课程设计
设计题目：小型风力发电系统设计
姓名郭国亮
院系食品工程学院
专业热能与动力工程
年级热能本1202
学号20122916100
指导教师刘启一
2015年12 月13 日
第一章：风力发电系统设计的概况
1.1设计的目及意义：
1）了解风力发电系统的原理和运行流程。
2）设计小型的风力系统满足地方需要。
3）为了解决能源危机和环境保护、气候变暖等各方面的问题，大力推广可再生能源发展的必要性。
1.2设计原则：
1）可再生，且清洁无污染。
2）风速随时变化，风电机组承受着十分恶劣的交变载荷。
3）风电的不稳定性会给电网或负载带来一定的冲击影响。风力发电的运行方式主要有两种：一类是独立运行的供电系统，即在电网未通达的地区，用小型发电机组为蓄电池充电，再通过逆变器转换为交流电向终端电器供电；另一类是作为常规电网的电源，与电网并联运行。
1.3设计条件：
设计一个10 KW并网的风力发电系统和控制系统。
1.4发电系统设计方案：
1）恒速恒频发电系统。
2）变速恒频发电系统。
1.5烟台当地风资源概要：
1）烟台地理位置：
烟台市位于胶东半岛北缘，中心地理位置约为：北纬37.8，东经121.23，受季风环流的控制和其他天气形势的影响，该地区的风力资源十分丰富。
如表：2014
~
2003年烟台市，全市平均气温
2003年12.5 ℃2009年13.0 ℃
2004年12.7 ℃2010年12.2 ℃
2005年12.5 ℃2011年12.1 ℃
2006年13.1 ℃2012年12.2 ℃
2007年13.4 ℃2013年12.6 ℃
2008年12.7 ℃2014年13.4 ℃
由此可得，历年平均气温为7.
12℃
烟台历年平均风速：
年份风速（m/s) 年份风速（m/s) 年份风速（m/s) 1988 4.1 1994 3.4 2000 3.2 1989 3.7 1995 3.4 2001 3.3
1990 3.6 1996 3.5 2002 3.0 1991 3.8 1997 3.3 2003 2.8 1992 3.6 1998 3.4 2004 3.1 1993 3.5 1999 3.3 2005 3.1 所以，烟台历年平均速度大约为：3.39m/s ，最大风速为32.8m/s 。 2）风资源估算：
切变指数：用于描述风速剖面线形状的幂定律指数，准确计算得预装轮毂高度处的风资源数据，是评估风电场发电估算的条件。
风切指数表示风速在垂直于风向平面内的变化，其大小反映风速随着高度增加的快慢，其值大表示风能随高度增加得快，其计算公式如下： 幂定公式：
α)(1
212z z
v v =
其指数公式为：
)
/㏒(z )
/㏒1212z v v （=α
式中：
α-为风切指数；
1z -为已知高度；2z -为变化后风速所在高度；m
1v -为高度为1z 的风速；2v -为高度为2z 的风速；单位s m / 如表：70米测风塔各高度风速和风切变指数 高度（m ） 10 30 50 60 70 平均风速（m/s) 6.82
7.81
8.39
8.61
8.77
10m 切变指数
/
0.123
0.129
0.130
0.129
由此算得10米风切指数为：0.121；
1.6安装位置风资源的确定：
风力发电机依靠风力转动，为了使风力机能够输出更多的能量，风力发电机安装位置的选择是非常重要的，风力大小除了跟风速有关，还跟气候环境、地理位置、地形、风机安装的高度等因素有关。因此，安装地点的确定主要就是风资源和具体安装位置选择。
1）选择地区需要年风资源较好
安装地点的风资源至少要满足以下三个条件之一，才适合安装风力发电机。而且年平均风速越大越好。 （1）年平均风速s m /4>=
（2）s m /20~3的有效风速累计h 4000~2000以上时效
（3）全年s m /20~3平均有效的风能密度满足2/100
m W 以上 2）有较稳定的盛行风向
盛行风向指的是出现频率最高的风向，选址时希望盛行风向能比较稳定。我国是季风性较强的国家，不同季节盛行风有所变化。
3）风速日变化、季变化小
4）风机高度范围内“风切变”要小
“风切变”是指风速在水平及垂直方向的突变，尤其在垂直方向的风速变化对风机的影响最大。安装风机应该避开强切变，将风机安装在迎风坡上。
5）湍流强度要小
第二章：风力发电系统结构组成设计
2.1风力发电基本原理：
风力发电机是一种将风能转换为电能的能量转换装置，主要包括风力机和发电机。空气流动的能动作用在风力机风轮上，从未推动风轮旋转，将空气动力能转换风轮的机械能，通过传动装置，发电机将机械能转换为电能，输送给电力系统。
2.2风力发电机整体结构：
风力发电机机组整体结构分为：桨叶、轮毂、发电机自动控制装置、传动系统、逆变器、偏航系统、蓄电池、变桨系统，变流器、风速风向仪和各类传感器、以及塔架等等。
风电机组的电气系统包括以下四个主要部分：变浆距驱动，偏航驱动，发电机部分，控制和监控部分
2.2.1偏航系统
偏航系统的两个作用：
1）与风力发电机组的控制系统相互配合，使风力发电机组的风轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高风力发电机组的发电效率。
2）提供必要的锁紧力矩，保障风力发电机组安全运行。
偏航系统两个分类：
1）主动偏航：通过电控系统来执行对准风向的偏航方式
2）被动偏航：依靠风力通过机械结构被动完成对准风向的偏航方式。
主动偏航使得迎风过程可以控制，可靠性更高，所以，在这里选择主动偏航装置。结构图如下：
工控机输
入
输
出
端
子
模
偏航驱动装置
风向风速仪
偏航电机
其中，工作原理为：风向风速仪将风速风向的实际测量值传递到工控机，偏航编码器把检测到风机机舱的实时指向角度也传递给工控机，工控机通过算法程序后，把指令发送给偏航驱动器，偏航驱动器最后控制偏航电机，从而决定风力发电机的偏航动作，达到对准风向目的。在偏航过程中，偏航电机通过同轴连接的减速箱带动机舱转动。并且要考虑到风机朝一个方向转3圈后需要解缆的保护措施。
2.2.2变桨系统
变桨系统分类： 1）液压型变桨系统 2）电动型变桨系统
变桨控制方式：失速调节、变桨距调节、主动失速调节
其中，工作原理为：直线位移传感器将检测到的主轴实际位移值传递到工控机，接近开关把检测到的发电机的实时转速传递给工控机，通过算法程序后，把指令发送到变桨驱动器，最后控制变桨电机，从而决定发电机的变桨动作。为了安全，要实时检测变桨电机的温度，并传送到工控机，当温度过高，停止变桨电机工作。
2.2.3变流器
变流器将主发电机发出来的电能整流成直流电，在逆变成与电网匹配的交流电，电能谐波少，质量高。 2.2.4风力发电机
1）按容量分类：小型（kw 10)、中型(kw kw 100~10)、大型（以上kw 100）风力 发电机。
2）按主轴与地面相对位置：水平轴风力发电机和垂直轴发电机。
偏航编码器
工控机 输入输出端子模块 变桨驱动装置 接近开关
直线位移传感
变桨电机
3）按使用的发电机类型分：鼠笼式异步风电机组、双馈式异步风电机组、永磁 同步风电机组。
4）按风机功率调节方式分：定桨距失速型风电机组、变桨距失速型风电机组。 5）按照应用场合的不同分为：并网型发电机和离网型发电机 2.2.5风轮机
1）组成部分：风轮机包括轮毂、叶片、主轴几个部分，是风力发电机接受风能的部件。
2）叶片数目的确定：一般叶片测量长度为20米，通常2枚或3枚。叶片可以分为变桨距和定桨距两种叶片，其作用都是为了调速，以保证风力发电机输出功率不会超过允许值。
3）轮毂：是连接叶片和主轴和主轴的部件，一般由铸钢和钢板焊接而成，不允许有沙眼、裂纹，并按叶片可承受的最大离心力载荷来设计。 4）主轴：将转子轴心和齿轮箱连接。 2.2.6塔架
为了让风轮在地面上较高的风速带中运行，需要用塔架把风轮支撑起来，这是塔架承受两个载荷：一是风力发电机的重力，二是阻力，使塔架向风的下游方向弯曲。塔架的材料一般是铁管或钢材做成的桁架结构，要根据风力发电机的重量和承受的阻力来确定高度及结构类型。
2.3贝茨理论：
1S
2S 3S
1V 2V 3V
如图：贝茨理论模型
其中：理想风轮由上图中间面积为2S 的区域代替，风经过此处的风度为2V ，风轮前区域面积为1S ，风经过此处的风度为1V ，风轮后方面积为3S ，此处的风速为3V ，其中空气密度为 。
由于空气总流量不变，可以得到：
332211V S V S V S == 由动量变化可以得出风轮上风的作用力：
)(3122V V V S F -=ρ 因此，可以得到风轮前后的动能变化，即风轮吸收的功率： )(2
1
232122V V V S P -=
ρ 由于是理想的模式，因此，可以认为风轮吸收的功率与风轮上风的作用力做的功，即 )(312222V V V S FV P -==ρ 由上式得：
)(21
312V V V +=
))((4
12
321312V V V V S P -+=ρ
由于风速1V 是不受控制的，即是固定的，我们可以把P 看成3V 的函数，对上式求导得： ))((4
1
23213123V V V V S dV dP -+ρ 又因为：
32
1
SV C P p ρ=
所以得：
1331
V V =
31227
8
V S P ρ=
此时，P 为理论最大吸收功率。综上所述并计算得到593.0=p C ，为最大风能利用系数，这表明即使没有任何功率损失，风机的风能利用率最大只能达到%3.59。
2.4叶尖速比：
风轮机以风作为原动能，风轮机的性能的好坏直接影响着风力发电系统对于风能的利用率。风轮机对风能的利用率可以通过风机桨叶的风能利用系数Cp 来表示，叶尖速比λ和叶片桨距角β决定了风能利用系数的大小，叶尖速比为风轮叶片尖端的线速度和当前风速的比值，公式如下：
V R
ωλ= )42(-
n 60
2π
ω= )52(-
其中：
ω—为风轮的旋转角速度， R —为风力机叶片半径， V —为当前风速， n —为风轮机的转速，
2.5风能利用系数：
1）风参数：风速和风向
2）风能特点：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、可分散利用。 3)利用系数：
风能大小实际就是气流流过的动能，风能与风速成正比，而当物体在流体空气中变慢时，流体空气的动能会变成对物体的压力能，所以这个压力与风度的平方成正比，又由于功率是力和速度的乘积，所以功率与风速的立方成正比，如下：
32
1
SV W ρ=
由于空气中的能量不可能完全比风轮吸收，1926年，贝茨首次提出，通过减少风的速度来理论最大优化风能。理论最大优化公式如下：
32
1
SV C P p ρ=
2R S π= 式中：
P —是风机吸收的功率， p C —是风能利用系数， S —是扫风面积， ρ—空气密度，
R —风轮的半径，
因此，风能利用系数代表着风机从自然风能中吸收能量的大小程度。
2.6风力发电机组由运行方式分两类：
1）独立式风力发电机组（发出的电能不并网，通过蓄电池储存）。 2）并网型风力发电机组。 3）
风机 变流器 电网 控制系统 蓄电池
上图是：并网风力发电机组整天框图
图中，风机主发电机发出的电能，经过变流器，最后送到电网上。而变流器的控制能源一直由电网提供，变流器与电网之间有一个DC AC /转换器，能将电网的电能转换成V 24直流电，供变流器工作，当风力不足时，变流器不但不能给电网输送电能，反而消耗电网电能，因此长时间检测到风速过低时，要停止变流器工作。蓄电池由电网充电，保证蓄能满，从而保证控制系统电能稳定。当电网出现故障时，变流器不工作，控制系统的电能由蓄电池保证。由此可知，并网型发电机组更加灵活可靠，所以这次设计选用并网型风力发电系统。
2.7控制系统的选择：
如上：风力系统控制流 程图 其中：控制系统的主要两个目的为：
1）最大风能捕捉，偏航系统和变桨系统实现最大风能捕捉。
2）功率控制（最大功率追踪、功率转换），变流器实现功率控制。
上图，控制系统中，工控机为风力发电机控制系统的核心，主要负责指挥个模块系统的运行，同时检测、显示和记录各项数据。当异常情况出现时，还要能自动判断，进行保护措施。 工控机的主要作用： 1）接受各类传感器检测到的实时数据，从而掌握风况以及风力发电机运行状态，具体包括风速、风向、转速、组件温度、变流器输出有功功率等。
风力发电机 机侧变
流器 网侧变流器 电网 偏航电
机
变桨电机 机侧变流器控
制器
网侧变流器控制器 偏航驱动器
变桨驱动器 输入输出端子模块 工控机 各类检测传感器 人机界面
2）控制偏航系统和变桨系统工作。
3）根据检测到的风速和转速数据，额定功率以前，通过变流器来控制主发电机进行最大功率追踪，额定功率以后，控制变桨系统保持主发电机额定功率发电。 4）控制是否执行保护措施。
2.8最大功率追踪算法：
1）基本的原理：
在一定的风速条件下，通过对等效负载的调整，实现风轮机转速的调整变化，使得风轮机运行在最佳叶尖速比曲线上，从而能够及时的捕获到随机波动的最大风能，并使风力发电机输出功率最大，提高风能利用率，实现系统的优化运行。 2）基本算法：
自然界中风能是一种无规律随机变化可重复利用的巨大能源，想要最大限度利用这一能源，需要采取最优秀的方法，保证实时捕获的风能资源利用率最高，虽然对于不同的功率变换器结构，应该用采取不同的控制方案，但是控制目标始
终是保证每时每刻追踪风能的最大化，使得风力发电设备发出的电能最大。 一．叶尖速比控制算法：
为了表示风轮机运行速度的快慢，通常采用叶尖速比来表征，计算公式如下：
V
Rn
V R 602πωλ=
= 其中：
λ—为叶尖速比， n —风轮机转速，
ω—风轮机旋转角速度， R —风轮机半径，
最佳叶尖速比控制算法是保持风轮机的叶尖速比始终在最优值处，从而使风力发电机输出功率最大值。原理图如下：
ω λ λ? v
将风速信号与对应的风轮机转速信号进行比较作为控制器的输入信号，并与系统最佳叶尖速比值进行对比分析，从而使系统构成一个闭环控制系统。当计算得到的叶尖速比值不为最佳值时，系统根据偏差值的大小进行调整，从而使系统输出功率达到最大值。
二．功率信号反馈控制算法：
风轮机
风速传感器
转速传感器 最佳叶尖速比
发电机 发电机 励磁调节器
整流器
当叶尖速比达到最佳值时，风轮机输出最大的机械功率，并与风速的三次方成正比，根据一个地区的历史风能情况，制作出一个详细风力发电机输出功率与风轮转速对应的关系表，实际操作中通过测量得到风轮机转速，经过查表法，找到当前转速下对应的风力发电机最大输出功率，并与实际的发电机输出功率比较得到差值信号，从而实现对风力发电系统的最优化控制，其原理图如下：
△P
w
此种方法需要获得大量的历史风能数据，测量风轮机的转速，在一定程度上增加了系统的成本和复杂程度。
风轮机 发电机 转速传感器
发电机调节器 整流器 查表最大功率值 发电机输出功率
第三章：机器设备选型计算
3.1风力机的选型确定：
3.1.1.基本参数的确定：
1.叶片数：3=B
风轮的叶片数取决于风轮尖速比，一般来说，要得到很大的输出扭矩就需要较大的叶片实度；现代风力发电机组实度较少，一般只需要1~3个叶片。叶片数多的风力机在低尖速比运行时有较高的风能利用系数，既有较大的转矩，而且启动风速低，适用于提水。而叶片数少的风力机则在高尖速比运行时有较高的风能利用系数，但启动风速高，因此适用于风力发电。
3叶片风轮有以下优点：平衡简单，动载荷小；3叶片使风力发电机组系统运行平稳，基本消除了系统的周期载荷，输出较稳定的转矩；3叶片风轮通常能提供较佳的效率；3叶片风轮从审美的角度来说更令人满意；3叶片风轮的受力平衡好，轮毂可以简单些；噪声相对较小。 2.切入风速：s m V in /3= 即发电的最低风速； 3.切出风速：s m V out /25= 即发电的最大风速； 4.额定风速为：s m V /10= ；
5.风能利用系数：3
6.0=p C 即额定功率下的风能利用系数；
6.各部分效率：传动系统效率取95.0η1=；发电机效率取96.0η2=；变流器效率取96.0η3=；
7.风力发电机组额定输出功率为kw P 10=； 由此可得： 风轮的直径为： m C V P
D p 123.8ηηη83
213==
πρ
其中：
D -为风轮直径，单位m
ρ-为空气密度，取值为3/225.1m kg λ-为叶尖速比，取值为5 所以风轮直径选择2.8=D m 由式)52)(42(--得： 风轮转速为：min /5.116260r R
V
n ==
πλ
由此风力机选择如下：
型号 k NE 10- 最大风速 s m /45
额定功率 kw 10
顶部重量 kg 520 最大功率 kw 13
风轮直径 m 2.8
额定电压 )220(380V V 叶片数 3 启动风速 s m /3 叶片材质 增强玻璃钢
额定风速
s m /10
品牌
群英
3.2齿轮箱的选择确定：
由上述求得：m D 2.8= 所以：
2748.251.414.322m R A =??==π 其中：
A -为扫风面积，2m ；
R -为风轮半径，m ；
所以，风力机的有效功率为：
3121
AV C P p ρ=
W P 43.56771000748.25225.136.02
11
=????= 取齿轮箱效率为95.0，则： 齿轮箱的增速比为：43.5677
1000010P P n n i ==
min /2.20543
.56775
.116100000r n =?=
由此齿轮箱选择如下：
型号
250FZ 运行温度 45~30- 频率 HZ 50
功率 kw 280
低速转速 min /15r 传动比 2 高速转速 min /500r 类型 增速 工作效率 95.0
3.3发电机的选择确定：
发电机类型：双馈异步变速恒频式发电机
发电机的输出功率为：kw P 10=
额定功率：kw P P 46.111.196
.010
η1.13=?=?=
额 （预留%10的裕度） 由此选择发电机如下：
型号 312000E PC 频率 HZ 50
额定输出电压 V 380 工作效率 97.0~8.0 额定电流 A 50
转速范围
min /1000~500r
输出功率
kw 10
3.4变流器功率选择：
变流器将主发电机发出来的电能整流成直流电，在逆变成与电网匹配的交流
电，电能谐波少，质量高。
变流器的功率通常为风电机组的额定功率的1/2~1/3，考虑到风电机组的可靠性，通常为风电机组额定功率的1/2。
由此得：
kw 73.52
1
==P P 变
型号 A FY 1- 额定功率 kw 6 空载直流电流 A A 2.065.0±
逆变效率 %80 逆变输出电压 V 220
主供方式 AC
输出频率
HZ 1.050± 运行温度范围
℃50~25-
3.5控制系统的控制方式：
控制流程图如上7.2所示，其控制方式为：远程监控。
1.偏航系统选择：
主动偏航使得迎风过程可以控制，可靠性更高，所以，在这里选择主动偏航装置。其流程图如上1.2.2所示； 2.变桨系统选择：
变桨系统控制方式：电动型变桨系统，其流程图如上2.2.2所示； 其电机参数选择如下：
型号 8132-S YEJ 工作效率
%71 功率 kw 2.2 堵转额定转矩 2
额定电流 A 8.5
堵转额定电流 A 5.5
转速
min /5.80/710r 最大额定转矩
2
3.6塔架的高度及结构设定：
1.塔架载荷计算：
除了风载荷外，风电机组的几乎所有的载荷也都将传给塔架，按风电机组的载荷源分类又要有：
1）风轮等构件承受的空气动力载荷；
2）重力和惯性载荷：由重力、振荡、旋转以及地震等引起的静态和动态载荷；
3）操作载荷：在机组运行和控制过程中产生的载荷。如功率变化、偏航、变浆以及制动过程产生的载荷等；
4）其他载荷：诸如尾迹载荷、冲击载荷、覆冰载荷等； 最大历史风速的暴风工况的推力计算：
由于烟台历史最大风速为：s m /8.32，（预留%20的裕度）； 所以s V 的取值为：
s m V s /36.392.18.32=?= 由推力计算公式：
B V A F s b ??=784.0 其中：
A -为风轮的投影面积，2m ； s V -暴风工况时最大风速，s m /；
B -为风轮叶片数；
最终算得推力F 为：N F 51.94008=
由于风速与距地面高度有关，增加塔架高度可使风轮获取更多的风能，但制造更高的塔架也需要更多的材料，使其造价相应增加。
根据塔架最大承受的载荷及风能资源利用效率、成本的综合比较选择塔架的高度、材料及结构。 塔架设计参数如下：
塔架高度 m 10 安装方式 柱装
材料 Q345钢制材料 备注
表面镀锌 结构 锥形液压式
加工定制
第四章：设计体会
通过这次的风能发电系统的设计，从里面学到很多东西，风能是可再生的新能源，应用在日常生活的各个方面，这次风能发电系统设计基本贴近我们的生活，所以学习这方面的知识尤其重要。这次设计花费了挺长时间的，从查资料到借书学习，都需要一个过程，尤其学习风能发电系统的各个设备及结构，以前做的冷库设计一般网上都能找到一些模板，并且资料很齐，而这次设计的风力发电系统设计，基本没有模板参考，很多都需要自己看书学习，然后一点点的整理计算出来的，所以也许做的不是很好，但是真心能从里面学到的东西很多。
其实这次的风力发电系统设计要计算的包括很多方面，但是由于对风力发电系统没有过实体的考察，很多比较材料系数，及结构组成、当地的风资源情况方面不是很清楚，所以不是做的很详细。我个人觉得课程设计相当于模拟训练，实战演习，我们每一位同学也转而变成了研究院里的一名设计师，承包了一项大工程，从实地考察到确定设计方案，从设计计算到施工绘图每个过程我们都要认认真真，实事求是，本着负责谨慎的态度，使我们的设计合理实用，经济舒适。尽管如此，由于理论知识储备不足和实践经验的严重缺乏，设计中不可避免地出现了各种错误。还好我们有所认识，有所领悟，我们会在以后的工作中加以改正，补充不足。不管怎样，课程设计还算顺利，能够按时完成。
实践出真知。失败是成功之母。从错误中吸取经验和教训，保证以后不再犯类似错误。经验丰富了，知识也就成熟了。随着课程设计的不断深入，我也逐渐发现自己所学的专业知识不够用，对风力发电系统、控制系统、并网系统的了解并不透彻，总之有许多不足。通过这次设计，我确实提高了各方面的能力，增长了许多知识，积累了丰富的经验，对以后的工作有很大的帮助。
在此谢谢指导老师和同学们的悉心教导和帮助。
第五章：参考文献
1）《风能利用技术》化学工业出版社郭新生主编2）《电力电子技术》机械工业出版社杨耕主编3）《可再生能源》董丽萍主编4）《风能与风力发电技术》化学工业出版社张志英主编5）《风力发电》中国电力出版社王承熙主编
2015年度本科生毕业论文（设计） 家用小型风力发电系统的初步设计 院－系：工学院 专业：电气工程与其自动化 年级：2011级 学生姓名： 学号： 导师与职称： 2015年6月
2015 Annual Graduation Thesis (Project) of the College Undergraduate The preliminary design of small household wind power generation system Department:Electrical Engineering and Automation Major:Institute of Technology Grade:2011 Student’s Name:Xu Yun Dong Student No.:2 Tutor:The lecturer Hua Jing Finished by June, 2015
摘要 风能作为一种清洁的可再生能源正逐渐受到了人们的重视，风力发电也成为了时下的朝阳产业。本论文详细阐明了小型独立风力发电系统的设计方案，对风力发电机组的结构和电能的变换与继电控制电路做了初步的研究。 本论文首先介绍了课题的目的和意义，综述了国内外风力发电的发展概况，简要概括了风力发电相关技术的发展状况，论述了常见小型风力发电系统的基本组成和各部分的作用，同时对本论文的系统方案做了简要的概括，着重分析了整流电路与Buck降压电路的配合，蓄电池充放电继电保护以与电能输出的有效性等。还引入了市电切换电路，作为在发电机故障或蓄电池电量不足的情况下为负载供电。为了使能量的利用达到最大化，本系统还引入了并网电路。所以本论文设计的小型风力发电机组不但适合偏远的地区，也适合市区家庭使用。 本文提出的解决方案为：风力传动装置带动三相永磁交流发电机，然后通过AC—DC—DC—AC变换为交流电，并且考虑到风力的不稳定性，在系统中并入蓄电池组和稳压器，通过继电控制电路的监控以实现系统的自动控制，同时并入市电投切，保证系统在风能充足时可蓄能，在风能不充足时亦可为负载供电。系统的运行状况采用继电控制电路监控和切换。 本论文的重点在于继电控制电路的设计，并对各种不同风力情况下系统的运行状况进行了全面而严谨的分析。 关键词：小型风力发电机组；整流：逆变；继电控制：蓄电池
第一章 概述 1.1 风力发电机概况 风能的利用有着悠久的历史。 近年来, 资源的短缺和环境的日趋恶化使世界各国开始重 视开发和利用可再生、 且无污染的风能资源。自80年代以来, 风能利用的主要趋势是风力发 电。风力发电最初出现在边远地区, 应用的方式主要有: 1) 单独使用小型风力发电机供家 庭住宅使用; 2) 风力发电机与其它电源联用可为海上导航设备和远距离通信设备供电; 3) 并入地方孤立小电网为乡村供电。 随着现代技术的发展, 风力发电迅猛发展。以机组大型化(50kW～ 2MW )、集中安装和 控制为特点的风电场(也称风力田、风田) 成为主要的发展方向。20 年来, 世界上已有近30 个国家开发建设了风电场(是前期总数的3 倍) , 风电场总装机容量约1400 万kW (是前期总 数的100 倍)。目前, 德国、美国、丹麦以及亚洲的印度位居风力发电总装机容量前列, 且 未来计划投资有增无减。美国能源部预测2010 年风电至少达到国内电力消耗的10%。欧盟5 国要在2000～ 2002 年达到本国总发电量的10%左右, 丹麦甚至计划2030 年要达到40%。 中国是一个风力资源丰富的国家, 风力发电潜力巨大。据1998 年统计, 风力风电累计 装机22.36万kW , 仅占全国电网发电总装机的0.081% , 相对于可开发风能资源的开发率仅 为0.088%。 中国第一座风力发电场于1986 年在山东荣成落成, 总装机较小, 为3×55kW。到1993 年我国风电场总装机容量达17.1MW , 1999 年底, 我国共建了24 个风力发电场, 总装机 268MW。我国风力发电场主要分布在风能资源比较丰富的东南沿海、西北、东北和华北地区, 其中风电装机容量最多的是新疆已达72.35kW。在未来2～ 3 年内, 我国计划新增风电场装 机容量将在800MW 以上, 并且将会出现300～ 400MW 的特大型风力发电场。 1.2 风力发电机的研究现状 1.2.1 国外风力发电机的研制情况 美国从1974年起对风能进行系统的研究，能源部对风能项目的投资累计已达到25亿美 元。许多著名大学和研究机构都参加了风能的研究开发，目前己安装了8个巨型风力发电机 组。到19%年末，风力发电总装机容量己达到170x 4 10 kw，所提供的电力占全美电力需求量 的10%，居世界之首位，主要集中在加利福尼亚州。美国国会己通过了能源政策法，在能源 部的规划下， 将会改变风力发电集中于加利福尼亚的局面，在年平均风速达5.6m/s的中西部 12个州将建风力电站。据能源部预测，在未来15年内，风电将增加6倍。在今后2年内，在怀 俄明、伊阿华、明尼苏达、得克萨斯、佛蒙特、缅因州等修建大型风电场，这些风电场将使 美国风力发电能力再增加40x 4 10 kw， 预计到2010年， 风力发电总装机容量将达到630x 4 10 kw， 可满足全美电力需求量的25%。 德国是欧洲风力发电增长最快的国家，近年风力发电量急增，尤其沿海各州，风力发电 发展迅速，己超过丹麦，成为世界第二。到1995年己建成1035座风力发电装置，装机容量 49.4x 4 10 kw，1996年新装机约950座，装机容量为48x 4 10 kw，到19%年底德国己拥有4500座 风力发电装置，总装机容量达到约160x 4 10 kw，1997年估计可增加5x 4 10 kw，可为20多万个 家庭提供日常用电。这些风力发电装置中的1600个是政府投资建设的。装机容量超过1OO0kW 的风电场有250个，300OkW的最大风电场已投入使用，发电能力63x 4 10 kw，西部5x 4 10 kw风
小型风力发电机介绍 一，小型风力发电机的使用条件 小型风力发电机一般应在风力资源较丰富的地区使用。即年平均风速在3m／s以上，全年3-20m／s有效风速累计时数3000h以上；全年3-20m／s平均有效风能密度lOOW／m2以上。在选择使用风力发电机时，要做到心中有数，避免盲目性，这样才能充分地利用当地的风力资源，最大限度地发挥风力发电机的效率，取得较高的经济效益。 应该指出的是，在风力资源丰富地区，最好选择风机额定设计风速与当地最佳设计风速相吻合的风力发电机。如能做到这一点无论是从风力机的选择上，还是利用风力资源的经济意义上都有重要的意义。风洞试验证明，风轮的转换功率与风速的立方成正比，也就是说，风速对功率影响最大。例如，在当地最佳设计风速为6m／s的地区，安装一台额定设计风速为8m／s的风力发电机，结果其年额定输出功率只达到原设计输出功率的42％，也就是说，风力发电机额定输出功率较设计值降低了58%。若选用的风力发电机额定设计风速越高，那么其额定功率输出的效果就越加不理想。但也必须指出，风力发电机额定设计风速偏低，其风轮直径、电机相对要增大，整机造价相应也就加大．从制造和产品的经济意义上考虑都是不合算的。 二，小型风力发电执使用的一般要求 目前，小型风力发电机都采用蓄电池贮能，家用电器的用电都由蓄电池提供。所以，用电时总的原则是，蓄电池放电后能及时由风力发电机给以补充。也就是说，蓄电池充入的电量和用电器所需消耗的电量要大致相等(一般以日计算)。下面举一例说明这一问题：某地区使用了一台风力发电机，额定风速输出功率为IOOW,假设，该地区某日相当于额定风速的风力吹刮时数连续为4h，则该风机日输出并贮存到蓄电池里的能量为400Wh。考虑到铅蓄电池的转换效率为70%，则用户用电器实际可利用的能量280Wh。如果该用户使用的电器有： (1)15W灯泡两只，使用4h，耗能为120Wh； (Z)35W电视机一台，使用3h，耗能为105Wh； (3)15W收录机一台，使用4h，耗能为60Wh。 以上总耗能为285Wh。 这样，用电器日总耗能比风力发电机所能提供的能量超出了5Wh，也就是出现了所谓的“入不付出”用电；这种入不付出的用电，将会使蓄电池处在亏电的状态下工作。如果经常长时间地这么用电，将会使蓄电池严重亏电而损坏，缩短其使用寿命。 上例，是假定风力发电机在额定风速状击下的用电情况，而实际上，由于风的多变性，间歇性，风既有大小的不同(风速)又有吹刮时间长短的不同(风频)。所以，在使用用电器时要做到风况好时可适当多用电，风况差时少用电。这就需要用户在使用时认真总结经验。 另外，有条件的地区和用户可备一台千瓦级的柴油发电机组，当风况差的时候给蓄电池补充充电，做到蓄电池不间断地供电。 三，小型风力发电机的合理配套
课程设计 设计题目：小型风力发电系统设计 姓名郭国亮 院系食品工程学院 专业热能与动力工程 年级热能本1202 学号20122916100 指导教师刘启一 2015年12 月13 日
第一章：风力发电系统设计的概况 1.1设计的目及意义： 1）了解风力发电系统的原理和运行流程。 2）设计小型的风力系统满足地方需要。 3）为了解决能源危机和环境保护、气候变暖等各方面的问题，大力推广可再生能源发展的必要性。 1.2设计原则： 1）可再生，且清洁无污染。 2）风速随时变化，风电机组承受着十分恶劣的交变载荷。 3）风电的不稳定性会给电网或负载带来一定的冲击影响。风力发电的运行方式主要有两种：一类是独立运行的供电系统，即在电网未通达的地区，用小型发电机组为蓄电池充电，再通过逆变器转换为交流电向终端电器供电；另一类是作为常规电网的电源，与电网并联运行。 1.3设计条件： 设计一个10 KW并网的风力发电系统和控制系统。 1.4发电系统设计方案： 1）恒速恒频发电系统。 2）变速恒频发电系统。 1.5烟台当地风资源概要： 1）烟台地理位置： 烟台市位于胶东半岛北缘，中心地理位置约为：北纬37.8，东经121.23，受季风环流的控制和其他天气形势的影响，该地区的风力资源十分丰富。 如表：2014 ~ 2003年烟台市，全市平均气温 2003年12.5 ℃2009年13.0 ℃ 2004年12.7 ℃2010年12.2 ℃ 2005年12.5 ℃2011年12.1 ℃ 2006年13.1 ℃2012年12.2 ℃ 2007年13.4 ℃2013年12.6 ℃ 2008年12.7 ℃2014年13.4 ℃ 由此可得，历年平均气温为7. 12℃ 烟台历年平均风速： 年份风速（m/s) 年份风速（m/s) 年份风速（m/s) 1988 4.1 1994 3.4 2000 3.2 1989 3.7 1995 3.4 2001 3.3
第一章概述 1.1课题研究的目的和意义 数千年来，风能技术发展缓慢，也没有引起人们足够的重视。但自1973年世界石油危机以来，在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下，风能作为新能源的一部分才重新有了长足的发展。风能作为一种无污染和可再生的新能源有着巨大的发展潜力，特别是对沿海岛屿，交通不便的边远山区，地广人稀的草原牧场，以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、边疆，作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，有着十分重要的意义。 当前，全球都面临着能源枯竭、环境恶化、气温升高等问题，日益增长的能源需求、能源安全问题受到世界各国广泛关注。风能是一种可再生能源，它资源丰富，是一种永久性的本地资源，可为人类提供长期稳定的能源供应;她安全、清洁，没有燃料风险，更不会在使用中破坏环境。为此，世界各国都在加快风力发电技术的研究，以缓解越来越重的能源与环境压力，中国也不例外。 中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，能源利用以煤炭为主。在当前以石化能源为主体的能源结构中，煤炭占73.8%，石油占18.6%，天然气占2%，其余为水电等其它资源。在电力的能源消费中，也是以煤炭为主，燃煤发电量占总发电量的80%。但是，能为人类所用的石化资源是有限的，据第二届环太平洋煤炭会议资料介绍，按目前的技术水平和采掘速度计算，全球煤炭资源还可开采200年。此外，石油探明储量预测仅能开采34年，天然气约能开采60年。随着人口的增长和经济的发展，能源供需矛盾加剧，如果不趁早调整以石化能源为主体的能源结构，势必形成对数亿年来地球积累的生物石化遗产更大规模的挖掘、消耗，由此将导致有限的石化能源趋于枯竭，人类生态环境质量下降的恶性循环，不利于经济、能源、环境的协调发展。电力部己制定“大力发展水电，继续发展火电，适当发展核电，积极发展新能源发电”的基本原则，把风力发电作为优化我国电力工业结构跨世纪的战略发展目标①。 表1-1 1996-2005年世界风电市场增长 从表1-1可以看出，世界上的风电能源增长的非常迅速，10年平均增长率达到了29.77。截止2005年底，全世界并网运行的风力发电机总装机容量达到59237 MW ,是1996年装机容量的9.76倍②。
2KW独立运行的风力发电系统 一、独立运行的风力发电系统工作原理图 二、风力发电机 本系统的风力发电机组采用青岛风王风力发电机有限公司的FD4.0—2000W 家用型风力发电机系统。 该产品具有以下特点： 1、起动风速低，风能利用率高；体积小，外型美观、低噪音、运行振动低。 2、安装采用人性化设计，方便设备安装、维护和检修。 3、风轮叶片采用新工艺经精密注射成型，配以优化的气动外形设计和结构设计，风能利用系数高，增加了年发电量。 4、发电机采用专利技术的永磁转子交流发电机，配以特殊的定子设计，有效地有效地降低发电机的阻力矩，同时使风轮与发电机具有更为良好的匹配特性，增强机组运行的可靠性。 5、铝合金铸造外壳，美观大方，防锈防蚀，是分散用户，通讯塔，海岸工程，市政工程，风景区的绝佳选择。 该产品技术参数如下： 1、风轮直径(diameter)：4.0 米(meter) 2、额定风速(rated wind speed)：10米/秒(m/s) 3、额定功率(rated vols)：2000瓦(w) 4、最大功率(max vols)：3000瓦(w) 5、输出电压(euprot v)：直流48伏/60伏(straight 48v/60v) 6、启动风速(start speed)：3米/秒(3m/s) 7、工作风速(work speed)：3-30米/秒(m/s) 8、安全风速(safe speed)：50米/秒(m/s) 9、塔架高(higher of stand pole)：6-10米(s) 10、顶部质量(不含塔杆) (above quality except pole)：80千克(kg) 11、塔架类型/质量(type of pole)/quality：拉索钢管/80千克(高6米) 12、独立塔杆/(pole oneself)350千克(高8米)（kg）(high 8 meter) 13、使用寿命(use life)：20年(year) 该产品售价为7800.00元/台
小型垂直轴风力发电系统设计 [摘要]本文介绍了一种小型垂直轴风力发电系统的设计方案，本系统主要面向沿海高层建筑或边远地区用户。经过查阅大量文献资料结合必要的理论计算，系统采用四片NACA0012型叶片构成H型达里厄风力机，利用永磁直驱同步发电机将机械能转化为电能，经过电力电子电路对蓄电池进行充电。文中对主要支撑件和传动件进行了必要的结构校核，对所用的两个角接触球轴承进行了使用寿命校核。最后以垂直轴风轮和永磁直驱发电机为主要对象，用solidworks软件建立三维模型，设计风力发电系统主要零部件，并简要介绍其控制电路、选择蓄电池型号。 [关键字] 垂直轴风力发电机达里厄 NACA0012翼型
Design of the Vertical Axis Wind Turbine [Abstract]This is a design of a kind of vertical axis wind turbine which was used in removed rural area or highrise in seaside city based on related theories. By consulting reference sources and necessary mathematical operation,four NACA0012 air-foil blades were used as the compoments of the H-type Darrieus. The lead-acid bettery was charged by the electrical energy which was generated by a permanent magnet synchronous motor with the operation of power electronic circuits. In this article,some constructures such as the main suppoting parts and the angular contact ball bearings were vertified on the intensity and life. By using of the solidworks2006 software,every important part has a 3D model. We also design a control circuit and bettery breifly. [Keywords] Vertical axis Wind turbine Darrieus NACA0012 air-foil
小型风力发电机毕业设计 摘要 基于开发风能资源在改善能源结构中的重要意义，本论文对风力发电机的特性作了简要的介绍，且对风力发电机的各种参数和风力机类型作了必要的说明。在此基础上，对风力发电机的原理和结构作了细致的分析。首先，对风力发电机的总体机械结构进行了设计，并且设计了限速控制系统。本课题设计的是一种新型的立式垂直轴小型风力发电机，由风机叶轮、立柱、横梁、变速机构、离合装置和发电机组成。这种发电机有体积小、噪音小、使用寿命长、价格低的特点，适合在有风能资源地区的楼房顶部，供应家庭用电，例如照明：灯泡,节能灯；家用电器:电视机、收音机、电风扇、洗衣机、电冰箱。 关键词：风力发电限速控制系统小型风力发电机
Abstract Exploiting wind energy resources is of great significance in improving energy structure. In the discourse，the characters of wind generator are introduced briefly，while parameters and types of wind generators are also narrated. Base on these，the theory and constitution of the wind generator are meticulously analyzed. Firstly，Has carried on the design to wind-driven generator's overall mechanism, And has designed the regulating control system. What I design is one kind of new vertical axis small wind-driven generator, by the air blower impeller, the column, the crossbeam, the gearshift mechanism, the engaging and disengaging gear and the generator is composed. This kind of generator has the volume to be small, the noise is small, the service life is long, the price low characteristic, suits in has the wind energy resources area building crown, the supply family uses electricity, For example illumination: The light bulb, conserves energy the lamp; Domestic electric appliances: Television, radio, electric fan, washer, electric refrigerator. Key words：Wind power generation, Regulating control system, Small wind-driven generator
哈尔滨工业大学 《交流永磁同步电机理论》课程报告题目：永磁同步风力发电机的设计 院 (系) 电气工程及其自动化 学科电气工程 授课教师 学号 研究生 二〇一四年六月
第1章小型永磁发电机的基本结构 小型风力发电机因其功率低，体积小，一般没有减速机构，多为直驱型。发电机型式多种多样，有直流发电机、电励磁交流发电机、永磁电机、开关磁阻电机等。其中永磁电机因其诸多优点而被广泛采用。 1.1小型永磁风力发电机的基本结构 按照永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，永磁发电机可分为径向式、切向式和轴向式。 （1）径向式永磁发电机径向式转子磁路结构中永磁体磁化方向与气隙磁通轴线一致且离气隙较近，漏磁系数较切向结构小，径向磁化结构中的永磁体工作于串联状态，只有一块永磁体的面积提供发电机每极气隙磁通，因此气隙磁密相对较低。这种结构具有简单、制造方便、漏磁小等优点。 径向磁场永磁发电机可分为两种：永磁体表贴式和永磁体内置式。表贴式转子结构简单、极数增加容易、永磁体都粘在转子表面上，但是，这需要高磁积能的永磁体（如钕铁硼等）来提供足够的气隙磁密。考虑到永磁体的机械强度，此种结构永磁电机高转速运行时还需转子护套。内置式转子机械强度较高，但制造工艺相对复杂，制造费用较高。 径向磁场电机用作直驱风力发电机，大多为传统的内转子设计。风力机和永磁体内转子同轴安装，这种结构的发电机定子绕组和铁心通风散热好，温度低，定子外形尺寸小；也有一些外转子设计。风力机与发电机的永磁体外转子直接耦合，定子电枢安装在静止轴上，这种结构有永磁体安装固定、转子可靠性好和转动惯量大的优点，缺点是对电枢铁心和绕组通风冷却不利，永磁体转子直径大，不易密封防护、安装和运输[1]。表贴式和径向式的结构如图1-1 a)所示。 a)径向式结构 b)切向式结构
小型风力发电机基本常识 1.小型风力发电机一般都由那几部分组成的？ 小型风力发电机部件很多，但一般都是由5部分组成的： 一是风轮，由二个或多个叶片组成，安装在机头上，是把风能转化为机械能的主要部件。 二是机头，主要是发电机和安装尾翼的支座等，它能绕塔架中的竖直轴自由转动。 三是尾翼，它一般装于机头之后，是用来保证在风向变化时，使风轮正对风向，现在也有不带尾翼的垂直轴发电机。 四是塔架，是支撑机头的构架，它把风力发电机架设在不受周围障碍物影响的空中。 五是控制系统，是用来控制发电机的输入输出和发电机工作状态的。 2.如何选购一台真正适合自已使用的风力发电机？ 如何选购一台真正适合自已使用的风力发电机，其中是大有学问。首先，要看生产风力发电机的厂家。目前国内许多所谓的风力发电机生产厂家只是采购一些部件进行简单的组装，各部件之间根本不配套，故发电效率相对较小，故障也比较多，缺乏必要的科研能力，产品很难更新换代，还有一些厂家为了追求高利润.不惜偷工减料.其生产的发电机很难达到其标定的功率.更有一些产品经销商偷梁换柱.所以消费者在先购风力发电机时,一定要找正规的生产厂家.一般有能力有规模的生产厂家其产品大都配套齐全.其有较强的研发能力，其产品质量也都符合国家标准。
特别要查对电机的参数：（最好是拿几个厂家的对比就会很明显） 主要技术参数包括：起动风速，额定风速，额定电压，最大功率，额定功率，额定转速等。 其次用户要根据自已的使用要求和风力条件。选择相对应的风力发电机.比如在内地,由于风较小,更应选择一些功率小的发电机,因为他更容易被小风量带动而发电,特续不断的风,会比一时狂风更能供给较大的能量,而大功率的发电机.在小风的环境下动很难高效率的发电，甚至根本就无法发.这样,如果用户用电量大.可以选购几台小功率的发电机并联使用.其效果较购一台大功率的发电机效果好得多或者使用太阳板构成风光互补供电系统效果更稳定。同时,用户在选购风力发电机时还要注意以下几点：查看装箱单，数数配件是否齐全；用手转动一下各个转动部分,看是否转动灵活。 3.发电机的具体安装地点？ 小型风力发电机安装场址的选择非常重要。性能很高的风力发电机，假如没有风，它也不会工作，而性能稍差一些的风力发电机，如果安装场址选择得好，也会使它充分发挥作用。关于小型风力发电机的选址条件包含着非常复杂的因素，原则上，在一年之中极强风及紊流少的地点应算最好，但有时很难选出这样的地点。 一般本着这样的原则： 第一风能丰富，年平均风速越大越好，其大体上数字是：年平均风速3m／s以上，3-20m／s有效风速累计时效3000h以上，全年3一20m ／s平均有效风能密度100W／m2以上。只要能满足这个条件，小型
毕业设计（论文） 题目小型家用风力发电系统 的设计 姓名 学号 所在学院 专业班级 指导教师 日期年月日
原创性明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授书 本学位论文作者完全了解学院有关保管、使用学位论文的规定，同意学院保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1、保密□，在年解密后适用本授权书。 2、不保密□ （请在以上相应方框内打“√”） 作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日
摘要 随着环境问题和化石能源危机日益加剧，各国都在寻找新的可代替能源来解决能源危机和环境污染。风能和太阳能一样也是取之不尽的一种可再生能源，风力发电成为现在人们利用风能的一种主要形式，小型风力发电构成的家用分布式发电系统在未来更具有利用前景。因此对小型家用风力发电系统的研究有很多实用性和价值。 本文设计的家用风力发电系统选用单片机STC89C52为控制核心设计了系统电路，实现由蓄电池电能逆变为小型家用电器实用的24V50Hz的交流电。对风力发电原理及逆变的必要性做了重点介绍，分析了设计的电路各个模块工作原理，给出了系统的原理图和软件设计流程图。设计的家用发电系统经济成低、实用性强。 关键词：风力发电，单片机，蓄电池，逆变
5.3.1风光互补发电系统设计 风能和太阳能都具有能量密度低、稳定性差的弱点，并受到地理分布、季节变化、昼夜交替等影响．然而太阳能与风能在时间上和地域上一般都有一定的互补性，白天太阳光最强时，风较小，晚上太阳落山后，光照很弱，但由于地表温差变化大而风能加强．在夏季，太阳光强度大而风小；冬季，太阳光强度小而风大。太阳能发电稳定可靠，但目前成本较高，而风力发电成本较低，随机性大，供电可靠性差。若将两者结合起来，可实现昼夜发电．在合适的气象资源条件下，风光互补发电系统能提高系统供电的连续性、稳定性和可靠性，在很多地区得到了广泛的应用．如图5.1为某地10 月份某日典型的太阳能和风资源分布，因此采用风光互补发电系统，可以弥补风能和太阳能间歇性的缺陷。 图5.1 某地10 月份典型日太阳能和风能资源分布图风光互补发电的优势： （1）利用风能和太阳能的互补性，弥补了独立风电和独立光伏发电系统的不足，可以获得比较稳定的和可靠性高的电源。 （2）充分利用土地资源。 （3）保证同样供电的情况下，可大大减少储能蓄电池的容量。 （4）对系统进行合理的设计和匹配，可以基本上基本上由风光互补发电系统供电，获得较好的经济效益。 5）大大提高经济效益。
风光互补发电系统主要组成部分（1）发电部分：由一台或者几台风力发电机和太阳能电池阵列构成风—电、光—电发电部分，发电部分输出的电能通过充电控制器与直流中心完成蓄电池组自动充电工作。 （2）蓄电部分：蓄电部分主要作用是将风电或光电储存起来，稳定的向电器供电。蓄电池组在风光互补发电系统中起到能量调节和平衡负载两大作用。 （3）控制及直流中心部分：控制及直流中心部分由风能和太阳能充电控制器、直流中心、控制柜、避雷器等组成，完成系统各部分的连接、组合及对蓄电池组充放电的自动控制。控制及直流中心具体构成参数由最大用电负荷与日平均用电量决定。 （4）供电部分：供电部分不可缺少的部分是逆变器，逆变器把蓄电池储存的直流电转换为交流电，保证交流负载的正常使用。同时，还有稳压功能，以改善风光互补系统的供电质量。 图5.2 风光互补发电系统 设计一个完善的风光互补发电系统需要考虑多种因素．如各个地区的气候条件，当地的太阳辐照量情况，太阳能方阵及风力发电机功率的选用，作为储能装置蓄电池的特性等．因此，必须选择建立一些先进的数学模型进行多种计算，确定合理的太阳能电池方阵和风力发电机容量，使系统设计最优化． 数学模型计算 1.蓄电池容量计算 蓄电池的容量C 通常按照保证连续供电的天数来计算：
怎样利用风力来发电呢? 我们把风的动能转变成机械能，再把机械能转化为电能，这就是风力发电。风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。这种风力发电机组，大体上可分风轮(包括尾舵)、发电机和铁塔三部分。（大型风力发电站基本上没有尾舵，一般只有小型（包括家用型）才会拥有尾舵） 风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只(或更多只)螺旋桨形的叶轮组成。当风吹向浆叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。桨叶的材料要求强度高、重量轻，目前多用玻璃钢或其它复合材料(如碳纤维)来制造。（现在还有一些垂直风轮，s型旋转叶片等，其作用也与常规螺旋桨型叶片相同）由于风轮的转速比较低，而且风力的大小和方向经常变化着，这又使转速不稳定；所以，在带动发电机之前，还必须附加一个把转速提高到发电机额定转速的齿轮变速箱，再加一个调速机构使转速保持稳定，然后再联接到发电机上。为保持风轮始终对准风向以获得最大的功率，还需在风轮的后面装一个类似风向标的尾舵。 风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V 市电，才能保证稳定使用。 通常人们认为，风力发电的功率完全由风力发电机的功率决定，总想选购大一点的风力发电机，而这是不正确的。目前的风力发电机只是给电瓶充电，而由电瓶把电能贮存起来，人们最终使用电功率的大小与电瓶大小有更密切的关系。功率的大小更主要取决于风量的大小，而不仅是机头功率的大小。在内地，小的风力发电机会比大的更合适。因为它更容易被小风量带动而发电，持续不断的小风，会比一时狂风更能供给较大的能量。当无风时人们还可以正常使用风力带来的电能，也就是说一台200W风力发电机也可以通过大电瓶与逆变器的配合使用，获得500W甚至1000W乃至更大的功率出。 小型风力发电机介绍 一，小型风力发电机的使用条件 小型风力发电机一般应在风力资源较丰富的地区使用。即年平均风速在3m／s以上，全年3-20m／s有效风速累计时数3000h以上；全年3-20m／s平均有效风能密度lOOW／m2以上。在选择使用风力发电机时，要做到心中有数，避免盲目性，这样才能充分地利用当地的风力资源，最大限度地发挥风力发电机的效率，取得较高的经济效益。 应该指出的是，在风力资源丰富地区，最好选择风机额定设计风速与当地最佳设计风速相吻合的风力发电机。如能做到这一点无论是从风力机的选择上，还是利用风力资源的经济意义上都有重要的意义。风洞试验证明，风轮的转换功率与风速的立方成正比，也就是说，风速对功率影响最大。例如，在当地最佳设计风速为6m／s的地区，安装一台额定设计风速为8m／s的风力发电机，结果其年额定输出功率只达到原设计输出功率的42％，也就是说，风力发电机额定输出功率较设计值降低了58%。若选用的风力发电机额定设计风速越高，那么其额定功率输出的效果就越加不理想。但也必须指出，风力发电机额定设计风速偏低，其风轮直径、电机相对要增大，整机造价相应也就加大．从制造和产品的经济意义上考虑都是不合算的。 二，小型风力发电执使用的一般要求 目前，小型风力发电机都采用蓄电池贮能，家用电器的用电都由蓄电池提供。所以，用电时总的原则是，蓄电池放电后能及时由风力发电机给以补充。也就是说，蓄电池充入的电量和用电器所需消耗的电量要大致相等(一般以日计算)。下面举一例说明这一问题：某地区使用了一台风力发电机，额定风速输出功率为IOOW,假设，该地区某日相当于额定风速的风力吹刮时数连续为4h，则该风机日输出并贮存到蓄电池里的能量为400Wh。考虑到铅蓄电池的转换效率为70%，则用户用电器实际可利用的能量280Wh。如果该用户使用的电器有： (1)15W灯泡两只，使用4h，耗能为120Wh； (Z)35W电视机一台，使用3h，耗能为105Wh； (3)15W收录机一台，使用4h，耗能为60Wh。
风力发电系统的基本原理 一、风力发电的基本原理 风能具有一定的动能，通过风轮机将风能转化为机械能，拖动发电机发电。风力发电的原理是利用风带动风车叶片旋转，再通过增速器将旋转的速度提高来促使发电机发电的。依据目前的风车技术，大约3m/s的微风速度便可以开始 发电。风力发电的原理说起来非 常简单，最简单的风力发电机可 由叶片和发电机两部分构成如 图1-1所示。空气流动的动能作 用在叶轮上，将动能转换成机械 能，从而推动片叶旋转，如果将 叶轮的转轴与发电机的转轴相 连就会带动发电机发出电来。 二、风力发电的特点 （1）可再生的洁净能源 风力发电是一种可再生的洁净能源，不消耗化石资源也不污染环境，这是火力发电所无法比拟的优点。 （2）建设周期短 一个十兆瓦级的风电场建设期不到一年。 （3）装机规模灵活
可根据资金情况决定一次装机规模，有一台资金就可以安装一台投产一台。 （4）可靠性高 把现代高科技应用于风力发电机组使其发电可靠性大大提高，中、大型风力发电机组可靠性从80年代的50%提高到了98%，高于火力发电且机组寿命可达20年。 （5）造价低 从国外建成的风电场看，单位千瓦造价和单位千瓦时电价都低于火力发电，和常规能源发电相比具有竞争力。我国由于中大型风力发电机组全部从国外引进，造价和电价相对比火力发电高，但随着大中型风力发电机组实现国产化、产业化，在不久的将来风力发电的造价和电价都将低于火力发电。 （6）运行维护简单 现代中大型风力发电机的自动化水平很高，完全可以在无人职守的情况下正常工作，只需定期进行必要的维护，不存在火力发电的大修问题。 （7）实际占地面积小 发电机组与监控、变电等建筑仅占火电厂1%的土地，其余场地仍可供农、牧、渔使用。 （8）发电方式多样化 风力发电既可并网运行，也可以和其他能源如柴油发电、太阳能发电、水利发电机组形成互补系统，还可以独立运行，因此对于解决
电子设计竞赛教程 考试(设计报告) 题目：小型风力发电机控制器设计
摘要 现有的小型风力发电系统存在能量转换效率低、蓄电池使用寿命短、控制简单和缺乏完整的系统功率控制等问题。因此提高对蓄电池的充电速度，减少充电损耗，正确地监控蓄电池状态，确保蓄电池的正确使用、延长蓄电池的使用寿命对小型风力发电有着重要意义。本设计的目的是在分析现有的小型风力发电系统的基础上，设计简单、高效、高可靠性的风机控制器，实现风电系统可靠及优化运行。 本设计以单片机8051的加强版STC12C5A60S2为核心控制整个电路，具体由风力发电机、控制系统、整流电路、斩波电路、蓄电池充放电控制电路、蓄电池及其用电设备组成，功能上能保证系统安全运行，在电气特性和机械特性允许范围内运行。减少风速随机变化对输出电能的影响，使输出电压稳定，减少纹波。合理调度系统电能，保证向负载提供连续电能。保护蓄电池，防止过充和过放，提供足够充电能量进行快速充电。 综上所述，本设计将具有可靠性更高、价格更廉等优势，对于增强市场竞争能力，加速小型风力发电的普及和应用，节约能源和保护环境都具有重要意义。 关键词：发电机整流锂电池环保
目录 一绪论 0 二小型风力发电系统原理 (1) 2.1 风力发电系统组成 (1) 2.2 风电系统的运行特点 (1) 2.3 电能变换单元和控制单元 (3) 2.3.1 整流器 (3) 2.3.2 DC/DC 变换器 (4) 2.4 锂电池 (4) 2.4.1 锂电池的介绍 (4) 2.4.2 锂电池的种类 (5) 2.4.3 锂电池的充电方法 (5) 三小型风力发电机控制器的设计 (6) 3.1 电机的选择 (6) 3.1.1 手摇发电机 (6) 3.1.2 电机特性曲线 (8) 3.2 单片机（单片机STC12C5A60S2） (10) 3.2.1 产品介绍 (10) 3.2.2 单片机STC12C5A60S2的特点 (10) 四流程图和电路图 (13) 4.1流程图和控制原理图 (13) 4.2 显示屏 (17) 4.3 锂电池选择 (19) 4.4 检测电路 (20) 4.4.1 电压检测 (20) 4.4.2 电流检测 (21) 五调试 (21)
一．总体参数设计 总体参数是设计风力发电机组总体结构和功能的基本参数，主要包括额定功率、发电机额定转速、风轮转速、设计寿命等。 1. 额定功率、设计寿命 根据《设计任务书》选定额定功率P r =3.5MW ；一般风力机组设计寿命至少为20年，这里选20年设计寿命。 2. 切出风速、切入风速、额定风速 切入风速 取 V in = 3m/s 切出风速 取 V out = 25m/s 额定风速 V r = 12m/s （对于一般变桨距风力发电机组（选3.5MW ）的额定风速与平均风速之比为1.70左右,V r =1.70V ave =1.70×7.0≈12m/s ） 3. 重要几何尺寸 (1) 风轮直径和扫掠面积 由风力发电机组输出功率得叶片直径： m C V P D p r r 10495.096.095.045.012225.13500000 883 3 213≈???????==πηηηπρ 其中： P r ——风力发电机组额定输出功率，取3.5MW ； 错误!未找到引用源。——空气密度（一般取标准大气状态），取1.225kg/m 3； V r ——额定风速，取12m/s ； D ——风轮直径； 1η——传动系统效率，取0.95； 2η——发电机效率，取0.96； 错误!未找到引用源。3η——变流器效率，取0.95；
由直径计算可得扫掠面积： 22 2 84824 1044 m D A =?= = ππ错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。 综上可得风轮直径D=104m ，扫掠面积A=84822m 4. 功率曲线 自然界风速的变化是随机的, 符合马尔可夫过程的特征, 下一时刻的风速和上一时刻的结果没什么可预测的规律。由于风速的这种特性, 可以把风力发电机组的功率随风速的变化用如下的模型来表示： )()()(△ t P t P t P sta t += )(t P ——在真实湍流风作用下每一时刻产生的功率, 它由t 时刻的V(t)决定; )(t P stat ——在给定时间段内V(t)的平均值所对应的功率； )(△t P ——表示t 时刻由于风湍流引起的功率波动。 对功率曲线的绘制, 主要在于对风速模型的处理。若假定上式表示的风模型中P stat (t)的始终为零, 即视风速为不随时间变化的稳定值, 在切入风速到切出风速的范围内按照设定的风速步长, 得到对应风速下的最佳叶尖速比和功率系数,带入式： 32123 8 1ηηπηρD V C P r P = 1η——传动系统效率，取0.95； 2η——发电机效率，取0.96； 错误!未找到引用源。3η——变流器效率，取0.95； 错误!未找到引用源。——空气密度（一般取标准大气状态），取1.225kg/m 3； V r ——额定风速，取12m/s ； D ——风轮直径；
济源职业技术学院 毕业设计 题目小型风力发电装置的设计 系别机电工程系 专业机电一体化 班级 0803班 袁泉 学号 08010315 指导教师高清冉 日期 2010年11月
设计任务书 设计题目： 小型风力发电装置设计 设计要求： 1、了解小型风力发电装置的基本设计原理和用途。 2、熟悉基本绘图软件的使用方法和技巧。 3、使用Solidworks绘画装配图、零件图。 设计进度要求： 第一周：选择课题，勾勒基本的设计思路 第二周：查找与其有关的资料； 第三周：进行螺旋传动的设计和计算； 第四周：进行发电机的设计； 第五周：绘制草图 第六周：完善初稿及草图使其语言更加简练、布局更加合理； 第七周：整理电子稿； 第八周：再次修改论文，进行答辩 指导教师（签名）：
摘要 风能是一种无污染、可再生的清洁能源。早在公元前200年，人类就开始利用风能了。提水、碾米、磨面及船的助航都有利用风能的记载。自第一次世界大战之后，丹麦仿造飞机的螺旋桨制造二叶和三叶高速风力发电机发电并网使用直至现在，风力发电机经历了近百年的发展里程。20世纪80年代之后，世界工业发达国家率先研究、快速发展了风力发电机，建设了风电场。现在风力发电机制造成本不断下降，已接近水力发电机的水平，制造及使用技术也日趋成熟。20世纪末，世界每年风电装机容量以近20%的增长速度发展，风电现在已成为世界能源中发展最快的能源。如果在总面积0.6%的地方安装上风力发电机，就能提供全部电力消耗的20%，可以关闭供电能力20%的以燃烧煤、重油等碳氢化合物为燃料而排放SO2、CO2和烟尘对大气和地球环境造成污染和破坏的火电场。 在今后10年，风力发电将成为世界各国重点发展的能源之一，风力发电机的制造业也必将成为新兴的机械制造业。也将带动诸如大型钢管、钢板等冶金行业，发电机制造，电器控制，液压机械，复合材料等行业的发展；势必推动蓄电池向大容量、小体积、高效方向发展势必拓宽微机在风力发电机自动控制方面的应用和发展。风力发电机的发展及其拉动的行业发展将成为数以万计的人创造就业机会。可见，发展风力发电机及风力发电对于发展经济，保护环境，有着重要意义。 我国地域辽阔，风能资源丰富，风能储量达25.3亿MW。1991年国家计委实施了“乘风计划”和“光明工程”，为中国全面发展大、中、小型风力发电机及风力发电创造了条件。至2010年，我国在风能资源丰富地区先后建了249个风电场，总装机容量1546MW，已形成一定的风力发电基础及积累了较丰富的风力发电的经