第一阶段：2017年秋季学期期末和寒假

1.   收集和学习风力发电机方面的基本知识，了解相关基本原理和设计方法；

2.   翻译相关英文资料；

3.   构思本课题的总体方案。

第二阶段：2018年春季学期

    第1-2周（3月5日为第一周） 讨论并确定本课题的总体方案；

    第3-4周 进行10KW水平轴风力发电机各功能模块的设计计算及优化匹配，并完成开题报告的撰写、答辩；

    第5-6周 完成详细设计中的相关计算、校核及外购零部件的选型等，进行中期检查答辩；

    第7-8周 完成叶片、传动等主体结构设计；

    第 9-10周  完成风向调节、超速制动功能部件设计；

  第11-12周 完成设计说明书、使用说明书的撰写，参加毕业答辩。

课题来源、选题依据和背景情况；课题研究目的、学术价值或实际应用价值

课题来源：自拟

选题依据：本课题拟以海岛居民、驻军为用电单位，开发设计功率为10kW的风力发电机。

背景情况：

风能利用已有数千年的历史，在蒸汽机发明以前，风帆和风车是人类生产和生活的重要动力装置埃及被认为可能是最先利用风能的国家，约在几千年以前，他们就开始用风帆来帮助行船。波斯和中国也很早开始利用风能，主要使用垂直轴风车。

我国是最早使用风帆船和风车的国家之一，至少在3000年前的商代就出现了帆船，到唐代风帆船已广泛用于江河航运。最辉煌的风帆时代是明代，14世纪初叶中国航海家郑和七下西洋，庞大的风帆船队功不可没。明代以后风车得到了广泛的应用，我国沿海沿江的风帆船和用风力提水灌溉或制盐的做法，一直延续到20世纪50年代，仅在江苏沿海利用风力提水的设备增达20万台。

欧洲到中世纪才广泛利用风能，荷兰人发展了水平轴风车。18世纪荷兰曾用近万座风车排水，在低洼的海滩上造出良田，成为著名的风车之国。

随着蒸汽机的出现，以及煤、石油、天然气的大规模开采和廉价电力的获得，各种曾经被广泛使用的风力机械，由于成本高、效率低、使用不方便等，无法与蒸汽机、内燃机和电动机等相竞争，渐渐被淘汰。

到了19世纪末，开始利用风力发电，这在解决农村电气化方面显示了重要的作用，特别是20世纪70年代以后，利用风力发电更进入了一个蓬勃发展的阶段。

太阳辐射造成地表面受热不均引起大气温度、密度和压力差别。风能是地球表面空气从压力高的地方向压力低的地方移动时产生的动能，风能资源是经过测在量和质上可供人类开发利用的风能。风能的大小用风功率密度来度量，它与风速的立方和空气密度成正比。

太阳辐射的能量在地球表面约有2%转化为风能。根据荷兰和美国对风能资源的研究，考虑城镇、森林、复杂地形、交通困难的山区及社会环境的制约，如景观和噪音影响等，取具有风能资源土地面积的4%推算，可利用的风能资源储量估计约96亿kW或18.7万亿kW·h/a。另外，海岸线附近的浅海区域也有非常丰富的风能资源，且平均风速大、湍流小，仅欧盟国家沿岸的海上风能资源估计约3万亿kW·h/a，比欧盟12国目前的年用电量2万亿kW·h还大，如按年满功率发电2 500h计划，则装机容量可达12亿kW。

风能是一种干净的、储量极为丰富的可再生能源，他和存在于自然界的矿物燃料能源，如煤、石油、天然气等不同，它不会随着其本身的转化和利用而减少，因此也可以说是一种取之不尽、用之不竭的能源；而煤、石油、天然气等矿物燃料能源，其储量将随着利用时间的增长而日趋减少。矿物燃料在利用过程中会带来严重的环境污染问题，如空气中的等气体的排放量的增长导致了温室效应、酸雨等现象的产生。因此自20世纪70年代末以来，随着世界各国对环境保护、能源短缺及节能等问题的日益关注，认为大规模利用风力发电是减少空气污染、减少有害气体（等）排放气体的有效措施之一。

传统火力发电燃烧化石燃料而排放大量的二氧化碳及其它污染物质，破坏环境并造成全球暖化，严重影响生态系统病危及人类健康；核能发电虽不像火力发电般排放许多污染物质，但温排水可能影响海洋生态，而且目前尚无法完善处理半衰期长达数千、数万年的高放射性核废料，使其部分环境造成影响。相比之下风力发电完全没有上述问题。风力发电机在转换电力过程中不排放二氧化碳及任何污染物质，更没有放射性物质的困扰，是非常干净的能源，因此广受注重环境保护的欧美国家的欢迎，成为应用最多的再生能源技术之一。

研究目的：

有效利用风能资源，减少对不可再生资源的消耗，降低对环境的污染。在设计的过程中主要解决的问题是风力发电机的总体设计，叶片、桨叶复位机构的设计，回转体机构的设计等。

研究价值：

人类追求经济成长及现代化的结果使得能源大量消耗，然而地球的化石燃料蕴藏量有限，统计显示依照目前的消耗速率，石油蕴藏量能供人类使用不到50年，天然气不到70年，煤炭较久超过200年，终有一日人类将没有石油可用。然而风力发电不一样，由于摄取大自然的风能，只要太阳及地球仍在运行即无匮乏之虞，而且一部装置在一般地区的风力发电机，在它20年使用寿命中所生产的电力发电机，在卸除它能耗费能源的80倍，是能让人们永续使用的再生能源之一。

大自然的风完全不用进口，是地道的自产能源，多加利用可减低对进口石油、煤炭等化石能源的依赖，促进能源来源多元化，在国家安全上也有其战略意义。在经济社会层面，风力发电可制造工作机会，从零组件的生产、运输、组装、维护等，皆为设置风力发电机当地带来相当的就业机会与新的产业。有效利用风能资源，减少对不可再生资源的消耗，降低对环境的污染。

国内外研究现状、发展动态；查阅的主要文献

风力发电机组 (简称风电机)是将风能转化为电能的机械。风轮是风电机最主要的部件，由浆叶和轮毂组成。桨叶具有良好的空气动力外形，在气流作用下能产生空气动力使风轮旋转，将风能转换成机械能，再通过齿轮箱增速，驱动发电机转变成电能。在理论上，最好的风轮只能将约60%的风能转换为机械能。现代风电机风轮的效率可达到40%。风电机输出达到额定功率前，功率与风速的立方成正比，即风速增加1倍，输出功率增加8倍，所以同力发电的效益与当地的风速关系极大。由于风速随时在变化，风电机常年在野外运行，承受十分复杂恶劣的交变载荷。当前生产的主力机型为600~750kW，机体庞大，风轮直径和塔架高度都达到40~50m，设计和制造较困难。目前风电机的设计寿命是20a，要求经受住60 m/s的11级暴风袭击，代表机组可靠性的可利用率要达到95%以上。德国、丹麦、西班牙、英国、荷兰、瑞典、印度、加拿大等国在风力发电技术的研究与应用上投入了相当大的人力及资金，充分综合利用空气动力学、新材料、新型电机、电力电子技术、计算机、自动控制及通信技术等方面的最新成果，开发建立了评估风力资源的测量及计算机模拟系统，发展了变浆距控制及失速控制的风力机设计理论，采用了新型风力机设计理论，采用了新型风力机叶片材料及叶片翼型，研制出了变极、变滑差、变速、恒频及低速永磁等新型发电机，开发了由微机控制的单台及多台风力发电机组成的机群的自动控制技术，从而大大提高了风力发电的效率及可靠性。当前，世界风电技术发展的特点是：

1）风力机单机大型化

风力机单机容量不断增加是风电技术的显著特点之一。商业风力机平均单机容量从1982年为55kw到2002年约为1100kw，20年增加了近20倍。随着技术的逐渐成熟早年多样化的设计理念也趋向统一。单机容量大，有利于降低每千瓦的制造成本；而且大型机组采用更高的塔架，有利于捕获风能，50m高度捕获的风能要比30m高度处多20%。目前，商业化机组的单机容量已达3.6MW。

2）变速恒频机组将成为主流机型

目前，世界各地风电场的风力发电机组，绝大多数为恒速运行机组。随着控制技术的发展和变速恒频机组的应用，风力机开始改恒速运行为变速运行，风轮转速随风速变化，在低于额定风俗的相当大范围内保持最佳叶尖速比已获得最大风能。

3）重量更轻、结构更具柔性

随着风力机叶片的增长，其单位功率的重量更轻、结构更柔性。叶片材料由玻璃纤维增强树脂发展为强度高、质量轻的碳纤维。同时，针对风力机的空气动力环境，风力机专用新翼型也得到广泛应用，大大改善叶片的气动性能。

4）海上风力发电迅速发展

由于海上风力资源比陆地上好，风速比沿岸路上约高25%，且海面粗糙度小，海上风场湍流强度小，具有稳定的主导风向，减少机组疲劳载荷，延长使用寿命。

5）中国风力发电的发展

中国现代风力发电机技术的开发利用起源于20世纪70年代初。经过初期发展、单机分散研制、系列化和标准化几个阶段的发展，无论在科学研究、设计制造，还是试验、示范、应用推广等方面均有了长足的进步和很大的提高，并取得了明显的经济效益和社会效益。

我国开发、研制、生产小型风力发电机组的单位共47家，年生产能力超过了4万台。产品的额定功率100W-10KW。到2002年底，全国累计生产离网型小型风力发电机组24万多台。

表1-1  中国风电场装机容量发展情况（单位：万KW）

Tab 1-1 China's installed capacity of wind power development (unit : 10,000 KW)

参考文献

[1] 吴治坚·新能源和可在生能源的利用[M] ·北京：机械工业出版社，2006.1

[2] 王承煦，张源·风力发电·北京：中国电力出版社，2002，8

[3] 王承煦·风力发电实用技术[M] ·北京：金盾出版社，1995

[4] 徐灏·机械设计手册（1）[M] ·第2版·北京：机械工业出版社．2000

[5] 唐大放·冯晓宁·杨现卿主编·机械设计工程学[Ⅱ] ·徐州：中国矿业大学出版社，2001.9

[6] 徐灏·机械设计手册（3）[M] ·第2版·北京：机械工业出版社．2000

[7] 余俊等·机械设计（第2版）·北京：高等教育出版社，1986

[8] 罗辉·实用产品设计经济分析—产品设计经济学·北京：机械工业出版社，1994

[9]  Costa,R,and Sobet,D.K,2003. Proceeding of ASME Design Engineering Technical Conferences,Chicago

[10] 孙志礼等主编·机械设计·沈阳：东北大学出版社，2000

[11] 成大先主编·机械设计手册.单行本.弹簧·起重运输件·五金件·北京：化学工业出版社，2004.1

[12] 成大先主编·机械设计手册.单行本.减（变）速器·电机与电器·北京：化学工业出版社，2004.1

[13] S. Nandi, Hamid A. Toliyat and Alexander G. Parlos, “Performance Analysis of A Single Phase Motor Under Eccentric Condition”, IEEE Industry Applications Society, Annual Meeting, New Orleans, Louisiana, October 5-9, 1997

[14] Randy R. Schoen and Thomas G. Habetler, “Effects of Time- Varying Loads on Rotor Fault Detection in Induction Machines”, IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 31, no. 4, July/August 1995

1． 学术构想与思路；主要研究内容及拟解决的关键问题（或技术）

学术构思与思路：

   要求该风力发电机为水平轴式，满足以下条件：1）超载能力强；2）封闭式输电滑环，电缆不缠绕；3）具有防腐、防酸雨、防盐碱的特性；4）微型风机，2.5级风发电储能；5）使用寿命不低于10年；6）具风向调节，超强风控制功能；7）过充过放保护，直流恒压充电；8）运行简单，无人工值守与特殊维护；9）占地面积少，对土地要求低，在山丘、海边、河堤、荒漠等地形恶劣的条件下均可运用；10）维护周期为1年。通过本毕业设计工作的开展，训练学生对机械结构、电子控制等方面知识的综合应用，使学生掌握机电一体化装备设计的一般方法，提高解决现实工程问题的能力。

研究主要内容：

    风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。风机工作稳定是一个非常重要的问题，通过回顾过去成功的小型风力发电机组的设计，就可以发现它们的共同特点是简单，只有简单才可能做到活动部件少，应力连续而无突变，才能使小型风力发电机工作稳定。所以本课题是设计一款结构简单、使用方便、成本低、易维修、使用寿命长的小型风力发电机。其研究内容具体如下：

 (1) 小型风力发电机整体方案设计；

 (2) 进行小型风力发电机的机械装配图设计；

 (3) 对装置的运动过程进行仿真计算分析；

 (4) 根据功能要求进行修改，进一步的优化；

 (5) 恒速控制系统方案设计；

 (6) 试制原理模型装置。

拟解决关键问题：

风能利用发展中的关键技术问题风能技术是一项涉及多个学科的综合技术。而且，风力机具有不同于通常机械系统的特性：动力源是具有很强随机性和不连续性的自然风，叶片经常运行在失速工况，传动系统的动力输入异常不规则，疲劳负载高于通常旋转机械几十倍。对于这样的强随机性的综合系统，其技术发展中有下列几个关键技术问题。

1）空气动力学问题

空气动力设计是风力机设计技术的基础，它主要涉及下列问题:一是风场湍流模型，早期风力机设计采用简化风场模型，对风力机疲劳载荷和极端载荷的确定具有重要意义；另一是动态气动模型。再一是新系列翼型。

2）结构动力学问题

准确的结构动力学分析是风力机向更大、更柔和结构更优方向发展的关键。

3）控制技术问题

风力机组的控制系统是一个综合性的控制系统。随着风力机组由恒速定浆距运行发展到变速变浆距运行，控制系统除了对机组进行并网、脱网和调向控制外，还要对机组进行转速和功率的控制，以保证机组安全和跟踪最佳运行功率。

2．拟采取的研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析

研究方法：

专业知识基础：修读过机械制图、机械原理、机械设计、电工电子学、机械工程控制基础、流体力学等专业主干课程。掌握机电一体化系统的设计原理，以机械设计及工艺等课程为设计基础，收集相关资料，阅读翻译英文文献。

能力基础：1.熟悉Solidwork或UG等三维造型软件的应用；2.熟练掌握AutoCAD等绘图软件；3、具有较好的机械设计能力。4.熟悉其他相关设计软件，把握整体设计思路。

资料检索：完成国内外相关研究的资料收集，并进行文献综述

实施方案及分析：

本课题研制的是小型风力发电机总体结构设计，总体要求是结构简单、使用方便、易维修、使用寿命长。在满足功能要求的前提下，尽可能使发电机外型美观、可靠性强、制造简单、价格低廉。  

目标：

1.完成小型风力发电机组总体结构的设计方案并试进行模型验证。       

2.完成小型风力发电机恒速控制的系统设计方案。  

该小型风力发电机的主体部分包括风轮、发电机、调向机构、调速机构和停车机构、塔架、蓄电池。

具体如下：

 1)风轮用2～3个叶片组成,它把风能转化为机械能。

2)发电机  采用永磁式交流发电机,风轮驱动发电机产生交流电,经过整流后变成直流电储存在蓄电池中。控制器和逆变器  

3)调向机构、调速机构和停车机构  为了从风中获取能量,风轮旋转面应垂直于风向,在小型风力机中,这一功能靠风力机的尾翼作为调向机构来实现。同时随着风速的增加,要对风轮的转速有所限制,这是因为既要防止过快的转速对风轮和风力机的其他部件造成损坏。

起止时间

主要内容