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大功率风力发电机组风轮的设计与制造

责任编辑
张晓宇
发布时间
2012-03-31
来源
长沙科技成果转化交易会
基本信息
成果分类 节能环保类,能源类,高新技术
成果/专利名称(编号) 大功率风力发电机组风轮的设计与制造
成果来源 兰州理工大学
合作方式 合作生产
成果适用地区 全国
技术成果简介
技术成果简介

  研究背景及用途:

  1.能源需求。我国经济高速发展,能源短缺问题突出,常规化石能源日益枯竭。 2003年我国能源消费总量为16.78亿吨标准煤, 2003年石油(包括成品油)进口量已达1亿吨,而我们国家每年生产的石油仅为1亿多吨。据专家预测,到2010年,我国进口石油达1.6亿吨,到2020年要2亿吨以上。全国电力持续供应紧张,大中城市经常限时限电,造成工农业经济损失和居民生活不便。

  2. 环境保护要求。在利用大规模常规化石能源的同时,环境保护问题日益突出。从1980年到2001年,中国化石燃料燃烧产生的二氧化碳排放量从3.94亿吨碳增加到8.32亿吨碳,年均增长率为3.62%;预计2020年中国二氧化碳排放量将达到14-19亿吨碳,年均增长率为3.0%-4.5%,并将跃居世界第一位。以煤电为主的电力结构,势必给环境保护带来了严重的压力。

  3.国家和甘肃省的可持续发展展略。1995年,国家计委、国家科委和国家经贸委共同制定了《新能源和可再生能源发展纲要(1996-2000)》及《新能源和可再生能源优先发展项目》,进一步加大了对研究开发的支持力度。2000年8月,国家经贸委制定颁发了《2000-2015年新能源和可再生能源产业发展规划要点》,以加快中国新能源和可再生能源的产业化建设。风能是可再生能源中发展最快的清洁能源,风力发电是其主要利用形式,现阶段国家通过对风电上网价格(目前风电成本价格在0.8元/度左右,但上网价格却在0.5元/度左右)实行政府补贴的形式来大力支持风电的发展。我国政府已将风力发电纳入国家可持续发展战略。

  4. 国内还没有完全掌握大功率风轮的核心设计和制造技术。 现阶段大功率风力发电设备主要依赖进口,一些关键技术国内还没有完全掌握,风轮研制也不例外。目前国内叶片制造厂家总体上看还停留在引进消化国外技术、仿制国外成熟产品(主要是德国、丹麦等国家)的阶段,没有形成自主设计能力。

  5. 风力发电设备巨大的市场需求。中国风能资源丰富,可开发的装机容量约2.53亿千瓦,居世界首位,具有商业化、规模化发展的潜力,截止到2004年底,全国风电场总装机容量仅为76.4万千瓦,预计2005年并网风电装机将达到100万千瓦, 2010年的发展目标是300万千瓦,2020年达到2,000万千瓦。我国发展风力发电前景广阔,对大功率风力发电设备需求旺盛。

  目前风力发电系统中,主要包括:风轮、增速箱、发电机、偏航机构、塔架以及控制部分(包括电控和液控两部分)。其中风轮的气动设计及运行控制是核心部件之一。机组的其它部件设计都要根据其设计所给出的结果来进行,而且风轮造价占整套风力发电设备30%左右。风轮研制在整个风力发电设备中举足轻重。

  技术路线:

  1.风轮的气动优化设计方法。本项研究采用不简化的,用以进行空气螺旋桨气动计算的 “叶片理论”作为计算依据。该旋涡系统由下三部分组成:位于风轮轴线上的中心涡;沿叶片轴线的变环量附着涡;以及从叶片尾缘与叶尖脱落的螺旋状自由涡层。根据此模型,并在不作无限叶片数与定环量假设的情况下计算叶片某断面处的旋涡诱导速度和来流下洗角,进而给出来流的真实速度大小和方向,用以进行风轮的气动计算。其气动计算结果显然比现行的“圆盘理论”和改进的"条带理论"精确。

  2.风轮流场的 CFD数值模拟。由于风力机风轮的运行条件十分复杂,湍流度影响很大,特别是大型水平轴风力机组的风轮直径非常大,风速梯度很大,为准确掌握风力机风轮气动特性。因此,有必要利用FLUENT软件对风轮流场进行CFD数值模拟,通过对风力机风轮流场数值模拟,与优化的设计方法计算结果进行比较,来研究各关键气动参数对风轮气动力特性的影响,以此掌握改进的依据

  4.风轮模型的风洞试验。根据国内现有风洞尺寸,选择典型参数,对利用叶片理论设计出的模型风轮,并配装轮毂,进行风洞试验,以获取其性能曲线,据此对原气动设计进行修改设计

  5. 风轮的气动弹性设计。由于风力机风轮的运行条件复杂,特别是大型水平轴风力机组的风轮直径非常大,来流风速的大小和方向、风轮流场的非定常性和湍流问题等,给准确掌握风力机风轮气动特性带来了相当的难度。风力发电机组作为旋转机械在不稳定的自然环境中工作,因而受力情况变得非常复杂,必须考虑动载荷的影响,材料的强度、刚度,结构的疲劳、振动、噪音、寿命等气动弹性稳定性问题。

  6.风轮叶片的制造技术。选择玻璃(或碳)纤维+环氧树脂的材料来加工,包括模具设计与制造、桨叶成型及表面处理等工艺,实现高效风轮的全面成型。

  技术指标:

  大功率风力发电机组风轮的输出功率为MW级,其风能利用系数不低于0.44(最大理论值为0.593),达到世界先进国家风力机风轮的研究和生产水平。

  项目进展情况:已完成理论探讨和设计方法的研究,并成功应用于小型模型机组的研制。

  项目投资:学校先期已投入40万元作为研究费用,同时该项目正在积极申请国家研究项目的支持。

  市场分析及效益预测:

  据粗略统计,到2020年我国的风电产业将达到2000亿元,在风电设备中,风轮占25%左右。因此,仅风轮一项就达500亿元。按照工业化产品的盈利情况及可获得至少15%(实际高科技工业产品的利润远大于此数字)的利润来计算,其利润也将达75亿元人民币。

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