概念性风力发电机组

概念型风力发电机设计内蒙古农业大学机电院电气三班栗宇一、引言能源是支持世界经济发展的重要因素和战略资源，随着经济全球化与人口的不断增长，能源需求日益增加，而地球上石油、天然气、煤炭这三种常规能源的日益枯竭和环境的持续恶化使得人们一方面注重节能技术的开发与应用，另一方面则着力开发和利用清洁、高效、可再生的能源。新能源是相对于常规能源说的有核能、太阳能、风能、生物质能、氢能、地热能和潮汐能等许多种。新能源的共同特点是比较干净，除核裂变燃料外，几乎是永远用不完的。由于煤、油、气常规能源具有污染环境和不可再生的缺点，因此，人类越来越重视新能源的开发和利用。（1）核能技术。核能有核裂变能和核聚变能两种。核裂变能是指重元素（如铀、钍）的原子核发生分裂反应时所释放的能量，通常叫原子能。核聚变能是指轻元素（如氘、氚）的原子核发生聚合反应时所释放的能量。核能产生的大量热能可以发电，也可以供热。核能的最大优点是无大气污染，集中生产量大，可以替代煤炭、石油和天然气燃料。①核裂变技术，从1954年世界上第一座原子能电站建成以后，全世界已有20多个国家建成400多个核电站，发电量占全世界16％。我国自己设计制造建成的第一座核电站是浙江秦山核电站30万千瓦；引进技术建成的是广东大亚湾核电站180万千瓦。核电站同常规火电站的区别是核反应堆代替锅炉，核反应堆按引起裂变的中子不同分为热中子反应堆和快中子反应堆。由于热中子堆比较容易控制，所以采用较多。热中子堆按慢化剂、冷却剂和核燃料的不同，有轻水堆、重水堆、石墨气冷堆、石墨水冷堆，这些堆型各有优点，目前一般采用轻水堆较多。快中子反应堆的优点可以充分利用天然铀资源，热中子堆只能利用天然铀中2％的左右的铀，而快中子增值堆可以利用60％以上。②核聚变技术，这是在极高温度下把两个以上轻原子核聚合，故叫热核反应。由于聚变核燃料氘在海水中储量丰富，几乎人类可用之不尽。可以说，世界人类永恒发展的能源保证是核聚变能。（2）太阳能技术。①太阳能热利用技术比较成熟，有太阳能热水器、太阳能锅炉烧蒸汽发电、太阳能制冷、太阳能聚焦高温加工、太阳灶等，在工业和民用中应用较多；②太阳能光电转换技术，通过太阳能光电池把光能转换成电能（直流电），主要是光电池制造技术，太阳能电池有单晶硅、多晶硅、非晶硅、硫化镉和砷化锌电池许多种。

这种发电技术利用最方便，但大功率发电成本太高。③光化学转换技术，利用太阳能光化学电池把水电解分离产生氢气，氢气是很干净的燃料。（3）风能技术。风能是一种机械能，风力发电是常用技术，目前世界上最大风力发电机为3200千瓦，风机直径97.5米，安装在美国夏威夷。我国风力发电装机总共20万千瓦，最大风力发电机为120千瓦。风能作为一种可再生能源，具有施工简单、周期短、维护费用低、清洁无污染和不消耗任何燃料等优点，其开发和利用可以减少环境污染、调整电力工业结构，应用于偏远地区还具有成本优势。风力发电是最具竞争力、最有发展前景的一项可再生能源技术，将在能源供应中发挥越来越重要的作用，因此在世界各国得到了广泛的开发和应用。（4）生物质能技术。这是利用动植物有机废弃物（如木材、柴草、粪便等）的技术。①热化学转换技术，把木材等废料通过气化炉加热转换成煤气，或者通过干馏将生物质变成煤气、焦油和木炭；②生物化学转换技术，主要把

粪便等生物质通过沼气池厌气发酵生成沼气，沼气的主要成分是甲烷。沼气技术在我国农村得到较好应用，工业沼气技术也开始应用。③生物质压块成型技术，把烘干粉碎的生物质挤压成型，变成高密度的固体燃料。（5）氢能技术。氢气热值高，燃烧产物是水，完全无污染。而且制氢原料主要也是水，取之不尽，用之不竭。所以氢能是前景广阔的清洁燃料。（6）地热能技术。地热能有蒸汽和热水两种。地热蒸汽有较高压力和温度，可直接通过蒸汽轮机发电；地热热水最好是梯级利用，先将高温地热水用于高温用途，再将用过的中温地热水用于中温用途，然后再将用过的低热水再利用，最后用于养鱼、游泳池等。（7）潮汐能技术。潮汐发电技术是低水头水力发电技术，容量小，造价高。我国海岸线长达14000公里，有丰富潮汐能。据估算，全国可开发利用潮汐发电装机容量为2800万千瓦，年发电700亿千瓦时发展趋势随着资源的日益枯竭和环境保护意识的加强，风力发电作为最具竞最有发展前景的一项可再生能源技术，在全球范围内得到了高度重视。量子永磁风力发电机具有与传统电机不同的旋转模式，其电枢转子与永磁转子相向旋转，同样风速条件下发电能力提高一倍，最低工作风速降为普通永磁风力发电机的一半，最高工作风速与普通永磁风力发电机一样，能加宽工作风速范围和提高风能利用率。同时，同样的极对数下双转子永磁风力发电机的工作转速只需普通永磁风力发电机的一半即可，因此在风力发电尤其是直驱式风力发电领域具有独特的优势。全球风能资源丰富，约为2.74×109MW，可利用的风能约为2×107MW，比上可开发利用的水能总量大10倍，而且几乎分布在所有的地区和国家。自从1973年世界发生石油危机以来，美国、西欧等发达国家为寻求替代化石燃料的能源，开创了风能利用的新时期。80年代开始建立示范风电场，成为电网新的电源；到了90年代对环境保护的要求日益严格，特别是要兑现减排CO2等温室效应气体的承诺，风电的发展进一步加快。德国和丹麦是老牌的风电大国，20世纪90年代几乎垄断着风机制造业；进入21世纪，西班牙和印度迅速成为后起之秀。风力发电经历了从独立系统到并网系统的发展过程，大规模风力田的建设已成为发达国家风电发展的主要形式，发电能力每增加一倍，成本就下降15％，近年来全世界风力发电装机容量的年平均增长率均超过了30％。我国风力产业的现状近年国际石油市场大幅波动，国内能源供应趋向紧张，能源价格也在不断攀升，严重影响了我国国民经济的可持续发展。我国能源结构的不合理也造成了严重的煤烟型环境污染，在气候变化和温室气体排放问题上承受着越来越大的国际压力。根据世界能源委员会的计算，风电每提供1000MW的电量，便能减少600顿CO2的排放，将在很大程度上有助于环境质量的改善。另外，根据世界银行专家从我国煤电与风电价格的变化趋势估计，风电价格将从2005年的0.55元／千瓦时，下降到2020年的0.4元／千瓦时左右，而煤电价格将从近年的0.35元／千瓦时上升到0.4元／千瓦时左右。由此看来，到2020年，风电将变成我国一种经济上很具竞争力的电力资源。我国发展风电的特点(l）在风力资源丰富、电网通达的地区，风力发电作为一种清洁的可再生能源，补充和逐步替代部分常规能源，缓解电力供应紧张的现状，提高当地的环境质量，以发展大型风电场为主；(2）在风力资源丰富或较丰富的边远无电、缺电地区，以发展小型或中型独立运行的风电系统为主，利用风力发电解决边远地区的生活用电和部分生产用电。小型风电在我国的应用前景风电技术发展的趋势是单机容量不断增大，但与小容量发电系统相比，它们的造价及引进费用非常昂贵，更受到风源条件的制约。而小型风机造价低廉、运输方便，可单独应用于个别家庭和企业，如果将低价的小型风机并联起来使用，不但能满足负荷需求，还能节省费用且更具灵活性。我国可以利用小型风力发电机的地方主要有以下几点：（1）东南沿海各孤立的岛屿及农牧区和边远山区：这些偏远地区居民居住比较分散，常规能源缺乏，用覆盖电网的方式供电成本较高或根本无法到达，但它们属风能资源丰富区，用小型风力发电可以很好地解决用电困难问题。20世纪80年代，内蒙古小型户用风力发电机组的推广应用，就很好地解决了大多数农牧民的用电问题，使他们的生活方式发生了质的变化。(2）航运系统：如长江航运中的拖船，一般为100一200t，经常被搁置在江中间的锚地上，用电主要靠蓄电池。使用风力发电机对蓄电池充电效果很好，这方面已有成功的经验。另外，我国大小河流湖泊上的船舶数量惊人，可以用小型风力发电机来解决它们的照明、收看电视、听广播等日常生活用电。(3）森林防火高山观察站：据林业部防火指挥部介绍，东北约有400个观察站，西南也有几百个高山观察站，各省市都有一些森林高山防火观察站，站上的工作人员从每年10月到第二年4、5月的防火期期间昼夜在站上值勤，由于山高、道路狭窄崎岖、运输困难，又不能使用明火，解决他们的生活用电颇为费神，使用小型风力发电机可以基本解决这一问题。(4）城市路灯的光伏、风力互补系统：可节省能源、美化城市环境、减轻空气污染，提高当地居民的生活质量等。(5）通风管道：将小型风力发电系统应用在各工厂的通风管道系统中，节能效果非常显著。双转子风力发电机的设计已采用的风力发电机有三种，即直流发电机、异步和同步交流发电机，不论是何种电机，均由定子和转子两大主要部件组成，靠转子的转动在处于变化磁场中的绕组内产生感应电动势，将风轮捕获的风能转化成电能。实际上不可能将捕获的风能全部转变为电能，现有风力发电机只有在额定的风速范围内才能正常运转，工作风速的范围较窄，风能利用系数较低，即使在正常工作时，其风能利用系数也很低，一般在0.3左右，超过半数的风能未能得到充分的捕捉和转化。另外，在现有的百瓦级小型风力发电系统中，发电机绝大多数采用三相同步发电机加整流器的结构，也有少数采用直流发电机。不论是直流发电机还是永磁同步发电机，它们在风力发电系统中应用时都存在一定的缺点与不足。双转子风力发电机的研究意义己采用的风力发电机有三种，即直流发电机、异步和同步交流发电机，不论是何种电机，均由定子和转子两大主要部件组成，靠转子的转动在处于变化磁场中的绕组内产生感应电动势，将风轮捕获的风能转化成电能。实际上不可能将捕获的风能全部转变为电能，现有风力发电机只有在额定的风速范围内才能正常运转，工作风速的范围较窄，风能利用系数较低，即使在正常工作时，其风能利用系数也很低，一般在0.3左右，超过半数的风能未能得到的捕捉和转化。另外，在现有的百瓦级小型风力发电系统中，发电机绝大多数采用三相同步发电机加整流器的结构，也有少数采用直流发电机。不论是直流发电机还是永磁同步发电机，它们在风力发电系统中应用时都存在一定的缺点与不足。直流发电机的输出电压波形较平稳，但其换向装置容易磨损、故障率高、寿命短。风力发电机都安装在几十米高的塔架上，维修更换很不方便；同时，换向装置的维修更提高了风力发电系统的度电成本。普通永磁同步发电机采用永磁体励磁，无需外加励磁装置，减少了励磁损耗；同时它无需换向装置，因此具有效率高，寿命长等优点。但是由于其励磁不能调节，从而使得输出电压调整率较高，输出电压波动范围较大，势必会造成蓄电池欠、过压保护装置的频频动作，缩短其使用寿命，会使发电成本居高不下，从而使小型风力发电系统难于推广应用。因此，在小型风力发电系统中，维持发电机电压平稳，对保证用电设备的性能与寿命和系统的稳定运行及风电系统的推广应用都具有重要意义。双转子永磁风力发电机（dual一rotorpermanent一magnetwindgenerator，简称DRPMWG)与普通永磁同步发电机的差别仅仅在于原来静止不动的定子现在也可以相对于机座自由地旋转，即电枢部分也能旋转，使得电枢与永磁体的相对转速提高一倍，同样风速条件下发电能力也能提高一倍，且即使在风速很低的情况下也能建压工作，降低了起动风速，最低工作风速为普通永磁电机的一半，最高工作风速两者一致，因此能加宽工作风速范围，提高风能利用率。极对数相同时，其工作转速可降为普通永磁发电机的一半，因此在直驱式风力发电方面更具有明显优势。双转子永磁发电机除了能应用于上述风力发电场合外，还能应用于水轮发电机、飞机引擎的涡轮发动机、潜艇和鱼雷的推进器改进等军事科研方面，具有极其重要的科研地位。双转子电机研究现状及发展趋势双转子结构电机因其结构新颖简单、功率密度和转矩密度高、应用范围广，引起了广大研究者的兴趣。德国的NikolausNeuberger最早提出一种单定子双转子异步电机，其结构如图所示，包括内、外两个转子和一个两面开槽的定子，可看作由两台共用定子铁心的异步电机组成，该电机与普通异步电机的最大区别在于定子采用环形绕线方式，可以大大缩短端部长度，2极或4极该电机的漏感仅为普通异步电机的70一80%，效率和功率因数可分别提高3％和0.08。双转子电机结构设计考虑到所设计的DRPMWG需要引入滑环和碳刷装置，采用内永磁外绕线转子结构。在外绕线转子冲片叠压形成的铁心外层套一个两端带出轴的外壳并烧焊成一个整体，再在两端加设端盖，用螺栓将其与外转子固定为一体，将滑环热套在该转轴的一端上以引出绕组，另一端引出轴。将整体的且一端有出轴的内永磁转子通过两端轴承同轴心地嵌套在外绕线转子内，在外转子两端装设轴承用来连接外转子和机座，内、外转子各伸出的轴头上分别安装两组具有相反偏转角的风轮以带动内、外转子各自独立地相向旋转。图1-2给出了所设计DRPMWG的结构示意图。总结双转子永磁风力发电机改变了传统电机结构，使得电枢也能与永磁转子相向旋转，同样风速条件下发电能力提高一倍，最低工作转速