小型離網(wǎng)風力發(fā)電照明系統(tǒng)

薛丹丹，王金龍，孫強，嚴春光

摘 要：隨著環(huán)境問題的日益突出，能源供應(yīng)的漸趨緊張，對可再生能源的開發(fā)利用顯得至關(guān)重要。風能是一種清潔的綠色能源能源，風力發(fā)電在當今許多國家已廣泛采用。 風力發(fā)電清潔無污染，施工周期短，投資靈活，占地少，具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益。本文主要從以下幾方面對風力發(fā)電系統(tǒng)進行了研究： 1. 小型風力發(fā)電系統(tǒng)的選型。2. 離網(wǎng)風力發(fā)電系統(tǒng)在照明方面上的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：風力發(fā)電；離網(wǎng)；照明

1 小型風力發(fā)電系統(tǒng)

1.1 風力機的主要部件

水平軸風力機主要由風輪、塔架、對風裝置、齒輪箱組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1-1所示：

（1）風輪：由1～3個葉片組成，這是吸收風能的主要部件。當風輪旋轉(zhuǎn)時，葉片受到離心力和氣動力的作用，離心力對葉片是一個拉力，而氣動力使葉片彎曲。當風速高于風力機的設(shè)計風速時，為防止葉片損壞，需對風輪進行控制。

控制風輪有三種方法：a，使風輪偏離主方向；b，改變?nèi)~片角度；利用擾流器，產(chǎn)生阻力，以降低風輪轉(zhuǎn)速。

（2）塔架：為了讓風輪能在較高的風速中運行，需要塔架把風輪支撐起來。這時塔架需要承受兩個主要的載荷：一個是風力機的重力，向下壓在塔架上；另一個是阻力，使塔架向風的下游方向彎曲。選擇塔架時要必須考慮其成本，根據(jù)實際情況而定。

（3）對風裝置：自然界的風向及風速一直變化，為了得到較高的風 能利用率，應(yīng)使風能的旋轉(zhuǎn)面經(jīng)常對準風向為此需要對風裝置。本論文只介紹小型風力機的對風裝置，如圖1-2所示，利用尾舵控制對風。由尾翼帶東水平軸旋轉(zhuǎn)，是風輪總朝向風吹來的方向。

圖1-1風力機整體結(jié)構(gòu)

圖1-2對風裝置

（4）齒輪箱

由于風輪的轉(zhuǎn)速比較低，而且風力的大小經(jīng)常變化著，這又使得轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定。所以，在帶動發(fā)電機之前，還必須附加一個齒輪箱，再加一個調(diào)速裝置使得轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定，然后在連接到發(fā)電機上。齒輪箱的主要作用是將風輪在風力作用下所產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機，通過齒輪的增速作用使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。在裝機是應(yīng)使其與輪轂相連。為了增加齒輪箱的制動能力，在齒輪箱的輸入端或輸出端設(shè)置剎車裝置配合葉尖制動裝置實現(xiàn)聯(lián)合制動。

1.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的功能是對整機運行狀態(tài)進行控制，即風力發(fā)電機從一種運行狀態(tài)到另一種運行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過渡過程的控制。風力發(fā)電機的組件多、體積大且相互關(guān)聯(lián)緊密，所以對控制系統(tǒng)的可靠性、安全性有較高的要求。大型風力發(fā)電機的控制系統(tǒng)是一個很復(fù)雜的微型計算機控制系統(tǒng)，包含若干子系統(tǒng)，安裝在控制箱或控制柜內(nèi)。

1.3 逆變器

能夠使用電池等的直流電壓的負載不多。逆變器就是將直流電流轉(zhuǎn)換為交流電的裝置。

1.4 卸荷電阻

主要作用是為了防止蓄電池過充， 也有一定的限速的作用，相當于負載量增大了。

1.5 蓄電池

在獨立運行的小型風力發(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風力較強或用電負荷減小時，可以將來自風力發(fā)電機發(fā)出的電能中的一部分儲存在蓄電池中，也就是向蓄電池充電；當風力較弱、無風或者用電負荷增大時，儲存在蓄電池中的電能向負荷供電，以彌補風力發(fā)電的不足，達到維持向負荷持續(xù)穩(wěn)定供電的目的。本系統(tǒng)采用的是鉛蓄電池。

1.6 氣象系統(tǒng)

氣象系統(tǒng)提供當?shù)貙崟r風速、風向、濕度、大氣壓強，風速風向儀高度和風輪中心等高，本文實驗主風向偏西北。

1.7 控機組態(tài)

1）向管理層提供各電廠經(jīng)營報表，為決策提供數(shù)據(jù)支持。

2）向合資合作伙伴提供其所投資的電廠的運行數(shù)據(jù)。

3）向技術(shù)部門提供風機運行以及變電站的各類指標，通過技術(shù)圖表對風機及變電站運行情況進行分析。

4）向運行維護部門提供有關(guān)風機及變電站的各類故障報警信息，以及歷次維修記錄。并提供有關(guān)風廠的運行維護類各種報表統(tǒng)計。

5）通過集團監(jiān)控室大屏幕向來訪投資者展示集團運行電廠的各種主要信息。

2 離網(wǎng)風力發(fā)電在照明系統(tǒng)中的應(yīng)用

在本實驗中已有2KWAC120V三相永磁發(fā)電機，本論文將研究風力發(fā)電量供給蓄電池，給AC220V23W節(jié)能燈提供照明，利用蓄電池的帶載時間來計算電量。

2.1 風力發(fā)電的原理

風力發(fā)電是利用風能來發(fā)電，而風力發(fā)電機組是將風能轉(zhuǎn)化為電能的機械。風輪是風電機組最主要的部件，由槳葉和輪轂組成。槳葉具有良好的動力外形，在氣流的作用下能產(chǎn)生空氣動力是風輪旋轉(zhuǎn)，將風能轉(zhuǎn)化為機械能，再通過齒輪箱增速驅(qū)動發(fā)電機，將機械能轉(zhuǎn)化電能。然后在依據(jù)具體要求需要，通過適當?shù)淖儞Q將其存儲為化學能或者并網(wǎng)或者直接為負載供電。

2.2 風力發(fā)電的運行方式

主要有兩種：一類是獨立運行的供電系統(tǒng)，即在電網(wǎng)未通達的地區(qū)，用小型發(fā)電機組為蓄電池充電，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)運行。本論文討論的是前者，即獨立運行風電系統(tǒng)的解決方案。

系統(tǒng)概述

圖1-3獨立運行的風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

上圖1-3為小型風力發(fā)電系統(tǒng)的一般工作結(jié)構(gòu)圖。風力吹動風輪轉(zhuǎn)動，將風能轉(zhuǎn)化為機械能，通過發(fā)電機的工作，產(chǎn)生電能。將發(fā)電機發(fā)出的電能用儲能設(shè)備儲存起來（一般用蓄電池）需要時再提供給負載，并可以通過整流，逆變裝置將發(fā)電機輸出電能進行交直流變換，適應(yīng)負載的需要。

系統(tǒng)設(shè)備的具體功能介紹：

（1）風力機：把風能轉(zhuǎn)換為機械能。

（2）發(fā)電機：發(fā)電機直接與風力機相連，由風機帶動向外發(fā)電。

（3）電力電子接口：包括功率調(diào)節(jié)器和充放電控制器，位于風力發(fā)電機和負載之間。

（4）蓄電池：系統(tǒng)的儲能裝置，將系統(tǒng)產(chǎn)生的電能存儲起來，在無風時釋放能量。

（5）逆變器和負載：實現(xiàn)直流電轉(zhuǎn)換為交流電，供交流負載使用。

2.3 風力機的氣動原理

風力發(fā)電機組主要利用氣動升力的風輪。氣動升力是由飛行器的機翼產(chǎn)生的一種力，如圖1-4。

圖1-4氣動升力圖

從圖可以看出，機翼翼型運動的氣流方向有所變化，在其上表面形成低壓區(qū)，在其下表面形成高壓區(qū)，產(chǎn)生合力方向向上，并垂直于氣流方向，產(chǎn)生升力。同時也產(chǎn)生阻力，風速也會有所下降。升力總是推動葉片繞中心軸轉(zhuǎn)動。

2.4 蓄電池的選擇

蓄電池是風能儲能的裝置。蓄電池把從風力機組發(fā)出的電能以化學能的形式儲存起來。使用時又把化學能轉(zhuǎn)化為電能，一般采用鉛酸膠體閥控蓄電池。本套2KW風能離網(wǎng)系統(tǒng)采用8節(jié)12V150AH的蓄電池，由4個蓄電池串聯(lián)成一組電壓48V，然后由2組蓄電池并聯(lián)，采用四個配電柜來裝蓄電池，控制器和逆變器。

2.5 蓄電池設(shè)計方法

蓄電池的設(shè)計思想是保證在風機轉(zhuǎn)速連續(xù)低于平均值的情況下負載仍可以正常工作。同時為了避免蓄電池的損壞，蓄電池的放電過程只能夠允許持續(xù)一定的時間，直到蓄電池的 負荷狀態(tài)到達指定的危險值。為了量化評估這種風機轉(zhuǎn)速連續(xù)低于平均值的狀況，在進行蓄電池設(shè)計時，給出一個重要的參數(shù)：自給天數(shù)，即系統(tǒng)在沒有任何外來能源的情況下負載仍能正常工作的天數(shù)。這個參數(shù)讓系統(tǒng)設(shè)計者能夠選擇所需使用的蓄電池容量大小。一般來講，自給天數(shù)的確定與兩個因數(shù)有關(guān)：負載對電源的要求程度；風機系統(tǒng)安裝地點的最大連續(xù)弱風或無風情況作為系統(tǒng)設(shè)計中使用的自給天數(shù)，但還有綜合考慮負載對電源的要求。對于負載對電源要求不是很嚴格的風電應(yīng)用系統(tǒng)，我們在設(shè)計中通常取自給天數(shù)為1～2天。對于負載要求很嚴格的風電應(yīng)用系統(tǒng)，我們在設(shè)計中通常取自給天數(shù)為3～5天。所謂負載要求不嚴格的系統(tǒng)通常是指設(shè)計者可以改變負載的使用情況，以適應(yīng)天氣情況對系統(tǒng)電力的壓力。另負載要求嚴格的系統(tǒng)指的是用電負載比較重要。

2.6 系統(tǒng)帶載工作

1）8節(jié)12V150AH鉛酸膠體蓄電池存儲量為12V*150*8=14.4KWH，蓄電池不可能放空，實際放電量為70%也就是14.4*70%=10KWH加上逆變器效率為90%，節(jié)能燈功率因數(shù)不大于80%，實際可用電量10*90%*80%=7.3KWH，本系統(tǒng)帶載16盞AC220V/23W節(jié)能燈，實際功率23*16=368W，因為節(jié)能燈是感性負載啟動時瞬時功率的4-7倍，我們?nèi)∷矔r啟動5倍計算，那么370/220*5=8.4A，離網(wǎng)逆變器是有限元，雖然是2kw是針對阻性負載的，是視在功率，而離網(wǎng)系統(tǒng)沒有調(diào)功能力，有的負載有功功率有時因感性和容性性質(zhì)不同，所以離網(wǎng)逆變器雖然是2kw帶載能力，設(shè)計會因負載的性質(zhì)不同要加以計算，否則用戶用電會時常故障。

2）帶載時間計算：7300/370*0.75（感性負載功率因數(shù)）14.8小時也就是說在蓄電池充滿的狀態(tài)下帶走廊燈最長時間為14.8小時。當然在有風的時候，如果風機在運行，一邊充電一邊用電，用電時間隨著風力資源的好壞，用電量會有所延長。

3）補充：

風機在發(fā)電，負載同時用電，我們觀察發(fā)電機采集表3432B和控制器直流采集表3414DT所記錄兩個功率之間有時差距很大，不是表不準，有負載時應(yīng)該是發(fā)電機的電流加上負載電流，但發(fā)電機的功率大于負載功率時，發(fā)電機所發(fā)的電一邊向負載供電，一邊向蓄電池供電；當發(fā)電機的功率等于負載功率時，不充電，蓄電池的作用只對發(fā)電機的電壓只起到鉗位功能，此時叫浮充；當發(fā)電機的功率小于負載功率時，不夠的部分電量從蓄電池里取電，這個過程是動態(tài)變化的，變化的只是電流，而電壓是恒定的，這就是離網(wǎng)風力、太陽能光伏發(fā)電的特點。如果把蓄電池比喻做個大的水池（水池足夠大），支流的來水和流出去的水量短時間不會改變水位的變化，這和我們的原理相同。

3 結(jié)論

當前新能源應(yīng)用技術(shù)越來越受到世界各國的普遍重視，不斷開發(fā)出性價比更高，工作效率更高的風力發(fā)電機越來越重要。因而，在研究開發(fā)以及推廣改進風力發(fā)電機的工作工程中，對風機發(fā)電性能進行測試，掌握準確性能，并對離網(wǎng)風電系統(tǒng)使用環(huán)節(jié)進行控制是十分必要的。

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