畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 專業(yè)班級(jí)指導(dǎo)教師 職 稱 單 位課題性質(zhì) 設(shè)計(jì)□ 論文□ 課題來(lái)源 科研□ 教學(xué)□ 生產(chǎn)□ 其它□畢業(yè)設(shè)計(jì)題目 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)一、課題研究的意義隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)風(fēng)能的需求量與日俱增，風(fēng)能市場(chǎng)也迅速發(fā)展起來(lái)，風(fēng)能作為一種可再生的能源，愈來(lái)愈受到世界各國(guó)的重視，其蘊(yùn)藏量巨大，全球風(fēng)能資源總量 2.74X109MW，其中可利用風(fēng)能 2X107MW 中國(guó)風(fēng)能儲(chǔ)存量巨大，分布面廣，僅陸地上風(fēng)能儲(chǔ)量就有 3.53 億千瓦，開(kāi)發(fā)利用潛能巨大。中國(guó)風(fēng)力等新能源的發(fā)展前景十分廣闊，預(yù)計(jì)未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間都將保持高速發(fā)展，同時(shí)盈利能力也將隨著技術(shù)的逐漸成熟穩(wěn)步提升。隨著中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)的國(guó)產(chǎn)化和發(fā)電的規(guī)?；?，風(fēng)電成本可望再降。因此風(fēng)電開(kāi)始成為越來(lái)越多投資者的逐金之地。風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)、并網(wǎng)發(fā)電、風(fēng)電設(shè)備制造等領(lǐng)域成為投資熱點(diǎn)，市場(chǎng)前景看好。二、課題研究的目的人類追求經(jīng)濟(jì)成長(zhǎng)及現(xiàn)代化的結(jié)果使得能源大量消耗，然而地球的化石燃料蘊(yùn)藏量有限，統(tǒng)計(jì)顯示依照目前的消耗速率，石油蘊(yùn)藏量能供人類使用不到 50 年，天然氣不到 70 年，煤炭較久超過(guò) 200年，終有一日人類將沒(méi)有石油可用。然而風(fēng)力發(fā)電不一樣，由于攝取大自然的風(fēng)能，只要太陽(yáng)及地球仍在運(yùn)行即無(wú)匱乏之虞，而且一部裝置在一般地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，在它 20 年使用壽命中所生產(chǎn)的電力發(fā)電機(jī)，在卸除它能耗費(fèi)能源的 80 倍，是能讓人們永續(xù)使用的再生能源之一。大自然的風(fēng)完全不用進(jìn)口，是地道的自產(chǎn)能源，多加利用可減低對(duì)進(jìn)口石油、煤炭等化石能源的依賴，促進(jìn)能源來(lái)源多元化，在國(guó)家安全上也有其戰(zhàn)略意義。在經(jīng)濟(jì)社會(huì)層面，風(fēng)力發(fā)電可制造工作機(jī)會(huì)，從零組件的生產(chǎn)、運(yùn)輸、組裝、維護(hù)等，皆為設(shè)置風(fēng)力發(fā)電機(jī)當(dāng)?shù)貛?lái)相當(dāng)?shù)木蜆I(yè)機(jī)會(huì)與新的產(chǎn)業(yè)。有效利用風(fēng)能資源，減少對(duì)不可再生資源的消耗，降低對(duì)環(huán)境的污染。風(fēng)能是最具商業(yè)潛力、最具活力的可再生能源之一，使用清潔，成本較低，取用不盡。風(fēng)力發(fā)電具有裝機(jī)容量增長(zhǎng)空間大，成本下降快，安全、能源永不耗竭等優(yōu)勢(shì)。風(fēng)力發(fā)電在為經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)提供穩(wěn)定電力供應(yīng)的同時(shí)，可以有效緩解空氣污染、水污染和全球變暖問(wèn)題。在各類新能源開(kāi)發(fā)中，風(fēng)力發(fā)電是技術(shù)相對(duì)成熟、并具有大規(guī)模開(kāi)發(fā)和商業(yè)開(kāi)發(fā)條件的發(fā)電方式。風(fēng)力發(fā)電可以減少化石燃料發(fā)電產(chǎn)生的大量的污染物和碳排放。大規(guī)模推廣風(fēng)電可以為節(jié)能減排做出積極貢獻(xiàn)。風(fēng)電的優(yōu)越性可歸納為下面五點(diǎn)： 1、風(fēng)力發(fā)電是一種干凈的自然能源，沒(méi)有常規(guī)能源（如煤電，油電）與核電會(huì)造成環(huán)境污染的問(wèn)題。 2、風(fēng)電技術(shù)日趨成熟，產(chǎn)品質(zhì)量可靠，可用率已達(dá) 95%以上，已是一種安全可靠的能源。 3、風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性日益提高，發(fā)電成本已接近煤電，低于油電與核電。若計(jì)算涉及煤電的環(huán)境保護(hù)與交通運(yùn)輸?shù)拈g接投資，則風(fēng)電經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于煤電。 4、風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)建設(shè)工期短，單臺(tái)機(jī)組安裝僅需幾周，從土建、安裝到投產(chǎn)，只需半年至一年時(shí)間，是煤電、核電無(wú)可比擬的。 投資規(guī)模靈活，有多少錢裝多少機(jī)。目前商用大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，它由風(fēng)輪、增速齒輪箱、發(fā)電機(jī)、偏航裝置、控制系統(tǒng)、塔架等部件所組成。風(fēng)輪的作用是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，它由氣動(dòng)性能優(yōu)異的葉片（目前商業(yè)機(jī)組一般為 2-3 個(gè)葉片）裝在輪轂上所組成，低速轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)輪通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)由增速齒輪箱增速，將動(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)。上述這些部件都安裝在機(jī)艙平面上，整個(gè)機(jī)艙由高大的搭架舉起，由于風(fēng)向經(jīng)常變化，為了有效地利用風(fēng)能，必須要有迎風(fēng)裝置，它根據(jù)風(fēng)向傳感器測(cè)得的風(fēng)向信號(hào)，由控制器控制偏航電機(jī)，驅(qū)動(dòng)與塔架上大齒輪咬合的小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使機(jī)艙始終對(duì)風(fēng)。 5、風(fēng)能是一種無(wú)污染的可再生能源，它取之不盡，用之不竭，隨著生態(tài)環(huán)境的要求和能源的需要，新能源的開(kāi)發(fā)日益受到重視，由于風(fēng)力發(fā)電經(jīng)濟(jì)性日益改善，因此國(guó)家對(duì)風(fēng)力發(fā)電已制定了發(fā)展計(jì)劃。三、目前國(guó)內(nèi)外風(fēng)電技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 (簡(jiǎn)稱風(fēng)電機(jī))是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的機(jī)械。風(fēng)輪是風(fēng)電機(jī)最主要的部件，由漿葉和輪轂組成。槳葉具有良好的空氣動(dòng)力外形，在氣流作用下能產(chǎn)生空氣動(dòng)力使風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再通過(guò)齒輪箱增速，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)變成電能。在理論上，最好的風(fēng)輪只能將約 60%的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能?，F(xiàn)代風(fēng)電機(jī)風(fēng)輪的效率可達(dá)到 40%。風(fēng)電機(jī)輸出達(dá)到額定功率前，功率與風(fēng)速的立方成正比，即風(fēng)速增加 1 倍，輸出功率增加 8 倍，所以同力發(fā)電的效益與當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)速關(guān)系極大。由于風(fēng)速隨時(shí)在變化，風(fēng)電機(jī)常年在野外運(yùn)行，承受十分復(fù)雜惡劣的交變載荷。當(dāng)前生產(chǎn)的主力機(jī)型為600~750kW，機(jī)體龐大，風(fēng)輪直徑和塔架高度都達(dá)到 40~50m，設(shè)計(jì)和制造較困難。目前風(fēng)電機(jī)的設(shè)計(jì)壽命是 20a，要求經(jīng)受住 60 m/s 的 11 級(jí)暴風(fēng)襲擊，代表機(jī)組可靠性的可利用率要達(dá)到 95%以上。德國(guó)、丹麥、西班牙、英國(guó)、荷蘭、瑞典、印度、加拿大等國(guó)在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究與應(yīng)用上投入了相當(dāng)大的人力及資金，充分綜合利用空氣動(dòng)力學(xué)、新材料、新型電機(jī)、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制及通信技術(shù)等方面的最新成果，開(kāi)發(fā)建立了評(píng)估風(fēng)力資源的測(cè)量及計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)，發(fā)展了變漿距控制及失速控制的風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)理論，采用了新型風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)理論，采用了新型風(fēng)力機(jī)葉片材料及葉片翼型，研制出了變極、變滑差、變速、恒頻及低速永磁等新型發(fā)電機(jī)，開(kāi)發(fā)了由微機(jī)控制的單臺(tái)及多臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成的機(jī)群的自動(dòng)控制技術(shù)，從而大大提高了風(fēng)力發(fā)電的效率及可靠性。當(dāng)前，世界風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)是：1）風(fēng)力機(jī)單機(jī)大型化風(fēng)力機(jī)單機(jī)容量不斷增加是風(fēng)電技術(shù)的顯著特點(diǎn)之一。商業(yè)風(fēng)力機(jī)平均單機(jī)容量從 1982 年為55kw 到 2002 年約為 1100kw，20 年增加了近 20 倍。隨著技術(shù)的逐漸成熟早年多樣化的設(shè)計(jì)理念也趨向統(tǒng)一。單機(jī)容量大，有利于降低每千瓦的制造成本；而且大型機(jī)組采用更高的塔架，有利于捕獲風(fēng)能，50m 高度捕獲的風(fēng)能要比 30m 高度處多 20%。目前，商業(yè)化機(jī)組的單機(jī)容量已達(dá) 3.6MW。2）變速恒頻機(jī)組將成為主流機(jī)型目前，世界各地風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，絕大多數(shù)為恒速運(yùn)行機(jī)組。隨著控制技術(shù)的發(fā)展和變速恒頻機(jī)組的應(yīng)用，風(fēng)力機(jī)開(kāi)始改恒速運(yùn)行為變速運(yùn)行，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化，在低于額定風(fēng)俗的相當(dāng)大范圍內(nèi)保持最佳葉尖速比已獲得最大風(fēng)能。3）重量更輕、結(jié)構(gòu)更具柔性隨著風(fēng)力機(jī)葉片的增長(zhǎng)，其單位功率的重量更輕、結(jié)構(gòu)更柔性。葉片材料由玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂發(fā)展為強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的碳纖維。同時(shí)，針對(duì)風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力環(huán)境，風(fēng)力機(jī)專用新翼型也得到廣泛應(yīng)用，大大改善葉片的氣動(dòng)性能。4）海上風(fēng)力發(fā)電迅速發(fā)展由于海上風(fēng)力資源比陸地上好，風(fēng)速比沿岸路上約高 25%，且海面粗糙度小，海上風(fēng)場(chǎng)湍流強(qiáng)度小，具有穩(wěn)定的主導(dǎo)風(fēng)向，減少機(jī)組疲勞載荷，延長(zhǎng)使用壽命。5）中國(guó)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展我國(guó)風(fēng)電經(jīng)過(guò) 20 多年的發(fā)展，風(fēng)電的實(shí)際應(yīng)用已有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，在可再生能源的發(fā)電利用中僅次于水電。中國(guó)風(fēng)電近些年的總體狀況表現(xiàn)出風(fēng)電蓬勃發(fā)展的強(qiáng)勁勢(shì)頭以及越來(lái)越廣泛的應(yīng)用規(guī)模。最新的調(diào)查顯示，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量已達(dá)到 2580 萬(wàn) Kw,位居世界第二，稍微超過(guò)德國(guó)，截止2009 年 12 月 31 日我國(guó)已經(jīng)有 24 個(gè)省、自治區(qū)、直轄市建設(shè)了風(fēng)電場(chǎng)，主要分布在內(nèi)蒙古、甘肅、遼寧、、江蘇、河北、廣東等地。風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，還表現(xiàn)在風(fēng)電設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化率比以往有了明顯增長(zhǎng)，特別是金風(fēng)的風(fēng)電設(shè)備水平已經(jīng)具有一定的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，目前已具備制造 1200kW 以上機(jī)組的能力。四、本課題的研究?jī)?nèi)容1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)總體概述2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及總體裝配圖和主要零部件圖的繪制4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的簡(jiǎn)單維護(hù)和保養(yǎng)5 總結(jié)五、研究方法1、查閱有關(guān)風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)資料，并對(duì)相關(guān)的機(jī)械設(shè)計(jì)等專業(yè)課程進(jìn)行復(fù)習(xí)。2、通過(guò)分析、設(shè)計(jì)、計(jì)算得到有關(guān)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)3、對(duì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的校核，并依據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)選擇有關(guān)的零部件4、進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，并繪制有關(guān)零件圖以及總體結(jié)構(gòu)圖5、編寫技術(shù)說(shuō)明書(shū)六、進(jìn)度安排2-3 周：調(diào)查研究了解目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)，分析同類產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、使用過(guò)程中存在的優(yōu)缺點(diǎn)；4-5 周：參考資料查詢、總體方案的確定；6-7 周：方案的可行性分析8-10 周：總體設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)分析：11-12 周：系統(tǒng)部件的設(shè)計(jì)計(jì)算：13-14 周：零件的設(shè)計(jì)計(jì)算：15-16 周：整理材料，編寫設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)，進(jìn)行答辯。七、參考文獻(xiàn)[1]謝家瀛 機(jī)械制造技術(shù)概論 2001 年 7 月 1 日機(jī)械工業(yè)出版社[2] 中國(guó)風(fēng)能技術(shù)開(kāi)發(fā)中心 大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè) 1998.12[3]程明，張運(yùn)乾，張建中 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展 2009 年 9 月[4]龍澤強(qiáng) 大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)研究 中國(guó)風(fēng)能技術(shù)開(kāi)發(fā)中心指導(dǎo)教師意見(jiàn)：指導(dǎo)教師簽名：年 月 日教研室意見(jiàn)：審 查 結(jié) 果： 同 意□ 不 同 意□教研室主任簽名：年 月 日