风能工程课程设计
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课
程
设
计
（2015-2016 学年第一学期）
课程名称： 风能工程 学生姓名：张嘉栗 专业班级：13 能源 学 学 院：工程学院 号： 176340018
学生成绩：
目录
第一章小型风力发电系统概述 ......................................................................... 1 1.1 小型风力发电的发展现状 ................................................................... 1 1.2 小型风力发电的前景 ............................................................................ 2 第二章设计原始资料 ......................................................................................... 2 2.1 设计地点 ............................................................................................... 2 2.2 设计要求及用途 ................................................................................... 2 第三章风力机的设计计算 ................................................................................. 3 3.1 风力机的基本参数 ............................................................................... 3 3.1.1 风力机的额定风速...................................................................... 3 3.1.2 风力机的风轮直径...................................................................... 3 3.2 风力机功率 ........................................................................................... 3 3.3 尾舵的长度与面积 ................................................................................ 4 3.4 塔架高度及形式 ................................................................................... 5 3.5 蓄电池容量 ........................................................................................... 6 3.6 控制器、逆变器、泄荷器的容量 ........................................................ 7 3.6.1 控制器的容量.............................................................................. 8 3.6.2 逆变器的容量.............................................................................. 8 3.6.3 泄荷器的容量.............................................................................. 8 第 4 章风力机其他部件选择与匹配................................................................. 9
已知海拔=50m=164ft，根据表 3 利用内插法可得������������ =0.994 表 4 温度校正因子������������ 值
已知 T=8.1℃=46.58℉，根据表 4 利用内插法可得������������ =1.028 由公式 5 和公式 6 可得A������ = 12541.32������������ 2 = 1165.14������2
3.3 尾舵的长度与面积
尾舵是最常见的一种调向装置，它广泛用于小、微型风力机上。尾舵 由尾杆和尾翼组成（图 1）
图 1 尾舵结构示意图 尾舵的长度按下式取值: ������1 ：������2 = 1：4（公式 4） 实用中一般常使L1 =0.15D；L2 =0.6D。D 为风轮直径。 可得：L1 =0.15×39.2=5.88m，L2 =0.6×39.2=23.52m 设转动着的风轮扫掠面积为 A，尾翼的面积为A������ ，其面积之比按 如下关系取值:
4.1 叶片的组成 ........................................................................................... 9 4.2 风轮的结构设计 .................................................................................. 12 4.3 调速机构—侧翼式组成 ..................................................................... 13 4.4 发电机型号选择 ................................................................................. 14 4.5 其它附属部件的设计说明 ................................................................. 14 第五章设计总结 ............................................................................................... 15 参考文献 ........................................................................................................... 17
2
第三章风力机的设计计算
3.1 风力机的基本参数 3.1.1 风力机的额定风速
小型风力发电机的额定风速为当地年平均风速的 1.6 倍，即 v=1.6× 3.1=4.96
3.1.2 风力机的风轮直径 D=
2080 ������������ ������ 3 ������
（公式 1）
式中：D—风轮直径，m； ������—额定风速，m/s ； ������ —风力机的系统效率，取������ = 20%； Ne—输出功率，KW，取 Ne=18KW。 求得 D=39.2m 3.2 风力机功率
1
机构、塔架及拉索等、控制器、蓄电池、逆变器等几部分组成。
1.2 小型风力发电的前景
中国风力等新能源发电行业的发展前景十分广阔， 预计未来很长 一段时间都将保持快速发展。随着中国风电设备的国产化，风光互补 系统等新型技术的日渐成熟，小型风力发电的成本可望再降，经济效 益和社会效益提升，小型风力发电市场潜力巨大。小型风电机组相关 设备制造、小型风电技术研发、风电路灯等领域成为投资热点，市场 前景看好。
第一章小型风力发电系统概述
1.1 小型风力发电的发展现状
小型风力发电产业在持续地发展， 但远没有大型风力发电产业 那么迅速。到目前为止，对全球 50W-100kW 的小型风力发电机组生 产 量 的 粗 略 估 计 是 650,000 到 700,000 台 ， 装 机 容 量
为 200MW 到 280MW。最成功的是用于分散家庭的小型风力发电机 组，功率往往仅几百瓦。最大的市场是我国和蒙古的户用系统，也包 括一些较大容量的风能互补系统， 风力发电机组的单机容量 为 1-50kW。同时，还有大量的小型风力发电机组被应用到了移动通 信基站。中国的风能资源十分丰富。根据全国 900 多个气象站的观测 资料进行估计，中国陆地风能资源总储量约 32.26 亿 KW，其中可开 发的风能储量为 2.53 亿 KW，而海上的风能储量有 7.5 亿 KW，总计 为 10 亿 KW。我国的风电开发起步较晚，大体分为三个阶段。 第
3.4 塔架高度及形式
对于该小型风力发电系统，塔架采用单管拉线式，塔架由一个钢 管和 3 条拉线组成，具有结构简单、轻便、稳定等优点。
5
图 2 单管拉线式塔架示意图 塔架的最低高度可按下式考虑: H = h + C + R（公式 7） 式中：h—接近风力机的障碍物高度，取 h=5m； C —由 障碍物最高点到风轮扫掠而最低点距离，常为 1.5~2m，取 C=2m; R—风轮半径。 可得塔架的最低高度：H=5+2+39.2/2=26.6m
3
式中：D—风轮直径,m ； v—额定风速，m/s ； η—风力发电系统总效率，������ =0.2 ； ������������ —风轮功率系数，������������ = 0.2； N—风轮功率，KW； ������������ —吹向风轮的风具有的功率； ������������ —风力机最终所发出的有效功率，KW 。
4
对 3 叶风轮，取A������ = 0.04������。 （公式 5） 其中A =
������������ ������������ ������������ ������������
（公式 6） 表 2 ������与������的关系
已知 v=3.1m/s=11.09mile/h，根据表 2 利用内插法可得 f=7.023 表 3 海拔校正因子������������ 值
3.5 蓄电池容量
一阶段是 1986～1990 年我国并网风电项目的探索和示范阶段。其特 点是项目规模小，单机容量小，最大单机 200KW，总装机容量 4.2 千 KW。 第二阶段是 1991～1995 年示范项目取得成效并逐步推广阶
段。共建 5 个风电场，安装风机 131 台，装机容量 3.3 万 KW，最大 单机 500KW。 第三阶段是 1996 年后扩大建设规模阶段。其特点是 项目规模和装机容量较大，发展速度较快，平均年新增装机容量 6.18 万 KW，最大单机容量达到 1300KW。 小型风力发电机组一般由风轮、发电机、调速和调向机构、停车
第二章设计原始资料
2.1 设பைடு நூலகம்地点 辽宁省沈阳市沈阳农业大学能源基地 2.2 设计要求及用途
表 1 沈阳市气象资料 年平均风 速(m/s) 海拔高度 /m 平均空气温 度℃ 盛行风向 （2011-2015） /天
3.1
50
8.1
西南风 428
小型风力发电机组可为沈阳农业大学能源基地的照明提供 稳定可靠的电源。
风轮的功率与风轮叶片数目无直接关系， 与风轮直径的平方成正 比，与风速的立方成正比，与风轮功率系数成正比，即风轮的功率可 表示为： N=
������ 2 ������ 3 2080
������������ (kW)
(公式 2) (公式 3)
������������ = ������������ ������(KW)
程
设
计
（2015-2016 学年第一学期）
课程名称： 风能工程 学生姓名：张嘉栗 专业班级：13 能源 学 学 院：工程学院 号： 176340018
学生成绩：
目录
第一章小型风力发电系统概述 ......................................................................... 1 1.1 小型风力发电的发展现状 ................................................................... 1 1.2 小型风力发电的前景 ............................................................................ 2 第二章设计原始资料 ......................................................................................... 2 2.1 设计地点 ............................................................................................... 2 2.2 设计要求及用途 ................................................................................... 2 第三章风力机的设计计算 ................................................................................. 3 3.1 风力机的基本参数 ............................................................................... 3 3.1.1 风力机的额定风速...................................................................... 3 3.1.2 风力机的风轮直径...................................................................... 3 3.2 风力机功率 ........................................................................................... 3 3.3 尾舵的长度与面积 ................................................................................ 4 3.4 塔架高度及形式 ................................................................................... 5 3.5 蓄电池容量 ........................................................................................... 6 3.6 控制器、逆变器、泄荷器的容量 ........................................................ 7 3.6.1 控制器的容量.............................................................................. 8 3.6.2 逆变器的容量.............................................................................. 8 3.6.3 泄荷器的容量.............................................................................. 8 第 4 章风力机其他部件选择与匹配................................................................. 9
已知海拔=50m=164ft，根据表 3 利用内插法可得������������ =0.994 表 4 温度校正因子������������ 值
已知 T=8.1℃=46.58℉，根据表 4 利用内插法可得������������ =1.028 由公式 5 和公式 6 可得A������ = 12541.32������������ 2 = 1165.14������2
3.3 尾舵的长度与面积
尾舵是最常见的一种调向装置，它广泛用于小、微型风力机上。尾舵 由尾杆和尾翼组成（图 1）
图 1 尾舵结构示意图 尾舵的长度按下式取值: ������1 ：������2 = 1：4（公式 4） 实用中一般常使L1 =0.15D；L2 =0.6D。D 为风轮直径。 可得：L1 =0.15×39.2=5.88m，L2 =0.6×39.2=23.52m 设转动着的风轮扫掠面积为 A，尾翼的面积为A������ ，其面积之比按 如下关系取值:
4.1 叶片的组成 ........................................................................................... 9 4.2 风轮的结构设计 .................................................................................. 12 4.3 调速机构—侧翼式组成 ..................................................................... 13 4.4 发电机型号选择 ................................................................................. 14 4.5 其它附属部件的设计说明 ................................................................. 14 第五章设计总结 ............................................................................................... 15 参考文献 ........................................................................................................... 17
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第三章风力机的设计计算
3.1 风力机的基本参数 3.1.1 风力机的额定风速
小型风力发电机的额定风速为当地年平均风速的 1.6 倍，即 v=1.6× 3.1=4.96
3.1.2 风力机的风轮直径 D=
2080 ������������ ������ 3 ������
（公式 1）
式中：D—风轮直径，m； ������—额定风速，m/s ； ������ —风力机的系统效率，取������ = 20%； Ne—输出功率，KW，取 Ne=18KW。 求得 D=39.2m 3.2 风力机功率
1
机构、塔架及拉索等、控制器、蓄电池、逆变器等几部分组成。
1.2 小型风力发电的前景
中国风力等新能源发电行业的发展前景十分广阔， 预计未来很长 一段时间都将保持快速发展。随着中国风电设备的国产化，风光互补 系统等新型技术的日渐成熟，小型风力发电的成本可望再降，经济效 益和社会效益提升，小型风力发电市场潜力巨大。小型风电机组相关 设备制造、小型风电技术研发、风电路灯等领域成为投资热点，市场 前景看好。
第一章小型风力发电系统概述
1.1 小型风力发电的发展现状
小型风力发电产业在持续地发展， 但远没有大型风力发电产业 那么迅速。到目前为止，对全球 50W-100kW 的小型风力发电机组生 产 量 的 粗 略 估 计 是 650,000 到 700,000 台 ， 装 机 容 量
为 200MW 到 280MW。最成功的是用于分散家庭的小型风力发电机 组，功率往往仅几百瓦。最大的市场是我国和蒙古的户用系统，也包 括一些较大容量的风能互补系统， 风力发电机组的单机容量 为 1-50kW。同时，还有大量的小型风力发电机组被应用到了移动通 信基站。中国的风能资源十分丰富。根据全国 900 多个气象站的观测 资料进行估计，中国陆地风能资源总储量约 32.26 亿 KW，其中可开 发的风能储量为 2.53 亿 KW，而海上的风能储量有 7.5 亿 KW，总计 为 10 亿 KW。我国的风电开发起步较晚，大体分为三个阶段。 第
3.4 塔架高度及形式
对于该小型风力发电系统，塔架采用单管拉线式，塔架由一个钢 管和 3 条拉线组成，具有结构简单、轻便、稳定等优点。
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图 2 单管拉线式塔架示意图 塔架的最低高度可按下式考虑: H = h + C + R（公式 7） 式中：h—接近风力机的障碍物高度，取 h=5m； C —由 障碍物最高点到风轮扫掠而最低点距离，常为 1.5~2m，取 C=2m; R—风轮半径。 可得塔架的最低高度：H=5+2+39.2/2=26.6m
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式中：D—风轮直径,m ； v—额定风速，m/s ； η—风力发电系统总效率，������ =0.2 ； ������������ —风轮功率系数，������������ = 0.2； N—风轮功率，KW； ������������ —吹向风轮的风具有的功率； ������������ —风力机最终所发出的有效功率，KW 。
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对 3 叶风轮，取A������ = 0.04������。 （公式 5） 其中A =
������������ ������������ ������������ ������������
（公式 6） 表 2 ������与������的关系
已知 v=3.1m/s=11.09mile/h，根据表 2 利用内插法可得 f=7.023 表 3 海拔校正因子������������ 值
3.5 蓄电池容量
一阶段是 1986～1990 年我国并网风电项目的探索和示范阶段。其特 点是项目规模小，单机容量小，最大单机 200KW，总装机容量 4.2 千 KW。 第二阶段是 1991～1995 年示范项目取得成效并逐步推广阶
段。共建 5 个风电场，安装风机 131 台，装机容量 3.3 万 KW，最大 单机 500KW。 第三阶段是 1996 年后扩大建设规模阶段。其特点是 项目规模和装机容量较大，发展速度较快，平均年新增装机容量 6.18 万 KW，最大单机容量达到 1300KW。 小型风力发电机组一般由风轮、发电机、调速和调向机构、停车
第二章设计原始资料
2.1 设பைடு நூலகம்地点 辽宁省沈阳市沈阳农业大学能源基地 2.2 设计要求及用途
表 1 沈阳市气象资料 年平均风 速(m/s) 海拔高度 /m 平均空气温 度℃ 盛行风向 （2011-2015） /天
3.1
50
8.1
西南风 428
小型风力发电机组可为沈阳农业大学能源基地的照明提供 稳定可靠的电源。
风轮的功率与风轮叶片数目无直接关系， 与风轮直径的平方成正 比，与风速的立方成正比，与风轮功率系数成正比，即风轮的功率可 表示为： N=
������ 2 ������ 3 2080
������������ (kW)
(公式 2) (公式 3)
������������ = ������������ ������(KW)