最新----【最終版】科院風(fēng)電裝置設(shè)計(jì)

1、科技學(xué)院風(fēng)力發(fā)電裝置設(shè)計(jì)班級(jí)：熱能11K1班姓名： 鄭 楠學(xué)號(hào)：111902010530目 錄摘 要I引 言II第一章 緒論11.1 風(fēng)力發(fā)電概述11.1.1 風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀與展望11.1.2 風(fēng)力發(fā)電的原理和特點(diǎn)21.2 系統(tǒng)工作概述3第二章 風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址42.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)選址的原則42.2選址結(jié)果5第三章 功耗的計(jì)算及風(fēng)機(jī)的選擇53.1功耗的計(jì)算63.1.1多媒體功耗的計(jì)算63.1.2電燈功耗的計(jì)算63.1.3電扇功耗的計(jì)算63.2風(fēng)機(jī)的選擇6第四章 富裕電能的儲(chǔ)存74.1蓄電池74.2蓄電池的性能74.3逆變器84.4應(yīng)急措施8第五章 預(yù)算評(píng)估8結(jié) 論9摘 要風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源

2、越來(lái)越受到人們的重視，風(fēng)力發(fā)電也逐漸成為了時(shí)下的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。本論文詳細(xì)闡明了小型獨(dú)立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的安裝方案，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的選址和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安裝及小型離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)做了深入的研究。為了響應(yīng)“節(jié)能減排,遠(yuǎn)離霧霾”的號(hào)召，現(xiàn)為華北電力大學(xué)科技學(xué)院設(shè)計(jì)一套小型離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)來(lái)滿足學(xué)院日常用電。本文提出的解決方案為，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組帶動(dòng)單相交流發(fā)電機(jī)，然后通過(guò)ACDCAC變換為用戶需要的標(biāo)準(zhǔn)交流電，并且考慮到風(fēng)力的不穩(wěn)定性，在系統(tǒng)中并入蓄電池組，通過(guò)控制電路的監(jiān)控實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制，保證系統(tǒng)在風(fēng)能充足時(shí)可蓄能，在風(fēng)能不充足時(shí)亦可為負(fù)載供電。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；節(jié)能減排；風(fēng)電選址；風(fēng)電安裝引 言隨著世界

3、工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，使得能源消耗逐漸增加，全球工業(yè)有害物質(zhì)的排放量與日俱增，從而造成氣候異常、災(zāi)害增多、惡性疾病的多發(fā)，因此，能源和環(huán)境問(wèn)題成為當(dāng)今世界所面臨的兩大重要課題。由能源問(wèn)題引發(fā)的危機(jī)以及日益突出的環(huán)境問(wèn)題，使人們認(rèn)識(shí)到開發(fā)清潔的可再生能源是保護(hù)生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的客觀需要。可以說(shuō)，對(duì)風(fēng)力發(fā)電的研究和進(jìn)行這方面的畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)我們從事風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的同學(xué)是有著十分重大的理論和現(xiàn)實(shí)意義的，也是十分有必要的。II第一章 緒論風(fēng)能是一種清潔的、儲(chǔ)量極為豐富的可再生能源，它和存在于自然界的礦物質(zhì)燃料能源，如煤、石油、天然氣等不同，它不會(huì)隨著其本身的轉(zhuǎn)化和利用而減少，因此可以說(shuō)是一種取之不盡、用

4、之不竭的能源。而礦物質(zhì)燃料儲(chǔ)量有限，正在日趨減少，況且其帶來(lái)的嚴(yán)重的污染問(wèn)題和溫室效應(yīng)正越來(lái)越困擾著人們。因此風(fēng)力發(fā)電正越來(lái)越引起人們的關(guān)注。1.1 風(fēng)力發(fā)電概述1.1.1 風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀與展望全球風(fēng)能資源極為豐富，技術(shù)上可以利用的資源總量估計(jì)約53×106億kWh /年。作為可再生的清潔能源，受到世界各國(guó)的高度重視。近20年來(lái)風(fēng)電技術(shù)有了巨大的進(jìn)步，發(fā)展速度驚人。而風(fēng)能售價(jià)也已能為電力用戶所承受：一些美國(guó)的電力公司提供給客戶的風(fēng)電優(yōu)惠售價(jià)已達(dá)到22.5美分/kWh，此售價(jià)使得美國(guó)家庭有25%的電力可以通過(guò)購(gòu)買風(fēng)電獲得。2004年歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)和綠色和平組織簽署了風(fēng)力12關(guān)于2020年風(fēng)

5、電達(dá)到世界電力總量的12%的藍(lán)圖的報(bào)告，“風(fēng)力12%”的藍(lán)圖展示出風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為解決世界能源問(wèn)題的不可或缺的重要力量。按照風(fēng)電目前的發(fā)展趨勢(shì)，預(yù)計(jì)20082012年期間裝機(jī)容量增長(zhǎng)率為20%，以后到2015年期間為15%，20172020年期間為10%。其推算的結(jié)果2010年風(fēng)電裝機(jī)1.98億KW，風(fēng)電電量0.43×104億kWh，2020年風(fēng)電裝機(jī)12.45億KW，風(fēng)電電量3.05×104億kWh，占當(dāng)時(shí)世界總電消費(fèi)量25.58×104億kWh的11.9%。世界風(fēng)電發(fā)展有如下特點(diǎn)：（1）風(fēng)電單機(jī)容量不斷擴(kuò)大。風(fēng)電機(jī)組的技術(shù)沿著增大單機(jī)容量、提高轉(zhuǎn)換效率的方向發(fā)

6、展。風(fēng)機(jī)的單機(jī)容量已從600KW發(fā)展到20005000KW,如德國(guó)在北海和易北河口已批量安裝了單機(jī)5000KW的風(fēng)機(jī),丹麥已批量建設(shè)了單機(jī)容量20002200KW的風(fēng)機(jī)。新的風(fēng)電機(jī)組葉片設(shè)計(jì)和制造廣泛采用了新技術(shù)和新材料，有效地改善并提高了風(fēng)力發(fā)電總體設(shè)計(jì)能力和水平。另外,可變槳翼和雙饋電機(jī)的采用,使機(jī)組更能適應(yīng)風(fēng)速的變化, 大大提高了效率。最近,又發(fā)展了無(wú)齒風(fēng)機(jī)等,進(jìn)一步提高了安全性和效率。（2）風(fēng)電制造企業(yè)集中度較高。目前，主要風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)集中在歐美國(guó)家，全世界風(fēng)電機(jī)組供應(yīng)商的前10位供應(yīng)了世界新增裝機(jī)容量的90% 以上的份額，集中度比較高。近來(lái)，GE風(fēng)能（GE Wind Energy

7、）、德國(guó)REpower（REpower Systems AG）和三菱重工（MHI）的市場(chǎng)份額提高迅速。（3）風(fēng)電電價(jià)快速下降。由于新技術(shù)的運(yùn)用，風(fēng)電的電價(jià)呈快速下降趨勢(shì)，且日益接近燃煤發(fā)電的成本。以美國(guó)為例，風(fēng)電機(jī)組的造價(jià)和發(fā)電成本正逐年降低，達(dá)到可與常規(guī)發(fā)電設(shè)備不相上下的水平。有關(guān)專家預(yù)測(cè)，世界風(fēng)力發(fā)電能力每增加一倍，成本就下降15%。中國(guó)的風(fēng)能資源十分豐富。根據(jù)全國(guó)900多個(gè)氣象站的觀測(cè)資料進(jìn)行估計(jì)，中國(guó)陸地風(fēng)能資源總儲(chǔ)量約32.26億KW，其中可開發(fā)的風(fēng)能儲(chǔ)量為2.53億KW，而海上的風(fēng)能儲(chǔ)量有7.5億KW，總計(jì)為10億KW。我國(guó)的風(fēng)電開發(fā)起步較晚，大體分為三個(gè)階段。第一階段是19861

8、990年我國(guó)并網(wǎng)風(fēng)電項(xiàng)目的探索和示范階段。其特點(diǎn)是項(xiàng)目規(guī)模小，單機(jī)容量小，最大單機(jī)200KW，總裝機(jī)容量4.2千KW。第二階段是19911995年示范項(xiàng)目取得成效并逐步推廣階段。共建5個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，安裝風(fēng)機(jī)131臺(tái)，裝機(jī)容量3.3萬(wàn)KW，最大單機(jī)500KW。第三階段是1996年后擴(kuò)大建設(shè)規(guī)模階段。其特點(diǎn)是項(xiàng)目規(guī)模和裝機(jī)容量較大，發(fā)展速度較快，平均年新增裝機(jī)容量6.18萬(wàn)KW，最大單機(jī)容量達(dá)到1300KW。隨著風(fēng)電技術(shù)的日趨成熟和電力規(guī)模的擴(kuò)大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率在向大型化方向發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電這一朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)必將蓬勃發(fā)展，成為將來(lái)能源供給的支柱產(chǎn)業(yè)！1.1.2 風(fēng)力發(fā)電的原理和特點(diǎn)風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)能來(lái)發(fā)電，

9、而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的機(jī)械。風(fēng)輪是風(fēng)電機(jī)組最主要的部件，由槳葉和輪轂組成。槳葉具有良好的動(dòng)力外形，在氣流的作用下能產(chǎn)生空氣動(dòng)力是風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再通過(guò)齒輪箱增速驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化電能。然后在依據(jù)具體要求需要，通過(guò)適當(dāng)?shù)淖儞Q將其存儲(chǔ)為化學(xué)能或者并網(wǎng)或者直接為負(fù)載供電。3風(fēng)力發(fā)電有如下特點(diǎn)（1）可再生，且清潔無(wú)污染。（2）風(fēng)速隨時(shí)變化，風(fēng)電機(jī)組承受著十分惡劣的交變載荷。（3）風(fēng)電的不穩(wěn)定性會(huì)給電網(wǎng)或負(fù)載帶來(lái)一定的沖擊影響。風(fēng)力發(fā)電的運(yùn)行方式主要有兩種：一類是獨(dú)立運(yùn)行的供電系統(tǒng)，即在電網(wǎng)未通達(dá)的地區(qū)，用小型發(fā)電機(jī)組為蓄電池充電，再通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換為交流電向終端電器供電；

10、另一類是作為常規(guī)電網(wǎng)的電源，與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行。本論文討論的是前者，即獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)電系統(tǒng)的解決方案。1.2 系統(tǒng)工作概述其具體運(yùn)行狀況為：（1）風(fēng)力吹動(dòng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。（2）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過(guò)連接的齒輪變速箱來(lái)提高輸出端轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，該軸與發(fā)電機(jī)相連。（3）轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)單相交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，開始發(fā)電。（此時(shí)發(fā)出的是頻率和幅值都不穩(wěn)定的交流電）。（4）引出的單相交流電通過(guò)整流器變成穩(wěn)定的直流電。（5）a.若風(fēng)能充足，直流電經(jīng)控制電路流向逆變器，并向蓄電池充電；b.若風(fēng)能不足，控制電路切換為蓄電池供電狀態(tài)。（6）直流電經(jīng)逆變器變換為恒頻穩(wěn)定交流電。此時(shí)即可實(shí)現(xiàn)為負(fù)載供電。第二章 風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址隨著技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)能的開發(fā)

11、和利用越來(lái)越受到人們的重視。在風(fēng)能利用中，人們遇到一個(gè)重要問(wèn)題是如何選擇好風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安裝場(chǎng)址。場(chǎng)址選擇適宜與否，對(duì)于風(fēng)能利用的預(yù)期目的能否達(dá)到有著關(guān)鍵的作用。離網(wǎng)型集中供電風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的安裝地點(diǎn)的選擇，首先要考慮當(dāng)?shù)刎?fù)載的需求，盡可能靠近相關(guān)的負(fù)載，以減少傳輸損失，然后綜合考慮地形、電力傳輸半徑、當(dāng)?shù)貪撛诘纳a(chǎn)線負(fù)載等因素加以確定。但是即使在同一個(gè)地區(qū)，由于局地環(huán)境不同，也會(huì)有不同的氣候效應(yīng)。如果場(chǎng)地選擇不合理，即使性能很好的風(fēng)力發(fā)電機(jī)也不能很好的發(fā)電，更有甚者，由于選址的不正確，很可能導(dǎo)致設(shè)備的損壞。在進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝場(chǎng)地選址時(shí)，首先應(yīng)該考慮當(dāng)?shù)氐哪茉词袌?chǎng)的供求情況、負(fù)載的性質(zhì)和每晝夜

12、負(fù)載的動(dòng)態(tài)變化；在此基礎(chǔ)上，再根據(jù)風(fēng)能資源的情況選擇有利的場(chǎng)地，以獲得盡可能多的發(fā)電量。另外，也應(yīng)考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝和運(yùn)輸方面的情況，以盡可能降低風(fēng)力發(fā)電成本。2.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)選址的原則1、選擇風(fēng)能質(zhì)量好的地區(qū)；在風(fēng)能潛力普查的基礎(chǔ)上，風(fēng)力開發(fā)盡可能選取在風(fēng)能資源豐富的地區(qū)。根據(jù)風(fēng)能資源普查的原則，首先進(jìn)行宏觀的、全國(guó)范圍的風(fēng)能資源普查，調(diào)查站點(diǎn)的網(wǎng)格尺度約為100km。這樣我們可以首先做一風(fēng)能資源的大體分布圖，從風(fēng)能區(qū)劃圖上再確定重點(diǎn)風(fēng)能開發(fā)區(qū)。2、要有穩(wěn)定的盛行風(fēng)向；對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安裝地點(diǎn)，除了要求風(fēng)能資源好以外，還要有比較穩(wěn)定的風(fēng)向。所謂盛行風(fēng)向就是出現(xiàn)頻率最多的風(fēng)向，這個(gè)我們可以通過(guò)

13、風(fēng)向玫瑰圖來(lái)了解。有了穩(wěn)定的盛行風(fēng)向，在選址時(shí)就比較容易考慮地形的影響和確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)的布局。3、風(fēng)速日變化和季節(jié)變化??；（1）風(fēng)速日變化。低層風(fēng)速的日變化可以分為大陸型和海上型兩類。 （2）風(fēng)速季節(jié)變化。一年中各季各月風(fēng)速大小不同。一般春冬風(fēng)大，夏秋風(fēng)小。風(fēng)速的年變化曲線與年負(fù)載曲線變化趨勢(shì)一致時(shí)，風(fēng)況最為理想。4、風(fēng)力發(fā)電機(jī)高度范圍內(nèi)風(fēng)垂直切變要小；引起風(fēng)的垂直切變的原因有熱力因素也有動(dòng)力因素。地面不同的粗糙度會(huì)引起不同的風(fēng)速廓線，這樣就存在著相當(dāng)大的垂直切變風(fēng)速剖面，這種切變對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作極為不利。因此，應(yīng)盡量選擇下墊面相一致的地點(diǎn)，使風(fēng)的垂直切變盡可能小。5、湍流強(qiáng)度要?。粺o(wú)規(guī)則

14、的湍流給風(fēng)力發(fā)電機(jī)帶來(lái)難以預(yù)計(jì)的危害，一方面減小可利用的風(fēng)能，另一方面也使風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)和受載不均勻，縮短風(fēng)力發(fā)電機(jī)的壽命，嚴(yán)重時(shí)使葉片發(fā)生不應(yīng)有的損壞。因此，在選址時(shí)應(yīng)盡量避開粗糙的地表面或障礙物?？赡艿脑捠沟蔑L(fēng)輪比附近的障礙物高出67m,離開障礙物的距離也應(yīng)該是障礙物高度的510倍。2.2選址結(jié)果由以上原則，結(jié)合科院自身地形和實(shí)際狀況，可選擇在教五樓旁的空地安裝兩臺(tái)、操場(chǎng)西側(cè)的空地安裝三臺(tái)。 第三章 功耗的計(jì)算及風(fēng)機(jī)的選擇由擬為科技學(xué)院教一、教二、教三、教四、階梯（6個(gè)）教室供電。經(jīng)調(diào)查教學(xué)區(qū)的耗電設(shè)備主要為多媒體、電燈、電扇。3.1功耗的計(jì)算3.1.1多媒體功耗的計(jì)算調(diào)查可知，共有多

15、媒體36個(gè)，功率為700W/臺(tái)，總耗電為700*36=25200W3.1.2電燈功耗的計(jì)算設(shè)一間小教室共8盞燈，階梯教室20盞燈，每盞燈50W，總耗電為（30*8+6*20）*50=18000W3.1.3電扇功耗的計(jì)算設(shè)一間小教室共8臺(tái)電扇，階梯教室16臺(tái)電扇，每盞燈500W，總耗電為（30*8+6*16）*500=168000W設(shè)備總功率P=168000+18000+25200=211.2KW3.2風(fēng)機(jī)的選擇1、由總功率并結(jié)合實(shí)際情況，可選擇5×50KW的風(fēng)機(jī)機(jī)組。2、查閱資料可得保定市年平均風(fēng)速(1981-2010年)僅3米/秒，全年靜風(fēng)小風(fēng)頻率在17%以上。2001年到2011

16、年保定市有180天日平均風(fēng)速小于等于5米/秒，占全年的49%。取V=4m/s。風(fēng)場(chǎng)密度為1.2kg/m33、風(fēng)速的分布：V4m/s的時(shí)間為3000-4000h/年；V3m/s的時(shí)間為500-1500h/年；風(fēng)能密度為50-150W；按最佳風(fēng)能利用系數(shù)，應(yīng)取3葉片的風(fēng)機(jī)，由風(fēng)力機(jī)高速特性曲線-CP可取=5.8，CP=0.44；由以上已知信息，可求得風(fēng)輪直徑R和轉(zhuǎn)速n由上可知，風(fēng)輪直徑D=61.40m，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速n=3.49r/min。此風(fēng)機(jī)各項(xiàng)參數(shù)如下：額定功率P=50KW,轉(zhuǎn)子直徑D=62m，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速n=3.49r/min,額定風(fēng)速V=4m/s，葉片數(shù)3個(gè)，塔架高H=70m，上風(fēng)向，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

17、第四章 富裕電能的儲(chǔ)存4.1蓄電池在獨(dú)立運(yùn)行的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，廣泛使用蓄電池組作為蓄能裝置，蓄電池組的作用是當(dāng)風(fēng)力較強(qiáng)或用電負(fù)荷減小時(shí)，可以將來(lái)自風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能中的一部分儲(chǔ)存在蓄電池中，也就是向蓄電池充電；當(dāng)風(fēng)力較弱、無(wú)風(fēng)或者用電負(fù)荷增大時(shí)，儲(chǔ)存在蓄電池中的電能向負(fù)荷供電，以彌補(bǔ)風(fēng)力發(fā)電的不足，達(dá)到維持向負(fù)荷持續(xù)穩(wěn)定供電的目的。本系統(tǒng)采用的是鉛蓄電池。4.2蓄電池的性能 單格鉛蓄電池的電動(dòng)勢(shì)約為2V，將多個(gè)單格蓄電池串聯(lián)組成蓄電池組，可獲得不同的蓄電池組電動(dòng)勢(shì)?？刹捎?2節(jié)鉛蓄電池串聯(lián)，組成24V的蓄電池組。當(dāng)外電路閉合時(shí)，蓄電池組正負(fù)兩極間的電位差即為蓄電池組的端電壓。蓄電池組在充

18、電和放電的過(guò)程中，端電壓是不相等的，充電時(shí)端電壓高于電動(dòng)勢(shì)，放電時(shí)端電壓低于其電動(dòng)勢(shì)。這是由于蓄電池組存在內(nèi)阻的原因所致。蓄電池的容量以Ah表示，其端電壓隨著放電而逐漸降低，且蓄電池組存在最佳充放電電流，其具體參數(shù)將在實(shí)際應(yīng)用中再做具體分析。蓄電池經(jīng)過(guò)多次充放電后，其容量會(huì)降低，當(dāng)蓄電池的容量為其額定值的80%以下時(shí)，就再不能使用了，也就是說(shuō)蓄電池有一定的使用壽命。影響其壽命的原因有很多，如充放電過(guò)度、蓄電池的電解液濃度太大或者純度降低以及在高溫環(huán)境下使用等都會(huì)是蓄電池的性能變壞，降低蓄電池的使用壽命。4.3逆變器獨(dú)立運(yùn)行的異步風(fēng)力發(fā)電動(dòng)機(jī)組輸出是不穩(wěn)定的直流電，必須用蓄電池儲(chǔ)能，才能向用戶提供連續(xù)平穩(wěn)的電能，但絕大多數(shù)用電器，如日光燈、電視機(jī)、電冰箱、電風(fēng)扇和絕大多數(shù)動(dòng)力機(jī)械等都是以交流電工作，因此，在獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中通常需要將直流電再變換成交流電，這種變換過(guò)程叫逆變，具有逆變功能的電力電子設(shè)備稱為逆變器，逆變器還具有自動(dòng)穩(wěn)壓功能，可改善系統(tǒng)的供電質(zhì)量。4.4應(yīng)急措施當(dāng)風(fēng)速太小，發(fā)電功率達(dá)不到所需要求是，風(fēng)電運(yùn)行系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)應(yīng)急方案，自動(dòng)接通電網(wǎng)，保證供電系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全。第5章 預(yù)算評(píng)估查得100KW風(fēng)機(jī)價(jià)格為1240