槳葉可變風力發(fā)電機設計圖文

1、可再生能源論文題目:槳葉長度可變風電機的理論猜想 與初步設計 1、 緒論（1） 研究背景風能是一種無污染、可再生的清潔能源。早在公元前200年，人類就開始利用風能了。提水、碾米、磨面及船的助航都有風能利用的記載。自第一次世界大戰(zhàn)之后，丹麥仿造飛機螺旋槳制造二葉和三葉高速風力發(fā)電機發(fā)電發(fā)電并網(wǎng)并使用直至現(xiàn)在，風力發(fā)電機經(jīng)歷了近百年的發(fā)展歷程。20世紀80年代之后，世界工業(yè)發(fā)達國家率先研究、快速發(fā)展風力發(fā)電機，建設了風電場?，F(xiàn)在風力發(fā)電機制造成本不斷下降，已接近水力發(fā)電機的水平，制造及使用技術(shù)也日趨成熟。20世紀末，世界每年風電裝機容量已近20%的增長速度發(fā)展，風電成為世界諸能源中發(fā)展最快的能源。

2、如果在總面積0.6%的地方安裝上風力發(fā)電機，就能提供全部電力消耗的20%，可以關(guān)閉供電力20%的以燃燒煤、重油等碳氫化合物為燃料而排放、和煙塵對大氣和地球環(huán)境造成污染和破壞的火電廠，這對于霧霾日益嚴重的當下有重大意義。（2） 國內(nèi)外發(fā)展2012 年新增風電裝機容量最多的10個國家占世界風電裝機的87%。與2007 年相比，美國保持第1 名，中國超過西班牙從第3 名上升到第2 名，印度超過德國和西班牙從第5名升至第3 名，前3 名的國家合計新增裝機容量占全世界的60%4。 根據(jù)世界風能協(xié)會的統(tǒng)計，2012 年全世界風電裝機容量新增約2726 萬kW，增長率約為29%。累計達到1.21 億kW，增

3、長率為42%，突破1 億kW 大關(guān)。風電總量為2600 億kWh，占全世界總電量的比例從2000 年的0.25%增加到2012 年的1.5%。 盡管風電的發(fā)展仍然存在著很多困難，如電網(wǎng)適應能力、風能資源、海上風電發(fā)展等，但相比于常規(guī)能源，經(jīng)濟性優(yōu)勢逐步凸顯，世界各國都對風電發(fā)展充滿了信心。例如，歐美都公布了2030 年風電滿足20%甚至更多電力需求的宏大目標，這也為全球風電的長期發(fā)展定下了基調(diào)。從國際能源署（IEA）2012 年頒布的2050 年能源技術(shù)情景判斷，2012-2050年，全球風電平均每年增加7000 萬千瓦，風電將成為一個龐大的新興電力市場。我國是世界上風力資源占有率最高的國家之

4、一，同時也是世界上最早利用風能的國家之一。據(jù)資料統(tǒng)計，我國10 m 高度層風能資源總量為3226GW，其中陸上可開采風能總量為253GW，加上海上風力資源，我國可利用風力資源約為1000GW。如果風力資源開發(fā)率可達到60%，僅風電一項就可支撐我國目前的全部電力需求。我國利用風電起步較晚，和世界上風電發(fā)達國家如德國、美國、西班牙等相比還有很大差距。風電是20 世紀80 年代開始迅速發(fā)展起來的，初期研制的風機主要是1kW、10kW、55kW、220kW 等小型風電機組，后期開始研發(fā)可充電型風電機組，并在海島和風場廣泛應用。（3） 發(fā)展中存在的問題風能是一種能量密度低、穩(wěn)定性較差的能源。由于風速、風

5、向隨機變化，引起葉片攻角不斷變化，導致風電機組的效率和功率的波動，并使傳動力矩產(chǎn)生振蕩，影響電能質(zhì)量和電網(wǎng)穩(wěn)定性。隨著風電技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在許多風電機組采用了變槳矩調(diào)節(jié)技術(shù)，其葉片的安裝角可以根據(jù)風速的隨機變化而改變，氣流的攻角在風速變化時可保持在一個比較合理的范圍內(nèi)，從而有可能在很大的風速范圍內(nèi)保持較好的空氣動力學特性，獲得較高的效率，特別當風速在大于額定風速條件下，仍可保持輸出功率的平穩(wěn)。在變槳技術(shù)的基礎上，又發(fā)展了變速恒頻技術(shù)，使風機的轉(zhuǎn)速可以隨風速的變化而變化，進一步提高了風電機組的頻率。但變槳矩技術(shù)也存在著一些缺點。例如迎風變槳控制方式（使氣流攻角減?。┰趶婏L時，變槳角度相對較大；而順

6、風變槳即主動失速（使氣流攻角增大）變槳時使氣流產(chǎn)生分離，升力減小，阻力急劇增大，從而導致風力機功率減小。因此，我們可以猜想如果風輪直徑在不同的風速下可變，使其最大化的捕捉風能可能是未來風能利用的一個重大技術(shù)突破。（4） 本文的主要工作隨著風輪直徑的增加，風力機可以捕捉更多的風能。直徑40m的風輪適用于500KW的風力機，而直徑80m的風輪則可以用于2.5MW的風力機。長度超過80m的葉片已經(jīng)成功運行，葉片的長度每增加1m，風力機可捕捉的風能就會顯著增加。和葉片的翼型一樣，葉片的長度設計對提高風能的利用也有著重要作用。本文將會初步計算和討論葉片長度可變對風力發(fā)電機功率的影響，并設計一個簡單的根據(jù)

7、風況而槳葉長度可變的風力發(fā)電系統(tǒng)。當風速較低時，葉片會完全伸展，以最大限度的生產(chǎn)電力；隨著風速增大，輸出電力會逐步增至風力機的額定功率，一旦風速超過這一峰值，葉片就會回縮以限制輸電量；如果風速繼續(xù)增大，葉片長度將會繼續(xù)縮小至最短。風速自高向低變化時，葉片也會做相應調(diào)整。2、 設計方案（一）理論效率分析 當風速為時，風的動能為 （1）流過一個控制面的f的的風功率為 （2）因為流量?，F(xiàn)根據(jù)Betz假設，風流均勻，速度為，流過風輪之后在遠離風輪面后的風速降為?？紤]一流管，由于連續(xù)性它必須是擴張形的。 （3）由于壓力變化甚微，可假設密度為常數(shù)。所提取的能量即為流入的能量減去流出的能量，即 （4）所提取

8、的功率則為 （5）如果不降低風速（），自然得不到功率。但若風速降低太多，則流量就很小。在極端情況下（），流管堵塞，同樣得不到功率。因此在和之間，必然存在一個使功率達到最大值的最佳流出速度。當已知風輪面的風速時，就可求得流量，即 （6)在此根據(jù)Froude-Rankin定理，做出合理假設，即 （7）把式（6）和式（7）代入功率表達式（5），可得到 （8）可見，可提取的功率為風功率乘以功率系數(shù)。功率系數(shù)取決于風速比，即 （9）對功率系數(shù)關(guān)于風速比求一階導數(shù)并令其為0或畫出功率系數(shù)的曲線，就可求得最大功率處的風速比=1/3，即。對關(guān)于求導可得 =令=0，即最后得到即當時，最大，此時故其最大值為 （1

9、0）式（10）表明，通過一個理想風機可提取約60%的風含功率。在此，風輪面的風速為，遠離其后的風速為。下圖給出了風速和風機直徑一定時，根據(jù)Betz的理想情況，所能提取的最大功率（）。由于存在一些其它損失，風力機的實際功率要比理想情況小，但=0.5完全可以實現(xiàn)。風輪直徑可按計算，式中發(fā)電機效率； 傳動效率； 風力機的輸出功率。風機葉輪的設計應保證槳葉作用的圓面上每一個環(huán)單元所吸收的風功率都達到最大，即由Z個合理設計的槳葉來提取這個功率，并轉(zhuǎn)換成機械功率，得式中，Z葉片數(shù)目； 氣動力切向分量； 葉片切向速度。在設計工作點，翼型的升阻比接近最佳值，故阻力系數(shù)很小，即。因此，在切向力的表達式中，可忽略

10、阻力影響，而僅考慮升力的作用，于是機械功率為令 ，則得到由氣流速度三角形得 ， 并考慮到尖速比故有 根據(jù)風機制造的要求，半徑比最小約為15%，對現(xiàn)代風機，葉尖速比大于3，則上式簡化為確定了弦長后，還需要確定翼型的安裝角度。安裝角度與槳葉半徑有關(guān)，即下圖為弦長t和迎風角與葉尖速比的關(guān)系。由圖可見，葉尖速比越高，弦長t越小，迎風角也越小。另外，槳葉隨半徑r發(fā)生扭轉(zhuǎn)。可以根據(jù)上述計算式，分別在不同的槳葉長度上設計不同的翼型和安裝角度。（2） 原理 執(zhí)行器 控制器 傳感器 風速 輸出功率 - 擾動輸入量控制系統(tǒng)：槳葉長度可變的風力發(fā)電機的定性功率曲線如下圖所示。高于額定功率低于額定功率額定功率風速V4

11、區(qū)：拓展模式使槳葉回縮至最短限制載荷3區(qū)：回縮槳葉抑制輸出功率使其保持穩(wěn)定2區(qū)：過渡區(qū)繼續(xù)伸長槳葉高效率平滑過渡1區(qū)：伸長槳葉獲取大的功率功率P該圖被分為兩個部分四個區(qū)域。兩個部分分別為低于額定和高于額定功率部分。當風力發(fā)電機運行在低于額定功率區(qū)時，只產(chǎn)生風力發(fā)電機設計的部分功率，因此需要采取加長槳葉長度的優(yōu)化策略。另一方面，當風力發(fā)電機運行在高于額定功率區(qū)時，則采取回縮槳葉長度的功率限制策略。1. 傳感器：風速通常有一個安裝于機艙的風速計來測量。然而這種在機艙測量的風速準確度往往不足，很難被控制器采用，原因在于機艙的形狀會導致風速的加速，以及風輪的轉(zhuǎn)動會導致風一定的湍流，同時，單一的測量也不

12、足以代表通過風輪表面的風速。因此，有時還會利用風速估算器來提高控制算法。2. 控制器：控制器通常為一個實時的工業(yè)控制系統(tǒng)，具有專用的微處理器，并通過該微處理器，并通過該微處理器運行主控軟件來處理特定的控制算法。3.執(zhí)行器： 控制槳葉伸長縮短的曲柄滑塊機構(gòu)設計 機構(gòu)安裝在槳葉上的位置 使用UG8.0模擬相連伸縮葉片之間的立體關(guān)系伸長槳葉的系統(tǒng)是一個機械、電氣或者液壓裝置，作用在每兩個相連葉片使其可以在槳葉半徑方向相對運動。伸長槳葉系統(tǒng)對風力發(fā)電機有著至關(guān)重要的作用，因為它決定著機器的安全性。伸長槳葉系統(tǒng)一個錯誤可引起風力發(fā)電機不可逆轉(zhuǎn)的損壞。為避免這一情況，可通過獨立伸長槳葉控制系統(tǒng)來保證可靠性

13、，當某一槳葉發(fā)生故障時，另外幾個槳葉能夠伸長到安全半徑，以確保不受損壞。3、 關(guān)于可變槳葉特點和發(fā)展的討論（1） 特點關(guān)于風力發(fā)電機根據(jù)風況自我調(diào)節(jié)從而提取最大功率的方法有很多種，變槳矩技術(shù)，變速恒頻技術(shù)，但其還存在著變槳技術(shù)存在著變槳角度過大，阻力驟增，電子器械裝置結(jié)構(gòu)復雜等一些缺點。槳葉可變技術(shù)通過簡單的機械機構(gòu)控制來實現(xiàn)風機功率穩(wěn)定輸出，方式簡單，可控制性好，是未來發(fā)展的一個方向。（2） 材料的選取小型風力機的葉片常用優(yōu)質(zhì)木材加工制成，表面涂上保護漆，其根部與輪轂相接處使用良好的金屬接頭并用螺栓擰緊。有的采用玻璃纖維或其它復合材料蒙皮則效果更好。大、中型風力機使用木質(zhì)葉片時，不像小型風力

14、機上用的葉片由整塊木料制作，而是用很多縱向木條膠接在一起，以便于選用優(yōu)質(zhì)木料，保證質(zhì)量。有些木料，如葉片的翼型后緣部分可填塞質(zhì)地很輕的泡沫塑料，表面再包以玻璃纖維形成整體。為了降低成本，有些中型風力機的葉片采用金屬擠壓件，或者利用玻璃纖維或環(huán)氧樹脂抽壓成型。但整個葉片無法擠壓成漸縮形狀，即寬度、厚度不能變化，難以達到高效率。 由于槳葉的可伸縮性，導致槳葉結(jié)構(gòu)特殊化，內(nèi)部為空心結(jié)構(gòu)，所以要使用重量輕且強度高的材料制作。目前，風機葉片所用的材料已由木質(zhì)、帆布等發(fā)展成為金屬（鋁合金）、玻璃纖維、碳纖維增強復合材料等，其中新型玻璃鋼葉片材料因為重量輕、強度高、可設計性強、價格便宜等因素，開始成為大、中

15、型風機葉片材料的主流。（3） 可行性和未來發(fā)展在現(xiàn)實的應用中，風速不恒定，以及風在風輪上的時間和空間也不同。眾所周知風特性的不確定性（如風廓線和湍流）可能導致嚴重低估風力發(fā)電機的極限載荷，如葉片、主軸、支撐塔筒、齒輪箱和傳輸系統(tǒng)載荷等，這也導致這些機械部件中的一個和多個過早的失效。所以變、可伸縮槳葉技術(shù)在現(xiàn)實中還需要大量的測試研究才能投入使用。4、 總結(jié)風能作為應用潛力很大的清潔可再生能源，受到了世界上許多國家的重視。目前，許多國家積極開發(fā)海上(離岸)風電場。優(yōu)點是風速高、發(fā)電量大；湍流小，減少機組疲勞載荷，延長使用壽命。但其接人電力系統(tǒng)和機組基礎成本高。海上風電場研究開發(fā)的主要課題有海底風電機組基礎結(jié)構(gòu)，將機組設計壽命提高到60年，第1臺機組報廢后，第2臺機組繼續(xù)使用同一個基礎結(jié)構(gòu)；另一個課題是開發(fā)單機容量2 0005 000 kW 的超大型風電機，我國海岸線較長，可利用的海洋風能資源豐富，開發(fā)海上風電場也是我國風力發(fā)電的一個發(fā)展方向。我國還具有廣闊的草原，風能資源儲備非常豐富，同時風能的發(fā)展對于解決當前較為突出的二氧化碳排放、酸雨等環(huán)保問題、緩解能源短缺的緊迫壓力、實現(xiàn)和諧社會的目標將發(fā)揮關(guān)鍵作用。參考文獻