风力发电机——设计开题报告

本科生毕业设计（论文）开题报告论文题目：风力发电机偏航与变桨距系统设计学院：机械工程学院专业班级：机械设计制造及其自动化0702班学生姓名：吕鹏学号：070103017指导教师：陈长征开题时间：2011年3月21日一．毕业设计（论文）课题的目的、意义、国内外现状及发展趋势1.1课题目的通过到相关企业调研风力发电机偏航与变桨距系统设计的原理及相关资料，使得学生掌握风力发电机偏航与变桨距系统的工作原理与风力发电机偏航与变桨距系统设计的方法。在完成本课题设计的同时，提高学生查阅资料、分析问题及解决问题的能力。1.2课题意义：随着石油、天然气、煤炭等传统化石燃料的枯竭及其燃烧造成的环境污染，作为可再生能源的风能的开发和利用具有十分重要的意义。风力发电事业正是在这些常规能源告急和生态环境恶化的双重压力下，开始蓬勃发展的。大力发展风电事业，不但可以解决能源危机问题，而且对全球生态环境的改善也大有裨益。我国风能资源丰富，这十几年来，对风能资源状况作了深入的勘测调查，陆上可开发利用的风能资源总量为2.53亿千瓦;加上近海(15米深的浅海地带)的风能资源，全国可开发风能资源估计在10亿千瓦以上。资源分布也很广，在东南沿海、山东、辽宁沿海及其岛屿年平均风速达到6-9米／秒，内陆地区如内蒙古北部，甘肃、新疆北部以及松花江下游也属于风资源丰富区，在这些地区均有很好的开发利用条件。但是，从我国的能源结构来看，截至2005年底，全国发电设备容量为51，718.48万千瓦，同比增长16.91%。其中，水电约占总容量22.7%，火电约占总量75.67%，核电占总量1.32%，风电总量0.2%，可见风电设备装机容量所占比例还相当低。风力发电，作为当前我国可再生能源重要组成部分，已被列入“十一五”期间科学发展的重要战略。一些不利因素在于与国际风电行业的发展水平还有很大差距，国内的风电设备主要依靠进口，对外依赖性强。虽然在引进国外机组建立风电场的同时，我国的风机技术研发也取得了一定的成果。然而风力发电机组电动变桨距控制系统的研发就一直是其中手的问题，许多关键核心技术我们还不掌握，这导致了可再生能源难以推广。1.3国内外研究现状及趋势1.3.1偏航系统研究现状及趋势偏航系统可分为主动偏航系统和被动偏航系统。被动偏航系统不需另设动力驱动机构,而是通过机械机构或尾舵等装置的作用利用风能使叶轮始终对准风向。这种结构成本低,制造维护方便,但一般只适合在非并网小型风电机组中使用。主动偏航系统设有偏航驱动电动机,通过传动机构使叶轮联同机舱共同绕塔架的轴心线旋转一定角度,实现对风功能。同时由于风机在维护检修时有降低叶轮风载,保证施工安全的要求;以及在实现对风的同时要求发电机输出动力的电缆避免过大扭转和缠绕,因此偏航系统就必须承担减载及解缆任务。目前的水平轴大型并网风力发电机组全部都采用主动偏航系统。由于偏航系统的设计及运行质量直接影响风机的正常运行,因而引起风机设计制造领域的高度重视。1.3.2变桨距系统研究现状及趋势变桨距是指借助动力系统和控制技术，通过改变安装在大型风力发电机轮毂上的叶片的桨距角大小，来改变叶片的气动特性，从而使整机和桨叶的受力状况大大改善。通过对比变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组的运行，得出变桨距风力发电机组有在额定功率点以上功率输出平稳的优点。并且变桨距风机具有控制灵活、承受机械应力小等优点，从而成为风电系统的发展趋势之一。目前世界市场上风电机主要的调节技术分为：变桨距调节风电机技术（Pitchregulation）、定桨距调节风电机技术（Stallregulation）、主动定桨距调节技术(Activeregulation)。我国仅掌握定桨距调节的风电机技术，定桨距调节风机的容量可以扩大到750kw，但是对变桨距技术却没有作出深入研究。所以，我国的风电机技术开发仍然处于比较低的水平。目前国外变桨距机构主要应用于MW级以上的大型风力发电机上，多采用两种方案:液压执行机构和电机执行机构。从驱动控制形式上可分为一个液压缸推动三片桨叶同步运行的结构形式;三个液压缸分别驱动三片桨叶的驱动形式和采用三个电动机通过减速器分别驱动三片桨叶的驱动形式。且都已应用到2.5到6MW风力发电机上。液压执行机构具有响应频率快、扭矩大、便于集中布置和集成化程度高等优点，它特别适合于大型风力机的场合;而电机执行机构以其结构简单、能对桨叶进行单独控制，越来越多地应用于风力发电机组。然而，风机桨叶强非线性的空气动力学特性、系统参数的不确定性给此类系统的控制部分带来了困难。现代风力发电机技术面临的主要挑战在于如何进一步降低成本、提高效率、增加强度这三方面。由于变桨距调速方式和变速恒频技术，可以随着风力发电机机的单机容量的不断增大，在额定风速下就能提高捕获风能效率，从而获得最佳能量输出，所以变速恒频变桨距风机逐渐占据了风机的主导地位。二、课题主要工作（设计思想、拟采用的方法及手段）首先进行整体设计，初选1.5MW级风力发电机作为设计对象进行设计。1）偏航系统设计：初选主动式偏航系统——查阅文献对风力发电机偏航受力进行分析——初选偏航电机，计算回转减速器的传动比——选择回转减速器并设计偏航小齿轮，对其进行强度校核——绘制偏航系统工程图及电路控制原理图2）变桨距系统设计：初选电动变桨距系统——查阅相关资料文献对变桨距受力进行分析——设计轮毂，并校核强度——初选变桨距电机，计算回转减速器传动比，选择回转减速器并设计变桨小齿轮，并对其进行强度校核——绘制变桨系统工程图及电路控制原理图三．完成课题的实验条件、预计设计过程中可能遇到的问题以及解决的方法和措施通过自己的了解以及这几周在图书馆和网上的资料查阅，对本设计的基础知识已经有了一定的认识，同时可以通过网上资料检索进行查阅相关知识，并利用风能技术研究所原有的风机资料作为参考来完成风机变桨距和偏航系统的设计。后期需要的装配图、零件图可以利用电脑软件CAD、UG或Pro-E来完成。在设计的过程中可能会遇到很多的麻烦，例如在变桨距系统设计时，由于叶片较长且质量大，同时也承受较大的载荷，因而支撑叶片的回转支撑受力较大，在后期校核时，有可能出现强度不符合要求。同时，在设计偏航系统过程中，对回转减速器传动比的确定及偏航齿轮齿数的确定将会是一个难点。四、毕业设计（论文）实施计划第一周查阅国内外相关文献资料，熟悉相关理论知识第二周翻译外文资料第三周撰写开题报告并熟悉设计用软件（CAD）第四周-第五周风机厂调研第六周调研资料整理及设计方案初步确定第七周理论分析及方案可行性设计第八周—第九周控制系统及工程图绘制第十周—第十—周结构计算及工程图绘制第十二周对整体设计进行修正第十三周撰写论文第十四周修改论文第十五周正式答辩五．参考文献[1]中国电器工业协会机经网,世界风能利用现状及发展趋势[J].电器工业,2001(6).[2]高虎，刘薇，王艳等编著.中国风资源测量和评估实务.北京：化学工业出版社，2009.1[3]霍志红等.风力发电机组控制技术[J]，水利水电出版社，2010.[4]芮晓明，风力发电机组设计[J],机械工业出版社,2010.[5]刘乔力，程曙霞，葛新石.风动风机及其设计理论.流体机械，1994.[6]孙恒，陈作模，葛文杰主编，机械原理，高等教育出版社，2005.[7]金长生.风力发电机偏航控制系统的研究[D].大连：大连理工大学，2010.[8]褚金，高文元，大型风电机组偏航闸液压系统的设计与建模[J]，机床与液压，2010.[9]宋锦春苏东海张志伟编著.液压与气压传动.北京：科学出版社，2006[10]洪飞.风力发电机的变桨距控制与研究[D].合肥:合肥工业大学，2007.[11]李强.兆瓦级风电机组变桨距机构及单机控制研究[D].沈阳:沈阳工业大学,2003.[12]李强，姚兴佳，陈雷.兆瓦级风电机组变桨距机构分析[J].沈阳工业大学学报，2004.[13]李永伟.风力发电机组电动变桨距控制系统的设计[D].硕士论文，河北：河北农业大学2010.[14]濮良贵，纪名刚主编.机械设计.北京：高等教育出版社，2001.[15]邓星钟等编，机电传动控制（第四版）大学出版社，2007.[16]田亚平，刘绍杰.兆瓦级风力发电机变桨距机构的设计及分析[J]：沈阳理工大学学报，2005.12.[17]哈尔滨工业大学理论力学教研组．理论力学（第五版）．高等教育出版社，2003.5[18]刘鸿文.材料力学.第3版.北京:高等教育出版社，1996.[19]甘永立主编，几何量公差与检测，上海科学技术出版社，2007.[20]LiebstB.S.,PitchControlSystemforLarge-ScaleWindTurbines.J.Energy,7(2),1982.[21]CardenasR,AsherG,andRayW.F.,AdaptivePitchControlforVariableSpeedWindTurbines,Proceedingsofthe1995SeventeenthBWEAWindEnergyConference.1995.[22]BossanyiE.A.,DevelopmentsinIndividualBladePitchControl,ProceedingsofEWEASpecialTopicConference,TheScienceofMakingTorquefromWind,Delft,Netherlands.2004.[23]StolK.A.,XaoW.,andWrightA.D.,IndividualBladePitchControlfortheControlAdvancedResearchTurbine_CART_,ASMEJ.Sol.EnergyEng.2006.[24]SperaD.A.,WindTurbinesTechnology—FundamentalConceptsinWindTurbineEngineering,ASME,NewYork,2005.指导教师意见：指导教师签字：年月日专业核心组意见：专业核心组组长签字：年月日