小型風力供電系統的設計畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 手 工 糊制 適 用 于 不 同 形 狀 和 變 截 面 的 葉 片 但 手 工 制 作 費 工 費 時 ， 產 品 質 量 不 易 控 制 。 國外 小 風 機 也 采 用 機 械 化 生 產 等 截 面 葉 片 ， 大 大 提 高 了 葉 片 生 產 的 效 率 和 產 品 質 量 。 ② 發 電 機 ： 小 型 風 力 發 電 機 一 般 采 用 的 是 永 磁 式 交 流 發 電 機 ， 由 風 輪 驅 動 發電 機 產 生 的 交 流 電 經 過 整 流 后 變 成 可 以 儲 存 在 蓄 電 池 中 的 直 流 電 。 ③ 調 向 機 構 、 調 速 機 構 和 停 車 機 構 ： 為 了 從 風 中 獲 取 能 量 ， 風 輪 旋 轉 面 應 垂直 于 風 向 ， 在 小 型 風 機 中 ， 這 一 功 能 靠 風 力 機 的 尾 翼 作 為 調 向 機 構 來 實 現 。 同 時隨 著 風 速 的 增 加 ， 要 對 風 輪 的 轉 速 有 所 限 制 ， 這 是 因 為 一 方 面 過 快 的 轉 速 會 對 風輪 和 風 力 機 的 其 他 部 件 造 成 損 壞 ， 另 一 方 面 也 需 要 把 發 電 機 的 功 率 輸 出 限 定 在 一定 范 圍 內 。 由 于 小 型 風 力 機 的 結 構 比 較 簡 單 ， 目 前 一 般 采 用 葉 輪 側 偏 式 調 速 方 式 ，這 種 調 速 機 構 在 風 速 風 向 變 化 轉 大 時 容 易 造 成 風 輪 和 尾 翼 的 擺 動 ， 從 而 引 起 風 力機 的 振 動 。 因 此 ， 在 風 速 較 大 時 ， 特 別 是 蓄 電 池 已 經 充 滿 的 情 況 ， 應 人 工 控 制 風力 機 停 機 。 在 有 的 小 型 風 力 機 中 設 計 有 手 動 剎 車 機 構 ， 另 外 在 實 踐 可 采 用 側 偏 停機 方 式 ， 即 在 尾 翼 上 固 定 一 軟 繩 ， 當 需 要 停 機 時 ， 拉 動 尾 翼 ， 使 風 輪 側 向 于 風 向 ，從 而 達 到 停 車 的 目 的 。小型風力發電系統的裝機容量較小，一般都是選擇小型風力發電機作為發電機組。按照空氣動力學原理分類的話，最常見的是托舉型水平軸風力發電機。目前小型風力發電機主要是低速永磁發電機，這主要是因為小型風力發電機的風輪是直接禍合在發電機軸上，省去了升速機構，故不用增速齒輪箱增速，這就要求發電機只有幾百轉每分，所以采用低速發電機。由于風向經常變化，為了有效地利用風能，必須有迎風的偏航裝置。個別小型風力發電機還具備抗大風自動折尾裝置。本文所使用的小型交流永磁風力發電機是永磁同步發電機的一種,其運行原理與電勵磁同步發電機相同。由于用永久磁鋼取代勵磁線圈勵磁，永磁同步發電機結構簡單，加工及裝配比較容易。一般小型永磁風力發電機的勵磁磁鋼安置在轉子上。由于這類發電機省掉了一般同步發電機的電刷、滑環和勵磁繞組,從而節約了成本。特別是小型風力發電機組的發電機直接與風輪耦合,安置于機組頂端的空中無需經常對電刷和滑環維護,提高了機組運行的可靠性。 整流器整流電路按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種按電路結構可分為橋式電路和零式電路按交流輸入相數分為單相電路和多相電路整流器的主要功能是對風力發電機輸出的三相交流電進行整流，整流后的直流電經過控制器再對蓄電池進行充電。根據風力發電系統的容量不同，整流器分為可控與不可控兩種，可控整流器主要應用在功率較大的系統中，可以減小電感過大帶來的體積大、損耗大等缺點；不可控整流器主要應用于小功率系統中。目前在我國小型型風力發電系統中大量使用的是橋式不可控整流方式，如圖 213所示。因為它由二極管組成，具有功耗低、電路簡單等特點。圖24 三相不可控整流三相整流器除了把輸入的三相交流電能整流為可對蓄電池充電的直流電能之外，另外一個重要的功能是在外界風速過小或者基本沒風的時候，風力發電機的輸出功率也較小，由于三相整流橋的二極管導通方向只能是由風力發電機的輸出端到蓄電池，所以防止了蓄電池對風力發電機的反向供電。 DCDC 變換器DCDC功率變換器的種類很多。按照輸入/輸出電路是否隔離來分，可分為非隔離型和隔離型兩大類。非隔離型的DCDC變換器又可分為降壓式、升壓式、極性反轉式等幾種；隔離型的DCDC變換器又可分為單端正激式、單端反激式、雙端半橋、雙端全橋等幾種。DC/DC 變換器將直流電源能量傳送到負載并加以控制，得到另一個直流輸出電壓或電流。通過對開關管的導通或關斷時間長短控制，即控制從電源端到負載端傳送的能量。DC/DC 變換器主要包括 Buck、Boost、BuckBoost、Cuk 變換器4種。以Buck變換器為例，如圖25，通過在功率開關管的控制端施加周期一定，占空比可調的驅動信號，使其工作在開關狀態。當開關管Q導通時，二極管D截止，發電機輸出電壓整流后通過能量傳遞電感向負載供電，同時使電感 能量增加；當開關管截止時，電感釋放能量使續流二極管D導通，在此階段，電感L把前一段的能量向負載釋放，使輸出電壓極性不變且比較平直。濾波電容C使輸出電壓的紋波進一步減小。顯然，功率管在一個周期內導通時間越長，傳遞的能量越多，輸出電壓越高。圖25 Buck變換電路DC/DC 變換器的輸入阻抗的大小可以通過控制開關電源的占空比來改變。這種控制性能正好被用在小型風力發電系統中，通過控制發電機的輸出電流，改變風力發電機的負載特性，即調節了發電機的轉矩轉速特性，從而控制風力機轉速用來改變葉尖速比，這樣就控制了風能轉換效率和風力發電機的輸出功率。 蓄電池 蓄電池的工作原理在小型風力發電系統中，蓄電池起著儲存和調節電能的作用。其它器件或技術也有被利用來進行能量存儲的，比如微型水泵、壓縮空氣或飛輪等，但是在小規模風力發電應用中，這些儲能方式都不是很經濟。近年來，隨著燃料電池和電解槽技術的發展，氫氣作為一種能量存儲介質進入人們的視野，這是一種比較有前途的技術方向。但是要大范圍的應用，還有很多技術難題待解決。在本系統中，當風力很大致使產生的電能過剩時，蓄電池將多余的電能儲存起來。反之，當系統發電量不足或負載用電量大的時候，蓄電池向負載補充電能，并保持供電電壓的穩定。鉛酸蓄電池由于具有容量大，成本低，循環壽命長等優點，一直是小型電力系統的首選儲能設備。蓄電池正負極板上的活性物質分別是二氧化鉛（ 2pbo）和海綿狀鉛（ pb），它們與電解液中的硫酸接觸，負極板上鉛不斷解離為正二價的鉛離子（ ?2）和電子，鉛離子融入電解液中，電子留在負極板上。隨著化學反應不斷的進行，負極板上的負電荷逐漸增加，對電解液中的鉛離子的吸引力也不斷的加大，使得部分的鉛離子獲得電子沉積到負極板的表面。當離開和沉積到負極板表面的鉛離子相等，即氧化和還原的速度趨于平衡時，負極板與電解液間形成穩定的電位差()。正極板上的二氧化鉛（ 2pbo）在電解液的作用下解離為鉛離子（ ?2pb），既（2pbo）從極板獲得電子還原為（ ?2）進入電解液，同時電解液中的部分 ?2失去電子氧化為 ?4，當氧化和還原的速度平衡時，正極板與電解液之間形成 +。正、負極板與電解液之間的都存在著電位差，從整體看正極與負。蓄電池與負載相接時，是它的放電過程，其化學反應方程式為: pb+ 42SOH+ 2pbo 2 4pbso+ OH2 （21）放電過程中，負極板上的海綿狀鉛( )，正極板上二氧化鉛（ 2pbo)與電解液中的硫酸( 42)反應，生成硫酸鉛( 4)。電解液中消耗了硫酸( 4SOH)分子，增加了水( )分子，電解液中的硫酸濃度降低，蓄電池內阻逐漸增大，電動勢逐漸降低。蓄電池的充電過程是放電過程的逆過程，是在外電源作用下的電化學反應，其化學反應方程式為: 4pbso+ 4+ OH2 pb+ 42SOH+ 2pbo （22）充電過程中，在外電源的作用下，正極板上的硫酸鉛（ 4s）逐漸恢復成二氧化鉛（ 2)。負極板上的硫酸鉛（ 4so)逐漸恢復成海綿狀鉛（ pb），電解液中的硫酸濃度增大，蓄電池內阻逐漸減小，電動勢逐漸增大。傳統的開口式鉛酸蓄電池，由于水的蒸發以及電解液的分解，需要經常對電解液的濃度進行檢測，以確定是否對其添加蒸餾水。另外，在電池充電過程中，由于化學反應劇烈，會產生大量有害氣體形成酸霧，污染室內空氣，對工作人員會產生職業危害。而采用閥控式鉛酸蓄電池就會避免這些缺點。閥控式鉛酸蓄電池是相對于傳統的開口式的鉛酸蓄電池來講的。它是一種密封的電池，內外氣壓的平衡通過閥門來控制。它具有一系列優點。首先是安全，電池的閥門密封可阻止空氣中的氧氣流入。當電池過充時，內部壓力過大，這時候閥門會自動打開，排出氣體，防止電池內部氣壓過大而產生膨脹或爆炸。其次是使用方便，傳統的開口電池不能傾斜安裝使用，而閥控式鉛酸蓄電池就不存在這個問題，它既可立放也可橫放，但是不能倒置。第三是少維護，由于閥控式鉛酸蓄電池密封性能好，水分不易蒸發，這樣在進行電化學反應的時候將放電時產生的水蒸汽完全吸收，所以不需要進行補水作業，但是閥控式鉛酸蓄電池并不是完全不需要維護，尤其是對電池的充放電維護是必不可少的。由于閥控式鉛酸蓄電池具有顯著的優點，所以在小型電力系統中，它漸漸成為主流的儲能器件。 影響鉛酸蓄電池壽命的因素l)環境溫度鉛酸蓄電池的的電能是通過化學反應產生的，不同溫度下的化學反應速率是不一樣的。溫度高時，蓄電池內部電解液與極板的化學反應加速，電解液濃度下降，減小了電池內阻，增加了電池的容量，充放電過程中容易出現過充和過放現象。溫度低時，電解液和極板間的反應速度變慢，電解液的濃度升高，加大了電池的內阻，減少了電池的容量，縮短了蓄電池的壽命。生產廠家一般要求蓄電池的運行環境溫度為15一25℃，當環境溫度超過25℃后，每升高8℃，電池壽命就要縮短一半。2)過度放電蓄電池被過度放電是影響蓄電池使用壽命的另一重要因素。蓄電池為負載供電期間，若控制器突發故障或者過放控制點設置過低時，均會可能導致過放現象的發生。過放現象會減少蓄電池的容量，并且難以恢復，嚴重時將會導致電池失效。蓄電池被過度放電到輸出電壓為OV時，會導致電池內部有大量的硫酸鉛被吸附到電池的陰極表面，形成電池陰極的“硫酸鹽化”。由于硫酸鉛本身是一種絕緣體，將會阻礙蓄電池內部化學反應的，陰極板上的硫酸鉛越多，電池的內阻越大，電池的充放電性能就越差，電池的壽命就越短。3)過度充電蓄電池的充電電壓也是影響其壽命的重要因素。在開路狀態下，鉛合金和二氧化鉛在硫酸溶液中，各自與電解液建立不同的平衡電極電位。蓄電池的充電電壓過高時，將會出現過充現象，此時正極柵板由于析氧反應，水不斷的被消耗， ?H增加，從而導致正極附近的酸度增高，柵板與電解液反應加速，析出的氣體由于一部分排出，不可能全部還原為水，蓄電