小型离网风力发电照明系统

薛丹丹，王金龙，孙强，严春光

摘 要：随着环境问题的日益突出，能源供应的渐趋紧张，对可再生能源的开发利用显得至关重要。风能是一种清洁的绿色能源能源，风力发电在当今许多国家已广泛采用。 风力发电清洁无污染，施工周期短，投资灵活，占地少，具有较好的经济效益和社会效益。本文主要从以下几方面对风力发电系统进行了研究： 1. 小型风力发电系统的选型。2. 离网风力发电系统在照明方面上的应用。

关键词：风力发电；离网；照明

1 小型风力发电系统

1.1 风力机的主要部件

水平轴风力机主要由风轮、塔架、对风装置、齿轮箱组成，整体结构如图1-1所示：

（1）风轮：由1～3个叶片组成，这是吸收风能的主要部件。当风轮旋转时，叶片受到离心力和气动力的作用，离心力对叶片是一个拉力，而气动力使叶片弯曲。当风速高于风力机的设计风速时，为防止叶片损坏，需对风轮进行控制。

控制风轮有三种方法：a，使风轮偏离主方向；b，改变叶片角度；利用扰流器，产生阻力，以降低风轮转速。

（2）塔架：为了让风轮能在较高的风速中运行，需要塔架把风轮支撑起来。这时塔架需要承受两个主要的载荷：一个是风力机的重力，向下压在塔架上；另一个是阻力，使塔架向风的下游方向弯曲。选择塔架时要必须考虑其成本，根据实际情况而定。

（3）对风装置：自然界的风向及风速一直变化，为了得到较高的风 能利用率，应使风能的旋转面经常对准风向为此需要对风装置。本论文只介绍小型风力机的对风装置，如图1-2所示，利用尾舵控制对风。由尾翼带东水平轴旋转，是风轮总朝向风吹来的方向。

图1-1风力机整体结构

图1-2对风装置

（4）齿轮箱

由于风轮的转速比较低，而且风力的大小经常变化着，这又使得转速不稳定。所以，在带动发电机之前，还必须附加一个齿轮箱，再加一个调速装置使得转速保持稳定，然后在连接到发电机上。齿轮箱的主要作用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机，通过齿轮的增速作用使其得到相应的转速。在装机是应使其与轮毂相连。为了增加齿轮箱的制动能力，在齿轮箱的输入端或输出端设置刹车装置配合叶尖制动装置实现联合制动。

1.2 控制系统

控制系统的功能是对整机运行状态进行控制，即风力发电机从一种运行状态到另一种运行状态的转换过渡过程的控制。风力发电机的组件多、体积大且相互关联紧密，所以对控制系统的可靠性、安全性有较高的要求。大型风力发电机的控制系统是一个很复杂的微型计算机控制系统，包含若干子系统，安装在控制箱或控制柜内。

1.3 逆变器

能够使用电池等的直流电压的负载不多。逆变器就是将直流电流转换为交流电的装置。

1.4 卸荷电阻

主要作用是为了防止蓄电池过充， 也有一定的限速的作用，相当于负载量增大了。

1.5 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。

1.6 气象系统

气象系统提供当地实时风速、风向、湿度、大气压强，风速风向仪高度和风轮中心等高，本文实验主风向偏西北。

1.7 控机组态

1）向管理层提供各电厂经营报表，为决策提供数据支持。

2）向合资合作伙伴提供其所投资的电厂的运行数据。

3）向技术部门提供风机运行以及变电站的各类指标，通过技术图表对风机及变电站运行情况进行分析。

4）向运行维护部门提供有关风机及变电站的各类故障报警信息，以及历次维修记录。并提供有关风厂的运行维护类各种报表统计。

5）通过集团监控室大屏幕向来访投资者展示集团运行电厂的各种主要信息。

2 离网风力发电在照明系统中的应用

在本实验中已有2KWAC120V三相永磁发电机，本论文将研究风力发电量供给蓄电池，给AC220V23W节能灯提供照明，利用蓄电池的带载时间来计算电量。

2.1 风力发电的原理

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。

2.2 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。

系统概述

图1-3独立运行的风力发电系统结构图

上图1-3为小型风力发电系统的一般工作结构图。风力吹动风轮转动，将风能转化为机械能，通过发电机的工作，产生电能。将发电机发出的电能用储能设备储存起来（一般用蓄电池）需要时再提供给负载，并可以通过整流，逆变装置将发电机输出电能进行交直流变换，适应负载的需要。

系统设备的具体功能介绍：

（1）风力机：把风能转换为机械能。

（2）发电机：发电机直接与风力机相连，由风机带动向外发电。

（3）电力电子接口：包括功率调节器和充放电控制器，位于风力发电机和负载之间。

（4）蓄电池：系统的储能装置，将系统产生的电能存储起来，在无风时释放能量。

（5）逆变器和负载：实现直流电转换为交流电，供交流负载使用。

2.3 风力机的气动原理

风力发电机组主要利用气动升力的风轮。气动升力是由飞行器的机翼产生的一种力，如图1-4。

图1-4气动升力图

从图可以看出，机翼翼型运动的气流方向有所变化，在其上表面形成低压区，在其下表面形成高压区，产生合力方向向上，并垂直于气流方向，产生升力。同时也产生阻力，风速也会有所下降。升力总是推动叶片绕中心轴转动。

2.4 蓄电池的选择

蓄电池是风能储能的装置。蓄电池把从风力机组发出的电能以化学能的形式储存起来。使用时又把化学能转化为电能，一般采用铅酸胶体阀控蓄电池。本套2KW风能离网系统采用8节12V150AH的蓄电池，由4个蓄电池串联成一组电压48V，然后由2组蓄电池并联，采用四个配电柜来装蓄电池，控制器和逆变器。

2.5 蓄电池设计方法

蓄电池的设计思想是保证在风机转速连续低于平均值的情况下负载仍可以正常工作。同时为了避免蓄电池的损坏，蓄电池的放电过程只能够允许持续一定的时间，直到蓄电池的 负荷状态到达指定的危险值。为了量化评估这种风机转速连续低于平均值的状况，在进行蓄电池设计时，给出一个重要的参数：自给天数，即系统在没有任何外来能源的情况下负载仍能正常工作的天数。这个参数让系统设计者能够选择所需使用的蓄电池容量大小。一般来讲，自给天数的确定与两个因数有关：负载对电源的要求程度；风机系统安装地点的最大连续弱风或无风情况作为系统设计中使用的自给天数，但还有综合考虑负载对电源的要求。对于负载对电源要求不是很严格的风电应用系统，我们在设计中通常取自给天数为1～2天。对于负载要求很严格的风电应用系统，我们在设计中通常取自给天数为3～5天。所谓负载要求不严格的系统通常是指设计者可以改变负载的使用情况，以适应天气情况对系统电力的压力。另负载要求严格的系统指的是用电负载比较重要。

2.6 系统带载工作

1）8节12V150AH铅酸胶体蓄电池存储量为12V*150*8=14.4KWH，蓄电池不可能放空，实际放电量为70%也就是14.4*70%=10KWH加上逆变器效率为90%，节能灯功率因数不大于80%，实际可用电量10*90%*80%=7.3KWH，本系统带载16盏AC220V/23W节能灯，实际功率23*16=368W，因为节能灯是感性负载启动时瞬时功率的4-7倍，我们取瞬时启动5倍计算，那么370/220*5=8.4A，离网逆变器是有限元，虽然是2kw是针对阻性负载的，是视在功率，而离网系统没有调功能力，有的负载有功功率有时因感性和容性性质不同，所以离网逆变器虽然是2kw带载能力，设计会因负载的性质不同要加以计算，否则用户用电会时常故障。

2）带载时间计算：7300/370*0.75（感性负载功率因数）14.8小时也就是说在蓄电池充满的状态下带走廊灯最长时间为14.8小时。当然在有风的时候，如果风机在运行，一边充电一边用电，用电时间随着风力资源的好坏，用电量会有所延长。

3）补充：

风机在发电，负载同时用电，我们观察发电机采集表3432B和控制器直流采集表3414DT所记录两个功率之间有时差距很大，不是表不准，有负载时应该是发电机的电流加上负载电流，但发电机的功率大于负载功率时，发电机所发的电一边向负载供电，一边向蓄电池供电；当发电机的功率等于负载功率时，不充电，蓄电池的作用只对发电机的电压只起到钳位功能，此时叫浮充；当发电机的功率小于负载功率时，不够的部分电量从蓄电池里取电，这个过程是动态变化的，变化的只是电流，而电压是恒定的，这就是离网风力、太阳能光伏发电的特点。如果把蓄电池比喻做个大的水池（水池足够大），支流的来水和流出去的水量短时间不会改变水位的变化，这和我们的原理相同。

3 结论

当前新能源应用技术越来越受到世界各国的普遍重视，不断开发出性价比更高，工作效率更高的风力发电机越来越重要。因而，在研究开发以及推广改进风力发电机的工作工程中，对风机发电性能进行测试，掌握准确性能，并对离网风电系统使用环节进行控制是十分必要的。

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