小型離網風力發電照明系統

薛丹丹，王金龍，孫強，嚴春光

摘 要：隨著環境問題的日益突出，能源供應的漸趨緊張，對可再生能源的開發利用顯得至關重要。風能是一種清潔的綠色能源能源，風力發電在當今許多國家已廣泛采用。 風力發電清潔無污染，施工周期短，投資靈活，占地少，具有較好的經濟效益和社會效益。本文主要從以下幾方面對風力發電系統進行了研究： 1. 小型風力發電系統的選型。2. 離網風力發電系統在照明方面上的應用。

關鍵詞：風力發電；離網；照明

1 小型風力發電系統

1.1 風力機的主要部件

水平軸風力機主要由風輪、塔架、對風裝置、齒輪箱組成，整體結構如圖1-1所示：

（1）風輪：由1～3個葉片組成，這是吸收風能的主要部件。當風輪旋轉時，葉片受到離心力和氣動力的作用，離心力對葉片是一個拉力，而氣動力使葉片彎曲。當風速高于風力機的設計風速時，為防止葉片損壞，需對風輪進行控制。

控制風輪有三種方法：a，使風輪偏離主方向；b，改變葉片角度；利用擾流器，產生阻力，以降低風輪轉速。

（2）塔架：為了讓風輪能在較高的風速中運行，需要塔架把風輪支撐起來。這時塔架需要承受兩個主要的載荷：一個是風力機的重力，向下壓在塔架上；另一個是阻力，使塔架向風的下游方向彎曲。選擇塔架時要必須考慮其成本，根據實際情況而定。

（3）對風裝置：自然界的風向及風速一直變化，為了得到較高的風 能利用率，應使風能的旋轉面經常對準風向為此需要對風裝置。本論文只介紹小型風力機的對風裝置，如圖1-2所示，利用尾舵控制對風。由尾翼帶東水平軸旋轉，是風輪總朝向風吹來的方向。

圖1-1風力機整體結構

圖1-2對風裝置

（4）齒輪箱

由于風輪的轉速比較低，而且風力的大小經常變化著，這又使得轉速不穩定。所以，在帶動發電機之前，還必須附加一個齒輪箱，再加一個調速裝置使得轉速保持穩定，然后在連接到發電機上。齒輪箱的主要作用是將風輪在風力作用下所產生的動力傳遞給發電機，通過齒輪的增速作用使其得到相應的轉速。在裝機是應使其與輪轂相連。為了增加齒輪箱的制動能力，在齒輪箱的輸入端或輸出端設置剎車裝置配合葉尖制動裝置實現聯合制動。

1.2 控制系統

控制系統的功能是對整機運行狀態進行控制，即風力發電機從一種運行狀態到另一種運行狀態的轉換過渡過程的控制。風力發電機的組件多、體積大且相互關聯緊密，所以對控制系統的可靠性、安全性有較高的要求。大型風力發電機的控制系統是一個很復雜的微型計算機控制系統，包含若干子系統，安裝在控制箱或控制柜內。

1.3 逆變器

能夠使用電池等的直流電壓的負載不多。逆變器就是將直流電流轉換為交流電的裝置。

1.4 卸荷電阻

主要作用是為了防止蓄電池過充， 也有一定的限速的作用，相當于負載量增大了。

1.5 蓄電池

在獨立運行的小型風力發電系統中，廣泛使用蓄電池組作為蓄能裝置，蓄電池組的作用是當風力較強或用電負荷減小時，可以將來自風力發電機發出的電能中的一部分儲存在蓄電池中，也就是向蓄電池充電；當風力較弱、無風或者用電負荷增大時，儲存在蓄電池中的電能向負荷供電，以彌補風力發電的不足，達到維持向負荷持續穩定供電的目的。本系統采用的是鉛蓄電池。

1.6 氣象系統

氣象系統提供當地實時風速、風向、濕度、大氣壓強，風速風向儀高度和風輪中心等高，本文實驗主風向偏西北。

1.7 控機組態

1）向管理層提供各電廠經營報表，為決策提供數據支持。

2）向合資合作伙伴提供其所投資的電廠的運行數據。

3）向技術部門提供風機運行以及變電站的各類指標，通過技術圖表對風機及變電站運行情況進行分析。

4）向運行維護部門提供有關風機及變電站的各類故障報警信息，以及歷次維修記錄。并提供有關風廠的運行維護類各種報表統計。

5）通過集團監控室大屏幕向來訪投資者展示集團運行電廠的各種主要信息。

2 離網風力發電在照明系統中的應用

在本實驗中已有2KWAC120V三相永磁發電機，本論文將研究風力發電量供給蓄電池，給AC220V23W節能燈提供照明，利用蓄電池的帶載時間來計算電量。

2.1 風力發電的原理

風力發電是利用風能來發電，而風力發電機組是將風能轉化為電能的機械。風輪是風電機組最主要的部件，由槳葉和輪轂組成。槳葉具有良好的動力外形，在氣流的作用下能產生空氣動力是風輪旋轉，將風能轉化為機械能，再通過齒輪箱增速驅動發電機，將機械能轉化電能。然后在依據具體要求需要，通過適當的變換將其存儲為化學能或者并網或者直接為負載供電。

2.2 風力發電的運行方式

主要有兩種：一類是獨立運行的供電系統，即在電網未通達的地區，用小型發電機組為蓄電池充電，再通過逆變器轉換為交流電向終端電器供電；另一類是作為常規電網的電源，與電網并聯運行。本論文討論的是前者，即獨立運行風電系統的解決方案。

系統概述

圖1-3獨立運行的風力發電系統結構圖

上圖1-3為小型風力發電系統的一般工作結構圖。風力吹動風輪轉動，將風能轉化為機械能，通過發電機的工作，產生電能。將發電機發出的電能用儲能設備儲存起來（一般用蓄電池）需要時再提供給負載，并可以通過整流，逆變裝置將發電機輸出電能進行交直流變換，適應負載的需要。

系統設備的具體功能介紹：

（1）風力機：把風能轉換為機械能。

（2）發電機：發電機直接與風力機相連，由風機帶動向外發電。

（3）電力電子接口：包括功率調節器和充放電控制器，位于風力發電機和負載之間。

（4）蓄電池：系統的儲能裝置，將系統產生的電能存儲起來，在無風時釋放能量。

（5）逆變器和負載：實現直流電轉換為交流電，供交流負載使用。

2.3 風力機的氣動原理

風力發電機組主要利用氣動升力的風輪。氣動升力是由飛行器的機翼產生的一種力，如圖1-4。

圖1-4氣動升力圖

從圖可以看出，機翼翼型運動的氣流方向有所變化，在其上表面形成低壓區，在其下表面形成高壓區，產生合力方向向上，并垂直于氣流方向，產生升力。同時也產生阻力，風速也會有所下降。升力總是推動葉片繞中心軸轉動。

2.4 蓄電池的選擇

蓄電池是風能儲能的裝置。蓄電池把從風力機組發出的電能以化學能的形式儲存起來。使用時又把化學能轉化為電能，一般采用鉛酸膠體閥控蓄電池。本套2KW風能離網系統采用8節12V150AH的蓄電池，由4個蓄電池串聯成一組電壓48V，然后由2組蓄電池并聯，采用四個配電柜來裝蓄電池，控制器和逆變器。

2.5 蓄電池設計方法

蓄電池的設計思想是保證在風機轉速連續低于平均值的情況下負載仍可以正常工作。同時為了避免蓄電池的損壞，蓄電池的放電過程只能夠允許持續一定的時間，直到蓄電池的 負荷狀態到達指定的危險值。為了量化評估這種風機轉速連續低于平均值的狀況，在進行蓄電池設計時，給出一個重要的參數：自給天數，即系統在沒有任何外來能源的情況下負載仍能正常工作的天數。這個參數讓系統設計者能夠選擇所需使用的蓄電池容量大小。一般來講，自給天數的確定與兩個因數有關：負載對電源的要求程度；風機系統安裝地點的最大連續弱風或無風情況作為系統設計中使用的自給天數，但還有綜合考慮負載對電源的要求。對于負載對電源要求不是很嚴格的風電應用系統，我們在設計中通常取自給天數為1～2天。對于負載要求很嚴格的風電應用系統，我們在設計中通常取自給天數為3～5天。所謂負載要求不嚴格的系統通常是指設計者可以改變負載的使用情況，以適應天氣情況對系統電力的壓力。另負載要求嚴格的系統指的是用電負載比較重要。

2.6 系統帶載工作

1）8節12V150AH鉛酸膠體蓄電池存儲量為12V*150*8=14.4KWH，蓄電池不可能放空，實際放電量為70%也就是14.4*70%=10KWH加上逆變器效率為90%，節能燈功率因數不大于80%，實際可用電量10*90%*80%=7.3KWH，本系統帶載16盞AC220V/23W節能燈，實際功率23*16=368W，因為節能燈是感性負載啟動時瞬時功率的4-7倍，我們取瞬時啟動5倍計算，那么370/220*5=8.4A，離網逆變器是有限元，雖然是2kw是針對阻性負載的，是視在功率，而離網系統沒有調功能力，有的負載有功功率有時因感性和容性性質不同，所以離網逆變器雖然是2kw帶載能力，設計會因負載的性質不同要加以計算，否則用戶用電會時常故障。

2）帶載時間計算：7300/370*0.75（感性負載功率因數）14.8小時也就是說在蓄電池充滿的狀態下帶走廊燈最長時間為14.8小時。當然在有風的時候，如果風機在運行，一邊充電一邊用電，用電時間隨著風力資源的好壞，用電量會有所延長。

3）補充：

風機在發電，負載同時用電，我們觀察發電機采集表3432B和控制器直流采集表3414DT所記錄兩個功率之間有時差距很大，不是表不準，有負載時應該是發電機的電流加上負載電流，但發電機的功率大于負載功率時，發電機所發的電一邊向負載供電，一邊向蓄電池供電；當發電機的功率等于負載功率時，不充電，蓄電池的作用只對發電機的電壓只起到鉗位功能，此時叫浮充；當發電機的功率小于負載功率時，不夠的部分電量從蓄電池里取電，這個過程是動態變化的，變化的只是電流，而電壓是恒定的，這就是離網風力、太陽能光伏發電的特點。如果把蓄電池比喻做個大的水池（水池足夠大），支流的來水和流出去的水量短時間不會改變水位的變化，這和我們的原理相同。

3 結論

當前新能源應用技術越來越受到世界各國的普遍重視，不斷開發出性價比更高，工作效率更高的風力發電機越來越重要。因而，在研究開發以及推廣改進風力發電機的工作工程中，對風機發電性能進行測試，掌握準確性能，并對離網風電系統使用環節進行控制是十分必要的。

參考文獻

[1]姜書鵬，喬穎，徐飛，聶紅展，胡丹。風儲聯合發電系統容量優化配置模型及敏感性分析。電力系統自動化，2013，37（20）：16-21；

[2]趙鶴翔，安利強，周邢銀，王璋奇。5MW風力機葉片彎扭耦合特性分析。華北電力大學學報，2013，40（，4）：32-36；

[3]王慶朋，楊菁。天臺山風電場運行影響因素分析。華東電力，2013，41（8）：1774-1775；

[4]盛四清，譚曉林，李歡，范林濤。含風電場的互聯電力系統備用容量優化。2013，37（11）：3067-3072。