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小型风光发电系统设计
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毕业设计(论文)
小型风光发电系统设计
WINDANDLIGHTCOMPLEMENTARYElectricity-GENERATINGSYSTEM
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摘要
进入二十一世纪,能源的需求量飞速增长,而传统能源对环境的影响已无法忽视,新型清洁能源利用以进入全球的视野。
风能和太阳能是现在广泛利用的两种能源,把两种系统结合起来,形成风光互补发电系统,这种小型独立的发电系统,可以为电网无法达到的地方提供充足供电。
本文分析了风光互补系统未来的发展前景,研究了风光互补的系统结构及工作原理,对控制器、逆变器进行设计。
风力发电机的结构分为垂直型和水平型,本文分析了两种结构的差异,并对其风轮及零件具体数据进行了计算。
对于控制器的设计,使用了51单片机,设计了DC/DC变换电路、单片机控制电路、LCD显示电路、检测电路等。
关键词风光互补;逆变器;单片机
Abstract
Thetwenty-firstcentury,therapidgrowthofenergydemand,andtheimpactoftraditionalenergyontheenvironmentisnolongerignored,newcleanenergyuseintheglobalscene.Windandsolarenergyarenowwidelyavailableintwoenergysources,thetwosystemscombinetoformwindandsolarpowergenerationsystems,thissmallindependentpowergenerationsystemthatcanprovidesufficientpowertothegridcannotreachtheplace
Windturbinestructureisdividedintoverticalandhorizontal,thepaperanalyzesthedifferencesbetweenthetwostructures,andcalculateditswindturbinesandpartsspecificdata.Forcontrollerdesignused51controlled,designedDC/DCconvertercircuit,microprocessorcontrolcircuit,LCDdisplaycircuit,detectioncircuit.
KeywordWindandsolarpowerConverterSCM
目录
摘要1
Abstract2
1绪论5
1.1能源状况5
1.2风、光发电的发展状况5
1.2.1风电系统和光电系统的基本特性5
1.2.2风光互补发电的提出6
1.3风光发电的国内外发展情况6
1.4小型风光互补发电系统的主要原理7
2风力发电机组分类9
2.1风力发电机的结构9
2.2风力发电机的分类11
2.2.1水平轴风力发电机的整体结构12
2.2.2垂直轴风力发电机的整体结构13
3风力发电机组结构的确定15
3.1风力机的基本理论15
3.2垂直轴风力发电机配件的设计16
3.2.1发电机16
3.2.2叶片16
3.2.3叶片的材料17
3.2.4主轴18
3.2.5轴毂19
3.2.6架子20
4光伏发电系统24
4.1太阳能电池发电原理24
4.2太阳能光伏电池等效电路25
4.3光伏阵列的设计26
4.4蓄电池27
5控制器设计28
5.1控制电路原理28
5.2单片机及其外围电路29
5.2.1单片机最小系统32
5.2.2显示接口电路33
5.2.3检测电路34
5.2.4继电器控制电路35
5.3DC/DC变换器36
5.4逆变电路37
6系统软件设计39
6.1程序主流程图39
6.2过压检测流程图40
6.3电池欠压检测流程41
结论43
致谢44
参考文献45
1绪论
1.1能源状况
人类社会不断的推进发展中,能源的消耗也必须跟上发展的脚步,经历了煤炭替代传统的薪柴,石油替代煤和目前的石油和天然气等化石燃料为基础的,多能源互补的三个阶段。
1949年在美国,石油的消费量已近大于煤炭的消费量。
在20世纪60年代石油逐步成为世界上最重要的能源,其比重大于所有其他能源的消费。
然而在持续的发展中,石油能源的消费又急转直下,各种新型能源的出现,虽然现在比重较小,但逐步侵蚀传统能源的方向却显而易见。
能源的清洁性是能源发展的重要方向。
将来风能、太阳能等可持续清洁能源取代煤、石油等化石能源是必然的进程。
人类社会在经济水平不断发展的同时,对自然环境的清洁性需求也会越来越大,所以越来越清洁的能源不可或缺。
在社会不断发展的当下,许多环境相关法律也被制定出来,并且被越来越多国家所接受。
以美国为例,1963年,为了控制大气污染对生活的影响,美国国会通过了《清洁空气法案》。
《清洁空气法案》的发布改善了美国的能源消费结构,清洁性能源的比重逐步追上传统能源,天然气的使用量从1973年的13.97万亿立方英尺增长到1982年的22.1万亿立方英尺,增长了58.2%;但是煤炭的使用量却从1975年的4.72亿万吨扩张到1985年的5.63亿万吨,增速为19.3%。
天然气的需求量增速远远大于煤炭的需求增速。
当前社会,人们逐渐关心环境问题,对环境污染的担忧愈加沉重,风能与太阳能的发展也必然会空前加速,最终成为能源消费品的主力军。
1.2风、光发电的发展状况
1.2.1风电系统和光电系统的基本特性
光电系统包括光电板、控制器、逆变器和负载,能够把太阳能转变为可以利用的电能。
光电系统的优势是可靠性高,设备维护的需要资金较少,缺点是设备制造的成本较高。
风电系统包括风力机、发电机、控制器和负载[1],接受自然的风能,转化为生活中需求的电能。
风电系统的优势是日生成电量多,设备制造成本低,日常设备维护简易。
1.2.2风光互补发电的提出
风能和太阳能都是清洁的可再生能源,可是会受到自然条件的制约,但是两者的变化条件互不干扰,因此可以综合两种能量,相互配合利用发电,缓解人类社会巨大的电能需求,风光互补系统在人类的生活中将会不可或缺。
生活在山区或偏远地区的人,用电需求不会过高,因此不会采用电网输送电力,而是在当地自给自足,柴油发电机是现在的常用手段,但是柴油不利于运输与保存,而且成本过高,无法保障不间断供电。
因此柴油发电机无法长期立足,必须找出自给自足的能源供给方案,而合理利用自然资源恰恰是解决问题的核心。
最常见的自然资源便是风能与太阳能,同时也是用之不竭的可再生能源,两者可以互不干扰的独立工作。
风光互补的系统可以弥补各自系统的缺陷,而不是漏洞百出的单一发电系统,对发电量和用电负荷的匹配做的也更加合理,大大增强了系统稳定性。
能量储存环节在所有发电系统中的地位举足轻重,它维系着系统的能量供求平衡,增强系统的稳定性。
机械储能、化学储能和热储能都是储存能量的有效方式,实际应用中最常见的就是利用蓄电池的化学储能方法。
虽然,蓄电池储能设施可以较好的接受风能和太阳能传输的能量,持续发电,但是自然天气环境对发电量的影响无法忽视,当天气环境恶劣时,无法获得能量来源,也就无法对蓄电池输送能量,最后形成亏电状态。
蓄电池的实际使用时长也就大打折扣。
1.3风光发电的国内外发展情况
在发达国家和地区,太阳能已近普遍推广,在亚洲,这种发电方式也在逐步获得采纳和认可,未来的发展前景也是一片大好。
光伏发电的理论研究也日趋完善,因此成本的减少和设备的普及也只是时间问题。
大气污染的防治在中国已成为主流问题,化石能源对环境的严重破坏已迫在眉睫,中国政府也制定出相应政策,大力推行新能源的扩张,逐步减少化石能源的使用量。
光伏发电和风力发电机的设立速度如雨后春笋,在中国大地上不断涌出,并计划在不久的未来新能源占总能源的比重超过三分之一。
图1-1生活中风光互补发电系统的利用
在美国,预计2020年,风能占总能源利用率超过五分之一。
太阳能设备的生产获得政府大力支持。
新能源领域也会推动大量人口的就业,对国民经济的影响,将会无法取代。
1.4小型风光互补发电系统的主要原理
系统结构和系统模型如图1-2和1-3所示,系统由光伏单元元件、风力单元元件和逆变单元元件以及蓄电池系统、直流母线、交流母线和交流负载等共同工作组成,此系统是综合了风能、光能等多种发电方式及单片机控制器的复杂、高效的智能系统,其主要原理为:
(1)风力单元是通过风轮转动把风能变成机械能,然后用风力发电机把机械能变成电能,经过整流后,再通过单片机控制对蓄电池充电,对于交流负载,要经逆变器逆变后对负载供电;
(2)光伏单元利用的是太阳能电池板的光生伏特效应,光能可以转变为电能,通过pm控制系统对蓄电池充能,最后发挥逆变器的效果,把直流电逆变为交流电,才可以对交流负载有效供电;
(3)逆变器由逆变桥、控制逻辑以及滤波电路组成,因为很多负载需要的是交流电,无法直接利用储存的直流电,确保了负载元件的合理使用,对稳定电路具有帮助;
(4)蓄电池部分的作用是起到能量调节和平衡负载。
可以把风光互补系统传送的能量保存起来,以便于在环境制约时合理供电。
图1-2风光互补发电系统结构图
图1-3风光互补发电系统模型图
2风力发电机组分类
2.1风力发电机的结构
从结构上可以把风力发电机分为两种。
第一种是水平轴风力机,风轮轴水平防置,风力带动叶片转动,产生机械能。
水平轴多数为高速风力机,叶片数量约为2到3片,也有少量中低速风力机,叶片数较多,如图2-1所示。
第二种是垂直轴风力机,风轮轴是垂直布置的,风力带动叶片,叶片驱动风轮轴转动,产生机械能,如图2-2所示。
(a)单叶片;(b)双叶片;(c)三叶片;(d)多叶片;(e)上-下风向的两组叶片;
(f)上风向布置的两组叶片;(5)水平轴索旺尼斯型叶片
图2-1水平轴的风力机叶片种类
根据欧美发达国家的统计,风能的比重正在持续上升,新型的能源结构正朝着大型化、系统化方向发展,替代性能源的开发正逐步得到实质性的进展。
(a)垂直轴的索旺伲澌型叶片;(b)一般型叶片
(c)达里厄型风轮(d)垂直轴的杯型
图2-2垂直轴的风力机的叶片种类
2.2风力发电机的分类
按风力机功率进行分类:
额定的功率在50—1000W时,称为微型风力发电机;额定的功率在1—10KW时,称为小型风力发电机;额定的功率在10—100KW时,称为中型风力发电机;额定的功率是大于100.0KW时,称为大型风力发电机
风力机安装形式的分类:
世界当前装机的风力机主要有两种,1,水平轴:
功率基本为5MW,是风力发电中使用最多的形式。
2,垂直轴:
风轮转动轴垂直于地面或者风力方向。
其传动效率比水平轴发电机高,没有转向机构,噪音较小,便于维护修理。
现在是小型风力发电机的第一选择。
最近,超大型垂直轴风力发电机的建造计划已近被提上日程,如果这个计划得以实现,水平轴风力发电机将被逐步取代,世界的风力发电历史进程将被大力推动,在能源利用史上也会是辉煌的一笔。
2.2.1水平轴风力发电机的整体结构
当前世界各国最常用的风力发电机仍然是水平轴的风力发电机,因为垂直轴风力发电机的实际发电还有技术问题需要改善,难以大规模经济有效的利用。
水平型风力机的结构主要包括:
机舱、叶片、齿轮箱、发电机、偏航装置、制动器、塔架和轮毂[2]。
机舱:
机舱里面有齿轮箱和发电机,起着保护核心装置的作用。
风力机转子在机舱的左侧,也就是转子叶片。
叶片:
依靠风力带动旋转,并将风力传送的转子轴心。
当今的大型风力发电机上,叶片的长度基本超过20米,而且外形酷似于飞机的机翼。
低速轴:
转动轴心和齿轮箱被低速轴所连接。
齿轮箱:
齿轮箱是速度转换的装置,可以把低速轴的速度转化高速轴的速度,提升倍率平均为50倍。
高速轴:
每分钟运转的圈数可达2000,是发电机的主要驱动元件。
轴上配备有紧急机械闸,一旦空气动力闸失效,它将发挥作用。
发电机:
也就是感应电机或异步发电机。
当今的风力发电机,电力的最大输出功率一般为400kw-1400kw。
偏航装置:
检测风力的方向,通过电动机转动机舱,使风轮方向正对风吹的方向。
一般情况下,风力发电机的偏转度数小于10度。
制动器:
就是刹车装置,可以使风力机停止转动。
制动器包括电磁元件、液压元件等。
塔:
风力机需要接受风力,而离地越高,风速越快,产生的能量也就越多。
它可以为管状的塔,也可以是格子状的塔。
格状的塔的优点在于它比较便宜。
典型结构如图2-3
1-左调向电机;2-左调向减速器;3-右调向电机;4-右调向减速器;5-调向传动轴;6-发电机;7-高速轴;8-高速轴结合器;9-低速制动器;10-低速轴;11-调速装置;12-增速器;13-调向制动盘;14-调向制动器;15-叶片
图2-3水平轴风力机典型结构
2.2.2垂直轴风力发电机的整体结构
目前垂直轴风力发电仍然没有大规模使用。
其效率转换率较低,设施的启动需要能量。
但也有其有点,除了风轮需要安装在高处,其他设备都可以直接在地面配合使用,维护修理都非常便捷,不需要改变方向,垂直轴风力发电机大体分为两种,第一种是达里厄型的垂直轴风力发电机,如图2-4。
另外一种是旋翼式的垂直轴风力发电机,如图2-5。
达里厄垂直轴风力发电机包括了叶片、垂直轴、齿轮箱、高低速轴联轴器、变速器、发电机、塔架和拉线等多方面[3]。
根据风叶的形状,达里厄型风力机又有多种形式,例如θ型、H型、三角型、Y型等,最长见的就是θ型和H型风轮。
旋翼垂直轴风力发电机由上支撑、叶片、钢架、控制器、下支撑、架子、变速器、发电机等组成。
垂直轴风力发电机相比于水平轴风力发电机,有其自身的优势,但是也存在一些先天性的不足,仍然去需要研究解决。
比如达里厄垂直轴风力发电机必须要有启动设备,来控制他的变浆问题。
旋翼式垂直轴风力发电机叶片需要不停改变他的迎风角,可是现在能够顺利解决的问题仅仅是是否正对着风的方向,但不能随风速变换叶片迎角。
旋翼式叶片和达里厄叶片转变风能的效率都无法达到水平轴风力机的效率,根本的原因是无法根据风力的大小来变换叶片的迎风角。
许多问题还需要研发去实现。
1-塔架;2-发电机;3-制动器;4-联轴器;
5-增速器;6-垂直轴;7-叶片;8-拉线
图2-4达里厄型的垂直轴风力机的整体机构
1-发电机;2-增速器;3-塔架;
4-下支撑;5-翼片致动器;6-钢架;
7-叶片;8-上支撑
图2-5旋翼式的垂直轴风力机的整体结构
3风力发电机组结构的确定
本文使用垂直型风力机——达里厄式风轮。
达里厄式风力发电机是一种升力型垂直轴发电机,尖速比非常高,叶片使用标准的翼型,启动时需要的力矩低,,和别的风轮相比,相同的成本下,输出功率更优异。
3.1风力机的基本理论
空气的流动就是风。
不同地区必然存在某种差异,例如温度、气压,能量也会相互之间流动,风的出现就源自于此。
风能在这里指的是风的动能。
关于风力机的理论有几种。
如贝茨(Benz)理论,叶素理论,巴特(Bart)理论,萨比宁(Sabik)理论,阿其耳(Archer)理论等。
本节主要介绍贝茨理论。
贝茨(Benz)在1919年,建立的风轮叶片接受风能转换为电能的理论。
贝获理论的建立,是把风轮当作“理想”的,空气阻力为零,同时风轮无限多。
空气流是不间断的的,不可挤压的,风轮扫风面上的气流是相同的,气流速度的方向在任何情况下,都能够垂直于叶片的扫掠面,这种情况下的风轮叫做“理想风轮”。
实际分析一个运动中的“理想风轮”,能够算出叶片上受到的力的大小,运动的空气对风轮所做的功。
设v1为吹向风轮的风速,v为实际通过风轮的风速,v2为叶片扫掠后的风速,通过风轮叶片前风速面积为s1,叶片扫掠面的风速面积为s,扫掠后风速面积为s2。
风吹动着叶片,带动其旋转,风能也就转化为了机械能,显然v2<v1,s2>s1[4]。
如图3-l所示。
图3-1贝茨(Benz)理论计算简图
v1表示风轮前方的风速v,表示实际通过风轮的风速,而v2则代表叶片扫掠后的风速,三种风速显然是不一样的
s1表示通过风轮叶片前风速面积,s表示叶片扫掠面的风速面积,s2则表示扫掠后风速面积
3.2垂直轴风力发电机配件的设计
6.3电池欠压检测流程
系统开始工作,同时读取电路两端AD信号值,如果通道1的值比通道2的值多100,那么表示蓄电池处于欠压状态,系统开始欠压保护,继电器相应断开,表示欠压的二极管点亮,如果不到100,那么表示状态正常。
流程图如下6-3
图6-3欠压检测流程图
结论
本文介绍了能源的状况,分析了国内外未来发展的前景,提出了风光互补发电系统的优势与缺陷。
对风力发电机的两种主要分类:
垂直型风力发电机和水平轴风力发电机进行了仔细的介绍,最终选用垂直轴风力机,确定叶片数量和基本外形,并且对其动力结构进行了完整的计算。
分别对光伏单元、风力单元的充电和逆变单元进行了设计。
把控制器和蓄电池的逆变电路完整的展现出来,具体分析电路的各个组成部分,主电路和控制电路的结构也深刻的研究。
同时也系统性学习了许多相关知识。
通过对本论文的写作,我深刻意识传统化石能源对环境的严重污染,风光互补发电未来有着远大的前景。
致谢
参考文献
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