【正文】 站、氣象臺、電視調(diào)頻差轉(zhuǎn)臺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地區(qū)耗資巨大顯然是不利的。（2）風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟性日益提高，不存在建廠房、筑壩、淹地、移民等問題，風(fēng)力發(fā)電機分散安裝，占地面積少。（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。但風(fēng)能在利用中不會給空氣帶來污染，也不破壞生態(tài)，是一種清潔安全的能源。是一種安全、可靠的能源。 課題的目的和意義風(fēng)能利用的能量密度低且具有隨機性、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。 風(fēng)力發(fā)電概述 國外風(fēng)力發(fā)展國際能源研究報告表明, 如果各國采取有力措施, 風(fēng)力發(fā)電到2022年可提供世界電力需求的10%, 創(chuàng)造 170萬個就業(yè)機會,并在全球范圍內(nèi)減少100多億噸二氧化碳廢氣。美國和加拿大是北美利用風(fēng)能最好的國家。在1998 2022年期間, 美國風(fēng)力發(fā)電的總裝機容量已經(jīng)超過6740MW, 可以滿足160萬個中等家庭的日常用電需求。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)電成本的進一步降低, 風(fēng)力發(fā)電會越來越被更多的人認識和接受。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)展中國家收益, 如巴西、阿根廷、摩洛哥、埃及和哥斯達黎加等國是發(fā)展中國家風(fēng)力發(fā)電的佼佼者。 國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電的基本情況我國幅員遼闊, 陸疆總長2萬多千米, , 是一個風(fēng)力資源豐富的國家, 全國約有2/3的地帶為多風(fēng)帶。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21個省、市、自治區(qū)。據(jù)相關(guān)資料報道, 到2020年, 預(yù)計我國將新增發(fā)電能力500GW, 其中 121GW為可再生能源。 風(fēng)力發(fā)電的特點風(fēng)力發(fā)電有如下特點（1）可再生，且清潔無污染。（3）風(fēng)電的不穩(wěn)定性會給電網(wǎng)或負載帶來一定的沖擊影響。本論文討論的是前者，即獨立運行風(fēng)電系統(tǒng)的解決方案。本文的主要研究內(nèi)容和章節(jié)安排如下。第三章 講述了小型風(fēng)力供電系統(tǒng)電路的設(shè)計及各部分器件的選擇，以及部分計算。圖 21 小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的框圖 風(fēng)力發(fā)電機組　 一 般 把 發(fā) 電 功 率 在 10 千 瓦 及 其 以 下 的 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 稱 作 小 型 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 。 圖22水平軸風(fēng)力發(fā)電機（ 1） 水 平 軸 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 ： 水 平 軸 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 的 風(fēng) 輪 圍 繞 一 個 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 ） 。 　 　 （ 2） 垂 直 軸 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 ： 垂 直 軸 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 的 風(fēng) 輪 圍 繞 一 個 垂 直 軸 旋 轉(zhuǎn) 風(fēng)力發(fā)電機整 流 DCDC 變換器 蓄電池控制器 圖23垂直軸風(fēng)力發(fā)電機風(fēng) 輪 軸 與 風(fēng) 向 垂 直 。 照 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 的 功 率 分 按 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 的 功 率 可 分 為 大 、 中 、 小 型 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 。 。主要有他勵、自勵和復(fù)勵幾種形式，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，與蓄電池儲能配合使用。②永磁式直流發(fā)電機。系統(tǒng)采用輸出電壓隨風(fēng)速變化的系統(tǒng)，在發(fā)電機和負載間設(shè)置儲能設(shè)備(如蓄電池)和整流、逆變設(shè)備來變換，以滿足用戶對輸出電壓的要求。前者運行于電機極數(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)速運行。 小型風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)小 型 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 組 的 組 成 ： 小 型 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 組 一 般 由 下 列 幾 部 分 組 成 ： 風(fēng) 輪 、發(fā) 電 機 、 調(diào) 速 和 調(diào) 向 機 構(gòu) 、 停 車 機 構(gòu) 、 塔 架 及 拉 索 等 ，① 風(fēng) 輪 ： 小 型 風(fēng) 力 機 的 風(fēng) 輪 大 多 用 2－ 3 個 葉 片 組 成 ， 它 是 把 風(fēng) 能 轉(zhuǎn) 化 為 機械 能 的 部 件 。 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 工 費 時 ， 產(chǎn) 品 質(zhì) 量 不 易 控 制 。 ② 發(fā) 電 機 ： 小 型 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 一 般 采 用 的 是 永 磁 式 交 流 發(fā) 電 機 ， 由 風(fēng) 輪 驅(qū) 動 發(fā)電 機 產(chǎn) 生 的 交 流 電 經(jīng) 過 整 流 后 變 成 可 以 儲 存 在 蓄 電 池 中 的 直 流 電 。 同 時隨 著 風(fēng) 速 的 增 加 ， 要 對 風(fēng) 輪 的 轉(zhuǎn) 速 有 所 限 制 ， 這 是 因 為 一 方 面 過 快 的 轉(zhuǎn) 速 會 對 風(fēng)輪 和 風(fēng) 力 機 的 其 他 部 件 造 成 損 壞 ， 另 一 方 面 也 需 要 把 發(fā) 電 機 的 功 率 輸 出 限 定 在 一定 范 圍 內(nèi) 。 因 此 ， 在 風(fēng) 速 較 大 時 ， 特 別 是 蓄 電 池 已 經(jīng) 充 滿 的 情 況 ， 應(yīng) 人 工 控 制 風(fēng)力 機 停 機 。小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的裝機容量較小，一般都是選擇小型風(fēng)力發(fā)電機作為發(fā)電機組。目前小型風(fēng)力發(fā)電機主要是低速永磁發(fā)電機，這主要是因為小型風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)輪是直接禍合在發(fā)電機軸上，省去了升速機構(gòu)，故不用增速齒輪箱增速，這就要求發(fā)電機只有幾百轉(zhuǎn)每分，所以采用低速發(fā)電機。個別小型風(fēng)力發(fā)電機還具備抗大風(fēng)自動折尾裝置。由于用永久磁鋼取代勵磁線圈勵磁，永磁同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單，加工及裝配比較容易。由于這類發(fā)電機省掉了一般同步發(fā)電機的電刷、滑環(huán)和勵磁繞組,從而節(jié)約了成本。 整流器整流電路按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路整流器的主要功能是對風(fēng)力發(fā)電機輸出的三相交流電進行整流，整流后的直流電經(jīng)過控制器再對蓄電池進行充電。目前在我國小型型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中大量使用的是橋式不可控整流方式，如圖 213所示。圖24 三相不可控整流三相整流器除了把輸入的三相交流電能整流為可對蓄電池充電的直流電能之外，另外一個重要的功能是在外界風(fēng)速過小或者基本沒風(fēng)的時候，風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率也較小，由于三相整流橋的二極管導(dǎo)通方向只能是由風(fēng)力發(fā)電機的輸出端到蓄電池，所以防止了蓄電池對風(fēng)力發(fā)電機的反向供電。按照輸入/輸出電路是否隔離來分，可分為非隔離型和隔離型兩大類。DC/DC 變換器將直流電源能量傳送到負載并加以控制，得到另一個直流輸出電壓或電流。DC/DC 變換器主要包括 Buck、Boost、BuckBoost、Cuk 變換器4種。當(dāng)開關(guān)管Q導(dǎo)通時，二極管D截止，發(fā)電機輸出電壓整流后通過能量傳遞電感向負載供電，同時使電感 能量增加；當(dāng)開關(guān)管截止時，電感釋放能量使續(xù)流二極管D導(dǎo)通，在此階段，電感L把前一段的能量向負載釋放，使輸出電壓極性不變且比較平直。顯然，功率管在一個周期內(nèi)導(dǎo)通時間越長，傳遞的能量越多，輸出電壓越高。這種控制性能正好被用在小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，通過控制發(fā)電機的輸出電流，改變風(fēng)力發(fā)電機的負載特性，即調(diào)節(jié)了發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性，從而控制風(fēng)力機轉(zhuǎn)速用來改變?nèi)~尖速比，這樣就控制了風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率和風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率。其它器件或技術(shù)也有被利用來進行能量存儲的，比如微型水泵、壓縮空氣或飛輪等，但是在小規(guī)模風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用中，這些儲能方式都不是很經(jīng)濟。但是要大范圍的應(yīng)用，還有很多技術(shù)難題待解決。反之，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)電量不足或負載用電量大的時候，蓄電池向負載補充電能，并保持供電電壓的穩(wěn)定。蓄電池正負極板上的活性物質(zhì)分別是二氧化鉛（ 2pbo）和海綿狀鉛（ pb），它們與電解液中的硫酸接觸，負極板上鉛不斷解離為正二價的鉛離子（ ?2）和電子，鉛離子融入電解液中，電子留在負極板上。當(dāng)離開和沉積到負極板表面的鉛離子相等，即氧化和還原的速度趨于平衡時，負極板與電解液間形成穩(wěn)定的電位差()。正、負極板與電解液之間的都存在著電位差，從整體看正極與負。電解液中消耗了硫酸( 4SOH)分子，增加了水( )分子，電解液中的硫酸濃度降低，蓄電池內(nèi)阻逐漸增大，電動勢逐漸降低。負極板上的硫酸鉛（ 4so)逐漸恢復(fù)成海綿狀鉛（ pb），電解液中的硫酸濃度增大，蓄電池內(nèi)阻逐漸減小，電動勢逐漸增大。另外，在電池充電過程中，由于化學(xué)反應(yīng)劇烈，會產(chǎn)生大量有害氣體形成酸霧，污染室內(nèi)空氣，對工作人員會產(chǎn)生職業(yè)危害。閥控式鉛酸蓄電池是相對于傳統(tǒng)的開口式的鉛酸蓄電池來講的。它具有一系列優(yōu)點。當(dāng)電池過充時，內(nèi)部壓力過大，這時候閥門會自動打開，排出氣體，防止電池內(nèi)部氣壓過大而產(chǎn)生膨脹或爆炸。第三是少維護，由于閥控式鉛酸蓄電池密封性能好，水分不易蒸發(fā)，這樣在進行電化學(xué)反應(yīng)的時候?qū)⒎烹姇r產(chǎn)生的水蒸汽完全吸收，所以不需要進行補水作業(yè)，但是閥控式鉛酸蓄電池并不是完全不需要維護，尤其是對電池的充放電維護是必不可少的。 影響鉛酸蓄電池壽命的因素l)環(huán)境溫度鉛酸蓄電池的的電能是通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的，不同溫度下的化學(xué)反應(yīng)速率是不一樣的。溫度低時，電解液和極板間的反應(yīng)速度變慢，電解液的濃度升高，加大了電池的內(nèi)阻，減少了電池的容量，縮短了蓄電池的壽命。2)過度放電蓄電池被過度放電是影響蓄電池使用壽命的另一重要因素。過放現(xiàn)象會減少蓄電池的容量，并且難以恢復(fù)，嚴重時將會導(dǎo)致電池失效。由于硫酸鉛本身是一種絕緣體，將會阻礙蓄電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的，陰極板上的硫酸鉛越多，電池的內(nèi)阻越大，電池的充放電性能就越差，電池的壽命就越短。在開路狀態(tài)下，鉛合金和二氧化鉛在硫酸溶液中，各自與電解液建立不同的平衡電極電位。%時，容量降低75%，失水達到25%時，容量基本消失。 閥控式鉛酸蓄電池的使用原則使用閥控式鉛酸蓄電池的時候要遵循一些原則，有些原則是鉛酸蓄電池都要遵守的基本原則，有些則是閥控式鉛酸蓄電池所特有的。1)盡量使閥控式鉛酸蓄電池工作在15℃一35℃之內(nèi)。這些都是在25℃標準情況下得到的值。當(dāng)溫度升高時，要降低浮充電壓。3)電池隔板壽命在環(huán)境溫度為30℃40℃時僅為5一6個月。電池必須存放在干燥涼爽的環(huán)境中。放電深度越淺，電池生命周期越長。5)禁止不同容量和不同廠家的電池混用，否則會嚴重降低電池使用壽命。 鉛酸蓄電池的充電方法鉛酸蓄電池的充電方法一般有恒流充電法、恒壓充電法和分段充電法等。恒壓充電法在充電過程中充電電壓始終不變，充電電流自動逐漸減少。本文中是采用恒壓后的浮充的充電方法， 控制器 控制器的作用小型風(fēng)力發(fā)電供電系統(tǒng)中，通常用蓄電池起儲存和調(diào)節(jié)電能的作用，而蓄電池的正常運行離不開控制器，控制器根據(jù)風(fēng)力的大小以及負