机械毕业设计660风力发电偏航减速器试验台设计

第一章绪论

1.1课题的研究背景

1. 1. 1 当代能源危机问题

能源是人类文明发展的“血液”，同时也是一个国家发展的重要前提。自从200年以前工业革命开始到现在，全球的能源消耗就急速增长，能源已经成为制约经济发展的最大障碍。其中当代所面临的能源情况为：

1)能源资源

从资源上来说，资源总量小，约为世界的10%；人均水平低，为世界人均水平的40%；能源结构单一，主要来自化石燃料—煤、石油和然气；图1-1示出了我国和世界一次商品能源消费结构。

图1-1 我国和世界一次商品能源消费结构

截止到2006年底，探明总资源量为8230亿吨标准煤，探明剩余可采总储量1390亿吨标准煤；剩余可采储量的保证程度为煤炭80年、石油15年、天然气30年汾别为世界平均水平的1/2、1/3和1/2；资源中以煤为主，缺乏石油、天然气资源。如图1-2所示。

2) 人均能耗

人均能源消耗是衡量一个国家经济繁荣程度的晴雨表。我国目前的人均年消耗为1292公斤标准煤，为美国的10%，日本的22% ，OECD国家的19%，世界平均水平的61%；要达到世界平均水平需要30亿吨，达到OECD国家平均水平需要85亿吨。

1. 1. 2 环境问题

近年来，环境污染相当严重，多人们带来了很大的影响。其中化石燃料的消耗给人类所造成的环境污染和安全问题已经成为社会的主要矛盾。化石燃料的燃烧除了煤炭产生的扬尘之外，还会释放C02，S02，NOx，和CO等。这些气体(酸雨和酸沉降)的排放，会导致全球气候变暖(温室效应)及煤烟型大气污染。主要依靠煤炭的发展中国家，

如中国、印度等的空气污染已相当严重，按目前污染排放推算，再过100年，人类将无法在地球生存。

1. 1. 3 新能源的开发与应用

面对能源的短缺和环境污染所产生的一系列问题，我们必须大力开发利用可再生能源资源。其中风能是世界上最具大规模应用潜力的可再生能源。我国蕴含着巨大的风能资源，特别是东南沿海及附近岛屿、内蒙古和河西走廊、东北、西北、华北和青藏高原等部分地区，每年风速在3m/s以上的时间近4000小时左右，一些地区年平均风速可达6~7m/s以上，具有很高的开发利用价值。如图1-2所示为中国的风力资源分布情况，东南沿海属于中强压地带，石油、煤炭资源匿乏，而且高速的经济增长对电力的需求又很大，所以风能开发具有广阔的前景。北方从新疆通过甘肃到内蒙古，是中国风力资源最丰富的地区，而且这一地区的风速稳定，很少有紊流和咫风现象，人口稀少，地域平坦，适合发展大型风力发电厂，这一地区的风能储存量可以达到500万千瓦，年发电可以达到1.8亿千瓦，是目前中国电力消费量的60%左右。

图1-2 中国的风力资源分布

利用风能，不仅可以扩大能量来源、节约矿物资源，而且还有助于解决边远地区孤立用电者的需要，具有现实的社会和经济利益。风力发电作为一种新型的可再生的能源

形式，是近期内技术成熟、环境友好，具有大规模发展潜力的可再生能源技术，在远期风能将成为世界上重要的补充能源。风力发电是世界范围内增长最快的一种能源形式，在世界各地正得到越来越广泛的应用。

1.2风力发电技术国内外研究发展现状

1. 2. 1国外的发展现状

在一些发达国家，风力发电试验平台的建设已经到了一定的成熟阶段。欧、美己有多个风电公共平台，例如欧洲风能研究院( NWTC、EAWE)、德国风能研究所(DEW I)等。

在德国，风能是居水力发电之后最重要的再生能源来源，风力发电在德国电力生产中所占的比例已达到2.5%。目前，德国共拥有9400座风力发电机，总容量近6100兆瓦，占欧洲大陆风能发电总容量的50%，全球风能发电总量的三分之一。在未来10年里，德国风力发电在电力生产中所占的比例将达到 3.5%。联邦风能协会的估计更为乐观，认为风力发电在电力生产中所占的比例甚至可以提高到30% 。不过，这一切都取决开发风能发电的新领域—近海风力发电的努力是否成功。

美国是世界上最早重视风力发电的国家之一，1994年时装机容量(163万kW)就占当年全球风电装机容量的53%。虽然电力工业改组引起的混乱使美国1991-1996年的风电业没有太多增长，但随着电力工业改组的完成，到2000年时，每年至少可交付30万kW的风电机组产品，形成40亿美元的风机产业，风电平均价格将低于4min/kW。到2050年时，全美风力发电将占全国电力用量的10%

印度从20世纪90年代以后大力引进国外技术，并采取有力的政策措施促进风力发电的发展。1995年是其风电装机容量增长最快的一年，增量达37.5万kW，装机总量达56.5万kW, 19%年又上升到81.6万kW，超过丹麦，成为世界第三个风力发电最多的国家。荷兰、英国等国的风电事业，也在迅速发展。

1. 2. 2国内的发展现状

风力发电是一种比较清洁的发电体系，我国风能资源丰富，可开发利用的风能储量约10亿kW，其中，陆地上风能储量约2.53亿kW（陆地上离地10m高度资料计算），海上可开发和利用的风能储量约7.5亿kW，共计10亿kw，风是没有公害的能源之一，而且它取之不尽，用之不竭。但是，风力发电要求的技术含量较高，成本高，对风装置用不长久。其中风力发电对风装置试验台的研制还处在初期阶段。

风力发电作为未来可取代传统能源的“绿色能源”之一，其发展的速度在诸如太阳能、生物质能和潮汐能等可再生能源中是最具有市场化规模及前景的。在一些国家，风能发电已能提供全国电能需求的10% ～20% ，有的甚至达到50%以上。虽然中国的风电事业起步比较晚，但在国家政策大力支持下，过去10年内的风力发电装机容量年均增长速度达到了55%以上，前景看好。在2005年全国风电建设前期会议上，国家发

展与改革委员会能源局提出：到2010年全国风电装机容量达到400万kW，风电上网电价将进一步降低；到2020年，装机容量将2000万kW，风能利用将遍及全国城乡。由于风电事业的蓬勃发展，建设风力发电试验台就显得极为重要。

1.3风力发电偏航减速器试验台研制的目的及意义

风能，作为一种绿色能源，日益受到专家学者的重视。同时，风力发电技术也逐渐成为科研人员研究的热点。目前风力发电技术发展趋势之一是单机容量不断增大，利用效率提高，大功率(兆瓦级)、并网型机组己成为发展方向。提高偏航减速器的使用性能和使用寿命，是降低技术成本，提高风场发电能力，高效利用风能的重要手段。因此，风力发电偏航减速器试验台已经成为当今主流产品。

搭建风力发电偏航减速器试验平台，在试验台上确定了偏航减速器的各种性能参数，达到更好利用对风装置。

1.4风力发电偏航减速器试验台的研究情况

试验室进行风力发电偏航减速器的试验台研究，用电动机控制偏航减速器的驱动运行和加载运行，人们提出了不同的风力发电偏航减速器试验台的方案。目前主要采用异步电机来驱动风力发电偏航减速器试验台的运行。

风力发电偏航减速器试验台的运行时按照改变电动机的频率来改变电动机的转速，从而实现的偏航减速器试验台的驱动和加载运行，根据发电机转速和风速输出相应的机械功率，输出转矩要能够随风速的变化而变化。因此偏航减速器试验台需要对电机转矩进行适当的控制。目前提出的大部分试验台设计方法是基于异步电机的频率控制方法，该方法根据风力机风轮的转矩特性控制异步电机的转矩，具有良好的转矩动态调节性能，但是异步电机的固有缺点限制了该方法的进一步应用。因此，近年来国外基本上都采用改变异步电动机的频率来设计风力发电偏航减速器试验台，并初步完成了相关具体设计，图1-3为风力发电偏航减速器组。