最终版】科院风电装置设计--大学毕业设计论文.doc

科技学院风力发电装置设计

班级：热能11K1班
姓名： 郑 楠
学号：111902010530
目 录
摘 要 I
引 言 II
第一章 绪论 1
1.1 风力发电概述 1
1.1.1 风力发电现状与展望 1
1.1.2 风力发电的原理和特点 2
1.2 系统工作概述 3
第二章 风电场宏观选址 4
2.1风力发电机选址的原则 4
2.2选址结果 5
第三章 功耗的计算及风机的选择 5
3.1功耗的计算 6
3.1.1多媒体功耗的计算 6
3.1.2电灯功耗的计算 6
3.1.3电扇功耗的计算 6
3.2风机的选择 6
第四章 富裕电能的储存 7
4.1蓄电池 7
4.2蓄电池的性能 7
4.3逆变器 8
4.4应急措施 8
第五章 预算评估 8
结 论 9

摘 要
风能作为一种清洁的可再生能源越来越受到人们的重视，风力发电也逐渐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安装方案，对风力发电机组的选址和风力发电机组的安装及小型离网风力发电系统做了深入的研究。
为了响应“节能减排,远离雾霾”的号召，现为华北电力大学科技学院设计一套小型离网风力发电系统来满足学院日常用电。本文提出的解决方案为，风力发电机组带动单相交流发电机，然后通过AC—DC—AC变换为用户需要的标准交流电，并且考虑到风力的不稳定性，在系统中并入蓄电池组，通过控制电路的监控实现系统的控制，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。

关键词：风力发电机组；节能减排；风电选址；风电安装
引 言
随着世界工业化进程的不断加快，使得能源消耗逐渐增加，全球工业有害物质的排放量与日俱增，从而造成气候异常、灾害增多、恶性疾病的多发，因此，能源和环境问题成为当今世界所面临的两大重要课题。由能源问题引发的危机以及日益突出的环境问题，使人们认识到开发清洁的可再生能源是保护生态环境和可持续发展的客观需要。可以说，对风力发电的研究和进行这方面的毕业设计对我们从事风力发电事业的同学是有着十分重大的理论和现实意义的，也是十分有必要的。

I

I

第一章 绪论
风能是一种清洁的、储量极为丰富的可再生能源，它和存在于自然界的矿物质燃料能源，如煤、石油、天然气等不同，它不会随着其本身的转化和利用而减少，因此可以说是一种取之不尽、用之不竭的能源。而矿物质燃料储量有限，正在日趋减少，况且其带来的严重的污染问题和温室效应正越来越困扰着人们。因此风力发电正越来越引起人们的关注。
1.1 风力发电概述
1.1.1 风力发电现状与展望
全球风能资源极为丰富，技术上可以利用的资源总量估计约53×106亿kWh /年。作为可再生的清洁能源，受到世界各国的高度重视。近20年来风电技术有了巨大的进步，发展速度惊人。而风能售价也已能为电力用户所承受：一些美国的电力公司提供给客户的风电优惠售价已达到2～2.5美分/kWh，此售价使得美国家庭有25%的电力可以通过购买风电获得。
2004年欧洲风能协会和绿色和平组织签署了《风力12——关于2020年风电达到世界电力总量的12%的蓝图》的报告，“风力12%”的蓝图展示出风力发电已经成为解决世界能源问题的不可或缺的重要力量。按照风电目前的发展趋势，预计2008～2012年期间装机容量增长率为20%，以后到2015年期间为15%，2017～2020年期间为10%。其推算的结果2010年风电装机1.98亿KW，风电电量0.43×104亿kWh，2020年风电装机12.45亿KW，风电电量3.05×104亿kWh，占当时世界总电消费量25.58×104亿kWh的11.9%。
世界风电发展有如下特点：
（1）风电单机容量不断扩大。风电机组的技术沿着增大单机容量、提高转换效率的方向发展。风机的单机容量已从600KW发展到2000～5000KW,如德国在北海和易北河口已批量安装了单机5000KW的风机,丹麦已批量建设了单机容量2000～2200KW的风机。新的风电机组叶片设计和制造广泛采用了新技术和新材料，有效地改善并提高了风力发电总体设计能力和水平。另外,可变桨翼和双馈电机的采用,使机组更能适应风速的变化, 大大提高了效率。最近,又发展了无齿风机等,进一步提高了安全性和效率。
（2）风电制造企业集中度较高。目前，主要风电设备制造企业集中在欧美国家，全世界风电机组供应商的前10位供应了世界新增装机容量的90% 以上的份额，集中度比较高。近来，GE风能（GE Wind Energy）、德国REpower（REpower Systems AG）和三菱重工（MHI）的市场份额提高迅速。
（3）风电电价快速下降。由于新技术的运用，风电的电价呈快速下降趋势，且日益接近燃煤发电的成本。以美国为例，风电机组的造价和发电成本正逐年降低，达到可与常规发电设备不相上下的水平。有关专家预测，世界风力发电能力每增加一倍，成本就下降15%。
中国的风能资源十分丰富。根据全国900多个气象站的观测资料进行估计，中国陆地风能资源总储量约32.26亿KW，其中可开发的风能储量为2.53亿KW，而海上的风能储量有7.5亿KW，总计为10亿KW。我国的风电开发起步较晚，大体分为三个阶段。
第一阶段是1986～1990年我国并网风电项目的探索和示范阶段。其特点是项目规模小，单机容量小，最大单机200KW，总装机容量4.2千KW。
第二阶段是1991～1995年示范项目取得成效并逐步推广阶段。共建5个风电场，安装风机131台，装机容量3.3万KW，最大单机500KW。
第三阶段是1996年后扩大建设规模阶段。其特点是项目规模和装机容量较大，发展速度较快，平均年新增装机容量6.18万KW，最大单机容量达到1300KW。
随着风电技术的日趋成熟和电力规模的扩大，风力发电机的功率在向大型化方向发展。风力发电这一朝阳产业必将蓬勃发展，成为将来能源供给的支柱产业！
1.1.2 风力发电的原理和特点
风力发电是利用风能来发电，而风力发电机组是将风能转化为电能的机械。风轮是风电机组最主要的部件，由桨叶和轮毂组成。桨叶具有良好的动力外形，在气流的作用下能产生空气动力是风轮旋转，将风能转化为机械能，再通过齿轮箱增速驱动发电机，将机械能转化电能。然后在依据具体要求需要，通过适当的变换将其存储为化学能或者并网或者直接为负载供电。[3]
风力发电有如下特点
（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。
本论文讨论的是前者，即独立运行风电系统的解决方案。
1.2 系统工作概述
其具体运行状况为：
（1）风力吹动风轮转动。
（2）风力发电机组通过连接的齿轮变速箱来提高输出端转轴的转速，该轴与发电机相连。
（3）转轴带动单相交流发电机转动，开始发电。（此时发出的是频率和幅值都不稳定的交流电）。
（4）引出的单相交流电通过整流器变成稳定的直流电。
（5）a.若风能充足，直流电经控制电路流向逆变器，并向蓄电池充电；
b.若风能不足，控制电路切换为蓄电池供电状态。
（6）直流电经逆变器变换为恒频稳定交流电。此时即可实现为负载供电。
第二章 风电场宏观选址
随着技术的发展，风能的开发和利用越来越受到人们的重视。在风能利用中，人们遇到一个重要问题是如何选择好风力发电机组的安装场址。场址选择适宜与否，对于风能利用的预期目的能否达到有着关键的作用。
离网型集中供电风力发电系统的安装地点的选择，首先要考虑当地负载的需求，尽可能靠近相关的负载，以减少传输损失，然后综合考虑地形、电力传输半径、当地潜在的生产线负载等因素加以确定。但是即使在同一个地区，由于局地环境不同，也会有不同的气候效应。
如果场地选择不合理，即使性能很好的风力发电机也不能很好的发电，更有甚者，由于选址的不正确，很可能导致设备的损坏。在进行风力发电机安装场地选址时，首先应该考虑当地的能源市场的供求情况、负载的性质和每昼夜负载的动态变化；在此基础上，再根据风能资源的情况选择有利的场地，以获得尽可能多的发电量。另外，也应考虑风力发电机安装和运输方面的情况，以尽可能降低风力发电成本。
2.1风力发电机选址的原则
1、选择风能质量好的地区；
在风能潜力普查的基础上，风力开发尽可能选取在风能资源丰富的地区。根据风能资源普查的原则，首先进行宏观的、全国范围的风能资源普查，调查站点的网格尺度约为100km。这样我们可以首先做一风能资源的大体分布图，从风能区划图上再确定重点风能开发区。
2、要有稳定的盛行风向；
对于风力发电机的安装地点，除了要求风能资源好以外，还要有比较稳定的风向。所谓盛行风向就是出现频率最多的风向，这个我们可以通过风向玫瑰图来了解。有了稳定的盛行风向，在选址时就比较容易考虑地形的影响和确定风力发电机的布局。
3、风速日变化和季节变化小；
（1）风速日变化。低层风速的日变化可以分为大陆型和海上型两类。
（2）风速季节变化。一年中各季各月风速大小不同。一般春冬风大，夏秋风小。风速的年变化曲线与年负载曲线变化趋势一致时，风况最为理想。
4、风力发电机高度范围内风垂直切变要小；
引起风的垂直切变的原因有热力因素也有动力因素。地面不同的粗糙度会引起不同的风速廓线，这样就存在着相当大的垂直切变风速剖面，这种切变对于风力发电机的工作极为不利。因此，应尽量选择下垫面相一致的地点，使风的垂直切变尽可能小。
5、湍流强度要小；
无规则的湍流给风力发电机带来难以预计的危害，一方面减小可利用的风能，另一方面也使风力发电机产生振动和受载不均匀，缩短风力发电机的寿命，严重时使叶片发生不应有的损坏。因此，在选址时应尽量避开粗糙的地表面或障碍物。可能的话使得风轮比附近的障碍物高出6~7m,离开障碍物的距离也应该是障碍物高度的5~10倍。
2.2选址结果
由以上原则，结合科院自身地形和实际状况，可选择在教五楼旁的空地安装两台、操场西侧的空地安装三台。
第三章 功耗的计算及风机的选择
由拟为科技学院教一、教二、教三、教四、阶梯（6个）教室供电。经调查教学区的耗电设备主要为多媒体、电灯、电扇。
3.1功耗的计算
3.1.1多媒体功耗的计算
调查可知，共有多媒体36个，功率为700W/台，总耗电为700*36=25200W
3.1.2电灯功耗的计算
设一间小教室共8盏灯，阶梯教室20盏灯，每盏灯50W，总耗电为（30*8+6*20）*50=18000W
3.1.3电扇功耗的计算
设一间小教室共8台电扇，阶梯教室16台电扇，每盏灯500W，总耗电为（30*8+6*16）*500=168000W
设备总功率P=168000+18000+25200=211.2KW
3.2风机的选择
1、由总功率并结合实际情况，可选择5×50KW的风机机组。
2、查阅资料可得保定市年平均风速(1981-2010年)仅3米/秒，全年静风小风频率在17%以上。2001年到2011年保定市有180天日平均风速小于等于5米/秒，占全年的49%。取V=4m/s。风场密度为1.2kg/m3
3、风速的分布：
V≥4m/s的时间为3000-4000h/年；V≥3m/s的时间为500-1500h/年；风能密度为50-150W；
按最佳风能利用系数，应取3叶片的风机，由风力机高速特性曲线λ-CP可取λ=5.8，CP=0.44；
由以上已知信息，可求得风轮直径R和转速n

由上可知，风轮直径D=61.40m，风轮转速n=3.49r/min。
此风机各项参数如下：
额定功率P=50KW,转子直径D=62m，风轮转速n=3.49r/min,额定风速V=4m/s，叶片数3个，塔架高H=70m，上风向，顺时针转动。
第四章 富裕电能的储存
4.1蓄电池
在独立运行的小型风力发电系统中，广泛使用蓄电池组作为蓄能装置，蓄电池组的作用是当风力较强或用电负荷减小时，可以将来自风力发电机发出的电能中的一部分储存在蓄电池中，也就是向蓄电池充电；当风力较弱、无风或者用电负荷增大时，储存在蓄电池中的电能向负荷供电，以弥补风力发电的不足，达到维持向负荷持续稳定供电的目的。本系统采用的是铅蓄电池。
4.2蓄电池的性能
单格铅蓄电池的电动势约为2V，将多个单格蓄电池串联组成蓄电池组，可获得不同的蓄电池组电动势。可采用12节铅蓄电池串联，组成24V的蓄电池组。当外电路闭合时，蓄电池组正负两极间的电位差即为蓄电池组的端电压。蓄电池组在充电和放电的过程中，端电压是不相等的，充电时端电压高于电动势，放电时端电压低于其电动势。这是由于蓄电池组存在内阻的原因所致。
蓄电池的容量以Ah表示，其端电压随着放电而逐渐降低，且蓄电池组存在最佳充放电电流，其具体参数将在实际应用中再做具体分析。
蓄电池经过多次充放电后，其容量会降低，当蓄电池的容量为其额定值的80%以下时，就再不能使用了，也就是说蓄电池有一定的使用寿命。影响其寿命的原因有很多，如充放电过度、蓄电池的电解液浓度太大或者纯度降低以及在高温环境下使用等都会是蓄电池的性能变坏，降低蓄电池的使用寿命。
4.3逆变器
独立运行的异步风力发电动机组输出是不稳定的直流电，必须用蓄电池储能，才能向用户提供连续平稳的电能，但绝大多数用电器，如日光灯、电视机、电冰箱、电风扇和绝大多数动力机械等都是以交流电工作，因此，在独立运行的风力发电系统中通常需要将直流电再变换成交流电，这种变换过程叫逆变，具有逆变功能的电力电子设备称为逆变器，逆变器还具有自动稳压功能，可改善系统的供电质量。
4.4应急措施
当风速太小，发电功率达不到所需要求是，风电运行系统会自动启动应急方案，自动接通电网，保证供电系统的稳定、安全。
第五章 预算评估
查得100KW风机价格为1240000元/台，安装费20000/台。由此得风机总价为：
（124+2）×3=378万
逆变器、蓄电池等其他设备100万。
若只用电网供电，一年费用为
220KW*16h*365天*0.8元/(KW/时)=1027840元

由此可知，则透支5年电费的钱即可以购买风机安装，实现教学区全免费用电。
由此可见，风力发电经济实用。
结 论
本文论述了小型独立运行风力发电系统的构成及其运行状况，提出了系统的具体解决方案。论文的重点在于场地的选型、风机的选择以及储能装置，基本达到了预期的要求，可以满足满足学院日常用电。将该电气设计接入风机组和逆变电路之间，即可实现将风能转化为标准户用型50HZ交流电。

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