桨叶可变风力发电机设计规范.doc

可再生能源论文 题目:桨叶长度可变风电机的理论猜想 与初步设计 姓 名： 张涛 学 号： 3120206016 院 系： 能源与动力工程学院 专 业： 工程热物理及节能减排 任课教师： 左然 二〇一五年四月十五日  绪论 研究背景 风能是一种无污染、可再生的清洁能源。早在公元前200年，人类就开始利用风能了。提水、碾米、磨面及船的助航都有风能利用的记载。自第一次世界大战之后，丹麦仿造飞机螺旋桨制造二叶和三叶高速风力发电机发电发电并网并使用直至现在，风力发电机经历了近百年的发展历程。20世纪80年代之后，世界工业发达国家率先研究、快速发展风力发电机，建设了风电场。现在风力发电机制造成本不断下降，已接近水力发电机的水平，制造及使用技术也日趋成熟。20世纪末，世界每年风电装机容量已近20%的增长速度发展，风电成为世界诸能源中发展最快的能源。如果在总面积0.6%的地方安装上风力发电机，就能提供全部电力消耗的20%，可以关闭供电力20%的以燃烧煤、重油等碳氢化合物为燃料而排放、和烟尘对大气和地球环境造成污染和破坏的火电厂，这对于雾霾日益严重的当下有重大意义。 国内外发展 2012 年新增风电装机容量最多的10个国家占世界风电装机的87%。与2007 年相比，美国保持第1 名，中国超过西班牙从第3 名上升到第2 名，印度超过德国和西班牙从第5名升至第3 名，前3 名的国家合计新增装机容量占全世界的60%[4]。 根据世界风能协会的统计，2012 年全世界风电装机容量新增约2726 万kW，增长率约为29%。累计达到1.21 亿kW，增长率为42%，突破1 亿kW 大关。风电总量为2600 亿kWh，占全世界总电量的比例从2000 年的0.25%增加到2012 年的1.5%。 尽管风电的发展仍然存在着很多困难，如电网适应能力、风能资源、海上风电发展等，但相比于常规能源，经济性优势逐步凸显，世界各国都对风电发展充满了信心。例如，欧美都公布了2030 年风电满足20%甚至更多电力需求的宏大目标，这也为全球风电的长期发展定下了基调。从国际能源署（IEA）2012 年颁布的《2050 年能源技术情景》判断，2012-2050年，全球风电平均每年增加7000 万千瓦，风电将成为一个庞大的新兴电力市场。 我国是世界上风力资源占有率最高的国家之一，同时也是世界上最早利用风能的国家之一。据资料统计，我国10 m 高度层风能资源总量为3226GW，其中陆上可开采风能总量为253GW，加上海上风力资源，我国可利用风力资源约为1000GW。如果风力资源开发率可达到60%，仅风电一项就可支撑我国目前的全部电力需求。我国利用风电起步较晚，和世界上风电发达国家如德国、美国、西班牙等相比还有很大差距。风电是20 世纪80 年代开始迅速发展起来的，初期研制的风机主要是1kW、10kW、55kW、220kW 等小型风电机组，后期开始研发可充电型风电机组，并在海岛和风场广泛应用。 发展中存在的问题 风能是一种能量密度低、稳定性较差的能源。由于风速、风向随机变化，引起叶片攻角不断变化，导致风电机组的效率和功率的波动，并使传动力矩产生振荡，影响电能质量和电网稳定性。随着风电技术的发展，现在许多风电机组采用了变桨矩调节技术，其叶片的安装角可以根据风速的随机变化而改变，气流的攻角在风速变化时可保持在一个比较合理的范围内，从而有可能在很大的风速范围内保持较好的空气动力学特性，获得较高的效率，特别当风速在大于额定风速条件下，仍可保持输出功率的平稳。在变桨技术的基础上，又发展了变速恒频技术，使风机的转速可以随风速的变化而变化，进一步提高了风电机组的频率。 但变桨矩技术也存在着一些缺点。例如迎风变桨控制方式（使气流攻角减小）在强风时，变桨角度相对较大；而顺风变桨即主动失速（使气流攻角增大）变桨时使气流产生分离，升力减小，阻力急剧增大，从而导致风力机功率减小。因此，我们可以猜想如果风轮直径在不同的风速下可变，使其最大化的捕捉风能可能是未来风能利用的一个重大技术突破。 本文的主要工作 随着风轮直径的增加，风力机可以捕捉更多的风能。直径40m的风轮适用于500KW的风力机，而直径80m的风轮则可以用于2.5MW的风力机。长度超过80m的叶片已经成功运行，叶片的长度每增加1m，风力机可捕捉的风能就会显著增加。和叶片的翼型一样