【正文】 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(wèn)題，風(fēng)力發(fā)電機(jī)分散安裝，占地面積少。（3）人類在利用礦物燃料的過(guò)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(huì)給空氣帶來(lái)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(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(lái)了許多問(wèn)題。 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2022年可提供世界電力需求的10%, 創(chuàng)造 170萬(wàn)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。美國(guó)和加拿大是北美利用風(fēng)能最好的國(guó)家。在1998 2022年期間, 美國(guó)風(fēng)力發(fā)電的總裝機(jī)容量已經(jīng)超過(guò)6740MW, 可以滿足160萬(wàn)個(gè)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(jìn)一步降低, 風(fēng)力發(fā)電會(huì)越來(lái)越被更多的人認(rèn)識(shí)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(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。 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(wàn)多千米, , 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。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)。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。 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(wú)污染。（3）風(fēng)電的不穩(wěn)定性會(huì)給電網(wǎng)或負(fù)載帶來(lái)一定的沖擊影響。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(jì)及各部分器件的選擇，以及部分計(jì)算。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) 。 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 ） 。 　 　 （ 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 圖23垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng) 輪 軸 與 風(fēng) 向 垂 直 。 照 風(fēng) 力 發(fā) 電 機(jī) 的 功 率 分 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) 。 。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。②永磁式直流發(fā)電機(jī)。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(lái)變換，以滿足用戶對(duì)輸出電壓的要求。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。 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 ，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 。 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(shù) 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 。 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(guò) 整 流 后 變 成 可 以 儲(chǔ) 存 在 蓄 電 池 中 的 直 流 電 。 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 為 一 方 面 過(guò) 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) 。 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) 。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。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)。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。由于用永久磁鋼取代勵(lì)磁線圈勵(lì)磁，永磁同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工及裝配比較容易。由于這類發(fā)電機(jī)省掉了一般同步發(fā)電機(jī)的電刷、滑環(huán)和勵(lì)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(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電進(jìn)行整流，整流后的直流電經(jīng)過(guò)控制器再對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。目前在我國(guó)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(duì)蓄電池充電的直流電能之外，另外一個(gè)重要的功能是在外界風(fēng)速過(guò)小或者基本沒(méi)風(fēng)的時(shí)候，風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)的輸出端到蓄電池，所以防止了蓄電池對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的反向供電。按照輸入/輸出電路是否隔離來(lái)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(fù)載并加以控制，得到另一個(gè)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(kāi)關(guān)管Q導(dǎo)通時(shí)，二極管D截止，發(fā)電機(jī)輸出電壓整流后通過(guò)能量傳遞電感向負(fù)載供電，同時(shí)使電感 能量增加；當(dāng)開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，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(fù)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(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)，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(guò)控制發(fā)電機(jī)的輸出電流，改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)的負(fù)載特性，即調(diào)節(jié)了發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性，從而控制風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速用來(lái)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(jī)的輸出功率。其它器件或技術(shù)也有被利用來(lái)進(jìn)行能量存儲(chǔ)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(chǔ)能方式都不是很經(jīng)濟(jì)。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(fù)載用電量大的時(shí)候，蓄電池向負(fù)載補(bǔ)充電能，并保持供電電壓的穩(wěn)定。蓄電池正負(fù)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(fù)極板上鉛不斷解離為正二價(jià)的鉛離子（ ?2）和電子，鉛離子融入電解液中，電子留在負(fù)極板上。當(dāng)離開(kāi)和沉積到負(fù)極板表面的鉛離子相等，即氧化和還原的速度趨于平衡時(shí)，負(fù)極板與電解液間形成穩(wěn)定的電位差()。正、負(fù)極板與電解液之間的都存在著電位差，從整體看正極與負(fù)。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(dòng)勢(shì)逐漸降低。負(fù)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(dòng)勢(shì)逐漸增大。另外，在電池充電過(guò)程中，由于化學(xué)反應(yīng)劇烈，會(huì)產(chǎn)生大量有害氣體形成酸霧，污染室內(nèi)空氣，對(duì)工作人員會(huì)產(chǎn)生職業(yè)危害。閥控式鉛酸蓄電池是相對(duì)于傳統(tǒng)的開(kāi)口式的鉛酸蓄電池來(lái)講的。它具有一系列優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)電池過(guò)充時(shí)，內(nèi)部壓力過(guò)大，這時(shí)候閥門會(huì)自動(dòng)打開(kāi)，排出氣體，防止電池內(nèi)部氣壓過(guò)大而產(chǎn)生膨脹或爆炸。第三是少維護(hù)，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(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)的時(shí)候?qū)⒎烹姇r(shí)產(chǎn)生的水蒸汽完全吸收，所以不需要進(jìn)行補(bǔ)水作業(yè)，但是閥控式鉛酸蓄電池并不是完全不需要維護(hù)，尤其是對(duì)電池的充放電維護(hù)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(guò)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(shí)，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(guò)度放電蓄電池被過(guò)度放電是影響蓄電池使用壽命的另一重要因素。過(guò)放現(xiàn)象會(huì)減少蓄電池的容量，并且難以恢復(fù)，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)導(dǎo)致電池失效。由于硫酸鉛本身是一種絕緣體，將會(huì)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(kāi)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(shí)，容量降低75%，失水達(dá)到25%時(shí)，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(shí)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(biāo)準(zhǔn)情況下得到的值。當(dāng)溫度升高時(shí)，要降低浮充電壓。3)電池隔板壽命在環(huán)境溫度為30℃40℃時(shí)僅為5一6個(gè)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(zhǎng)。5)禁止不同容量和不同廠家的電池混用，否則會(huì)嚴(yán)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(guò)程中充電電壓始終不變，充電電流自動(dòng)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(chǔ)存和調(diào)節(jié)電能的作用，而蓄電池的正常運(yùn)行離不開(kāi)控制器，控制器根據(jù)風(fēng)力的大小以及負(fù)荷的變化，不斷的對(duì)蓄電池的工作狀態(tài)進(jìn)行切換和調(diào)節(jié)，使其在充電、放電或浮充等