【正文】 .......................................................................................................... 29 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 1 第一章 緒論 風(fēng)能是一種清潔的、儲(chǔ)量極為豐富的可再生能源，它和存在于自然界的礦物質(zhì)燃料能源，如煤、石油、天然氣等不同，它不會(huì)隨著其本身的轉(zhuǎn)化和利用而減少，因此可以說是一種取之不盡、用之不竭的能源。而礦物質(zhì)燃料儲(chǔ)量有限，正在日趨減少，況且其帶來的嚴(yán)重的污染問題和溫室效應(yīng)正越來越困擾著人們。因此風(fēng)力發(fā)電正越來越引起人們的關(guān)注。 課題的目的和意義 風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)點(diǎn) 風(fēng)是人類最熟悉的一種自然現(xiàn)象，風(fēng)無處不在。太陽輻射造成地球表面大氣層受熱不均，引起大氣壓力分布不均。在不均壓力作用下，空氣 沿水平方向運(yùn)動(dòng)就形成風(fēng)。風(fēng)能是一種最具活力的可再生能源，它實(shí)質(zhì)上是太陽能的轉(zhuǎn)化形式，因此是取之不盡的 風(fēng)能中的風(fēng)向和風(fēng)速在時(shí)空分布上較為復(fù)雜，如有海陸差異對(duì)氣流運(yùn)動(dòng)的影響而形成的季風(fēng)和海陸風(fēng)，在山區(qū)由于熱力原因引起的谷風(fēng)和山風(fēng)，風(fēng)力的隨機(jī)性和風(fēng)速的變化多端使得它的利用效率較低，在風(fēng)能的實(shí)際利用上仍存在很多技術(shù)困難。盡管如此，風(fēng)能資源具有如下優(yōu)越性： （ 1）邊遠(yuǎn)地區(qū)由于遠(yuǎn)離電網(wǎng)，同時(shí)這些地區(qū)的居民用電和所設(shè)置的微波中繼站、氣象臺(tái)、電視調(diào)頻差轉(zhuǎn)臺(tái)以及邊防哨所需要的電功率大都在 10 千瓦以下，在這種條件下，由輸電線 將電力輸送到邊遠(yuǎn)地區(qū)耗資巨大顯然是不利的。從世界風(fēng)能分布圖上可以看出全世界約有三分之二的地區(qū)具有風(fēng)能利用價(jià)值，若合理地利用太陽能、風(fēng)能，建設(shè)獨(dú)立的小功率發(fā)電裝置，具有明顯的優(yōu)越性。 （ 2）風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性日益提高，不存在建廠房、筑壩、淹地、移民等問題，風(fēng)力發(fā)電機(jī)分散安裝，占地面積少。發(fā)電后除折舊費(fèi)和維護(hù)費(fèi)外，不消耗燃料，無三廢處理問題，其成本接近火電，低于油電、核電和光伏發(fā)電，從綜合經(jīng)濟(jì)效益看，具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。 （ 3）人類在利用礦物燃料的過程中，必然釋放出大量有害物質(zhì)，使人類賴以生存的環(huán)境受到破壞和污染。 此外，其他新能源中的水電、核能、地?zé)崮艿?，在開發(fā)利內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2 用的過程中，也都存在著一些不能忽視的環(huán)境問題。但風(fēng)能在利用中不會(huì)給空氣帶來污染，也不破壞生態(tài)，是一種清潔安全的能源。 （ 4）風(fēng)力發(fā)電在新能源發(fā)電中技術(shù)最為成熟。是一種安全、可靠的能源。 綜上所述，風(fēng)力發(fā)電對(duì)于改善能源結(jié)構(gòu)、推動(dòng)生態(tài)環(huán)境建設(shè)，特別是對(duì)邊遠(yuǎn)地區(qū)的生產(chǎn)、生活用電等諸多領(lǐng)域的發(fā)展將發(fā)揮積極作用，具有廣闊的市場(chǎng)前景。 課題的目的和意義 風(fēng)能利用的能量密度低且具有隨機(jī)性、不穩(wěn)定性和分布的不均勻性，這些給風(fēng)能的利用帶來了許多問題。本文研究的目的 是在分析現(xiàn)有的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一套獨(dú)立運(yùn)行的小型風(fēng)力發(fā)電供電系統(tǒng)為野外無電地區(qū)獨(dú)立的小型設(shè)備提供電力。 風(fēng)力發(fā)電概述 國(guó)外風(fēng)力發(fā)展 國(guó)際能源研究報(bào)告表明 , 如果各國(guó)采取有力措施 , 風(fēng)力發(fā)電到 2021年可提供世界電力需求的 10%, 創(chuàng)造 170萬個(gè)就業(yè)機(jī)會(huì) ,并在全球范圍內(nèi)減少 100多億噸二氧化碳廢氣。風(fēng)能將成為發(fā)展最快的能源 , 到 2021 年風(fēng)電總裝機(jī)容量達(dá)到 , 2020 年達(dá)到 , 到 2021年德國(guó)新增 500萬千瓦 , 西班牙新增 520萬千瓦 , 年生產(chǎn)能力將達(dá) 到 800萬千瓦 ,可滿足全國(guó)電力需求的 10%。美國(guó)和加拿大是北美利用風(fēng)能最好的國(guó)家。在美國(guó)的 50個(gè)州中 , 大約有 30個(gè)州已經(jīng)開始利用風(fēng)能資源。在 1998 2021年期間 , 美國(guó)風(fēng)力發(fā)電的總裝機(jī)容量已經(jīng)超過 6740MW, 可以滿足 160萬個(gè)中等家庭的日常用電需求。隨著技術(shù)的進(jìn)步和規(guī)模的擴(kuò)大 , 風(fēng)電發(fā)電成本繼續(xù)下降 , 估計(jì) 10年后它完全可以和清潔的燃煤電廠競(jìng)爭(zhēng)。由于風(fēng)力發(fā)電是可再生潔凈能源 , 其環(huán)境效益也十分明顯 , 隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的日益成熟 , 發(fā)電成本的進(jìn)一步降低 , 風(fēng)力發(fā)電會(huì)越來越被更多的人認(rèn)識(shí)和接受。這也 是全世界很多國(guó)家都熱衷風(fēng)力發(fā)電的主要原因。風(fēng)力發(fā)電的迅猛發(fā)展也使那些本地能源短缺的發(fā)展中國(guó)家收益 , 如巴西、阿根廷、摩洛哥、埃及和哥斯達(dá)黎加等國(guó)是發(fā)展中國(guó)家風(fēng)力發(fā)電的佼佼者。中國(guó)、印度也在積極發(fā)展風(fēng)電。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 3 國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電的基本情況 我國(guó)幅員遼闊 , 陸疆總長(zhǎng) 2萬多千米 , 海岸線 , 是一個(gè)風(fēng)力資源豐富的國(guó)家 , 全國(guó)約有 2/3的地帶為多風(fēng)帶。風(fēng)能總儲(chǔ)量為 , 實(shí)際可開發(fā)的風(fēng)能儲(chǔ)量為 , 為可再生能源和新能源利用技術(shù)提供了強(qiáng)大的資源條件。兩大風(fēng)能地帶 —— 西北、華北、東 北和東南沿海為風(fēng)能資源豐富區(qū) , 跨全國(guó) 21個(gè)省、市、自治區(qū)。到 1999年底已開發(fā)微小戶用型風(fēng)力發(fā)電機(jī) 16萬臺(tái) , 并網(wǎng)型風(fēng)電場(chǎng) 24座 , 總裝機(jī)容量 26萬千瓦 , 其中絕大多數(shù)機(jī)組是從丹麥、德國(guó)、美國(guó)、比利時(shí)、瑞典引進(jìn)的 , 最大單機(jī)容量為 600kW。據(jù)相關(guān)資料報(bào)道 , 到 2020年 , 預(yù)計(jì)我國(guó)將新增發(fā)電能力 500GW, 其中 121GW為可再生能源。 2021年以前 , 我國(guó)計(jì)劃新建 20座風(fēng)力發(fā)電場(chǎng) , 每座風(fēng)場(chǎng)的發(fā)電能力達(dá)到 100MW以上 , 且達(dá)到 4000MW的風(fēng)力發(fā)電總目標(biāo) , 并要求風(fēng)力發(fā)電設(shè)備本土化。 風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn) 風(fēng)力發(fā)電有如下特點(diǎn) （ 1）可再生，且清潔無污染。 （ 2）風(fēng)速隨時(shí)變化，風(fēng)電機(jī)組承受著十分惡劣的交變載荷。 （ 3）風(fēng)電的不穩(wěn)定性會(huì)給電網(wǎng)或負(fù)載帶來一定的沖擊影響。 風(fēng)力發(fā)電的運(yùn)行方式主要有兩種：一類是獨(dú)立運(yùn)行的供電系統(tǒng)，即在電網(wǎng)未通達(dá)的地區(qū)，用小型發(fā)電機(jī)組為蓄電池充電，再通過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電向終端電器供電；另一類是作為常規(guī)電網(wǎng)的電源，與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行。本論文討論的是前者，即獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)電系統(tǒng)的解決方案。 本文的主要研究?jī)?nèi)容 本文以小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)風(fēng)力發(fā)電原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 以及小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的儲(chǔ)能裝置蓄電池的充放電控制等方面做了較為深入的理論分析和研究，對(duì)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行及可靠運(yùn)行具有一定的參考價(jià)值。本文的主要研究?jī)?nèi)容和章節(jié)安排如下。 第一章 介紹課題提出的背景、目的和意義，論述國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電發(fā)展概況，概括總結(jié)風(fēng)力發(fā)電相關(guān)技術(shù)的發(fā)展概況，第二章 介紹了 小型風(fēng)力發(fā)電原理及系統(tǒng)的基本內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 4 組成，并詳細(xì)介紹各個(gè)部分的組成以及原理。 第三章 講述了 小型風(fēng)力供電系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)及各部分器件的選擇，以及部分計(jì)算。 第四章 本章簡(jiǎn)述了小型風(fēng)力供電系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)，及部分編程， 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 5 第二章小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本組成 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的組成 本文的獨(dú)立運(yùn)行小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，如圖 21所示，它主要包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、整流器、 DCDC變換器、蓄電池以及控制系統(tǒng)幾個(gè)部分。 圖 21 小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的框圖 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 一般把發(fā)電功率在 10 千瓦及其以下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)稱作小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的分類 風(fēng)力發(fā)電機(jī) 的風(fēng)輪軸位置分類 按照風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪軸的位置分，可分為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。 圖 22水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī) （ 1） 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī) ：水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪圍繞一個(gè)水平軸旋轉(zhuǎn)，風(fēng)輪軸與風(fēng)向平行，風(fēng)輪上的葉片式 徑向安裝的，與旋轉(zhuǎn)軸垂直，并與風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)平面成一角度（稱為安裝角）。風(fēng)輪葉片數(shù)目為 1~4 片（大多為 2 片和 3片），他在高速運(yùn)行時(shí)有較高的風(fēng)能利用率，但啟動(dòng)時(shí)需要較高的風(fēng)速。 （ 2） 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī) ：垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪圍繞一個(gè)垂直軸旋轉(zhuǎn) 風(fēng) 力 發(fā) 電 機(jī) 整 流 DCDC 變換器 蓄電池 控制器 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 6 圖 23垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī) 風(fēng)輪軸與風(fēng)向垂直。其優(yōu)點(diǎn)是可以接受來自 任何方向的風(fēng)，因而當(dāng)風(fēng)向改變時(shí)，無需對(duì)風(fēng)。 按風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率可分為大、中、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。功率在 10 千瓦以下的稱為小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，功率在 10千瓦至 100 千瓦的稱為中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，功率在 100 千瓦以上的稱為大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。 。 1） 直流發(fā)電機(jī)機(jī) ① 電勵(lì)磁式直流發(fā)電機(jī)。主要有他勵(lì)、自勵(lì)和復(fù)勵(lì)幾種形式，小型直流發(fā)電系統(tǒng)大都用于 1KW以下的微、小型風(fēng)力發(fā)電裝置，與蓄電池儲(chǔ)能配合使用。這種直流發(fā)電系統(tǒng)在風(fēng)速變化時(shí)，一般通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁來保持輸 出電壓的恒定。 ②永磁式直流發(fā)電機(jī)。這種發(fā)電機(jī)主要是勵(lì)磁不可調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)較電勵(lì)磁式直流發(fā)電機(jī)簡(jiǎn)單。系統(tǒng)采用輸出電壓隨風(fēng)速變化的系統(tǒng)，在發(fā)電機(jī)和負(fù)載間設(shè)置儲(chǔ)能設(shè)備 (如蓄電池 )和整流、逆變?cè)O(shè)備來變換，以滿足用戶對(duì)輸出電壓的要求。 2） 交流發(fā)電機(jī) 交流發(fā)電機(jī)主要有兩種，一種是同步發(fā)電機(jī)，一種是異步發(fā)電機(jī)。前者運(yùn)行于電機(jī)極數(shù)和頻率所決定的同步轉(zhuǎn)速，后者則以稍高于同步速成的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。主要有感應(yīng)發(fā)電機(jī)發(fā)電模式、硅整流自勵(lì)交流發(fā)電機(jī)發(fā)電模式、無刷爪極自勵(lì)發(fā)電機(jī)發(fā)電模式、永磁發(fā)電機(jī)發(fā)電模式 。 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu) 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的組成：小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般由下列幾部分組成：風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、調(diào)速和調(diào)向機(jī)構(gòu)、停車機(jī)構(gòu)、塔架及拉索等， 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 7 ① 風(fēng)輪 ：小型風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪大多用 2－ 3 個(gè)葉片組成，它是把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的部件。目前風(fēng)輪葉片的材質(zhì)主要有兩種。一種是玻璃鋼材料，一般用玻璃絲布和調(diào)配好的環(huán)氧樹脂在模型內(nèi)手工糊制，在內(nèi)腔填加一些填充材料，手工糊制適用于不同形狀和變截面的葉片但手工制作費(fèi)工費(fèi)時(shí)，產(chǎn) 品質(zhì)量不易控制。國(guó)外小風(fēng)機(jī)也采用機(jī)械化生產(chǎn)等截面葉片，大大提高了葉片生產(chǎn)的效率和產(chǎn)品質(zhì)量。 ② 發(fā)電機(jī) ：小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般采用的是永磁式交流發(fā)電機(jī)，由風(fēng)輪驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電經(jīng)過整流后變成可以儲(chǔ)存在蓄電池中的直流電。 ③ 調(diào)向機(jī)構(gòu)、調(diào)速機(jī)構(gòu)和停車機(jī)構(gòu)：為了從風(fēng)中獲取能量，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面應(yīng)垂直于風(fēng)向，在小型風(fēng)機(jī)中，這一功能靠風(fēng)力機(jī)的尾翼作為調(diào)向機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)隨著風(fēng)速的增加，要對(duì)風(fēng) 輪的轉(zhuǎn)速有所限制，這是因?yàn)橐环矫孢^快的轉(zhuǎn)速會(huì)對(duì)風(fēng)輪和風(fēng)力機(jī)的其他部件造成損壞，另一方面也需要把發(fā)電機(jī)的功率輸出限定在一定范圍內(nèi)。由于小型風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，目前一般采用葉輪側(cè)偏式調(diào)速方式，這種調(diào)速機(jī)構(gòu)在風(fēng)速風(fēng)向變化轉(zhuǎn)大時(shí)容易造成風(fēng)輪和尾翼的擺動(dòng)，從而引起風(fēng)力機(jī)的振動(dòng)。因此，在風(fēng)速較大時(shí)，特別是蓄電池已經(jīng)充滿的情況，應(yīng)人工控制風(fēng)力機(jī)停機(jī)。在有的小型風(fēng)力機(jī)中設(shè)計(jì)有手動(dòng)剎車機(jī)構(gòu)，另外在實(shí)踐可采用側(cè)偏停機(jī)方式，即在尾翼上固定一軟繩，當(dāng)需要停機(jī)時(shí)，拉動(dòng)尾翼，使風(fēng)輪側(cè)向于風(fēng)向，從而達(dá)到停車的目的。 小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的 裝機(jī)容量較小，一般都是選擇小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)組。按照空氣動(dòng)力學(xué)原理分類的話，最常見的是托舉型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。目前小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要是低速永磁發(fā)電機(jī)，這主要是因?yàn)樾⌒惋L(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪是直接禍合在發(fā)電機(jī)軸上，省去了升速機(jī)構(gòu)，故不用增速齒輪箱增速，這就要求發(fā)電機(jī)只有幾百轉(zhuǎn)每分，所以采用低速發(fā)電機(jī)。由于風(fēng)向經(jīng)常變化，為了有效地利用風(fēng)能，必須有迎風(fēng)的偏航裝置。個(gè)別小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)還具備抗大風(fēng)自動(dòng)折尾裝置。 本文所使用的小型交流永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)是永磁同步發(fā)電機(jī)的一種 ,其運(yùn)行原理與電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)相同。由于用永久磁鋼 取代勵(lì)磁線圈