风光互补发电系统的研究毕业论文

1、 编号 毕 业 设 计 技 术 报 告 课题名称： 风光互补发电系统的研究 学生姓名: 学 号: 专 业: 电气自动化技术 班 级: 2021级1班指导教师: 2021 年 5 月 目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc388525229 第一章 风光互补发电系统的开展过程及现状 PAGEREF _Toc388525229 h 5 HYPERLINK l _Toc388525230 1.1风光互补发电系统的提出 PAGEREF _Toc388525230 h 5 HYPERLINK l _Toc388525231 1.2风光互补发电系统的应用 PAGEREF

2、_Toc388525231 h 5 HYPERLINK l _Toc388525232 1.3太阳能、风能的介绍 PAGEREF _Toc388525232 h 6 HYPERLINK l _Toc388525233 太阳能的介绍和应用 PAGEREF _Toc388525233 h 6 HYPERLINK l _Toc388525234 1.3.2 风能的介绍和应用 PAGEREF _Toc388525234 h 7 HYPERLINK l _Toc388525235 1.4 课题背景及意义 PAGEREF _Toc388525235 h 8 HYPERLINK l _Toc38852523

3、6 第二章 风光互补发电系统分析 PAGEREF _Toc388525236 h 9 HYPERLINK l _Toc388525237 2.1系统组成 PAGEREF _Toc388525237 h 9 HYPERLINK l _Toc388525238 2.2太阳能发电模块 PAGEREF _Toc388525238 h 10 HYPERLINK l _Toc388525239 太阳能电池板的开展简介 PAGEREF _Toc388525239 h 10 HYPERLINK l _Toc388525240 太阳能发电原理 PAGEREF _Toc388525240 h 10 HYPERLI

4、NK l _Toc388525241 太阳能电池板的相关参数 PAGEREF _Toc388525241 h 12 HYPERLINK l _Toc388525242 光伏电池的伏安特性 PAGEREF _Toc388525242 h 12 HYPERLINK l _Toc388525243 太阳能电池板发电量的计算 PAGEREF _Toc388525243 h 13 HYPERLINK l _Toc388525244 2.3 风力发电工作原理 PAGEREF _Toc388525244 h 13 HYPERLINK l _Toc388525245 风资源概述 PAGEREF _Toc388

5、525245 h 13 HYPERLINK l _Toc388525246 2.3.2 风轮机的理论 PAGEREF _Toc388525246 h 15 HYPERLINK l _Toc388525247 2.4蓄电池 PAGEREF _Toc388525247 h 17 HYPERLINK l _Toc388525248 蓄电池的选择 PAGEREF _Toc388525248 h 17 HYPERLINK l _Toc388525249 2.4.2 蓄电池的原理 PAGEREF _Toc388525249 h 18 HYPERLINK l _Toc388525250 2.5负载 PAGE

6、REF _Toc388525250 h 19 HYPERLINK l _Toc388525251 第三章 风光互补发电控制系统的分析 PAGEREF _Toc388525251 h 20 HYPERLINK l _Toc388525252 3.1 硬件系统控制 PAGEREF _Toc388525252 h 20 HYPERLINK l _Toc388525253 3.2 直接数字控制系统 PAGEREF _Toc388525253 h 20 HYPERLINK l _Toc388525254 3.3 计算机监督系统 PAGEREF _Toc388525254 h 21 HYPERLINK l

7、 _Toc388525255 3.4系统的设计 PAGEREF _Toc388525255 h 21 HYPERLINK l _Toc388525256 结束语 PAGEREF _Toc388525256 h 23 HYPERLINK l _Toc388525257 致谢 PAGEREF _Toc388525257 h 24 HYPERLINK l _Toc388525258 参考文献 PAGEREF _Toc388525258 h 25风光互补发电系统的研究摘要：近年来，受石油价格上涨和全球气候变化的影响，可再生能源开发利用日益受到国际社会的关注，制定了支持可再生能源开展的法规和政策。在远离

8、大电网，人烟稀少，处于无电状态,用电负荷低且交通不便的情况下，利用本地区充裕的太阳能、风能建设风光互补发电方案是独立供电系统的最正确选择。所以风能和太阳能的开发利用得到了极大的重视，取得了较快的开展。本文以可再生能源的综合利用为指导思想，结合风能、太阳能特点，从风光互补发电系统的结构上认真分析了系统在整个运行过程中能量产生、转换、储藏和消费各个环节的工作方式，并对现有的独立风光互补发电系统控制技术进行了归纳和分类，分析各种控制技术的工作原理、特点、实现方法及适用场合，为进一步应用提供了参考。关键词：风光互补 风能 太阳能 发电系统Research of Wind-Solar Hybrid Ge

9、neration SystemABSTRACT: in recent years, affected by the impact of rising oil prices and global climate change, renewable energy development and utilization is increasingly concerned by the international society, formulated the regulations and policies to support the development of renewable energy

10、. Away from the grid, sparsely populated, has no electricity, with the electrical load is low and the inconvenience of traffic, use of local abundant solar energy, wind energy and solar power generation project construction is the best choice for the independent power supply system. So the developme

11、nt and utilization of wind energy and solar energy has been a great deal of attention, has made rapid development. Based on the comprehensive utilization of renewable energy as the guiding ideology, combining with the characteristics of wind energy, solar energy, a careful analysis of the system, th

12、e energy in the entire process conversion, reserves and consumption of all aspects of the work from the structure of the hybrid power system, and the existing independent scenery complementary power generation system control technology were summarized and classified the working principle, analysis,

13、various control characteristics, methods and applications, and provides reference for further application.KEY WORDS: Wind-Solar Hybrid； wind ；solar；Generation System引言不可再生能源如煤，石油，天然气的大量消耗，不仅使人类面临资源枯竭的压力，同时也严重威胁着人类的生存环境，可再生能源的开发利用也就越来越显得重要。随着可再生能源的开发利用，风能和太阳能已经逐步走入了人类的生活，在日后的能源比例中将会发占据越来越重的比例。在电能作为能量

14、主要消耗形式的当今社会，风能和太阳能是绿色可再生能源，取之不尽，用之不竭。考虑风能和太阳能在多方面的互补特性，相对单一的风能、太阳能发电，风光互补发电系统将会是更经济合理，稳定，持续的发电模式。本文结合风能、太阳能的特点，从风光互补发电系统的结构上分析系统在整个运行过程中能量产生、转换，储藏和消费各个环节的工作方式，提出运行策略和各局部运行电路，结合微计算机控制技术，以单片机为核心设计简述风光互补发电的测量控制系统。第一章 风光互补发电系统的开展过程及现状风光互补发电系统是一将太阳能和风能转化为电能的装置。该系统无空气污染、无噪音、不产生废弃物。因此风光互补发电系统是一种自然、清洁的能源。目前

15、在世界范围内风力发电和太阳能发电开展非常迅猛。人类为使居住环境不再受污染，风能和太阳能将是今后世界能源的必然选择。可以根据用户的用电负荷情况和资源条件进行系统容量的合理配置，即可保证系统供电的可靠性，又可降低发电系统的造价。无论是怎样的环境和怎样的用电要求，都可做出最优化的系统设计方案来满足用户的要求。风光互补发电系统是最合理的独立电源系统。这种合理性表现在资源配置最合理,技术方案最合理,性能价格最合理。正是这种合理性保证了风光互补发电系统的高可靠性。由太阳能发电板、风力发电机组、系统控制器、蓄电池组和逆变器等几局部组成，发电系统各局部容量的合理配置对保证风光互补电系统的可靠性非常重要，尚能系

16、列供电系统为了满足广阔用户的用电要求、为用户提供可靠的电力，会认真分析用户的用电负荷特征以及用户所处区域的太阳能和风能资源状况针对不同用户配置适合用户的一整套系统。1.1风光互补发电系统的提出最初的风光互补发电系统，就是将风力机和光伏组件进行简单的组合，因为缺乏详细的数学计算模型，同时系统只用于保证率低的用户，导致使用寿命不长。丹麦的和Kenbach1981提出太阳能和风能混合利用技术问题；美国的C.I.Aspliden1981研究太阳能风能混合转换系统的气象问题；前苏联的N.Aksarni等根据概率原理，统计出近似的太阳能风能潜力的估计值；余华扬等1982也提出了太阳能风能发电机的能量转换装

17、置。1.2风光互补发电系统的应用近几年随着风光互补发电系统应用范围的不断扩大，保证率和经济性要求的提高，国外相继开发出一些模拟风力、光伏及其互补发电系统性能的大型工具软件包。通过模拟不同系统配置的性能和供电本钱可以得出最正确的系统配置。其中colorado state university和national renewable energy laboratory合作开发了hybrid2应用软件。 hybrid2本身是一个很出色的软件，它对一个风光互补系统进行非常精确的模拟运行，根据输入的互补发电系统结构、负载特性以及安装地点的风速、太阳辐射数据获得一年8760小时的模拟运行结果。但是hybri

18、d2只是一个功能强大的仿真软件，本身不具备优化设计的功能，并且价格昂贵，需要的专业性较强。在国外对于风光互补发电系统的设计主要有两种方法进行功率确实定：一是功率匹配的方法，即在不同辐射和风速下对应的光伏阵列的功率和风机的功率和大于负载功率，只要用于系统的优化控制；另一是能量匹配的方法，即在不同辐射和风速下对应的光伏阵列的发电量和风机的发电量的和大于等于负载的耗电量，主要用于系统功率设计。据国内有关资料报道，目前运行的风光互补发电系统有：西藏纳曲乡离格村风光互补发电站、用于气象站的风能太阳能混合发电站、太阳能风能无线 离转台电源系统、内蒙微型风光互补发电系统等。风光互补照明供电系统，充分利用绿色

19、清洁能源，实现零耗电、零排放、零污染，产品还广泛应用于道路、景观、小区照明及监控、通讯基站、船舶等领域。风光互补路灯具有不需铺设输电线路，不需开挖路面埋管，不消耗电能等特点，其独特的优势在城市道路建设、园林绿化等市政照明领域十分突出。全国各地已将风光互补照明系统纳入了市政道路照明设计范畴，并开始大规模应用推广。晴天光照强，阴雨天风力较大；夏天太阳照射强，冬天风力较大，利用太阳能和风能的互补性，通过路灯的太阳能和风能发电设备集成系统供电，白天储存电能，晚上通过智能控制系统实现路灯供电照明。1.3太阳能、风能的介绍1.3.1太阳能的介绍和应用太阳能是由内部氢原子发生聚变释放出巨大核能而产生的能，来

20、自太阳的辐射能量。人类所需能量的绝大局部都直接或间接地来自太阳。煤炭、石油、天然气等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代演变形成的。此外，水能、风能等也都是由太阳能转换来的。地球本身蕴藏的能量通常指与地球内部的热能有关的能源和与原子核反响有关的能源。太阳能，一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用作发电。自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为保存食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。但在化石燃料减少下，才有意把太阳能进一步开展。太阳能的利用有被动式利用光热转换和光电转换两种方式。太阳能发电一种新兴的可再生能源。广义上的太阳能是地球上许多能量的来

21、源，如风能、化学能、水的势能等等。利民太阳能发电有两大类型：一类是太阳光发电亦称太阳能光发电，另一类是太阳热发电亦称太阳能热发电。太阳能光发电是将太阳能直接转变成电能的一种发电方式。它包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电四种形式，在光化学发电中有电化学光伏电池、光电解电池和光催化电池。太阳能热发电是先将太阳能转化为热能，再将热能转化成电能，它有两种转化方式。一种是将太阳热能直接转化成电能，如半导体或金属材料的温差发电，真空器件中的热电子和热电离子发电，碱金属热电转换，以及磁流体发电等。另一种方式是将太阳热能通过热机如汽轮机带动发电机发电，与常规热力发电类似，只不过是其热能不是来自燃

22、料，而是来自太阳能。照射在地球上的太阳能非常巨大，大约40分钟照射在地球上的太阳能，足以供全球人类一年能量的消费。可以说，太阳能是真正取之不尽、用之不竭的能源。而且太阳能发电绝对干净，不产生公害。所以太阳能发电被誉为是理想的能源。1.3.2 风能的介绍和应用风能是太阳能的一种转化形式。风是地球上的一种自然现象，它是由太阳辐射热引起的。太阳照射到地球外表，地球外表各处受热不同，产生温差，从而引起大气的对流运动形成风。风能就是空气的动能，风能的大小决定于风速和空气的密度。据估计到达地球的太阳能中虽然只有大约2%转化为风能，但其总量仍是十分可观的。全球的风能约为2.74X109MW，其中可利用的风能

23、为2X107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。空气流动所形成的动能及为风能。利用风来产生电力所需的本钱已经降低许多，即使不含其他外在的本钱，在许多适当地点使用风力发电的本钱已低于燃油的内然机发电了。风力发电年增率在2002 年时约25%，现在那么是以38%的比例快速成长。2003年美国的风力发电成长就超过了所有发电机的平均成长率。自2004 年起，风力发电更成为在所有新式能源中已是最廉价的了。在2005 年风力能源的本钱已降到1990年代时的五分之一，而且随着大瓦数发电机的使用，下降趋势还会持续。目前，根据行业杂志?风能世界?载录，中国市场最热的可再生能源，比方风能、太阳能等产业

24、。风能资源那么更具有可再生、永不枯竭、无污染等特点，综合社会效益高。而且，风电技术开发最成熟、本钱最低廉。根据“十一五国家风电开展规划，2021年全国风电装机容量到达500万千瓦，2021年全国风电装机容量到达3000万千瓦。而2006年底，全国已建成和在建的约91个风电场，装机总容量仅260万千瓦。可见，风机市场前景诱人，开展空间广阔。根据发改委能源研究所探测计算，中国陆地70米高度3级及3级以上风能技术开发量超过26亿千瓦，在现有风电技术条件下实际可装机容量将超过10亿千瓦，另外水深不超过50米的近海海域风电实际装机容量大致在5亿千瓦左右。2021年国内累计装机不到1亿千瓦，可见国内在现有

25、风电技术条件下，大规模开展风电的前景依然巨大。表1-1中国陆地和近海风能资源潜在开发量地狱总面积平方千米风能资源潜在开发量亿千瓦陆地约96026海上水深5-5-米，高度100米39.45资料来源：产业信息网整理1.4 课题背景及意义在当今随着现代文明的日益开展，人们的生活中也越来越多的需要能源。大到工业生产所需的能源，小到人们的日常生活，虽然能量形式不一，但追奔溯源还是利用地球上的自然资源。但这些资源却并不是取之不尽用之不竭的，煤炭，石油，天然气，这些蕴藏在地球上的自然资源是经过数亿年自然界古生物对太阳能的积累才形成的。然而在人类工业化的几百年时间里，这些资源就已经趋于枯竭。在人类工业化，现代

26、的同时，不仅消耗了大量的能源，还造成了环境的污染。温室效应，酸雨，臭氧层空洞这些灾害都是伴随人类的开展而产生的。因此绿色能源环保等新概念因运而生，人开始保护环境，节约资源。但是节约资源并不等于创造资源，像化石能源就是不可再生资源。而现代工业又过分依赖于这些不可再生能源，因此开发一种绿色可再生能源来取代这些不可再生能源是人类当前研究的新课题。在绿色可再生能源利用方面，出现了风能，水力能，潮汐能等等，但追本溯源这些能量均来自太阳能。于是在太阳能方面人类开始有了研究。为弥补太阳能发电在阴天，晚间时不能发电等缺乏之处，采用风光互补发电系统。风力机可以在太阳能发电效果不好时补充功率输出，如果二者都能够正

27、常工作，会输出更多的能量，给蓄电池和负载提供足够的能量，使发电效果相对于独立的风能发电、太阳能发电更好，更实用，对环境的适应性也更强。第二章 风光互补发电系统分析整个系统由能量产生环节、能量储存环节、能量消耗环节三局部组成。系统采用微处理器对输入端、输出端、蓄电池和负载等进行跟踪检测、控制，同时显示各点参数值。系统中主要局部电路是由系统由风力发电机、太阳能输入控制电路，充电控制电路，油机输入交/直流变换电路，CPU控制检测保护电路，输出直流变换高频开关和逆变交流电路等五大局部电路组成。以风力发电机和太阳能硅板为供电源，充分利用自然能源互补进行设计。风力发电机输出的交流电，经控制调节电路变换为直

28、流电和太阳能光电转换输出的直流电，通过直流模块及外围电路，将电压调整为额定输入电压，一并送到充电控制电路中。从而将风力发电机和太阳能硅板输出额定电压，通过模块钳位在蓄电池的正常充电电压范围内，给蓄电池进行充电储存。同时作为辅助备用电源，柴油发电机，可在自然资源欠缺情况下发送交流电，经过AC/DC模块变换电路，对蓄电池进行补充充电。2.1系统组成一套完整的风光互补发电系统应由发电局部、控制局部、负载局部、蓄电池和泄荷单元等组成。如图2.1所示：太阳能电池板风力发电机风光互补控制部件蓄电池组负载220V图2.1风光互补发电系统组成框图另外，为了增强系统供电的不间断性，可以考虑引入后备柴油机，后备柴

29、油机的选配很大程度上还是根据当地的风力、日照资源条件确定的。一般情况下，适当地增大风力机、光伏阵列或蓄电池的容量完全可以免去柴油机，这些都是系统优化设计时考虑的问题，在此不作过多的讨论。本文论述的风光互补发电系统不包含柴油机。2.2太阳能发电模块2.2.1太阳能电池板的开展简介 太阳能是地球上重要的清洁能源，在太阳能利用的方面首先使用的是太阳能所提供的热能，如太阳能炉灶，热水器等等。其次在太阳能转换成电能方面，如在上世纪五十年代，在太阳能技术开展史上有两项重大技术突破：一个是在美国贝尔实验室研制出转换效率只有6的单晶硅太阳能电池，尽管转换效率只有6%但是已经初步具有实用价值，另一个是1955年

30、在以色列提出的选择性吸收外表概念和理论，依据这个理论研制出了选择性太阳吸收涂层。这两项重大技术突破对此后太阳能的开展和利用具有重要意义，并为现代太阳能技术开展奠定了技术根底。此后自上世纪七十年代以来，由于世界能源危机，加之工业开展带来的越来越多的环境污染。迫于环境和能源压力人们开始研究太阳能和新型可再生能源。终于在1973年世界上一些国家开始制定政府级太阳能方案，这其中有美国的阳光发电方案，并于1980年把太阳能发电方案列入公共电力规划，投入资金累计多达8亿美元。在日本七十年代也制定了阳光方案，并于1993年把“月光方案节能方案、“环境方案、“阳光方案合并成“新阳光方案。此外还有德国以及欧盟等

31、一些国家以及一些开展中国家也相继制定了自己的太阳能方案。而在我国，自“六五以来中国政府就把研究和开发太阳能以及可再生能源技术列入国家科技攻关方案，这一举措促进了我国太阳能和可再生能源技术和产业的开展。太阳能发电原理 太阳能发电是利用太阳能电池板的光伏特效应进行发电的。光伏效应又称广生伏特效应，是指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。太阳能电池板所采用的材料是一种特殊的半导体，它导电性介于导体和绝缘体之间。半导体的组成原子也是由带正电的原子核和带负电的电子构成。半导体的硅原子外层有4个电子，正常情况下他们会按固定轨道围绕硅原子核转动。当受到外界扰动时，这些外层电子

32、会获得能量，从而溢出所在轨道而成为自由电子，而在原来的轨道上就会出现上一个空位，这个空位被称为“空穴。在纯洁的硅晶体中，是没有自由电子的，也就是说自由电子和空穴的数目是相等的。但在硅晶体中掺入硼、镓等元素后，由于这些元素具有俘获电子的能力，在参杂硅晶体中会形成“空穴，此时晶体就有一定的导电能力了，这时的晶体被称为空穴型半导体，用符号P代表。假设掺入的是能够释放电子的磷、砷等元素，它就成了电子型半导体，以符号N代表。当把这两种半导体结合时，在交界面上会形成一个P-N结。P-N结像栅栏一样，阻碍着电子和空穴的移动。当这种晶体受到阳光照射时，电子获得光能，向N区移动，使N区带负电，同时空穴向P区移动

33、，使P区带正电。这样一来，在PN结的两侧会产生电动势，我们把这种现象称为“光生伏打效应。当把P层和N层用金属引线引出连接到负载上时，就会在外部负载上获得电流和电压。再把多个这样的P-N结串联或并联，以满足不同的需要，这样就构成了太阳电池板。太阳能电池板图如下所示：图2.2 太阳能电池板光伏电池的理想等效电路模型和实际电路模型如图2.3所示： a理想模型 (b)实际模型图2.3 等效电路模型太阳能电池板的相关参数1光电转换效率% 评估太阳电池好坏的重要因素。 目前：实验室 24%，产业化： 15%；本课题采用前者2单体电池电压V：0.4V0.6V由材料物理特性决定。 .3填充因子FF%评估太阳电

34、池负载能力的重要因素。 FF=(ImVm)/(IscVoc) ；其中：Isc短路电流，Voc开路电压，Im最正确工作电流，Vm最正确工作电压；4.标准光强与环境温度地面AM1.5光强，1000W/m2 ，t = 25； 5温度对电池性质的影响例如：在标准状况下,AM1.5光强，t=25某电池板输出功率测得为100Wp,如果电池温度升高至45时，那么电池板输出功率就不到100Wp。光伏电池的伏安特性 太阳能电池板由多个单光伏电池串并联而成，为了更高的理解太阳能电池板发电系统，我们首先对光伏电池的伏安特性进行分析。在实际情况下，参加旁路电阻和串并联电阻，光伏电池向外提供的电流可以用公式2.1所表示

35、： (2.1)其中，n是二级管理想因子，Vth=KT/q为温度电势。它的伏安特性曲线如图2.4所示：图2.4 光伏电池伏安特性曲线 当太阳能电池板短路时，即负载V=0时，电流为短路电流Isc，当电路开路时，I=0，电压为开路电压Voc.当太阳能电池两端的电压从0上升时，在光伏恒定的条件下，太阳能电池板的输出电流几乎不变，输出功率不断增加。当电池电压增到一定值时，输出电流又开始变小，输出功率到达一个最大值，即最大功率点，之后随着电池电压的升高，输出电流和功率都不断变小，最后输出电流减为0.，输出电压到达最大值开路电压。太阳能电池的伏安特性还与温度有关，随着温度的上升，开路电压减小，在最大功率点的

36、典型温度系数为-0.4%/。2.2.5太阳能电池板发电量的计算太阳能电池板输出功率跟光照强度、温度、工作电压和放置斜角有关，太阳能电池板的发电量可通过如下方式计算：假设太阳能电池板可以通过电压控制工作在相应光照强度下的最正确工作点，不计温度影响，那么每天的发电量可以表示为：Wpva=N*Vpv*Ipv*E*Tv (2.2)其中N为太阳能电池板的数量，Vpv和Ipv为相应光照下的最正确工作电压和电流，E代表损失因子，Tv为日照有效时间。在实际计算时，需要根据本地的光照强度和选择的太阳能电池板的元器件的输出特性来确定最正确工作点。2.3 风力发电工作原理2.3.1风资源概述1.风的起源风就是水平运

37、动的空气，空气运动主要是由于地球上各纬度所接受的太阳辐射强度不同而形成的。大气的流动也像水流一样，是从压力高处往压力低处流，太阳能正是形成大气压差的原因。由于地球自转轴与围绕太阳的公转轴之间存在665的夹角，因此对地球上不同地点太阳照射角度是不同的，而且对同一地点一年中这个角度也是变化的。地球上某处所接受的太阳辐射能与该地点太阳照射角的正弦成正比。2.风的参数风向和风速是两个描述风的重要参数。风向是指风吹来的方向，如果风是从东方吹来就称为东风。风速是表示风移动的速度即单位时间内空气流动所经过的距离。风速是指某一高度连续10min所测得各瞬时风速的平均值。一般以草地上空10m高处的10min内风

38、速的平均值为参考。风玫瑰图是一个给定地点一段时间内的风向分布图。通过它可以得知当地的主导风向。3.风能的根本情况表 2-2 中国风能分区及占全国面积的百分比指标丰富区较丰富区可利用区贫乏区年有效风能密度W/m2 200200-150150-5050005000-40004000-200022002200-15001500-350350占全国面积的百分比8185024 eq oac(,1)风能的特点风能的特点主要有：能量密度低、不稳定性、分布不均匀、可再生、须在有风地带、无污染、分布广泛、可分散利用、另外不须能源运输、可和其它能源相互转换等。 eq oac(,2)风能资源的估算风能的大小实际就是

39、气流流过的动能，因此可以推导出气流在单位时间内垂直流过单位截面积的风能，即风功率为 式中 为风能(w)；为空气密度(kg/m)；为风速(m/s)。由于风速是一个随机性很大的量，必须通过一段时间的观测来了解它的平均状况，一个地方风能潜力的多少要视该地常年平均风能密度的大小。因此需要求出在一段时间内的平均风能密度，这个值可以将风能密度公式对时间积分后平均来求得。在风速V的概率分布p(V)知道后，平均风能密度还可根据下式求得 (2.3) 2.3.2 风轮机的理论图2.5 风力发电简单原理图风轮机又称为风车，是一种将风能转换成机械能、电能或热能的能量转换装置。风轮机的类型很多通常将其分为水平轴风轮机垂

40、直轴风轮机和特殊风轮机三大类。但应用最广的还是前两种类型的风轮机。风力发电机的结构与组成1.风力发电机的分类风力发电机组是将风能转化为电能的装置，按其容量分可分为：小型10kw以下、中型10100kw和大型100kw以上风力发电机组。按主轴与地面相对位置又可分为：水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组。水平轴风力发电机是目前世界各国风力发电机最为成功的一种形式，主要优点是风轮可以架设到离地面较高的地方，从而减少了由于地面扰动对风轮动态特性的影响。它的主要机械部件都在机舱中，如主轴、齿轮箱、发电机、液压系统及调向装置等。而生产垂直轴风力发电机的国家很少，主要原因是垂直轴风力发电机效率低，需启动设

41、备，同时还有些技术问题尚待解决。在本文中以后不做特殊说明时所指的风力发电机组即为大中型的水平轴风力发电机组。2.水平轴风力发电机的结构大中型风力发电机组是由叶片、轮毂、主轴、增速齿轮箱、调向机构、发电机、塔架、控制系统及附属部件机舱机座回转体制动器等组成的。(1)机舱机舱包含着风力发电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机等。 (2)风轮叶片安装在轮毂上称作风轮，它包括叶片、轮毂、主轴等。风轮是风力发电机接受风能的部件。叶片是风力发电机组最关键的部件，现代风力发电机上每个转子叶片的测量长度大约为20米叶片数通常为2枚或3枚，大局部转子叶片用玻璃纤维强化塑料GRP制造。叶片可分为变浆距和定浆距两种叶片

42、，其作用都是为了调速，当风力到达风力发电机组设计的额定风速时，在风轮上就要采取措施，以保证风力发电机的输出功率不会超过允许值。轮毂是连接叶片和主轴的零部件。轮毂一般由铸钢或钢板焊接而成，其中不允许有夹渣、砂眼、裂纹等缺陷，并按桨叶可承受的最大离心力载荷来设计。主轴也称低速轴，将转子轴心与齿轮箱连接在一起，由于承受的扭矩较大，其转速一般小于50r/min，一般由40Cr或其他高强度合金钢制成。3增速器增速器就是齿轮箱，是风力发电机组关键部件之一。由于风轮机工作在低转速下，而发电机工作在高转速下，为实现匹配采用增速齿轮箱。使用齿轮箱可以将风电机转子上的较低转速、较高转矩转换为用于发电机上的较高转速

43、、较低转矩。4联轴器增速器与发电机之间用联轴器连接，为了减少占地空间，往往联轴器与制动器设计在一起。5制动器制动器是使风力发电机停止转动的装置，也称刹车。6发电机发电机是风力发电机组中最关键的部件，是将风能最终转变成电能的设备。发电机的性能好坏直接影响整机效率和可靠性。大型风电机100-150千瓦通常产生690伏特的三相交流电。然后电流通过风电机旁的变压器或在塔内，电压被提高至1-3万伏，这取决于当地电网的标准。风力发电机上常用的发电机有以下几种： 直流发电机，常用在微、小型风力发电机上。 永磁发电机，常用在小型风力发电机上。现在我国已经创造了交流电压440/240V的高效永磁交流发电机，可以

44、做成多对极低转速的，特别适合风力发电机。 同步或异步交流发电机，它的电枢磁场与主磁场不同步旋转，其转速比同步转速略低，当并网时转速应提高。 7塔架塔架是支撑风力发电机的支架。塔架有型钢架结构的，有圆锥型钢管和钢筋混凝土的等三种形式，风电机塔载有机舱及转子。 8调速装置风速是变化的，风轮的转速也会随风速的变化而变化。为了使风轮运转所需要额定转速下的装置称为调速装置，调速装置只在额定风速以上时调速。目前世界各国所采用的调速装置主要有以下几种： eq oac(,1)可变浆距的调速装置； eq oac(,2)定浆距叶尖失速控制的调速装置； eq oac(,3)离心飞球调速装置； eq oac(,4)空

45、气动力调速装置； eq oac(,5)扭头、仰头调速装置。9调向偏航装置调向装置就是使风轮正常运转时一直使风轮对准风向的装置。借助电动机转动机舱以使转子正对着风。偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。通常在风改变其方向时，风电机一次只会偏转几度。2.4蓄电池2.4.1蓄电池的选择根据负载选择适宜功率的蓄电池，它具有放电功率大、充电更迅速、循环寿命长、重量轻、性能可靠、均衡等优点，蓄电池完成电能的储存及负载的供电。本系统蓄电池的充电采用阶段充电法。综合了恒压充电和恒流充电两种充电方法有效地防止了这两种充电方法的缺乏。泄荷器的作用是：当蓄电池已被充满，系统发电量大于负载用电

46、量时，即发电量过剩时，为防止蓄电池过充和确保逆变器正常工作，充电电路受泄荷控制电路接通泄荷器，将多余的电能通过泄荷器消耗掉。蓄电池在系统中起到能量调节和平衡负载两大作用。在常用的蓄电池中，主要有铅酸蓄电池、碱性几镍蓄电池和铁镍蓄电池。其中铅酸蓄电池价格低廉、性图2.6 铅蓄电池实物图能可靠、平安性高，且技术上又不断进步和完善，是目前我国风光互补系统中主要选用的储能装置。本文讨论的风光互补发电系统也选用铅酸蓄电池作为储能装置。2.4.2 蓄电池的原理铅蓄电池由正极板群、负极板群、电解液和容器等组成。充电后的正极板是棕褐色的二氧化铅PbO2，负极板是灰色的绒状铅Pb，当两极板放置在浓度为27%37

47、%的硫酸(H2SO4)水溶液中时，极板的铅和硫酸发生化学反响，二价的铅正离子Pb2+转移到电解液中，在负极板上留下两个电子(2e-)。由于正负电荷的引力，铅正离子聚集在负极板的周围，而正极板在电解液中水分子作用下有少量的二氧化铅PbO2渗入电解液，其中两价的氧离子和水化合，使二氧化铅分子变成可离解的一种不稳定的物质氢氧化铅PbOH4。氢氧化铅由4价的铅正离子Pb4+和4个氢氧根4OH-组成。4价的铅正离子Pb4+留在正极板上，使正极板带正电。由于负极板带负电，因而两极板间就产生了一定的电位差，这就是电池的电动势。当接通外电路，电流即由正极流向负极。在放电过程中，负极板上的电子不断经外电路流向正

48、极板，这时在电解液内部因硫酸分子电离成氢正离子H+和硫酸根负离子SO42-，在离子电场力作用下，两种离子分别向正负极移动，硫酸根负离子到达负极板后与铅正离子结合成硫酸铅(PbSO4)。在正极板上，由于电子自外电路流入，而与4价的铅正离子Pb4+化合成2价的铅正离子Pb2+，并立即与正极板附近的硫酸根负离子结合成硫酸铅附着在正极上。铅酸蓄电池用填满海绵状铅的铅板作负极，填满二氧化铅的铅板作正极，并用1.28%的稀硫酸作电解质。在充电时，电能转化为化学能，放电时化学能又转化为电能。电池在放电时，金属铅是负极，发生氧化反响，被氧化为硫酸铅；二氧化铅是正极，发生复原反响，被复原为硫酸铅。电池在用直流电

49、充电时，两极分别生成铅和二氧化铅。移去电源后，它又恢复到放电前的状态，组成化学电池。铅蓄电池是能反复充电、放电的电池，叫做二次电池。它的电压是2V，通常把三个铅蓄电池串联起来使用，电压是6V。汽车上用的是6个2铅蓄电池串联成12V的电池组。铅蓄电池在使用一段时间后要补充蒸馏水，使电解质保持含有2228%的稀硫酸。放电时,正极反响为:PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e- = PbSO4 + 2H2O负极反响: Pb + SO42- - 2e- = PbSO4总反响: PbO2 + Pb + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O (向右反响是放电,向左反响是充电)2.5负载负载

50、是整个供电系统的能源消耗环节。负载特性分析对整个供电系统有很重要的意义。一方面，负载特性分析对系统优化设计时各个设备的选型匹配有举足轻重的影响，这在风光互补发电系统的设计环节有较详细的论述，本文不做过多讨论;另一方面，负载的特性对运行控制的方式也有决定性的作用，例如，需要根据负载的优先级别合理分配蓄电池的剩余能量。第三章 风光互补发电控制系统的分析3.1 硬件系统控制通过上述主要控制电路看出，风光互补发电系统的运行控制是一个较复杂的过程控制，我们可以采用工业上较为成熟的过程控制技术对该系统的运行状况进行监测控制和优化管理。在风光系统中，最难掌握的就是将风能和太阳能进行优化控制，这就需要单片机和

51、微计算机相互调节，使之平衡，到达稳定和持续的目的。由于被控对象不同，且过程控制中的被检测参数也千差万别，单片机组成的控制系统也不尽相同。在操作控制系统中，单片机的输出不直接用来控制生产对象，而只是对系统的过程参数进行收集、加工处理，然后输出数据。操作人员根据这些数据进行必要的操作。在风光互补控制系统中针对单片机控制主要是直接数字控制系统和计算机监督系统的结合。3.2 直接数字控制系统直接数字控制系统Direct Digital Control，简称DDC 系统，就是利用单片机对多个被控参数进行巡回检测，将检测结果与设定值进行比拟，然后按照一定的方法进行控制计算，使被控参数稳定在给定值。操作指控和计算机显示打印操作人员生产过程A/D转换多路开关检测元件管理命令报告图3.1 直接数字控制系统原理图3.3 计算机监督系统计算机监督系统 Supervisory ConpuerControl,简称SCC 系统。在CC 系统中，由监督计算机收集单片机采集到的系统控制参数，按照描述生产过程的属性模型计算出最正确的控制参数给顶值传送给DDC 系统单片机，对系统过程进行最优控制。如图2A/D转换多路开关生产过程检测元件多路开关A/D转换人工监督单片机给定值图3.2 计算机监督系统原理图3.4系统的设计结合风光互补发电系统的运行控制特点，我们采用类似SCC 控制系统的方案对发电系统进