【正文】 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(shuō)是一種取之不盡、用之不竭的能源。作為可再生的清潔能源，受到世界各國(guó)的高度重視。按照風(fēng)電目前的發(fā)展趨勢(shì)，預(yù)計(jì) 2020～ 2020 年期間裝機(jī)容量增長(zhǎng)率為 20%，以后到 2020年期間為 15%， 2017～ 2020年期間為 10%。風(fēng)機(jī)的單機(jī)容量已從 600KW發(fā)展到 2020～ 5000KW,如德國(guó)在北海和易北河口已批量安裝了單機(jī) 5000KW 的風(fēng)機(jī) ,丹麥已批量建設(shè)了單機(jī)容量 2020～ 2200KW 的風(fēng)機(jī)。 （ 2）風(fēng)電制造企業(yè)集中度較高。由于新技術(shù)的運(yùn)用，風(fēng)電的電價(jià)呈快速下降趨勢(shì)，且日益接近燃煤發(fā)電的成本。根據(jù)全國(guó) 900多個(gè)氣象站的觀測(cè)資料進(jìn)行估計(jì)，中國(guó)陸地風(fēng)能資源總儲(chǔ)量約 億 KW，其中可開(kāi)發(fā)的風(fēng)能儲(chǔ)量為 億 KW，而海上的風(fēng)能儲(chǔ)量有 KW，總計(jì)為 10億 KW。 第二階段是 1991～ 1995 年示范項(xiàng)目取得成效并逐步推廣階段。 隨著風(fēng)電技術(shù)的日趨成熟和電力規(guī)模的擴(kuò)大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率在向大型化方向發(fā)展。然后在依據(jù)具體要求需要，通過(guò)適當(dāng)?shù)淖儞Q將其存儲(chǔ)為化學(xué)能或者并網(wǎng)或者直接為負(fù)載供電。 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(guò)逆變器轉(zhuǎn)換為交流電向終端電器供電；另一類是湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 作為常規(guī)電網(wǎng)的電源，與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行。 （ 3） 轉(zhuǎn)軸帶動(dòng) 單 相交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，開(kāi)始發(fā)電。 （ 6） 直流電經(jīng)逆變器變換為恒頻穩(wěn)定交流電。 風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)原理 風(fēng)力發(fā)電機(jī) 組主要利用氣動(dòng)升力的風(fēng)輪。升力總是推動(dòng)葉片繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)。 （ 2） 塔架：為了讓風(fēng)輪能在較高的風(fēng)速中運(yùn)行，需要塔架把風(fēng)輪支撐起來(lái)。本論文只介紹小型風(fēng)力機(jī)的對(duì)風(fēng)裝置，如圖 2— 4所示，利用尾舵控制對(duì)風(fēng)。齒輪箱的主要作用是將風(fēng)輪在風(fēng)力作用下所產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)，通過(guò)齒輪副的增速作用使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。風(fēng)力與速度平方成正比，所以風(fēng)的功率與風(fēng)度的三次方成正比。 第三章 電氣設(shè)計(jì)部分 發(fā)電機(jī) 在本論文討論的獨(dú)立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，采用的是硅整流自勵(lì) 單 相交流發(fā)電機(jī)。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組（即勵(lì)磁繞組）和轉(zhuǎn)子軸組成，轉(zhuǎn)子鐵芯可做成凸極式或形，一般都用爪形磁極，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組的兩端接到滑環(huán)上，通過(guò)與滑環(huán)接觸的電刷與硅整流器的直流輸出端相連，從而獲得直流勵(lì)磁電流。此外獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)都帶有蓄電池組，電壓的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致蓄電池組的過(guò)充電，從而降低蓄電池組的使用壽命。電壓繼電器工作時(shí)發(fā)電機(jī)端電壓與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖 3— 2所示。電流繼電器工作時(shí)，發(fā)電機(jī)負(fù)載電流與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖 3— 3所示。而且用該交流發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速必須達(dá)到在該轉(zhuǎn)速下的電壓時(shí)才能對(duì)蓄電池組充電。 單相橋式整流電路由 4 個(gè)二極管接成橋式電路， RL 為負(fù)載電阻。此時(shí)，電源電壓全部加在負(fù)載電阻 RL上，得到一個(gè)半波電壓； D2和 D4則承受反向電壓。 下面討論單相橋式整流電路的定量關(guān)系及元件選擇。 通過(guò)變壓器二次繞組的電流具有正、反兩個(gè)方向，是一個(gè)正弦波形，因此二次繞組的電流有效值為 OL IRUI ?? 目前已有各種規(guī)格的橋式整流電路成品，如 1CQ1A? H至 1CQ7A? H系列，輸出的平均電壓 25~600V，整流電流 50mA~5A，使用十分方便。假設(shè) 100W風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出電壓經(jīng)過(guò)整流后，負(fù)荷的額定直流電壓 Uz0=24V，帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的最高電壓 28zmUV? ，最大負(fù)載電流 0 ? ，依式 4— 1 所示計(jì)算出，元件承受的最大正、反向峰值電壓為 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) XII 28 ( )m zmU U V? ? ? ? 元件流過(guò)的最大電流為 00 .5 8 7 0 .5 8 7 4 .6 2 .7 ( )mzI I A? ? ? ? 由上式計(jì)算結(jié)果，可選擇最大電流 5A，最大反向電壓 50V的硅二極管。 蓄電池 在獨(dú)立運(yùn)行的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，廣泛使用蓄電池組作為蓄能裝置，蓄電池組的作用是當(dāng)風(fēng)力較強(qiáng)或用電負(fù)荷減小時(shí)，可以將來(lái)自風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能中的一部分儲(chǔ)存在蓄電池中，也就是向蓄電池充電；當(dāng)風(fēng)力較弱、無(wú)風(fēng)或者用電負(fù)荷增大時(shí)，儲(chǔ)存在蓄電池中的電能向負(fù)荷供電，以彌補(bǔ)風(fēng)力發(fā)電的不足，達(dá)到維持向負(fù)荷持續(xù)穩(wěn)定供電的目的。當(dāng) 外電路閉合時(shí)，蓄電池組正負(fù)兩極間的電位差即為蓄電池組的端電壓。 蓄電池經(jīng)過(guò)多次充放電后，其容量會(huì)降低，當(dāng)蓄電池的容量敬愛(ài)那個(gè)地道其額定值的 80%以下時(shí)，就再不能使用了，也就是說(shuō)蓄電池有一定的使用壽命。圖中縱坐標(biāo)為蓄電池充、放電端電壓，曲線標(biāo)號(hào)數(shù)字為相應(yīng)小時(shí)的充、放電曲線。其電路如圖 3— 8所示。 蓄電池組供電控制設(shè)計(jì) 控制電路如下圖 3— 9所示，在整流輸出端引出兩線，與逆變器相接，為負(fù)載供電，其通斷狀態(tài)用動(dòng)合觸點(diǎn) I2控制。 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) XVI 逆變電路及其工作原理 其電路原理圖如下所示。當(dāng)開(kāi)關(guān)管 T T4閉合， T T3斷開(kāi)時(shí)，逆變器輸出電壓 Uo=Ud；當(dāng)開(kāi)關(guān)管T T4斷開(kāi)， T T3閉合時(shí)，輸出電壓 Uo=Ud。逆變電路中常用開(kāi)關(guān)器件 有 快 速晶閘管、可關(guān)斷晶閘管（ GTO）、功率晶體管（ GTR）功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（ MOSFET）、絕緣柵晶體管（ IGBT）。 簡(jiǎn)言之，驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)，就是按照控制目標(biāo)的要求， 將單片機(jī)輸出的脈沖進(jìn)行功率放大 ,轉(zhuǎn)換為加在 IGBT控制端和公共端之間，可以使其開(kāi)通或關(guān)斷的信號(hào) ，從而驅(qū)動(dòng) IGBT，保證其可靠工作 。 （ 4） 足夠高的輸入輸出電氣隔離性能 ,使信號(hào)電路與柵極驅(qū)動(dòng)電路絕緣。 （ 2） 由于 IGBT 集電極產(chǎn)生較大的電壓尖脈沖 ,增加 IGBT柵極串聯(lián)電阻 RG有利于其安全工作。 （ 5） 1 15 接驅(qū)動(dòng)信號(hào) ,一般 14腳接脈沖形成部分的地 ,15 腳接輸入信號(hào)的正端 ,15端的輸入電流一般應(yīng)該小于 20mA,故在 15腳前加限流電阻。然后用 MATLAB對(duì)整個(gè)實(shí)際電路進(jìn)行了詳細(xì)的仿真，結(jié)果表明，在接入仿真三相交流電的情況下，各個(gè)輸出端的輸出達(dá)到了預(yù)期的要求，證明了方案的切實(shí)可行和正確無(wú)誤。 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) XX 參考文獻(xiàn) [1] 吳治堅(jiān) .新能源和可再生能源的利用 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2020：256289. 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Firstly， Has carried on the design to winddriven generator39。由能源問(wèn)題引發(fā)的危機(jī)以及日益突出的環(huán)境問(wèn)題，使人們認(rèn)識(shí)到開(kāi)發(fā)清潔的可再生能源是保護(hù)生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的客觀需要。 經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)力 經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化 能源供應(yīng)的經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化提供了重視開(kāi)發(fā)利用的基本原理。如果用電網(wǎng)延伸的方法，農(nóng)牧戶承擔(dān)的成本高于 8元 /KW。目前石油儲(chǔ)量約 1300億噸，年消耗量約 35 億噸，計(jì)今后 25 年中平均年消耗量將達(dá) 50億噸，即使加上新發(fā)現(xiàn)的油田，專家估計(jì)總儲(chǔ)量也不會(huì)超過(guò) 2020億噸，有油資源在四五十年后也將枯竭。風(fēng)能的 開(kāi)發(fā)利用可以減少對(duì)國(guó)外能源的依賴，并加強(qiáng)本國(guó)的能源供應(yīng)安全水平，國(guó)內(nèi)的化石能源價(jià)格變化較小，社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定性也因此而增強(qiáng)。 環(huán)境驅(qū)動(dòng)力 除了人們?cè)缦日J(rèn)識(shí)到的煙塵、二氧化硫等區(qū)域性的污染外，世界上越來(lái)越多的人開(kāi)始認(rèn)識(shí)到二氧化碳等溫室氣體的 大量排放對(duì)全球氣候變暖給人類社會(huì)帶來(lái)的有害影響。風(fēng)能在能源轉(zhuǎn)化工程中不會(huì)產(chǎn)生任何排放量，因此除了不產(chǎn)生煙塵、二氧化硫等區(qū)域性污染外，也不會(huì)帶來(lái)全球環(huán)境污染。許多民眾十分關(guān)注風(fēng)能的發(fā)展，并將利用風(fēng)能和其他可再生能源當(dāng)成他們的生活方式。 1987 年美國(guó)研制出單機(jī)容量為 的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，安裝于夏威夷群島的瓦胡島上。同時(shí)單機(jī)容量在 1MW 以上的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組也研制開(kāi)發(fā)成功，并在湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 風(fēng)電場(chǎng)中成功運(yùn)行。 中國(guó)風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀 中國(guó)風(fēng)力發(fā)電起步較晚，但發(fā)展較快。 1986 年在新疆達(dá)坂城 安裝了 1臺(tái) 100KW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組， 1989 年又安裝了 13 臺(tái) 150KW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，同年在內(nèi)蒙古朱日和也安裝 5臺(tái)美國(guó) 100KW 機(jī)組，開(kāi)始了中國(guó)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的試驗(yàn)和示范。 風(fēng)力發(fā)電展望 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)目前還在不斷發(fā)展，主要體現(xiàn)在單機(jī)容量不斷增大上。目前最長(zhǎng)的葉片以做到 50m。對(duì)葉型的進(jìn)一步改進(jìn)，增強(qiáng)了風(fēng)力機(jī)捕捉風(fēng)能的效率。地處平坦地帶的風(fēng)力機(jī)。其運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用也較低。橫截面積為 s(m2)的氣流的動(dòng)能為 E= 式中 ρ—— 空氣密度，㎏ /m3 Vf —— 風(fēng)速， m/s 如果風(fēng)力機(jī)實(shí)際獲得的軸 功率為 P,那么風(fēng)能利用系數(shù)為 CP=P/E=P/() （ 21） 風(fēng)壓強(qiáng) 如圖 21a，根據(jù)伯努力方程，風(fēng)中物體受到的風(fēng)壓 Q為 Q= 式中 C—— 空氣阻力系數(shù)與物體形狀有關(guān)，平板一般取 2 Vf—— 風(fēng)與平板的相對(duì)速度 阻力式風(fēng)力機(jī)的最大效率 建立簡(jiǎn)單的理想模型，一個(gè)平板在風(fēng)的氣動(dòng)壓力作用下沿著風(fēng)速方向運(yùn)動(dòng)，如圖 2l（ b），并規(guī)定平板上游一定距離上的風(fēng)速為 Vf，平板的運(yùn)動(dòng)速度為 V，那么平板吸收的功率可以表示為 P=FV=QSV 式中 F—— 板受到風(fēng)的 壓力，牛頓 S—— 平板的面積， m2 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 圖 21 平板模型 F=QS=(VfV)2 所以 P=(VfV)2V (22) 對(duì)給定的上游風(fēng)速玲，可以寫(xiě)出以平板的運(yùn)動(dòng)速度 V為函數(shù)的功率變化關(guān)系式，對(duì) V進(jìn)行微分得 dp／ dv=CP(VfV)(VfV／ 3) 令 dp／ dv=0， 可以得到兩個(gè)解： 1） V1=Vf沒(méi)有物理意義 2） V2=Vf／ 3對(duì)應(yīng)于最大值 Pmax=(4C/27) CPmax=4C/27 (23) 從上式中可以看出，阻力式風(fēng)力機(jī)的效率是比較低的，提高效率的唯一辦法是設(shè)法提高風(fēng)的阻力系數(shù) C。因此實(shí)際的風(fēng)力機(jī)和理想的風(fēng)力機(jī)之間也有差異。 η 2 因此風(fēng)力機(jī)有一最低工作風(fēng)速稱 Vfmin，只有風(fēng)速大于 Vfmin時(shí)風(fēng)力機(jī)才能工作。 啟動(dòng)風(fēng)速和額定風(fēng)速的選定 如何根據(jù)風(fēng)能資源來(lái)選用風(fēng)力機(jī)，使風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)最佳，確定起動(dòng)風(fēng)速和額定風(fēng)速是關(guān)鍵。威布爾分布函數(shù)形如下式 其中 K為形狀參數(shù)，無(wú)量綱， C為尺度參數(shù)，量綱為 ms