微型風力發(fā)電演示系統(tǒng)設(shè)計分解

1、成績：學(xué)院：專業(yè)：班號：項目研究報告微型風力發(fā)電演示系統(tǒng)設(shè)計 新能源的現(xiàn)代化應(yīng)用學(xué)號：姓名： 手機號碼： E-mail ：摘要根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)水平，只需微風（大約 3米/ 秒）即可實現(xiàn)發(fā)電功效，但是供電的可靠 性非常差，而這套風力發(fā)電演示系統(tǒng)就是基于這種不穩(wěn)定性而設(shè)計的，目的在于減弱外部的 因素引起的風力發(fā)電的不穩(wěn)定。這套系統(tǒng)將風力發(fā)電機產(chǎn)生的電流進行穩(wěn)流處理，達到外部 設(shè)備工作需要的功率和頻率，從而輸出特定的穩(wěn)定電流供外部設(shè)備工作使用。同時這套系統(tǒng) 可以實現(xiàn)電流穩(wěn)壓的同步處理，消除了時間差對于設(shè)備的損害。關(guān)鍵詞：風力發(fā)電，同步調(diào)整，穩(wěn)流處理 ,。中圖分類號：文獻標識碼：論文類別：C、科技發(fā)明制

2、作項目研究類別：E、能源化工（包括能源、材料、石油、化學(xué)、化工、生態(tài)、環(huán)保等）Title:The design of micro wind power demonstration system- modernization of new energyAbstract： According to the current level of technology, just the breeze (about 3 m/ s) can realize the power北京理工大學(xué)導(dǎo)航通信技術(shù)與應(yīng)用2012-2013-2 結(jié)課論文efficiency, but the reliability of p

3、ower supply is very poor, and this set of wind power demonstration system is designed based on this instability, the aim of factors weakened external wind instability. This system will flow processing current generated by the wind power generator,to achieve external equipment needs of the power and

4、frequency, and thus the output stable current specific for external equipment use. Synchronous processing at the same time the system can realize the current regulator, eliminate the time difference for equipment damage.Keywords： Wind power, steady flow processing, synchronous adjustment.1 引言風能作為一種清

5、潔能源，在當今社會有了十分廣泛的應(yīng)用。但是由于風力能源本身所具有的不穩(wěn)定性 嚴重影響了風能發(fā)電的并網(wǎng)的利用。所以，這套微型風力發(fā)電系統(tǒng)就是一套以穩(wěn)流為主要目的的設(shè)備。并 且微型的發(fā)電系統(tǒng)也一改過去的那種體積龐大的風力發(fā)電機的弊端。這樣的設(shè)計可以實現(xiàn)風能的更加廣泛 的利用。甚至人們可以根據(jù)自身需求，在緊急時刻利用風能小范圍發(fā)電。并且，該系統(tǒng)還嘗試了內(nèi)部的儲 電的設(shè)計，對于其他風力發(fā)電機的設(shè)計具有很大的借鑒意義。并且，這套系統(tǒng)的穩(wěn)流部分由一個電力電子 借口組成。電力電子接口主要由兩個模塊組成:第一個模塊是功率調(diào)節(jié)模塊 ,根據(jù)風能和負載用電量來調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率匹配自動跟蹤其功率點 ;第二個模塊為充放電控

6、制模塊。1.1 立項依據(jù)1.1.1 項目研究或論文選題的目的及意義 這套系統(tǒng)將風力發(fā)電機產(chǎn)生的電流進行穩(wěn)流處理，達到外部設(shè)備工作需要的功率和頻率，從而 輸出特定的穩(wěn)定電流供外部設(shè)備工作使用。同時這套系統(tǒng)可以實現(xiàn)電流穩(wěn)壓的同步處理，消除了時間差對 于設(shè)備的損害。1.1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀分析1974 年起，美國開始對風能利用技術(shù)進行系統(tǒng)的研究，能源部對風能項目的投資已超過 25 億美元。 許多著名大學(xué)和研究機構(gòu)都參與了風能的研究與開發(fā)。隨著常規(guī)化石能源的消耗和環(huán)境污染日益嚴重，世 界各國都紛紛出臺各項政策，大力支持發(fā)展可再生能源，強力推進節(jié)能減排，打造低碳經(jīng)濟。在目前已經(jīng) 開發(fā)利用的可再生清潔能源中

7、，風力發(fā)電是發(fā)展最快，技術(shù)最成熟，也是最具有大規(guī)模開發(fā)利用前景和市 場競爭力的發(fā)電方式。近些年來，我國風力發(fā)電發(fā)展迅猛。據(jù)全球風能理事會消息， 2009 年全球風電總 裝機容量達到 157.9GW 但新增裝機容量中有近三分之一來自中國。中國風電裝機容量連續(xù)第 5 年實現(xiàn) 100%增長， 2009 年增加到了 26.1 kMW ，超過德國成為全球第二大風電國家。按照中國資源綜合利用協(xié) 會可再生能源專業(yè)委員會的估計， 2010 年底，中國風電裝機容量有望超過歐美，成為世界風電第一大國， 預(yù)計到 2020 年我國風力裝機容量將達到 1.5 億 kW 。眾所周知，風電具有隨機性、間歇性特性，大規(guī)模 風

8、電并網(wǎng)將給電力系統(tǒng)帶來一系列挑戰(zhàn)，嚴重影響了電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、電能質(zhì)量以及經(jīng)濟性。隨著 我國風電大規(guī)模發(fā)展，風力發(fā)電在電力系統(tǒng)中所占的比重將會越來越大。研究表明，如果風電裝機容量占1北京理工大學(xué)導(dǎo)航通信技術(shù)與應(yīng)用2012-2013-2 結(jié)課論文電網(wǎng)總?cè)萘康谋壤_到 20% 以上，電網(wǎng)的調(diào)峰能力和安全運行將面臨巨大挑戰(zhàn)。我國多數(shù)風電場由于位于 電網(wǎng)末梢，電網(wǎng)建設(shè)會相對薄弱，風電場輸出功率的波動嚴重時可能導(dǎo)致電網(wǎng)系統(tǒng)崩潰。因此，風電大規(guī) 模發(fā)展必須有大規(guī)模先進儲能技術(shù)作支撐。對于并網(wǎng)風電系統(tǒng)，配套適當容量的儲能系統(tǒng)，可以在很大程 度上解決風力發(fā)電的隨機性、波動性問題，平滑風電輸出功率，提高風電

9、的可控性，保證風力發(fā)電連續(xù)性 和穩(wěn)定性，減小風電輸出功率波動性對電網(wǎng)的影響，使大規(guī)模風電能夠方便可靠地并入常規(guī)電網(wǎng)，很好解 除風電場難并網(wǎng)運行的瓶頸；通過合理配置還能有效增強風電機組的低電壓穿越（ LVRT ）能力，增大風 電穿透功率（ WPP）；同時可以用于電網(wǎng)的“削峰填谷” ，降低電網(wǎng)調(diào)峰負擔，增加風電的經(jīng)濟效益和使用 價值。對于風電離網(wǎng)系統(tǒng)，配套適當容量的儲能系統(tǒng)，可以充分發(fā)揮風電分布式供電優(yōu)勢和風力發(fā)電的作 用。1.1.3 相關(guān)文獻綜述 風電場由于受風速所固有的隨機波動性和間歇性的影響，其輸出功率會隨機波動，因此，大規(guī)模風電 場并網(wǎng)會影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。特別是定速異步風電機組和現(xiàn)在主流

10、雙饋機型，由于異步風電機組在啟動 及運行過程中需吸收大量無功，從而導(dǎo)致風電場接入電網(wǎng)公共點的電壓波動，引起閃變，對于電網(wǎng)薄弱地 區(qū) 很容易引起電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性問題；而在有功備用不足的孤立電網(wǎng)中，過高比例的風電將會導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)頻困 難，頻率穩(wěn)定問題突出。目前，我國已并網(wǎng)運行的風電機組主要有異步電機、雙饋電機和永磁同步電機三 種，風電機組還不具備常規(guī)機組所具有的低電壓穿越能力，抗電網(wǎng)故障能力弱。當電網(wǎng)故障或受到?jīng)_擊時 出現(xiàn)電壓閃變時，風電機組往往為保護機組自動切除，使電網(wǎng)故障處理變得更加困難，有可能導(dǎo)致事故擴 大、 甚至引發(fā)電網(wǎng)電壓崩潰， 嚴重威脅電網(wǎng)的安全運行。 隨著風力發(fā)電大規(guī)模發(fā)展， 風電滲透率

11、不斷增加， 目前世界各國電力系統(tǒng)對風電場接入電網(wǎng)時的要求越來越嚴格。國家電網(wǎng) 2009 年印發(fā)了國家電網(wǎng)公司 風電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定（修訂版） 中明確指出，風電場在任何運行方式下，應(yīng)保證其無功功率具有一 定的調(diào)節(jié)容量；當風電場并網(wǎng)點的電壓偏差在正負10%之間時，風電機組應(yīng)保持正常運行；在電壓跌落至20%時要求機組并網(wǎng)運行 625 ms；當?shù)浒l(fā)生 3s 內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的 90%時，風電機組保持并網(wǎng)運 行的低電壓穿越要求。這就要求風電機組在電網(wǎng)故障時必須具備一定的低電壓穿越能力，并能向電網(wǎng)提供 一定的無功以支持電網(wǎng)電壓。風力發(fā)電的原理 ,是利用風力帶動風車葉片旋轉(zhuǎn) ,再透過增速機將旋轉(zhuǎn)的速

12、度提升 ,來促使發(fā)電。 依據(jù)目 前的風車技術(shù) ,大約是每秒三米的微風速度 （微風的程度 ）,便可以開始發(fā)電。風能發(fā)電的主要形式有三種：一是獨立運行；二是風力發(fā)電與其他發(fā)電方式（如柴油機發(fā)電 ）相結(jié)合；三是風力并網(wǎng)發(fā)電。由于并網(wǎng)發(fā)電的單機容量大、發(fā)展?jié)摿Υ?，故本文所指的風電，未經(jīng)特別說明，均指 并網(wǎng)發(fā)電。1、小型獨立風力發(fā)電系統(tǒng) 小型獨立風力發(fā)電系統(tǒng)一般不并網(wǎng)發(fā)電，只能獨立使用，單臺裝機容量約為 100 瓦 -5 千瓦，通常不超過 10 千瓦。它的構(gòu)成為：風力發(fā)電機充電器數(shù)字逆變器。風力發(fā)電機由機頭、轉(zhuǎn)體、尾翼、葉片組成。 葉片用來接受風力并通過機頭轉(zhuǎn)為電能；尾翼使葉片始終對著來風的方向從而獲得

13、最大的風能；轉(zhuǎn)體能使 機頭靈活地轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)尾翼調(diào)整方向的功能；機頭的轉(zhuǎn)子是永磁體，定子繞組切割磁力線產(chǎn)生電能。因風 量不穩(wěn)定，故小型風力發(fā)電機輸出的是13 25V 變化的交流電，須經(jīng)充電器整流，再對蓄電瓶充電，使北京理工大學(xué)導(dǎo)航通信技術(shù)與應(yīng)用2012-2013-2 結(jié)課論文風力發(fā)電機產(chǎn)生的電能變成化學(xué)能。 然后用有保護電路的逆變電源， 把電瓶里的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成交流 220V 市 電，才能保證穩(wěn)定使用。2、并網(wǎng)風力發(fā)電系統(tǒng) 德國、丹麥、西班牙等國家的企業(yè)開發(fā)建立了評估風力資源的測量及計算機模擬系統(tǒng)，發(fā)展變槳距控制及 失速控制的風力機設(shè)計理論，采用新型風力機葉片材料及葉片翼型，研制出變極、變滑差、變

14、速恒頻及低 速永磁等新型發(fā)電機，開發(fā)了由微機控制的單臺及多臺風力發(fā)電機組成的機群的自動控制技術(shù)，從而大大 提高了風力發(fā)電的效率及可靠性。 在此基礎(chǔ)上，風力發(fā)電機單機裝機容量可以達到 600 千瓦以上。 不少國 家建立了眾多的中型及大型風力發(fā)電場，并實現(xiàn)了與大電網(wǎng)的對接?，F(xiàn)代風力發(fā)電機多為水平軸式。一部 典型的現(xiàn)代水平軸式風力發(fā)電機包括葉片、輪轂（與葉片合稱葉輪 ）、機艙罩、齒輪箱、發(fā)電機、塔架、基座、控制系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、液壓裝置等。其工作原理是：當風流過葉片時，由于空氣動力的效 應(yīng)帶動葉輪轉(zhuǎn)動，葉輪透過主軸連結(jié)齒輪箱，經(jīng)過齒輪箱（ 或增速機 ）加速后帶動發(fā)電機發(fā)電。目前也有廠商推出無

15、齒輪箱式機組，可降低震動、噪音，提高發(fā)電效率，但成本相對較高。風力發(fā)電機并不能將所有 流經(jīng)的風力能源轉(zhuǎn)換成電力，理論上最高轉(zhuǎn)換效率約為59%，實際上大多數(shù)的葉片轉(zhuǎn)換風能效率約介于30-50%之間，經(jīng)過機電設(shè)備轉(zhuǎn)換成電能后的總輸出效率約為20-45% 。一般市場上風力發(fā)電機的啟動風速約為 2.5-4 米/ 秒，于風速 12-15 米秒時達到額定的輸出容量。當風速更高時，風力發(fā)電機的控制機構(gòu)將力 輸出穩(wěn)定在額定容量左右， 為避免過高的風速損壞發(fā)電機， 大多于風速達 20-25 米 /秒范圍內(nèi)停機。 一般采 用旋角節(jié)制或失速節(jié)制方式來調(diào)節(jié)葉片之氣動性能及葉輪的輸出。 依據(jù)目前的技術(shù)， 3 米 /秒左

16、右的風速 （微 風的程度 ）便可以進行發(fā)電。 但在進行風場評估時， 通常要求離地 10 米高的年平均風速達到 5-5.5 米 /秒以 上。風機葉片從風的流動獲得的能量與風速的三次方成正比。風速之外，葉輪直徑?jīng)Q定了可擷取風能的多 寡，約與葉輪直徑平方成正比。葉片的數(shù)量也會影響到風機的輸出。一般來說， 2 葉、 3 葉風機效率較高 力矩較低，適用于發(fā)電。此外?，F(xiàn)代風機的葉片多采用機翼的翼型。近年來，風電機組技術(shù)改進的主要方向是降低制造成本、提高單機容量、提高風能轉(zhuǎn)換效率、自動控 制等。主流風電機組的單機容量為 600-2000 千瓦，容量越大，發(fā)電效率越高，技術(shù)難度越大。目前，國 內(nèi)單機容量 75

17、0-2000 千瓦的機組最受歡迎。 國外正在開發(fā)、 應(yīng)用的機組單機容量是 3000-5000 千瓦。2003 年，德國 Enercon 公司安裝了第一臺 4500 千瓦的風電機組樣機。目前商用大型風力發(fā)電機組一般為水平軸風力發(fā)電機，它由風輪、增速齒輪箱、發(fā)電機、偏航裝置、 控制系統(tǒng)、塔架等部件所組成。風輪的作用是將風能轉(zhuǎn)換為機械能，它由氣動性能優(yōu)異的葉片（目前商業(yè) 機組一般為 2 3 個葉片）裝在輪轂上所組成，低速轉(zhuǎn)動的風輪通過傳動系統(tǒng)由增速齒輪箱增速，將動力 傳遞給發(fā)電機。上述這些部件都安裝在機艙平面上，整個機艙由高大的搭架舉起，由于風向經(jīng)常變化，為 了有效地利用風能，必須要有迎風裝置，它根

18、據(jù)風向傳感器測得的風向信號，由控制器控制偏航電機，驅(qū) 動與塔架上大齒輪咬合的小齒輪轉(zhuǎn)動，使機艙始終對風。風電機組的功率調(diào)節(jié)有兩種方式，一種是失速調(diào)節(jié)，另一種是變槳距調(diào)節(jié) 即葉片可以繞葉片上的軸 轉(zhuǎn)動，改變?nèi)~片氣動數(shù)據(jù)，實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)；整臺機組由電控系統(tǒng)進行監(jiān)視與控制， 可以實現(xiàn)無人操作管理。風力發(fā)電機主要包括水平軸式風力發(fā)電機和垂直軸式風力發(fā)電機等。其中，水平軸式風力發(fā)電機是目 前技術(shù)最成熟、生產(chǎn)量最多的一種形式。它由風輪、增速齒輪箱、發(fā)電機、偏航裝置、控制系統(tǒng)、塔架等北京理工大學(xué)導(dǎo)航通信技術(shù)與應(yīng)用2012-2013-2 結(jié)課論文部件所組成。風輪將風能轉(zhuǎn)換為機械能，低速轉(zhuǎn)動的風輪通過傳動系統(tǒng)由增

19、速齒輪箱增速，將動力傳遞給 發(fā)電機。整個機艙由高大的塔架舉起，由于風向經(jīng)常變化，為了有效地利用風能，還安裝有迎風裝置，它 根據(jù)風向傳感器測得的風向信號，由控制器控制偏航電機，驅(qū)動與塔架上大齒輪嚙合的小齒輪轉(zhuǎn)動，使艙 始終對風。風力發(fā)電場（簡稱風電場） ，是將多臺大型并網(wǎng)式的風力發(fā)電機安裝在風能資源好的場地， 按照地形和主風向排成陣列，組成機群向電網(wǎng)供電。風力發(fā)電機就像種莊稼一樣排列在地面上，故形象地 稱為“風力田”。風力發(fā)電場于 20 世紀 80 年代初在美國的加利福尼亞州興起， 之前世界上最大的風電場是 洛杉磯附近的特哈查比風電場，裝機容量超過 50 萬千瓦，年發(fā)電量為 14 億千瓦

20、83;時，約占世界風力發(fā)電 總量的 23。風力發(fā)電的優(yōu)越性可歸納為三點：第一，建造風力發(fā)電場的費用低廉，比水力發(fā)電廠、火力發(fā)電廠或 核電站的建造費用低得多； 第二， 不需火力發(fā)電所需的煤、 油等燃料或核電站所需的核材料即可產(chǎn)生電力， 除常規(guī)保養(yǎng)外，沒有其他任何消耗；第三，風力是一種潔凈的自然能源，沒有煤電、油電與核電所伴生的 環(huán)境污染問題。風力發(fā)動機的風輪與紙風車轉(zhuǎn)動原理一樣，但是，風輪葉片具有比較合理的形狀。為了減小阻力，其 斷面呈流線型。前緣有很好的圓角，尾部有相當尖銳的后緣，表面光滑，風吹來時能產(chǎn)生向上的合力，驅(qū) 動風輪很快地轉(zhuǎn)動。對于功率較大的風力發(fā)動機，風輪的轉(zhuǎn)速是很低的，而與之聯(lián)合

21、工作的機械，轉(zhuǎn)速要 求較高，因此必須設(shè)置變速箱，把風輪轉(zhuǎn)速提高到工作機械的工作轉(zhuǎn)速。風力發(fā)動機只有當風垂直地吹向 風輪轉(zhuǎn)動面時，才能發(fā)出最大功率來，由于風向多變，因此還要有一種裝置，使之在風向變化時，保證風 輪跟著轉(zhuǎn)動，自動對淮風向，這就是機尾的作用。風力發(fā)動機是多種工作機械的原動機。利用它帶動水泵 和水車，就是風力提水機；帶動碾米機，就是風力碾米機；此類機械統(tǒng)稱為風能的直接利用裝置。帶動發(fā) 電機的就叫風力發(fā)電機。它們均由兩大部分組成，一部分是風力發(fā)動機本體和附件，是把風能轉(zhuǎn)化為機械 能的裝置；另一部分是電氣部分，包括發(fā)電機及電氣裝置，把機械能轉(zhuǎn)化為電能，并可靠地提供給用戶。 小風力發(fā)電機的容

22、量不大，功率一般從幾瓦到幾千瓦，大都具有結(jié)構(gòu)簡單，搬運方便的優(yōu)點。按風力發(fā)動 機與發(fā)電機的連接方式分，有變速連接的和直接連接的兩種。在風能的利用中，蓄能是一個重要的問題。 特別是對于風力發(fā)電，在很大程度上，其生命力由蓄能裝置（如蓄電池）的可靠程度來決定。有了蓄能裝 置，在有風的時候，把多余的能量儲存起來；在無風時，輸出應(yīng)用。各種蓄能方式的研究是風能利用的一 個急待解決的重要任務(wù)。1.2 項目介紹1.2.1 項目研究內(nèi)容這套系統(tǒng)將風力發(fā)電機產(chǎn)生的電流進行穩(wěn)流處理，達到外部設(shè)備工作需要的功率和頻率，從而輸出特 定的穩(wěn)定電流供外部設(shè)備工作使用。同時這套系統(tǒng)可以實現(xiàn)電流穩(wěn)壓的同步處理，消除了時間差對于

23、設(shè)備 的損害。該系統(tǒng)還嘗試了內(nèi)部的儲電的設(shè)計，對于其他風力發(fā)電機的設(shè)計具有很大的借鑒意義。并且，這 套系統(tǒng)的穩(wěn)流部分由一個電力電子借口組成。 電力電子接口主要由兩個模塊組成 :第一個模塊是功率調(diào)節(jié)模 塊 ,根據(jù)風能和負載用電量來調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率匹配自動跟蹤其功率點;第二個模塊為充放電控制模塊。1.2.2 研究目標通過這套系統(tǒng)的分析與設(shè)計， 實現(xiàn)風力發(fā)電的穩(wěn)流化處理。 最終能夠?qū)L力發(fā)電所產(chǎn)生的不穩(wěn)定電流轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的電流，就可以一方面并入國家電網(wǎng)，另一方面可以自己使用一些電器。通過這樣的研究最后北京理工大學(xué)導(dǎo)航通信技術(shù)與應(yīng)用2012-2013-2 結(jié)課論文要達到這樣的效果：可以將風力發(fā)電產(chǎn)生的電流實

24、現(xiàn)穩(wěn)流利用。1.3 擬解決的關(guān)鍵問題 關(guān)于起穩(wěn)流作用的電力電子接口的設(shè)計。通過這個接口可以實現(xiàn)外來電粗范圍穩(wěn)定再進行內(nèi)部的儲電 器件實現(xiàn)真正意義上的穩(wěn)流。而這個電力電子的借口需要兩個基本的模塊。關(guān)于這兩個模塊的設(shè)計便是需 要解決的關(guān)鍵問題。1.3.1 技術(shù)關(guān)鍵風力發(fā)電機葉片部分的工作效率可根據(jù)公式P 0.49V 3D2CP得出。其中 P 為葉片發(fā)電功率 ;V 表額定風速 ,即無限遠來流速度 ;D 為風輪直徑 ;Cp 是功率系數(shù)。風輪 葉片是風力發(fā)電機的關(guān)鍵部件。 它的平面形狀與剖面幾何形狀和風力機空氣動力特性密切相關(guān),特別是剖面幾何形狀即翼型氣動特性的好壞 ,將直接影響風力發(fā)電機的風能利用系數(shù)

25、。為了確定風機葉片的大致參數(shù),需要知道以上各量的值。對于室內(nèi)的演示實驗,風輪直徑應(yīng)在 1m 以內(nèi)。同時演示實驗的最終演示結(jié)果是對40W 燈泡供電 ,因此考慮功率損失 ,葉片發(fā)電功率在 50W 左右。功率系數(shù) Cp 可由貝茨理論確定。貝茨理論 假定風輪是一平面槳盤 ;通過風輪的氣流無阻力 ;風輪掃掠面上氣流是均勻的 ;氣流速度方向在通過風輪前后 都沿軸線。設(shè) V 為風輪前方遠處的風速， V1 為通過風輪截面 A 的實際速度 ,V2 為風輪后方遠處的風速 ,通過風輪 的氣流在風輪前方的截面為 A1,A1, 在風輪后方的截面為 A2。由能量守恒定律 ,流體動量方程及力與作功關(guān) 系分別有E m (V1

26、27 V227 ) FV1728 37Emax 27 p7 AV由定義 , 風能利用系數(shù) Cpmax=Emax/Em, 其中13EmPAV 32所以， Cpmax 16 0.5937pmax 277Cpmax 給出理想風輪的最大理論效率 ,就是貝茨極限。 通常風輪葉片接受風能的效率達不到此值。 根據(jù) 已有經(jīng)驗 ,Cp 在工程中一般取為 0.35。這樣可確定額定風速 V 約為 6.6m/s。葉片的理論計算參數(shù)確定后 結(jié)合市售基本葉片型號 ,選用的葉片參數(shù)如下 :中心槳距 50cm,起動風速約 7m/s,發(fā)電功率約 50w 。功能模塊 由風光互補控制器、蓄電池、逆變器等則組成。設(shè)計中需要考慮各部分

27、之間的工作過程與相互關(guān)系。風力 發(fā)電系統(tǒng)的工作過程是 ,當風力達到并穩(wěn)定在一定的風速時,風力發(fā)電機將風能持續(xù)不斷地轉(zhuǎn)換為交流電能。在有陽光充足照射的情況下 ,光伏太陽能電池板 (四塊太陽電池板構(gòu)成共 30W), 將太陽能直接轉(zhuǎn)換成直流 形式的電能。風能和光能轉(zhuǎn)化的電能在控制器的配合下同時向蓄電池充電。蓄電池起著儲存和調(diào)節(jié)電能的 作用在環(huán)境改變時維持電量的恒定。為了對蓄電池的工作狀態(tài)進行變換和調(diào)節(jié)就需要設(shè)計專門的控制器 它可根據(jù)風力的大小、日照的強弱及負荷的變化,使蓄電池在充、放電等多種工作狀況下運行,以保證風光PWM 方式控制風機和太陽能電池對蓄電池互補發(fā)電系統(tǒng)工作的連續(xù)性和穩(wěn)定性。我們設(shè)計的

28、控制器采用北京理工大學(xué)導(dǎo)航通信技術(shù)與應(yīng)用2012-2013-2 結(jié)課論文進行限流限壓充電 ,即在蓄電池電量較低時 ,采用限流充電 ,當風機和太陽能總充電流小于限電流時,風機和太陽能的全部能量給蓄電池充電。當風機和太陽能總電流大于限流點時,以限流點的電流給蓄電池充電 ,多余的能量通過 PWM 方式卸載 ; 在蓄電池電量較高時 ,采用限壓充電 ,當蓄電池電壓低于限壓點時 ,風機和太陽 能的能量全部給蓄電池充電 ,當蓄電池電壓達到限壓點時 ,風機和太陽能會以限壓點對蓄電池充電 ,多余的能 量通過 PWM 方式卸載。控制器具有完善的保護功能 ,包括 :太陽能電池防反沖、蓄電池過充電、蓄電池過放電、負載

29、短路、過 載、風機限流、風機自動剎車?？刂破鞯囊壕K顯示蓄電池電壓、風機電壓、光電池電壓、風機功率、 光電池功率、風機功率、光電池功率、風機電流、光電池電流、蓄電池電量狀態(tài)。逆變器將 12V 的直流電 轉(zhuǎn)換成 220V 、50Hz 的交流電或其它類型的交流電 ,以便供給負載使用。 逆變器利用電子元件對直流電進行 開關(guān)使之變?yōu)榻涣麟?,然后用變壓器升壓。 蓄電池是風力發(fā)電機、 太陽能光伏發(fā)電和用電器之間的儲能裝置 ,為整個系統(tǒng)提供長時間的均衡供電。我們選用的是12A、 20V 的鉛酸蓄電池。1.3.2 主要技術(shù)指標國際電工委員會（ IEC， International Electrotechn

30、ical Commission）于 1994 年起率先提出了風輪發(fā)電機系統(tǒng) IEC61400 系列標準，之后被歐洲電工標準化委員會、法國標準化協(xié)會、日本標準協(xié)會、 丹麥標準協(xié)會、挪威電工委員會、芬蘭標準協(xié)會等組織作為地區(qū)或國家內(nèi)相關(guān)行業(yè)的重要標準?，F(xiàn)對 IEC61400 系列標準解讀如下。IEC61400-1 ： 1994，風輪發(fā)電機系統(tǒng)第 1 部分：安全要求 ，其經(jīng)過 1999 年和 2004 年兩次修改，內(nèi) 容主要涉及范圍和對象、參考標準、術(shù)語和定義、符號和縮寫、主要部件、外部條件、結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制和 保護系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、電子系統(tǒng)、外部條件評估、裝配安裝、運營維護等。IEC61400-2 ：

31、 1996，風輪發(fā)電機系統(tǒng)第 2 部分：小型風輪機的安全 ，內(nèi)容主要涉及范圍和對象、參 考標準、術(shù)語和定義、符號和縮寫、主要部件、外部條件、結(jié)構(gòu)設(shè)計、SWTGS保護、支撐結(jié)構(gòu)、 SWTGS的電子系統(tǒng)、測試。IEC 61400-11 ： 1998 ，風輪發(fā)電機系統(tǒng)第11 部分：噪音測量技術(shù) ，后被 2002 年 11 月出版的IEC61400-11 替代，內(nèi)容主要涉及范圍和對象、參考標準、術(shù)語和定義、符號和單位、方法概述、使用儀 器、測量及測量過程、數(shù)據(jù)處理過程、報告所呈現(xiàn)的信息。IEC61400-12 ： 1998，風輪發(fā)電機系統(tǒng)第 12 部分：風輪機動力性能試驗 ，內(nèi)容主要涉及總則、試驗 條

32、件 （ 風力機系統(tǒng)和測試地點 ） 、試驗裝置 （ 電力、風速、風向、空氣密度、系統(tǒng)狀態(tài)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等）、測定過程、結(jié)論推導(dǎo) （ 數(shù)據(jù)查正、確定測量功率曲線、年度能量產(chǎn)出、功率系數(shù) ） 和報告形式六部分。IEC61400-13 ： 2001，風輪發(fā)電機系統(tǒng)第 13 部分：機械載荷的測量 ，內(nèi)容主要涉及總則、測試安全 守則、載荷測量程序、測量數(shù)據(jù)處理。IEC61400-21 ： 2001，風輪發(fā)電機系統(tǒng)第 21 部分：管道連接風輪機功率質(zhì)量特性的測量和評定 ，內(nèi) 容主要涉及范圍、參考標準、定義、符號和單位、縮寫、風力機功率質(zhì)量特性參數(shù)、測定過程 （ 額定值、 最大容許功率、最大測量功率、無功功率

33、、電壓波動等 ） 、功率質(zhì)量評估 （穩(wěn)定狀態(tài)電壓、電壓波動等 ） 。IECTS61400-23 ： 2001，風輪發(fā)電機系統(tǒng)第 23 部分：轉(zhuǎn)子葉片的全尺寸比例結(jié)構(gòu)試驗 ，屬技術(shù)規(guī)范， 內(nèi)容主要涉及范圍、參考標準、定義、符號、總則、葉片數(shù)據(jù)、設(shè)計和測試載荷間的差異、測試載荷、載 荷系數(shù)測量、測試載荷分布與設(shè)計要求相比的評估、失效模式、測試過程和方法、確定葉片特性的其它測 試（偏轉(zhuǎn)、硬度分布、質(zhì)量分布、模型、自然頻率、阻尼、蠕變等） 、報告。IECTR 61400-24 ： 2002，風力渦輪機發(fā)電機系統(tǒng)第 24 部分：避雷裝置 ，屬技術(shù)報告，內(nèi)容主要涉及 范圍、定義、雷電和風力機、損失統(tǒng)計 （

34、 風力機雷電損失統(tǒng)計、損失統(tǒng)計、數(shù)據(jù)庫優(yōu)缺點 ） 、風力機雷電損 失的風險評估、風力機葉片的雷電保護、齒輪箱和軸承的保護、電子系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的保護、地面、人身 安全、總結(jié)。北京理工大學(xué)導(dǎo)航通信技術(shù)與應(yīng)用 2012-2013-2 結(jié)課論文1.4 預(yù)期成果1.4.1 成果形式公開發(fā)表論文實物、產(chǎn)品；模型；圖紙；磁盤；現(xiàn)場演示；圖片；錄像； 樣品。1.4.2 知識產(chǎn)權(quán)無專利申報說明及軟件著作權(quán)登記說明2 項目執(zhí)行方案2.1 擬采取的研究方法 通過對于電力電子口下的兩個主要模塊進行設(shè)計與實驗。主要通過實驗來進行檢驗是否這兩個模塊能 夠起到穩(wěn)流的作用。另外還需對于實驗中所用的風力的葉片的發(fā)電的實際功率進

35、行考察，檢驗其是否符合 風力發(fā)電的固有理論。在風速為 33mph（約 15米/秒）的情況下，多數(shù)大型渦輪機能夠達到其額定功率，在45mph（ 20米/秒）下，多數(shù)大型渦輪機關(guān)閉。有許多可在風速威脅結(jié)構(gòu)時關(guān)閉渦輪機的安全系統(tǒng)，其中包括一種部分渦輪機 所用的非常簡單的振動傳感器，這類傳感器的基本組成是一個位于小底座上的與鏈條相連的金屬球。如果 渦輪機的振動開始超過某個閾值，球?qū)牡鬃下湎?，拉動鏈條并觸發(fā)關(guān)閉。 渦輪機中最常用的敏感性安全系統(tǒng)可能是受超過閾值的風速觸發(fā)的 “制動 ”系統(tǒng) 。這些裝置使用電源控制系 統(tǒng)，當風速過高時啟動制動裝置，當風速下降低于45mph（ 20米/秒）時 “松開制動裝

36、置 ”?，F(xiàn)代大型渦輪機設(shè)計使用多種不同類型的制動系統(tǒng)：角度控制 渦輪機的電子控制器監(jiān)視渦輪的功率輸出。當風速高于45mph （20米 /秒）時，輸出功率將過高，此時控制器通知葉片改變角度，使葉片與風向不一致。這樣做可以減慢葉片的轉(zhuǎn)動。角 度控制系統(tǒng)要求（轉(zhuǎn)子上的）葉片安裝角度是可調(diào)整的。被動停止控制 葉片以固定角度安裝在轉(zhuǎn)子上，但設(shè)計使得葉片中的扭曲角度可在風速過高時 對葉片進行制動。葉片具有一個特殊的角度，可在風速超過某一值時導(dǎo)致葉片的逆風面產(chǎn)生湍流，從 而使葉片停止轉(zhuǎn)動。簡單來說，當面對風向的葉片角度過陡，以至于開始消除上升力，從而降低葉片 速度時，空氣動力學(xué)作用將停止。主動停止控制 這種

37、功率控制系統(tǒng)的葉片可以調(diào)整角度，類似角度控制系統(tǒng)中的葉片。主動停 止系統(tǒng)按照角度控制系統(tǒng)的方式讀取功率輸出，但不是調(diào)整葉片角度使其與風向不一致，而是調(diào)整角 度使它們停止轉(zhuǎn)動。2.2 技術(shù)路線（或?qū)嵤┓桨福?在垂直軸風力渦輪機中，轉(zhuǎn)軸安裝在垂直軸上，與地面垂直。與水平軸式的同類產(chǎn)品不同，垂直軸風 力渦輪機始終與風向保持一致，因此當風向改變時無需調(diào)整；但垂直軸風力渦輪機不能自己啟動 它需 要電力系統(tǒng)的推動才能啟動。它通常使用拉索而不是塔架進行支撐，因此轉(zhuǎn)子高度較低。較低的高度意味 著風速因地面阻礙而較慢，所以垂直軸風力渦輪機的效率通常要比水平軸風力渦輪機低。從有利的一面來 說，所有設(shè)備都處于地面高

38、度便于安裝和維修；但這意味著渦輪機的占地面積較大，對于農(nóng)作物種植區(qū)來 說，這是相當不利的一面。2.3 可行性分析 風力發(fā)電的原理，是利用風力帶動風車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機發(fā) 電。把風能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苁秋L能利用中最基本的一種方式。風力發(fā)電機一般有風輪、發(fā)電機（包括裝置） 、 調(diào)向器（尾翼） 、塔架、限速安全機構(gòu)和儲能裝置等構(gòu)件組成。北京理工大學(xué)導(dǎo)航通信技術(shù)與應(yīng)用 2012-2013-2 結(jié)課論文風力發(fā)電機的工作原理比較簡單，風輪在風力的作用下旋轉(zhuǎn)，它把風的動能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L輪軸的機械能。 發(fā)電機在風輪軸的帶動下旋轉(zhuǎn)發(fā)電。 風輪是集風裝置，它的作用是把流動空氣具有的動能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L

39、輪旋轉(zhuǎn)的機械能。一般風力發(fā)電機的風輪由 2個或 3個葉片構(gòu)成。在風力發(fā)電機中，已采用的發(fā)電機有3種，即直流發(fā)電機、同步交流發(fā)電機和異步交流發(fā)電機。風力發(fā)電機中調(diào)向器的功能是使風力發(fā)電機的風輪隨時都迎著風向，從而能最大限度地獲取風能。一 般風力發(fā)電機幾乎全部是利用尾翼來控制風輪的迎風方向的。尾翼的材料通常采用鍍鋅薄鋼板。 限速安全機構(gòu)是用來保證風力發(fā)電機運行安全的。限速安全機構(gòu)的設(shè)置可以使風力發(fā)電機風輪的轉(zhuǎn)速在一 定的風速范圍內(nèi)保持基本不變。 塔架是風力發(fā)電機的支撐機構(gòu)，稍大的風力發(fā)電機塔架一般采用由角鋼或圓鋼組成的桁架結(jié)構(gòu)。風力機的 輸出功率與風速的大小有關(guān)。由于自然界的風速是極不穩(wěn)定的，風力

40、發(fā)電機的輸出功率也極不穩(wěn)定。風力 發(fā)電機發(fā)出的電能一般是不能直接用在電器上的，先要儲存起來。目前風力發(fā)電機用的蓄電池多為鉛酸蓄 電池。風力發(fā)電是利用風力帶動風車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機發(fā)電。依據(jù) 目前的風車技術(shù)，大約是每秒的微風速度（微風的程度） ，便可以開始發(fā)電。 風力發(fā)電正在世界上形成一 股熱潮，為風力發(fā)電沒有燃料問題，也不會產(chǎn)生輻射或空氣污染。 風力發(fā)電風力發(fā)電正在世界上形成一股熱潮，為風力發(fā)電沒有燃料問題，也不會產(chǎn)生輻射或空氣污染。 在芬蘭、丹麥等國家很流行；我國也在西部地區(qū)大力提倡。小型風力發(fā)電系統(tǒng)效率很高，但它不是只由一 個發(fā)電機頭組成的，而是一個有一定

41、科技含量的小系統(tǒng)：風力發(fā)電機充電器數(shù)字逆變器。風力發(fā)電機 由機頭、轉(zhuǎn)體、尾翼、葉片組成。每一部分都很重要，各部分功能為：葉片用來接受風力并通過機頭轉(zhuǎn)為 電能；尾翼使葉片始終對著來風的方向從而獲得最大的風能；轉(zhuǎn)體能使機頭靈活地轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)尾翼調(diào)整方 向的功能；機頭的轉(zhuǎn)子是永磁體，定子繞組切割磁力線產(chǎn)生電能。風力發(fā)電機因風量不穩(wěn)定， 故其輸出的是 13 25V 變化的交流電， 須經(jīng)充電器整流， 再對蓄電瓶充電， 使風力發(fā)電機產(chǎn)生的電能變成化學(xué)能。 然后用有保護電路的逆變電源， 把電瓶里的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成交流 220V 市電，才能保證穩(wěn)定使用。通常人們認為，風力發(fā)電的功率完全由風力發(fā)電機的功率決定，總想選

42、購大一點的風力發(fā)電機，而這 是不正確的。目前的風力發(fā)電機只是給電瓶充電，而由電瓶把電能貯存起來，人們最終使用電功率的大小 與電瓶大小有更密切的關(guān)系。功率的大小更主要取決于風量的大小，而不僅是機頭功率的大小。在內(nèi)地， 小的風力發(fā)電機會比大的更合適。因為它更容易被小風量帶動而發(fā)電，持續(xù)不斷的小風，會比一時狂風更 能供給較大的能量。當無風時人們還可以正常使用風力帶來的電能，也就是說一臺 200W 風力發(fā)電機也可 以通過大電瓶與逆變器的配合使用，獲得 500W 甚至1000W 乃至更大的功率出。 使用風力發(fā)電機，就是源源不斷地把風能變成我們家庭使用的標準市電，其節(jié)約的程度是明顯的，一個家 庭一年的用電

43、只需 20元電瓶液的代價。而現(xiàn)在的風力發(fā)電機比幾年前的性能有很大改進，以前只是在少數(shù) 邊遠地區(qū)使用，風力發(fā)電機接一個 15W 的燈泡直接用電，一明一暗并會經(jīng)常損壞燈泡。而現(xiàn)在由于技術(shù)進 步，采用先進的充電器、逆變器，風力發(fā)電成為有一定科技含量的小系統(tǒng)，并能在一定條件下代替正常的 市電。山區(qū)可以借此系統(tǒng)做一個常年不花錢的路燈；高速公路可用它做夜晚的路標燈；山區(qū)的孩子可以在 日光燈下晚自習(xí)； 城市小高層樓頂也可用風力電機， 這不但節(jié)約而且是真正綠色電源。 家庭用風力發(fā)電機， 不但可以防止停電，而且還能增加生活情趣。在旅游景區(qū)、邊防、學(xué)校、部隊乃至落后的山區(qū)，風力發(fā)電 機正在成為人們的采購熱點。無線

44、電愛好者可用自己的技術(shù)在風力發(fā)電方面為山區(qū)人民服務(wù)，使人們看電 視及照明用電與城市同步，也能使自己勞動致富。2.4 項目特色與創(chuàng)新之處2.4.1 該項目的主要貢獻 （創(chuàng)新部分 ）該項目打破了原有的風力發(fā)電機的固有框架，采用了內(nèi)蓄電的方式使得其能起到穩(wěn)流的作用。該項目 還一種全新的理論詮釋了風力發(fā)電的新利用。最重要的是這項研究給后來的風力發(fā)電研究提供了范本，給 大家提供了風力發(fā)電的新思路。人們對于風力發(fā)電這樣的領(lǐng)域的拓展范圍也因此而變得格外廣闊。此外，北京理工大學(xué)導(dǎo)航通信技術(shù)與應(yīng)用2012-2013-2 結(jié)課論文這個項目的研究還填補了國內(nèi)對于風力發(fā)電的穩(wěn)流設(shè)計的技術(shù)與理論空白。2.4.2 論文工

45、作的創(chuàng)新性該論文填補了國內(nèi)風力發(fā)電研究的穩(wěn)流部分，使得人們對于風力發(fā)電的現(xiàn)實化應(yīng)用有了更加深刻的認 識。該論文以其獨特的內(nèi)蓄電穩(wěn)流技術(shù)使人們對于風力發(fā)電的理論有了更加深刻的理解。2.4.3 預(yù)期研究成果的展示說明說明研究成果 所處的階段為： 實驗室階段； 中試階段； 生產(chǎn)階段，2.4.4 項目研究及論文成果和學(xué)術(shù)影響該項目打破了原有的風力發(fā)電機的固有框架，采用了內(nèi)蓄電的方式使得其能起到穩(wěn)流的作用。該 項目還一種全新的理論詮釋了風力發(fā)電的新利用。最重要的是這項研究給后來的風力發(fā)電研究提供了范 本，給大家提供了風力發(fā)電的新思路。人們對于風力發(fā)電這樣的領(lǐng)域的拓展范圍也因此而變得格外廣闊。 此外，這個

46、項目的研究還填補了國內(nèi)對于風力發(fā)電的穩(wěn)流設(shè)計的技術(shù)與理論空白。該論文填補了國內(nèi)風力 發(fā)電研究的穩(wěn)流部分，使得人們對于風力發(fā)電的現(xiàn)實化應(yīng)用有了更加深刻的認識。該論文以其獨特的內(nèi)蓄 電穩(wěn)流技術(shù)使人們對于風力發(fā)電的理論有了更加深刻的理解。2.5 已有的研究基礎(chǔ)2.5.1 對自身研究創(chuàng)新能力的具體評價2.5.2 已經(jīng)完成的主要工作集體項目中自身的工作分工2.6 進一步完善該項目的設(shè)想3 研究進度安排與經(jīng)費預(yù)算表1 經(jīng)費預(yù)算 （金額單位：元）進度時間進度內(nèi)容（計劃進度安排、實驗環(huán)境要求、完成時間、經(jīng)費預(yù)計依據(jù)與執(zhí)行時間說明等）預(yù)計經(jīng)費2013/6/1對于電力電子接口的研究與實驗。1000元2013/7/1實驗風力發(fā)電機的實際發(fā)電功率。2000元2013/8/1對于買來的內(nèi)蓄電池進行研究測試。1500 元2013/9/1將已經(jīng)測試過的器件組裝，調(diào)試。500 元可涉及以下費用：測試 / 計算/分析費，會議費 / 差旅費，出版物 / 文獻 / 信息傳播費，實驗材料費，小型儀器設(shè)備費，國際合作 與交流費，勞務(wù)費，專家咨詢費等北京理工大學(xué)導(dǎo)航通信技術(shù)與應(yīng)用2012-2013-2 結(jié)課論文4 項目檢查、驗收、鑒定時間與方法4.1 項目查新結(jié)論4.1.1 文獻檢索結(jié)果分析檢索詞：風力發(fā)電對風力發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池組的分析 內(nèi)蒙古輕化工設(shè)計院