新型风光互补发电系统设计Word文档格式.docx
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目前在众多可再生能源与新能源技术开发中，发展最成熟、最具规模化开发条件和商业化发展前景，最具竞争力、潜力最大的就是风力发电（以下简称为风电）和太阳能发电（以下简称光伏发电）。
尽管风电的发展面临着重重困难，但是随着社会和科技的发展，以及考虑到我国的具体国情，大力发展风电将是我国能源结构的必然发展方向，我国风电将具有一个美好的发展前景。
（1）必要性
我国具有丰富的风能资源，这为发展我国的风电事业创造了十分有利的条件。
但就我国目前电力事业而言，火力发电仍是我国的主力电源。
以燃煤为主的火电厂，正在大量排放C02和S02等污染气体，这对我国的环保极为不利。
而发展风电，一方面有利于我国电源结构的调整，另一方面又有利于减少污染气体的排放而缓解全球变暖的威胁。
同时，又有利于减少能源进口方面的压力，对提高我国能源供应的多样性和安全性将做出积极的贡献。
（2）政策支持
由于风电场建设成本较高，加之风能的不稳定性，因而导致风电电价较高，而无法与常规的火电相竞争。
在这种情况下，为了支持发展风力发电，至今国家已经给予多方面政策支持，尤其是政府的特许经营政策，将极大地增强投资方的信心，吸引更多的技术力量和资金设备到风电的发展和研究上来。
（3）展望
风力发电是一个集计算机技术、空气动力学、结构力学和材料科学等综合性学科的技术。
我国有丰富的风能资源，因此风力发电在我国有着广阔的发展前景，而风能利用必将为我国的环保事业、能源结构的调整，对减少进口能源的依赖做出巨大贡献。
目前尽管有着各种各样的困难，但是随着科技的进步、政策资金以及投资方信心的增强，风电在开发、运行、管理方面都将取得进步和提高。
展望未来，随着风电机组制造成本的不断降低，化石燃料的逐步减少及其开采成本的增加，将使风电逐步增强市场竞争力，因此其发展前景将是十分良好的。
1.2课题研究的目的和意义
太阳能和风能是最普遍的自然资源，也是取之不尽的可再生能源。
太阳能与风能在时间上和季节上都有很强的互补性：
白天太阳光照好、风小，晚上无光照、风较强；
夏季太阳光照强度大而风小，冬季太阳光照强度弱而风大。
这种互补性使风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性。
另外，风力发电和光伏发电系统在蓄电池和逆变器环节上是可通用的。
风／光互补发电系统可根据用户用电负荷和自然资源条件进行最佳的合理配置，既可保证系统的可靠性，又能降低发电成本，满足用户用电需求。
本项目完成的意义在于：
1．由于目前全球的能源日益紧张，加之空气污染日趋严重，开发和利用绿色能源已成为全球的能源发展趋势。
为响应国家号召，节约能源，减少污染，开发和利用太阳能与风能势在必行，研究与之相应的技术显得十分必要。
2．随着绿色能源的开发利用，相应的从业人员日益增加，培养相关专业学生或为从业人员提供一个较为理想的实验实习场所，有必要开发相关实验，使之能够掌握常用风力发电和太阳能发电的工作原理、基本过程、操作流程和常见问题解决方案。
3．能够为相关教师或技术人员提供科研研究对象，并为相关研究方向的工程硕士从事相关研究预留空间；
同时兼顾校园景观。
1.3国内外研究现状
1.3.1国外研究现状
如今在全球的风能发展中，欧洲风能发电的发展速度很快。
德国的风电发展处于领先地位，其中风电设备制造业已经超越汽车制造业和造船业。
在近期德国制定的风电发展长远规划中指出，到2025年风电要实现占电力总用量的25％，到2050年实现占用量的50％的目标。
德国政府正在实施的战略目标则是在2030年前建成总容量为25GW的海上风力发电场，其中1GW以上的至少有12个，发电量将占总发电量的15％，计划在2010年之前建成的部分海上风力发电场，其中容量在1GW以上者有10个，最大风电场容量将达4905MWtll。
另外，丹麦的风能发电已经可满足18％的用电需求，法国也在制定风能发电的长远发展规划。
同时，亚洲的风电也保持较快的发展势头。
其中，印度政府积极推动风能的发展，鼓励大型企业进行投资发展风力，并实施优惠政策激励风能制造基地，目前印度已经成为世界第5大风电生产国。
随着全球风能的快速发展，风能将会成为21世纪全球经济发展所需的重要能源，同时相信其他可再生能源也将会持续发展并得到充分利用，以满足人类对能源的不断增长的需求。
1.3.2国内研究现状
长期以来，我国一直以煤炭发电为主，污染大、成本高，且由于多年的开采，我国煤炭储量已经不能支持我国电力的发展。
在这种情况下，开发利用风能等可再生能源已经到了刻不容缓的地步。
近年来，中国政府加大了可再生能源，尤其是风能的开发和利用力度。
我国风能资源丰富，理论储量16亿KW，实际可利用2．5亿KW，有巨大的发展潜力，新疆、内蒙古、广东、辽宁、浙江、海南、河北、甘肃、福建、山东、吉林、黑龙江等省区都具备建设风电场的资源条件。
我国的风力发电于20世纪50年代后期开始进行研究和试点工作，当时在吉林、辽宁、新疆等省、区建设了容量在10KW以下的小型风力发电场，但其后就处于停滞状态。
到了20世纪70年代中期以后，在世界能源危机的影响下，特别是在农村、牧区、海岛等地方对电力迫切需求的推动下，我国的一些地区和部门对风力发电的研究、试点和推广应用又给予了重视与支持，但在这一阶段，其风电设备都是独立行动的，直到1986年，在山东荣城建成了我国第1座并网运行的风电场，从此并网运行的风电场建设进入了探索和示范阶段，但其特点是规模和单机容量均较小。
总的来说，位于我国内陆的新疆、内蒙古起步较早，装机容量名列前茅，装机功率占全国装机容量的62％。
沿海地区的广东、辽宁、浙江紧跟其后，占全国装机容量的28％。
海南、河北、甘肃、福建、山东、吉林、黑龙江等省正在起步。
到2004年9月止，中国已建有41个风电场，风电装机容量已达685MW，其中运行的最大风电机组功率为1300KW，本土化生产的最大风电机组功率为750KW。
但是到目前为止，我国风电场总装机容量仅占我国电网总容量的O．14％，发展潜力非常巨大。
尽管我国具备发展风电的得天独厚的条件，但由于风电在发展初期电价较高，在国家现有的政策条件和市场环境下还无法与常规的能源发电竞争，全国风场建设成本较高。
困此，目前我国的风力发电公司面临许多困难，如果不能克服这些困难，风力发电将很难进一步发展。
这些困难包括以下两方面。
1．技术开发上的困难
技术开发上的困难主要表现在下述两个方面。
（1）风能资源的不确定性，前期测风工作不足。
（2）风电的高成本，某种程度上限制了风电的发展。
如何降低成本，促进风电机组的国产化是国内风电面临的问题。
目前我国的风能资源测量工作主要是由投资方出资进行，这又增加了风力发电项目的初期投资。
解决这一问题的关键是由国家直接出资或建立相关基金对国内优质风场进行前期测定：
其次可以委托国际公认的风能资源勘测机构测风，并将其测得的数据向每一个潜在投资者公开，获得政府和相关机构的认可；
最后，国家应对测风相关的项目和科研机构给予政策上的重视和资金上的支持。
我国并网型风力发电虽然经过了20多年的发展，但风力发展的总装机容量仅占电力总容量的O．14％，远远低于欧美国家，也低于日本和印度。
我国的风电机组国产化率低，主要依赖进口，这是严重制约我国风力发电发展的因素之一。
目前，我国风电设备主要依靠进口，而其设备的价格较高，约占风电场的综合造价的2／3，比火电高出50％。
据专家估计，如果风电设备国产化，其价格约可降低30％，风力发电的上网电价将会降低20％左右，不含税风电电价可以大大降低，约可降至O．43元／（kw．h），因此，应采取措施鼓励风电设备国产化。
2．资金上的困难
除技术上的困难外，市场及资金的困难也影响了风电的发展。
（1）可再生能源的激励机制不健全和风电电价问题。
（2）风电项目缺乏信心，贷款条件苛刻。
（3）能否保证对风力发电的全额收购。
近年来，我国对风力发电越来越重视，多次出台鼓励政策支持风电的发展，但仍然存在很多问题。
其中主要障碍就是融资渠道不畅，生产规模过小和上网电价偏高等形成的恶性循环。
首先，风电建设的融资限制使风电价格偏高，国家相关政策规定风电项目的还贷期为7年，火电项目的还贷期为13。
18年，使得风电在还贷期平均上网电价是常规火电的3倍，上网价格没有竞争力。
其次，税收对风电价格的影响也不容忽视，在增值税方面，对风电征收的税率为17％，与火电相比，风力发电由于没有燃料消耗，所以没有增值税进项税额的抵扣，从而风电的税率较高。
而2003年开始实行的政府特许经营将使此状况得到一些改进。
2003年5月，经国务院批准，财政部和国家税务总局联合下发文件规定：
对风力发电实行按增值税应纳税额减半征收的优惠政策。
2003年底，国家发改委出台了关于风电特许权项目前期工作管理办法，对风电项目所涉及的技术、融资、政策等都作了详尽的规定。
根据我国的风力资源以及我国风电事业发展的现状，国家计委、国家科委和国家经贸委规划到2010年并网风电机组的容量达到3000兆瓦。
1.4系统框图
系统结构图如图1-1所示。
该系统是集风能、太阳能及蓄电池等多种能源发电技术及系统智能控制技术为一体的复合可再生能源发电系统。
图1-1系统框图
从图1-1中我们可以看出，它的主要组成设备有：
风力发电机：
风机采用具有特别适合大多内陆地区低风速、时发电特性好、发电量大的特点。
具有机械、电子刹车装置，可以确保在高风速时，风机转速稳定控制在安全可靠的范围内，使最高输出电压成为安全可控的电压。
采用12V/150W风力发电机，当风力≥3m/s工作，10m/s风速时达到额定150W功率。
太阳能光电池板：
采用100W/14V，0.6㎡的硅光电池，它能将太阳能转化为电能，属于一种半导体元件，它的特点：
它是转换效率高达15%的单晶硅太阳能电池板。
具有抗风、防潮、工作稳定、无需维护等特点。
铅酸蓄电池：
蓄电池的选择要求：
重量轻、体积小、能量转换率高、自放电慢、充放电循次数多（即使用寿命长）等。
其次，还有些特殊要求如低温时能大电流放电、维护简单或无需维护、自放电（析氢）特别慢等。
微机控制系统：
微机控制系统是整个设计的核心内容。
它是整个系统安全运行的基本保证。
另外本系统受应用环境的要求，本身就要求实现免维护。
所以无论从硬件系统还是软件系统都要对系统有保护作用。
例如在本系统硬件设计中有蓄电池电压控制，因为直流充电的蓄电池，要求电压控制在10～12～16V之间，才能安全使用，不至于被烧坏。
所以电压控制用来保证其既不过充又不过放；
继电器工作要求是：
在接受到指令后，要按指令要求来动作。
而且一旦出错就要有报警显示。
为了实现继电器正常工作，系统设有继电器动作检测，并对故障状态设有报警显示；
为了保证整个系统工作的正常，执行动作正确，系统对ADC0809的转换也设有转换结果正确与否的检测，并在ADC0809不正常工作时报警显示；
整个系统是一个严密完整的智能化系统，使用起来方便。
逆变器：
逆变系统是把蓄电池中的直流电变成标准的220V交流电，保证交流电在设备的正常使用。
同时还具有自动稳压功能，可改善风光互补发电系统的供电质量；
在逆变器的电路结构形式上，主要是工频变压器和高频变压器两种形式。
对一个风光发电系统而言，逆变器是一种电力电子设备，抗过载，抗冲击的能力要相对弱一些，是最易出故障的单元。
第二章风力电机的设计
2.1风力电机现状
风力发电作为一种洁净无污染的可再生能源,是近期内技术成熟、具有大规模发展潜力的可再生洁净能源,在远期有可能成为世界重要的替代能源。
水平轴风机是目前技术最成熟、占据主流市场的产品。
但水平轴风机由于结构原因,具有一些不可避免的缺陷,而且技术专利大多为国外公司所有,对国内风力发电的发展极为不利。
垂直轴风机因其设计方法先进,风能利用率高,启动风速低,基本不产生噪声等优点,被人们认识和重视,具有广泛的市场应用前景。
近10年风力发电增长迅猛,2001年以来,全球每年风电装机容量增长速度为20%~30%。
全球风能协会发布最新一期全球风电的增长数据显示，2008年全球范围内新增风电装机容2705万kW，使得全球风电装机容量达到1.20亿kW,，较2007年增长28.8%。
1998~2008年全球电装机容量的增长情况如图2-1所示。
图2-1全球风电装机容量
我国的风电发展主要集中在2003年以后,尤其是在风电特许权的带动下,2006年我国除台湾外增加风电机组1454台,增加装机容量133.7万kW，比过去20年发展累积的总量还多,仅次于美国、德国、西班牙和印度。
2008年又新增风电装机容量630万kW,新增容量位列全球第2,仅次于美国。
截至2008年底总装机容量达到1215.3万kW,同比增长106%,总装机容量超过了印度,位列全球第4,同时跻身世界风电装机容量超千万千瓦的风电大国行列。
图2-2反映了2000年以来我国风电装机容量的增长情况。
图2-2我国风电装机容量
风力发电系统主要由风轮、齿轮箱（可选）、发电机、功率变换器（可选）、变压器等部分构成,其中,发电机承担将风能转换为电能的任务,是风力发电系统中的核心部件。
随着风力发电整体技术的发展,风力发电机由早期的直流发电机、笼型异步发电机等演变为当前的双馈异步发电机和低速直驱永磁同步发电机等。
同时,风力发电机自身技术水平的提高,又有力地促进了风力发电整体技术的进步。
例如,双馈异步发电机及其控制技术的成熟,使变速恒频风力发电得以实现,成为当前风力发电系统的主流。
因此,风力发电机与风力发电系统互为因果,相互促进。
近年来风力发电系统的容量不断增大,特别是低速直驱永磁风力发电系统的快速发展,有力地促进了风力发电机的设计、制造、控制以及运行维护水平的提高,各种新型风力发电机不断出现。
本文将对主要类型风力发电机的技术特点、适用范围、发展前景等进行综述、比较,并对风力发电机的最新研究进展做简要介绍,以期起到抛砖引玉之效。
2.2风机基本类型和参数
2.2.1风机基本类型
风机从结构上主要分为两种:
水平轴风机与垂直轴风机（见图2-3）。
水平轴风机是目前国内外研制最多、最常见、技术相对成熟的一种风力机,其风轮叶片数一般为2~3叶,叶片形状为翼形。
垂直轴风力机可分为两个主要类型:
一类是用空气动力的阻力做功,典型的结构是S型风轮;
另一类是利用翼型的升力做功,最典型的是达里厄（Darrieus）型风力机。
达里厄风力机有多种形式,5型、H型、Y型和菱形。
基本上是直叶片和弯叶片两种,以H型、Φ型风轮为典型。
图2-3风力发电机基本类型
2.2.2风机基本参数计算
（1）风能利用系数
（1）
式中:
ρ为当地空气密度,/kg/
；
S为风轮扫风面积,
V为上游风速,m/s。
（2）尖速比λ
（2）
n为风轮转速,r/min；
R为叶尖半径,m；
V为上游风速,m/s；
X为风轮角速度,rad/s
（3）风机转矩系数
（3）
M为转矩；
D为风轮直径。
2.3各类型风机的比较
2.3.1水平轴风机与垂直轴风机的比较
（1）设计方法。
由于风轮结构原因,水平轴风力机普遍采用动量——叶素理论进行分析,忽略了较多因素,对于复杂的流动过程,不够准确；
垂直轴风力机可以用先进的计算流体力学方法精确分析出复杂的流动过程。
（2）风叶特点。
水平轴风力机的风叶类似于荷兰风车,形状复杂,加工难度高。
叶片受风旋转时只能利用升力产生机械能,不能利用阻力产生机械能。
叶片只能利用单方向来风,必须安装昂贵的偏航装置实现风叶对风,只有一次截风机会,同时塔影效应与风剪作用也较大。
垂直轴风力机的叶片形式多样,但总体来说,都是基本的几何构型,易于加工。
叶片受风旋转时利用升力与阻力的矢量和在叶片运动方向上的投影产生机械能。
叶片可全方位接受来风,无需偏航装置。
可多次截风,充分利用风能,同时塔影效应与风剪作用也较小。
（3）运行情况。
水平轴风力机尖速比较高,约为5-7,气动噪声大,叶片受交变载荷,易疲劳变形。
垂直轴风力机尖速比比较低,约为1.5-2,基本不产生气动噪声,叶片受恒定载荷,耐用不易损坏。
（4）其他方面。
水平轴风力机的发电机架设在高空,安装维修的成本很高,同时风叶要定时清洁,保证高风速下的正常运转。
垂直轴风力机的发电机位于低处甚至地面,极大的方便了安装和维修,风叶对恶劣环境的适应力强。
（5）小结。
以上比较不难看出,垂直轴风力机在诸多方面都表现得更为出色,势必成为未来风力发电机型的主导方向。
2.3.2垂直轴风机中S型,H型，Φ型的比较
在众多垂直轴风机类型中,最为典型的是S型,H型,Φ型这三种类型。
S型风轮由两个错开的半圆柱组成;
H型风轮是简单的多叶片等界面结构;
Φ型风轮看起来像是个巨大的打蛋器,叶片结构复杂（见图2-4）。
正是由于叶片形状上的差异,使它们的优缺点鲜明,主要的不同点见表1。
图2-4三种垂直轴风机风轮的示意图（从左到右分别为S型,H型,Φ型）
表1S型,H型,Φ型的比较
S型风力机
H型风力机
Φ型风力机
叶片复杂度
简单
复杂
启动性能
差
好
风剪作用
小
大
是否需要张素
可选择
是
否
气动噪音大小
中
叶片面积
弯矩
可以看出，将三种风机类型取长补短,设计出更适应市场需求的综合机型,使其能够低风速自启动同时具有高风能利用率,已成为一种新的研究方向。
第三章新型风力发电机的设计
3.1设计思路
鉴于两大类垂直轴风机各自的优缺点,升力型风机效率高但低风速启动困难,而阻力型低风速易启动但风机效率低,试图接合二者的优点,同时利用自行车的超越离合器,设计出一种新型风机模型。
如同骑自行车,无风踩脚踏板前进,有风不踩脚踏板前进。
3.2主体结构
（1）Savonius风叶
装置在风机顶部,利用S型风叶在低风速下仍具有较大启动转矩的优势,带动主轴先转动。
由两组互差90°
角的S型风叶共垂直轴叠放而成,每组叶片由两个半圆柱面型桨叶构成。
两组四桨叶的设计保证不同风向的充分采集,在低风速非集中风向的情况下,S型风叶能够自启动从而带动下部H型风叶的旋转。
定义风力机的单位宽度输出功率
等于风力机的输出功率P与风力机的水平宽度L的比值。
JLMenet以L-σ准则为基础,计算两叶片水平轴和Savonius型风力机得到的单位宽度输出功率和分别为:
（4）
（5）
可以看出,在同样条件下,设计合理的Savonius风力机的单位宽度输出功率远远大于水平轴风力机,具有明显的优越性。
（2）Darrieus式H型风叶。
装置在风机中部,由互差120°
的3个叶片组成,选择3叶片组可明显降低扭矩波动的影响且平衡性较好,每个叶片可由小短杆调节垂直翻转角度,以达到最佳旋转状态。
H型风叶制造起来比水平轴风叶和Darrieus式Φ型风叶简单得多,后两种叶片是变截面的,而且有可能扭曲,制造运输都
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