槳葉可變風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計說明

可再生能源論文題目：槳葉長度可變風(fēng)電機的理論猜想與初步設(shè)計姓名：_濤 學(xué)號：3120206016 院系:能源與動力工程學(xué)院 專業(yè)：工程熱物理及節(jié)能減排任課教師： 左然 二?二?年六月十七日一、緒論（一） 研究背景風(fēng)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(fēng)能了。提水、碾米、磨面及船的助航都有風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機發(fā)電發(fā)電并網(wǎng)并使用直至現(xiàn)在，風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機，建設(shè)了風(fēng)電場?，F(xiàn)在風(fēng)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(fēng)電裝機容量已近20%的增長速度發(fā)展，風(fēng)電成為世界諸能源中發(fā)展最快的能源。如果在總面積0.6%的地方安裝上風(fēng)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SO2、CO2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。（二） 國外發(fā)展2012年新增風(fēng)電裝機容量最多的10個國家占世界風(fēng)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(fēng)能協(xié)會的統(tǒng)計，2012年全世界風(fēng)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，增長率為42%，突破1億kW大關(guān)。風(fēng)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(fēng)電的發(fā)展仍然存在著很多困難，如電網(wǎng)適應(yīng)能力、風(fēng)能資源、海上風(fēng)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(fēng)電發(fā)展充滿了信心。例如，歐美都公布了2030年風(fēng)電滿足20%甚至更多電力需求的宏大目標，這也為全球風(fēng)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(fēng)電平均每年增加7000萬千瓦，風(fēng)電將成為一個龐大的新興電力市場。我國是世界上風(fēng)力資源占有率最高的國家之一， 同時也是世界上最早利用風(fēng)能的國家之一。據(jù)資料統(tǒng)計，我國10m高度層風(fēng)能資源總量為3226GW，其中陸上可開采風(fēng)能總量為253GW，加上風(fēng)力資源，我國可利用風(fēng)力資源約為1000GW。如果風(fēng)力資源開發(fā)率可達到60%，僅風(fēng)電一項就可支撐我國目前的全部電力需求。我國利用風(fēng)電起步較晚，和世界上風(fēng)電發(fā)達國家如德國、美國、西班牙等相比還有很大差距。風(fēng)電是20世紀80年代開始迅速發(fā)展起來的，初期研制的風(fēng)機主要是1kW、10kW、55kW、220kW等小型風(fēng)電機組，后期開始研發(fā)可充電型風(fēng)電機組，并在海島和風(fēng)場廣泛應(yīng)用。（三）發(fā)展中存在的問題風(fēng)能是一種能量密度低、穩(wěn)定性較差的能源。由于風(fēng)速、風(fēng)向隨機變化，引起葉片攻角不斷變化，導(dǎo)致風(fēng)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(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在許多風(fēng)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(fēng)速的隨機變化而改變， 氣流的攻角在風(fēng)速變化時可保持在一個比較合理的圍，從而有可能在很大的風(fēng)速圍保持較好的空氣動力學(xué)特性，獲得較高的效率，特別當風(fēng)速在大于額定風(fēng)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(chǔ)上，又發(fā)展了變速恒頻技術(shù)，使風(fēng)機的轉(zhuǎn)速可以隨風(fēng)速的變化而變化，進一步提高了風(fēng)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(fēng)變槳控制方式（使氣流攻角減?。┰趶婏L(fēng)時，變槳角度相對較大；而順風(fēng)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(dǎo)致風(fēng)力機功率減小。因此，我們可以猜想如果風(fēng)輪直徑在不同的風(fēng)速下可變，使其最大化的捕捉風(fēng)能可能是未來風(fēng)能利用的一個重大技術(shù)突破。（四）本文的主要工作隨著風(fēng)輪直徑的增加，風(fēng)力機可以捕捉更多的風(fēng)能。直徑 40m的風(fēng)輪適用于500KW的風(fēng)力機，而直徑80m的風(fēng)輪則可以用于2.5MW的風(fēng)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(fēng)力機可捕捉的風(fēng)能就會顯著增加。和葉片的翼型一樣，葉片的長度設(shè)計對提高風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機功率的影響，并設(shè)計一個簡單的根據(jù)風(fēng)況而槳葉長度可變的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。當風(fēng)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(fēng)速增大，輸出電力會逐步增至風(fēng)力機的額定功率，一旦風(fēng)速超過這一峰值，葉片就會回縮以限制輸電量；如果風(fēng)速繼續(xù)增大，葉片長度將會繼續(xù)縮小至最短。風(fēng)速自高向低變化時，葉片也會做相應(yīng)調(diào)整。二、設(shè)計方案（一）理論效率分析當風(fēng)速為w時，風(fēng)的動能為流過一個控制面的f的的風(fēng)功率為因為流量mfdxfvi。因為流量mfdxfvi。1-2

mv21fvi3現(xiàn)根據(jù)Betz假設(shè)，風(fēng)流均勻，速度為vi，流過風(fēng)輪之后在遠離風(fēng)輪面后的風(fēng)速降為V3?？紤]一流管，由于連續(xù)性它必須是擴形的。V3f3由于壓力變化甚微，可假設(shè)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EEnt Im(V1 V3Cp1 1 v1 V3Cp1 1 v12所提取的功率則為1.22EEntm(V12 V32)2小。如果不降低風(fēng)速（V3V1），自然得不到功率。但若風(fēng)速降低太多，則流量就很小。在極端情況下（V30），流管堵塞，同樣得不到功率。因此在V3V1和V30之間,必然存在一個使功率達到最大值的最佳流出速度。間,必然存在一個使功率達到最大值的最佳流出速度。把式（6）和式（7把式（6）和式（7）代入功率表達式（5）可得到(6)(7)當已知風(fēng)輪面的風(fēng)速V2時，就可求得流量，即mfv2在此根據(jù)Froude-Rankin定理，做出合理假設(shè)，即V1 V3V22(8)可見，可提取的功率為風(fēng)功率乘以功率系數(shù)C(8)可見，可提取的功率為風(fēng)功率乘以功率系數(shù)Cp功率系數(shù)取決于風(fēng)速比V3V1，EEnt1fv1311V2 2 V1V3v1對功率系數(shù)Cp關(guān)于風(fēng)速比V3V1求一階導(dǎo)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(fēng)速比V3V1-1/3，即1V3 -V1。3對Cp關(guān)于V3V1求導(dǎo)可得小 1 ,2V31V3 V3Cp 11-22V12V1 V11 42V3V3V3=12V1-1V1V1令C'p=0，即丄12V31V3V302V1V1V11-V2上oTOC\o"1-5"\h\zv1v1最后得到V3 1v1 3即當蘭1時，Cp最大，此時V1 3Cp1Cp14816 小C0.59239271故其最大值為TOC\o"1-5"\h\zCp,Betz16 0.5927(10)式(10)表明，通過一個理想風(fēng)機可提取約60%的風(fēng)含功率。在此，風(fēng)輪面的2 1風(fēng)速為-w，遠離其后的風(fēng)速為-V1。3 3下圖給出了風(fēng)速和風(fēng)機直徑一定時，根據(jù) Betz的理想情況，所能提取的最大功率(Cp’Betz0.59)。由于存在一些其它損失，風(fēng)力機的實際功率要比理想情況小，但Cp=0.5完全可以實現(xiàn)3 < $6 > 10 15 20 30 405060BQ)Q0-———葉軸風(fēng)輪直徑可按321 32PCp—vi3D2 0.5w3D2Cp124 1 2計算，式中1 發(fā)電機效率；2 傳動效率；P 風(fēng)力機的輸出功率。風(fēng)機葉輪的設(shè)計應(yīng)保證槳葉作用的圓面上每一個環(huán)單元所吸收的風(fēng)功率都達到最大，即17 3dEBetz V12rdr262由Z個合理設(shè)計的槳葉來提取這個功率，并轉(zhuǎn)換成機械功率，得dLZdUr式中，Z 葉片數(shù)目；dU 氣動力切向分量；葉片切向速度

在設(shè)計工作點，翼型的升阻比接近最佳值，故阻力系數(shù)很小，即CwCa。因此,在切向力的表達式中，可忽略阻力影響，而僅考慮升力的作用，于是2dUdAsin Cactrdrsin2機械功率為dLZr CAc2trdrsin2令dLdEBetz，則得到1162r1162rV1Z27Cacr2Z27r2 4AA—2\R2 9由氣流速度三角形得并考慮到尖速比故有3 .csin2，urccos2RZ9Ca1根據(jù)風(fēng)機制造的要求，半徑比最小約為15%，對現(xiàn)代風(fēng)機，葉尖速比大于則上式簡化為2R18JZ92R18JZ9Ca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Baurarctan2衛(wèi)Ar3ra下圖為弦長t和迎風(fēng)角a與葉尖速比a的關(guān)系。由圖可見，葉尖速比a越高，弦長t越小，迎風(fēng)角a也越小。另外，槳葉隨半徑r發(fā)生扭轉(zhuǎn)0 1 2 來浚耒■（『）0 1 2 來浚耒■（『）葉片可以根據(jù)上述計算式，分別在不同的槳葉長度上設(shè)計不同的翼型和安裝角度。（二）原理風(fēng)速V1傳感器控制器執(zhí)行器輸出功率擾動輸入量控制系統(tǒng)：槳葉長度可變的風(fēng)力發(fā)電機的定性功率曲線如下圖所示。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要采取加長槳葉長度的優(yōu)化策略。另一方面，當風(fēng)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。當風(fēng)力發(fā)電機運行在低于額定功率區(qū)時,只產(chǎn)生風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計的部分功率，因此需當風(fēng)力發(fā)電機運行在低于額定功率區(qū)時,只產(chǎn)生風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計的部分功率，因此需山功率P低于額定功率額定功率 高于額定功率P山功率P低于額定功率額定功率 高于額定功率Pr傳感器：風(fēng)速通常有一個安裝于機艙的風(fēng)速計來測量。然而這種在機艙測量的風(fēng)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(dǎo)致風(fēng)速的加速，以及風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動會導(dǎo)致風(fēng)一定的湍流，同時，單一的測量也不足以代表通過風(fēng)輪表面的風(fēng)速。 因此，有時還會利用風(fēng)速估算器來提高控制算法?？刂破鳎嚎刂破魍ǔ橐粋€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(fēng)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(fēng)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， 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。三、關(guān)于可變槳葉特點和發(fā)展的討論（一） 特點關(guān)于風(fēng)力發(fā)電機根據(jù)風(fēng)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(fù)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(fēng)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。（二） 材料的選取小型風(fēng)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(fù)合材料蒙皮則效果更好。大、中型風(fēng)力機使用木質(zhì)葉片時，不像小型風(fēng)力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(fēng)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(dǎo)致槳葉結(jié)構(gòu)特殊化，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(fēng)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(fù)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(shè)計性強、價格便宜等因素，開始成為大、中型風(fēng)機葉片材料的主流。（三）可行性和未來發(fā)展在現(xiàn)實的應(yīng)用中，風(fēng)速不恒定，以及風(fēng)在風(fēng)輪上的時間和空間也不同。眾所周知風(fēng)特性的不確定性（如風(fēng)廓線和湍流）可能導(dǎo)致嚴重低估風(fēng)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(dǎo)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。四、總結(jié)風(fēng)能作為應(yīng)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(fēng)電場。優(yōu)點是風(fēng)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(chǔ)成本高。海上風(fēng)電場研究開發(fā)的主要課題有海底風(fēng)電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，將機組設(shè)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(chǔ)結(jié)構(gòu)；另一個課題是開發(fā)單機容量2000?5000kW的超大型風(fēng)電機，我國海岸線較長，可利用的海洋風(fēng)能資源豐富，開發(fā)海上風(fēng)電場也是我國風(fēng)力發(fā)電的一個發(fā)展方向。 我國還具有廣闊的草原，風(fēng)能資源儲備非常豐富，同時風(fēng)能的發(fā)展對于解決當前較