupportUnit,Harwell,UK.1994.[12]叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M].北京：机械工业出版社.2002(6).[13]许燕.风力发电机组关键部件的有限元分析[D].乌鲁木齐：新疆大学硕士学位论文.2005.[14]AckermannT,SoderL.Windenergytechnologyandcurrentstatus[J].RenewSustainEnergyRev2000;4:315–74.[15]KongC,BangJ,KimH.Astudyonaerodynamicanalysisandstartingsimulationforhorizontalaxiswindturbineblade[J].KSPE1999;3(3):40–46.[16]JurezkoM,PawlakM.Optimisationofwindturbineblades[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology.2005(6).[17]KongC,KimJ.Structuraldesignofmediumscalecompositewindturbineblade[J].KSASIntJ2000;1(1):92–102.[18]HansenMartinO.L.AerodynamicsofWindTurbines[M].James&James,London,2002.上海交通大学硕士学位论文参考文献70[19]GuidelinesforDesignofWindTurbines[M].DetNorskeVeritasandRisoNationalLaboratory,JydskCentraltrykkeri,Denmark,2002.[20]张遂年.风力机计算机辅助设计[J].西北农业大学学报.1995(6)：66-71.[21]姜香梅.有限单元法在风力发电机组开发中的应用研究[D].乌鲁木齐：新疆农业大学硕士学位论文.2002.[22]刘翠.风力机叶片的优化设计及其动力学特性分析[D].长春：吉林学硕士学位论文.2005.[23]潘艺，周鹏展，王进.风力发电机叶片技术发展概述[J].湖南工业大学学报.2007(5)：48-51.[24]陈彦，王介龙，薛克宗.大型水平轴风力发电机结构动力学响应研究[J].风能科学技术报告，2000(9):10-12.[25]王永智，陶齐斌.风力机塔架的结构动力学分析[J].太阳能学报.1995,16(2):162-168.[26]周济，韩忠愿.现代机械工程设计的特点及CAD技术的走向浅析[J]．机械设计.1998(5)：46-48.[27]戴庆辉.论先进设计技术[J].中国机械工程，1999(8)：939-942.[28]兰勇，郭彦林.梭形钢管格构柱弹性屈曲性能[J]．建筑结构学报.2002(5):18-24.[29]施光燕,董加礼.最优化方法[M].北京:高等教育出版社.1999.[30]解可新，韩立兴，林友联.最优化方法[M].天津:天津大学出版社.1997.[31]谢峰，赵吉文.600kW风力机塔架结构的仿真设计[J].系统仿真学报.Vol.16No.1Jan2004：70-72.[32]李敏强.遗传算法的基本理论与应用[M].北京：科学出版社.2002.[33]王小平，曹立明.遗传算法－理论、应用与软件实现[M].西安：西安交通大学出版社.2002.[34]MarlerR.T,AroraJ.S.Surveyofmulti-objectiveoptimizationmethodsforengineering[J].Struct.MultidisciplinaryOptimisation26(2004)369–395.[35]陈香香，蒋晓红.遗传算法在暗管间距优化中的应用[J].中国农村水利水电.2006(1)：9-10.[36]HollandJH.Adaptationinnaturalandartificialsystems[M].Univ.ofMichiganPress,AnnArborMich,1975.3．国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向随着能源紧缺及化石燃料对环境污染日趋严重，开发新型能源成为各国经济发展的关键，目前可再生能源有太阳能、风能、地热能等。风能发电是目前为止技术最为成熟，历史最为悠久的发电方式，是具有大规模发展潜力的可再生能源，有可能成为重要的替代能源。自13世纪起，水平轴风车产业就成为了农村经济结构的主要部分，而利用风力发电的历史可以追溯到19世纪晚期，美国的Brush研制了第一台12kW的直流风力机。Golding(1955)、Shepherd和Divone(1994)记录了早期的风力机发展史。1931年，苏联制造了一台100KW、直径30m的Balaclava(巴拉克拉法帽)风力机；19世纪50年代早期，英国制造了一台100KW、直径24m的AndreaEnfield(安德鲁-恩菲)风力机。1956年，丹麦建造了一台200KW、直径24m的Gedser(盖瑟)风力机，1963年法国电力工业试验了一台功率1.1MW、直径35m的风力机。在德国，Hutter(胡特)于19世纪50年代和60年代建立了一些新型的风力机。由于石油价格突然上涨，美国开始建造一系列示范风力机组，如1975年的功率100KW、直径38m的Mod-0风力发电机组和1987年的功率2.5MW、直径97.5m的Mod-5B风力发电机组。目前世界上最大的风力发电机是德国制造的E-126，高达120m，风轮直径126m，每个叶片长达61.4m，每片重18t，装机功率达到5MW。我国风能资源丰富，根据第三次风能普查结果，我国技术可开发的陆地面积约为24×104km2。考虑到风电场中风力发电机组的实际布置能力，按照5MW/km2计算，陆上技术可开发量为120×104MW。目前我国风能资源开发利用的重点区域有内蒙古自治区、辽宁省、河北省、吉林省、甘肃省、新疆维吾尔自治区、江苏省等，其中内蒙古自治区技术可开发量约为50×104MW，居全国之首。论文主要对垂直轴、升力型、直叶型风轮进行适当的优化设计，提高风轮的风能的利用率，从而提升风力发电机的发电效率。4．主要研究内容，关键问题的解决思路本文主要研究内容如下：（1）风轮类型选定：垂直轴，升力型，直叶（翼型）；（2）了解风轮结构设计的相关研究现状，总结针对垂直轴风力发电机风能利用率低和降低启动风速的问题，从多个方面对风轮结构进行了优化；（3）使用空气动力学相关理论，从理论方面论证风轮结构参数对风机启动性能和风能利用率的影响；（4）针对提高风机风能利用率和降低启动风速的问题，提取风轮的相关结构参数，利用三维建模软件和有限元仿真软件对风轮结构进行建模仿真，可通过对SolidWorks进行二次开发进行参