1.5MW风力发电机总体设计文档格式.doc
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3.2.1叶片材料的选择 15
3.2.2叶片的翼型选择和尺寸计算 17
3.3.1主轴支撑形式的选择 18
3.3.2轴系连接件的选择 19
3.3.3风机主轴的设计计算 23
（1）确定输出轴的运动和动力参数。
23
3.4增速箱的结构设计 24
3.5变桨距系统系统设计 27
3.6偏航传动系统的设计 28
3.7风力发电机组机舱与塔架的总体设计 29
3.7.1机舱的总体设计 29
3.7.2塔架的设计 31
4设计总结 32
4.1设计过程 32
4.2需求改进 32
4.3设计心得 33
致谢 1
参考文献 2
1绪论
1.1课题研究背景
风是一种永不枯竭的能源。
地球上的风能大大超过水流的能量,也大于固体燃料和液体燃料能量的总和。
有人估计过,地球上可用来发电的风力资源约有l00亿千瓦,几乎是现在全世界水力发电装机的l0倍。
目前世界每年燃烧煤所获得的能量,只有风力在一年内所提供能量的三分之一。
因此,国内外都很重视利用风力来发电,开发新能源。
在各种能源中,风能是利用起来比较简单的一种,它不同于煤、石油、天然气,需要从地下采掘出来,运送到火力发电厂的锅炉设备中去燃烧;
也不同于水能,必须建造坝,来推动水轮机运转;
也不像原子能那样,需要昂贵的装置和防护设备。
风能的利用由于简单,且机动灵活,因此有着广阔的前途。
特别是在缺乏水力资源、缺乏燃料和交通不方便的沿海岛屿、山区和高原地带,都具有速度很高的风,这是很宝贵的能源,如果能利用起来发电对当地人民的生活和生产都会很有利的。
1.2国外风力发电机发展现状
风能是非常重要并储量巨大的能源，它安全、清洁、充裕，能提供源源不绝，稳定的能源。
近年来,资源的短缺和环境的日趋恶化使世界各国开始重视开发和利用可再生、且无污染的风能资源。
目前，利用风力发电已成为风能利用的主要形式，受到世界各国的高度重视，而且发展速度最快。
风电行业的真正发展始于1973年石油危机，美国、西欧等发达国家为寻求替代化石燃料的能源，投入大量经费，用新技术研制现代风力发电机组，80年代开始建立示范风电场，成为电网新电源。
在过去的20年里，风电发展不断超越其预期的发展速度，一直保持着世界增长最快的能源地位
近年来，风电发展不断超越其预期的发展速度，而且一直保持着世界增长最快的能源的地位。
截止2008年末，全球累计装机容量达到120.8GW，增长幅度为28.8%，高于近十年的年均复合增长率平均值。
20年来,世界上已有近30个国家开发建设了风电场（是前期总数的3倍）,风电场总装机容量约1400万kW（是前期总数的100倍）。
目前,德国、美国、丹麦以及亚洲的印度位居风力发电总装机容量前列,且未来计划投资有增无减。
到2007年底，全球风力发电安装容量达94112兆瓦，其中2007年全球新增风力发电装机容量约20073兆瓦，与2006年的15197兆瓦相比增长达到32%。
全球安装容量最大的国家是德国（22247MW）、美国（16818MW）、西班牙（15145MW）、印度（8000MW）和中国（6050MW）,2007年新增安装容量最多的国家是美国（5244MW）、西班牙（3522MW）、中国（3449MW）、印度（1730MW）和德国（1667MW）。
预计到2020年，新增安装容量达10万兆瓦。
德国风力发电装置和技术处于世界领先地位，尤其受到国外客户的青睐，全球风能市场的快速发展给德国风力发电产业提供了良好的机会。
德国非常重视风能的开发和利用，出台了非常有效的政策和措施，促进和鼓励风能技术的开发和利用。
2005年以来，全球风电累计装机容量年平均增长率为27.3%，新增装机容量年平均增长率为36.1%，保持着世界增长最快能源的地位。
2010年全球装机容量达196630MW，新装机容量37642MW，比去年同期增长23.6%。
目前，德国、西班牙和意大利三国的风电机组的装机容量约占到欧洲总量的65%。
近年来，在欧洲大力发展风电产业的国家还有法国、英国、葡萄牙、丹麦、荷兰、奥地利、瑞典、爱尔兰。
欧洲之外，发展风电的主要国家有美国、中国、印度、加拿大和日本。
迄今为止，世界上已有82个国家在积极开发和应用风能资源。
丹麦是风力发电先进国家之一，它将风力发电作为国策，已有风力发电站近4000座，总装机容量73xkw，发电总量达到634xw，相当于一个中等规模的核电站发电量，占全国能源总消耗量的3.7%。
丹麦风电产业自20世纪80年代起步，如今其风电机组已主导着全球的市场。
风电成功的原因之一在于，每届政府对国家能源计划的立场都非常坚定，务求减少对进口燃料的依赖，尽量做到可持续发展。
最近又提出到2030年风电将满足约一半的电力需求。
德国的风能资源远不如法国和英国丰富，但风电发展的世界领先地位却毋庸置疑。
20世纪80年代，德国政府资助了一系列研究计划；
1991年，国会又通过了强制购电法，为清洁能源提供足够的激励机制并建立起市场，并能参与煤电和核电竞争。
由于环保者的努力，政府还设定了到2025年风电至少供应25%发电量的目标
瑞典从七十年代开始风力发电的开发，经过20多年的努力，己成为该领域的领先者之一，到2005年底，装机容量己达到9.5xkw。
220多座风力发电站，大部分位于南部地区和波罗的海的厄兰岛及哥德兰岛上，哥德兰岛的风力发电量可保证全岛68%的能源需求。
为了更充分地利用风力资源，瑞典成立了包括一系列电力供应公司的专门财团，目标是在近几年内使风力发电量增加4倍。
瑞典由于场地问题，致力于海洋风力发电。
由于建设费和与输电的连接费用高，所以规模有大型化的倾向。
印度是发展中国家的先锋。
风电最初的发展动力来自非常规能源部（MNES）鼓励能源的多元化指导。
为了找出最有利的地点，MNES在全国建立起风速测量站的网络。
为投资者提供投资成本折旧和免税等多种经济优惠，在2002年推出的免税计划中规定，风电场前10年的收入可享受100%的免税。
此外，各省还制定自己的优惠政策。
1.3国内风力发电机的研制情况
1.3.1我国风力发电机发展历史
我国风力发电概况中国是一个风力资源丰富的国家,风力发电潜力巨大。
据1998年统计,风力风电累计装机22.36万kW,仅占全国电网发电总装机的0.081%,相对于可开发风能资源的开发率仅为0.088%。
中国第一座风力发电场于1986年在山东荣成落成,总装机较小,为3×
55kW。
到1993年我国风电场总装机容量达17.1MW,1999年底,我国共建了24个风力发电场,总装机268MW。
我国风力发电场主要分布在风能资源比较丰富的东南沿海、西北、东北和华北地区,其中风电装机容量最多的是新疆已达72.35kW。
在未来2～3年内,我国计划新增风电场装机容量将在800MW以上,并且将会出现300～400MW的特大型风力发电场。
中国风电设备制造业发展经历了三个阶段：
一是1985-1995年期间，通过建设运营风电场，中国开始学习国外风力发电设备制造技术；
二是1996-2000年期间，中国通过引进技术实现本地化风电机组制造；
三是2000年至今，中国正在进行风电设备产业化生产、兆瓦级风电机组的研发工作。
1986～1995年即“七五”至“八五”期间，山东荣城于1986年建成了全国第一座并网型风电场，总装机容量为1MW；
1990年全国已建起4座并网型风电场，总装机容量为4MW，其最大单机容量为200kW；
到1995年全国已建成5座并网型风电场，总装机容量为36MW，其最大单机容量为500kW。
这10年，实现了我国并网型风电零的突破，建设有32MW级的中型风电场，为我国风电高技术产业的形成和发展打下了基础。
从下表可以看出，1996年以后，即我国通过引进技术实现本地化风电机组制造以后，我国的风电装机容量增长的绝对量水平大大提高。
在此以前，每年装机容量的绝对增长量最高水平不超过2万千瓦，但是此后每年的绝对增长量比1996年以前至少提高了一倍以上，最高的1997年甚至达到了11万千瓦。
表1-11996-2007年我国风力发电装机容量及其增长情况
年份
总装机容量（万千瓦）
增速（%）
新增量（万千瓦）
1990
0.41
\
1991
0.49
19.51
0.08
1992
1.45
195.92
0.96
1993
1.71
17.93
0.26
1994
2.63
53.80
0.92
1995
3.76
42.97
1.13
1996
5.66
50.53
1.90
1997
16.66
194.35
11.00
1998
22.35
34.15
5.69
1999
26.79
19.87
4.44
2000
34.43
28.52
7.64
2001
39.98
16.12
5.55
2002
46.8
17.06
6.82
2003
56.7
21.15
9.9
2004
76.14
34.29
19.44
2005
126
65.48
49.86
2006
260.4
106.67
134.4
2007
605
132.33
344.6
图1—11990-2007年我国风力发电装机容量及增速
从1990年到2007年，我国的风电装机容量从0.41万千瓦增长到605万千瓦；
其中从1995年到2000年的年平均增速也是55.7%左右。
近两年我国风力发电机装机容量的增长相当迅速。
2007年，我国新增风力发电装机容量344.6万千瓦，比2000年增加了336.96万千瓦，平均每年增加48.14万千瓦。
根据中国风能协会提供的统计数据，截止2007年底，我国（台湾地区除外）新增风电机组3155台，新增装机容量达3446MW，同比增长156.4%；
2007年底累计风电机组6469台，装机容量达6050MW，风电场158个，分布于21个省（市、区和特别行政区），较06年增加了6个省市（北京、山西、河南、湖南和湖北），累计装机容量同比增长132.33%，07年共计上网电量约52亿KW/h。
图1—22000-2007年我国风电机组累计装机容量及增速单位：
MW%
对比全球与中国风电装机容量的存与增量数据，从04年起，我国风电装机容量CAGR（年复合增长率，%）达到了66.74%，较全球装机容量CAGR的18.62%高出近48个百分点，风电产业发展的速度惊人，令世界瞩目；
我们认为，产业政策预期逐步明朗将促使风电产业发展的步伐继续加快，按可再生能源十一五发展规划中对风电装机容量的安排，保守估计2010年前风电装机容量CAGR仍维持在58%的高速增长阶段，2020年前年复合增长率仍能达到23.4%。
07年全球风电机组装机容量的地域分布出现了分化，尽管我国总装机容量仅占全球的6.4%，为全球第五位，但新增装机容量占比达到了17.2%，进入全球前三位，预计这种快速增长的态势将得以延续，我们判断，按目前国内风电制造的产能扩张和产业推进的速度，《可再生能源中长期发展规划》和《可再生能源发展“十一五”规划》里风电发展的预期目标将提前实现。
1.3.2我国风电发展存在问题
1）资源勘察
现在需要进行第二轮风能资源普查，在现有气象台站的观测数据的基础上，按照近年来国际通用的规范进行资源总量评估，进而采用数值模拟技术编制高分辨率的风能资源分布图，评估风能资源技术可开发量。
更重要的是应该利用GIS（地理信息系统）技术将电网、道路、场址可利用土地，环境影响、当地社会经济发展规划等因素综合考虑，进行经济可开发储量评估。
2）风电设备生产本地化
我国现有制造水平远落后于市场对技术的需求，国内定型风电机组的功率均为兆瓦级以下，最大750
千瓦，而市场需要以兆瓦级为主流。
国内风电机组制造企业面临着技术路线从定桨定速提升到变桨变速，单机功率从百千瓦级提升到兆瓦级的双重压力，技术路线跨度较大关。
自主研发力量严重不足，由于国家和企业投入的资金较少，缺乏基础研究积累和人才，我国在风力发电机组的研发能力上还有待提高，总体来说还处于跟踪和引进国外的先进技术阶段。
目前国内引进的许可证，有的是国外淘汰技术，有的图纸虽然先进，但受限于国内配套厂的技术、工艺、材料等原因，导致国产化的零部件质量、性能需要一定时间才能达到国际水平。
购买生产许可证技术的国内厂商要支付昂贵的技术使用费，其机组性能价格比的优势在初期不明显。
在研发风电机组过程中注重于产品本身，而对研发过程中需要配套的工作重视不够。
由于试验和测试手段的不完备，有些零部件在实验室要做的工作必须总装后到风电场现场才能做。
风电机组的测试和认证体系尚未建立。
风电机组配套零部件的研发和产业化水平较低，这样增加了整机开发的难度和速度。
特别是对于变桨变速型风机，国内相关零部件研发、制造方面处于起步阶段，如变桨距系统，低速永磁同步发电机，双馈式发电机、变速型齿轮箱，交直交变流器及电控系统，都需要进行科技攻关和研发。
3）成本和上网电价比较高
基本条件设定：
根据目前国内风电场平均水平，设定基本条件为：
风电场装机容量5
万千瓦，年上网电量为等效满负荷2000
小时，单位千瓦造价8000－10000元，折旧年限12.5
年，其他成本条件按经验选取。
财务条件：
工程总投资分别取4
亿元（8000元/千瓦）、4.5亿元（9000元/千瓦）和5
亿元（10000元/千瓦），流动资金150万元。
项目资本金占20％，其余采用国内商业银行贷款，贷款期15
年，年利率6.12％。
增值税税率为8.5％，所得税税率为33％，资本金财务内部收益率10％。
风电成本和上网电价水平测算：
按以上条件及现行的风电场上网电价制度，以资本金财务内部收益率为10％为标准，当风电场年上网电量为等效满负荷2000
小时，单位千瓦造价8000～10000元时，风电平均成本分别为0.373～0.461元/千瓦时，较为合理的上网电价范围是0.566～0.703元/千瓦时（含增值税）。
成本在投产初期较高，主要是受还本付息的影响。
当贷款还清后，平均度电成本降至很低。
风电场造价对上网电价有明显的影响，当造价增加时，同等收益率下的上网电价大致按相同比率增加。
如果全国风电的平均水平是每千瓦投资9000元，以及资源状况按年上网电量为等效满负荷2000小时计算，则风电的上网电价约每千瓦时0.63元，比于全国火电平均上网电价每千瓦时0.31元高一倍。
4）电网制约
风电场接入电网后，在向电网提供清洁能源的同时，也会给电网的运行带来一些负面影响。
随着风电场装机容量的增加，以及风电装机在某个地区电网中所占比例的增加，这些负面影响就可能成为风电并网的制约因素。
风力发电会降低电网负荷预测精度，从而影响电网的调度和运行方式；
影响电网的频率控制；
影响电网的电压调整；
影响电网的潮流分布；
影响电网的电能质量；
影响电网的故障水平和稳定性等。
由于风力发电固有的间歇性和波动性，电网的可靠性可能降低，电网的运行成本也可能增加。
为了克服风电给电网带来的电能质量和可靠性等问题，还会使电网公司增加必要的研究费用和设备投资。
在大力发展风电的过程中，必须研究和解决风电并网可能带来的其他影响。
1.4本课题研究的意义
能源是世界各国的经济命脉。
近年来，中国经济持续高速增长，已经成为能源消耗第二大的国家。
煤炭等常规能源的紧缺严重影响着电力和经济的发展，而因煤电导致的环境问题也日益加剧。
在这种情况下，寻求新能源以优化电力结构已成当务之急，风力发电就是新能源利用中广为推荐的一种。
与煤、石油等常规的化石能源不同，风能属于可再生能源，不存在枯竭的问题，而且它分布广泛、蕴含能量巨大；
不但如此，利用风能发电还具有常规能源无可比拟的清洁性，所以在环境压力日益加剧的今天，风力发电得到了越来越多的关注与青睐。
据调查，目前在世界上可再生能源的开发利用中，风力发电是除水力发电之外，技术最成熟、最具规模开发和有商业化发展前景的发电技术。
1995年颁布的《中华人民共和国电力法》中，明确提出国家鼓励和支持利用可再生能源发电，这为风电的开发提供了良好的政策环境。
由于风电在减轻环境污染、调整能源结构等方面的突出作用，政府先后投入了大量的资金对其进行科学研究和应用推广，使风电技术有了明显提高，装机容量也已经位居亚洲第三位。
在“十一五”规划中，国家要逐步加大可再生能源开发的力度，并提出了比以往更为积极的发展政策。
除了要扩大风机规模之外，在风电的管理、风电设备的设计、制造方面，都要力争达到国际先进水平。
可以预见，在我国的电力结构中,风电将逐步占据着越来越重要的地位。
随着风力发电技术的日渐成熟，风电场的规模逐渐增大，目前在MW级的风机在国际市场级越来越多，其控制技术也越来越成有成熟，而我国的兆瓦级风机技术的还没有完全掌握。
目前，1.5—2MW风机在市场上越来越受欢迎，本次设计对1.5MW风机的总体结构进行设计，对以后从事风电产业具有指导意义。
21.5mw风力发电机组总体方案的设计
2.1风电机组功能的设计
功率特性对风电机组的年发电量有直接的影响。
风电机组功率特性除了取决于风轮本身的气动特性外，与其运行方式也密切相关，因此，对其功率调节方案的分析和合理选择，是风力发电机组总体功能设计的重要环节。
2.1.1风电机组功率的调节方式设计
目前并网型风力发电机组进行风轮功率调节的方式有三种，即被动失速型，变桨距调节和主动失速调节这三种方式。
1）定桨距失速调节型风力发电机组
定桨距是指桨叶与轮载的连接是固定的，桨距角固定不变，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。
失速型是指桨叶翼型本身所具有的失速特性，当风速高于额定风速时，气流的攻角增大到失速条件，使桨叶的表面产生涡流，效率降低，来限制发电机的功率输出。
为了提高风电机组在低风速时的效率，通常采用双速发电机（即大/小发电机）。
在低风速段叶的被动失速调节而控制系统不作任何控制，使控制系统大为减化。
但其缺点也很运行的，采用小电机使桨叶具有较高的气动效率，提高发电机的运行效率。
失速调节型的优点是失速调节简单可靠，当风速变化引起的输出功率的变化只通过桨突出，主要表现在：
a）风轮的功率特性主要由叶片失速特性决定，受气动设计特性影响，功率的输出可能不稳定，甚至不确定。
b）风轮系统阻尼值相对较低，震动幅度相对较大，易导致构件的疲劳损坏；
c）高速段叶片及塔架等部件将承受较大载荷。
d）风电机组现场安装需要进行调试，调整叶片安装角。
随着风电机组单机功率和叶片体积的增大，由于上述问题更加突出，在大功率的发电机组中已很少采用。
2）变桨距调节型风力发电机组
变桨距是指安装在轮载上的叶片通过控制改变其桨距角的大小。
其调节方法为：
当风电机组达到运行条件时，控制系统命令调节桨距角调到最佳攻角，当转速达到一定时，再调节到合适位置，直到风力机达到额定转速并网发电；
在运行过程中，当输出功率小于额定功率时，桨距角保持在0°
位置不变，不作任何调节；
当发电机输出功率达到额定功率以后，调节系统根据输出功率的变化调整桨距角的大小，使发电机的输出功率保持在额定功率。
随着风电控制技术的发展，当输出功率小于额定功率状态时，变桨距风力发电机组采用OptitiP技术，即根据风速的大调整发电机转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比，优化输出功率。
变桨距调节的优点是桨叶受力较小，桨叶做的较为轻巧。
桨距角可以随风速的大小而进行自动调节，因而能够尽可能多的吸收风能转化为电能，同时在高风速段保持功率平稳输出。
缺点是结构比较复杂，故障率相对较高。
3）主动失速调节型风力发电机组
将定桨距失速调节型与变桨距调节型两种风力发电机组相结合，充分吸取了被动失速和桨距调节的优点，桨叶采用失速特性，调节系统采用变桨距调节。
在低风速肘，将桨叶节距调节到可获取最大功率位置，桨距角调整优化机组功率的输出；
当风力机发出的功率超过额定功率后，桨叶节距主动向失速方向调节，将功率调整在额定值以下，限制机组最大功率输出，随着风速的不断变化，桨叶仅需要微调维持失速状态。
制动刹车时，调节桨叶相当于气动刹车，很大程度上减少了机械刹车对传动系统的冲击。
主动失速调节型的优点是其言了定奖距失速型的特点，并在此基础上进行变
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