毕业论文(设计):小型风力供电系统设计.doc
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1、 ( 本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书 中中文文题题目目 : : 小型风力供电系统的设计小型风力供电系统的设计 学学生生姓姓名名 : 学学 院院 : 电电力力学学院院 系系 别别: 自自动动化化 专专 业业: 自自动动化化 班班 级级: 自自动动化化0 07 7- -2 2 指指导导教教师师 : 摘摘 要要 风能作为一种清洁的可再生能源越来越受到人们的重视,风力发电也逐渐成为了 时下的朝阳产业。本论文详细阐明了小型独立风力供电系统的设计方案,对风力发电 机进行了简单的介绍和对蓄电池的充、放电做了深入的研究。 本文的题目是小型风力供电系统的设计,要求是可以在连续两天无风的情况下持 续提供 1
2、0w 的 12v 的直流电,并有缺电报警和输出保护功能。本文提出的解决方案为, 风力发电机发出的电,通过 DCDC 变换为需要的标准直流电,并且考虑到风力的不稳 定性,在系统中并入蓄电池组,通过控制电路的监控实现系统的控制,保证系统在风 能充足时可蓄能,在两天无风时可以连续为负载供电。系统的运行状况主要采用单片 机控制。 本论文的重点在于控制电路的设计,并对各种不同风力情况下系统的运行状况进 行了全面而严谨的分析。 关键词:发电机、关键词:发电机、DC-DCDC-DC 变换、蓄电池、单片机变换、蓄电池、单片机 Abstract As a clean and renewable energy,
3、Wind power has aroused more and more attention and gradually become a sunrise industry nowadays。This paper spells out the small independent wind power system design, wind generators on a simple presentation and the battery charge and discharge depth study done。 This topic is small-scale wind power s
4、ystem design, requirements for two consecutive days in the case of no wind continues to provide the 12v 10w DC, and lack of electricity and output protection alarms,The proposed solution, given the power of wind generator, through the DC- DC conversion for the required standard DC,And taking into ac
5、count the instability of the wind adding batteries in the system , control circuit monitoring and control by the control system to ensure the system can be sufficient in wind energy storage, in the days when no wind is a continuous load.。Health of the system mainly uses the microcontroller This pape
6、r focuses on the design of the control circuit, and a variety of wind conditions in the operational status of the system conducted a comprehensive and rigorous analysis。 Keywords: generator, DC-DC conversion, battery, MCU 目录目录 第一章 绪论1 1.1 课题的目的和意义1 1.1.11.1.1 风力发电的优点风力发电的优点 1 1 1.1.21.1.2 课题的目的和意义课题
7、的目的和意义 2 2 1.2 风力发电概述2 1.2.11.2.1 国外风力发展国外风力发展 2 2 1.2.21.2.2 国内风力发电的基本情况国内风力发电的基本情况3 3 1.2.31.2.3 风力发电的特点风力发电的特点3 3 1.3 本文的主要研究内容.3 第二章小型风力发电系统的基本组成5 2.1 风力发电机组.5 2.1.12.1.1 小型风力发电机的分类小型风力发电机的分类 5 5 2.1.22.1.2 小型风力发电机的结构小型风力发电机的结构 6 6 2.2 整流器.7 2.3 DC-DC 变换器 8 2.4 蓄电池.9 2.4.12.4.1 蓄电池的工作原理蓄电池的工作原理
8、9 9 2.4.22.4.2 影响铅酸蓄电池寿命的因素影响铅酸蓄电池寿命的因素 1111 2.4.32.4.3 阀控式铅酸蓄电池的使用原则阀控式铅酸蓄电池的使用原则 1212 2.4.42.4.4 铅酸蓄电池的充电方法铅酸蓄电池的充电方法 1212 2.5 控制器.13 2.5.12.5.1 控制器的作用控制器的作用1313 2.5.22.5.2 控制器的类型控制器的类型1313 2.5.32.5.3 控制器的其他功能控制器的其他功能 1414 第三章 供电系统电路的硬件设计及及软件实现14 3.1 发电机、蓄电池的选择.14 3.2 设计实例.15 3.3 DC-DC 变换芯片及单片机的选择
9、 16 3.3.13.3.1 DC-DCDC-DC 芯片的选择芯片的选择 1616 3.3.23.3.2 单片机的选择单片机的选择1717 3.4 控制器电路图的设计.21 3.4.1.3.4.1.工作原理工作原理2121 3.4.23.4.2 系统电路图组成系统电路图组成2121 3.5 统软件的实现24 第四章 结论26 参 考 文 献27 致 谢28 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 1 第一章第一章 绪论绪论 风能是一种清洁的、储量极为丰富的可再生能源,它和存在于自然界的矿物质 燃料能源,如煤、石油、天然气等不同,它不会随着其本身的转化和利用而减少, 因此可以说是一种取之不尽、用之不竭
10、的能源。而矿物质燃料储量有限,正在日趋 减少,况且其带来的严重的污染问题和温室效应正越来越困扰着人们。因此风力发 电正越来越引起人们的关注。 1.1 课题的目的和意义 1.1.1风力发电的优点风力发电的优点 风是人类最熟悉的一种自然现象,风无处不在。太阳辐射造成地球表面大气层 受热不均,引起大气压力分布不均。在不均压力作用下,空气沿水平方向运动就形 成风。风能是一种最具活力的可再生能源,它实质上是太阳能的转化形式,因此是 取之不尽的 风能中的风向和风速在时空分布上较为复杂,如有海陆差异对气流运动的影响 而形成的季风和海陆风,在山区由于热力原因引起的谷风和山风,风力的随机性和 风速的变化多端使得
11、它的利用效率较低,在风能的实际利用上仍存在很多技术困难。 尽管如此,风能资源具有如下优越性: (1)边远地区由于远离电网,同时这些地区的居民用电和所设置的微波中继站、 气象台、电视调频差转台以及边防哨所需要的电功率大都在 10 千瓦以下,在这种条 件下,由输电线将电力输送到边远地区耗资巨大显然是不利的。从世界风能分布图 上可以看出全世界约有三分之二的地区具有风能利用价值,若合理地利用太阳能、 风能,建设独立的小功率发电装置,具有明显的优越性。 (2)风力发电的经济性日益提高,不存在建厂房、筑坝、淹地、移民等问题, 风力发电机分散安装,占地面积少。发电后除折旧费和维护费外,不消耗燃料,无 三废处
12、理问题,其成本接近火电,低于油电、核电和光伏发电,从综合经济效益看, 具有较强的竞争力。 (3)人类在利用矿物燃料的过程中,必然释放出大量有害物质,使人类赖以生 存的环境受到破坏和污染。此外,其他新能源中的水电、核能、地热能等,在开发 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 2 利用的过程中,也都存在着一些不能忽视的环境问题。但风能在利用中不会给空气 带来污染,也不破坏生态,是一种清洁安全的能源。 (4)风力发电在新能源发电中技术最为成熟。是一种安全、可靠的能源。 综上所述,风力发电对于改善能源结构、推动生态环境建设,特别是对边远地 区的生产、生活用电等诸多领域的发展将发挥积极作用,具有广阔的市场前
13、景。 1.1.2 课题的目的和意义 风能利用的能量密度低且具有随机性、不稳定性和分布的不均匀性,这些给风 能的利用带来了许多问题。本文研究的目的是在分析现有的小型风力发电系统的基 础上,设计一套独立运行的小型风力发电供电系统为野外无电地区独立的小型设备 提供电力。 1.2 风力发电概述 1.2.1 国外风力发展国外风力发展 国际能源研究报告表明, 如果各国采取有力措施, 风力发电到2010年可提供世 界电力需求的10%, 创造170万个就业机会,并在全球范围内减少100多亿吨二氧化碳 废气。风能将成为发展最快的能源, 到2010 年风电总装机容量达到40.00GW, 2020 年达到0.1TW
14、, 到2010年德国新增500万千瓦, 西班牙新增520万千瓦, 年生产能力将 达到800万千瓦,可满足全国电力需求的10%。美国和加拿大是北美利用风能最好的国 家。在美国的50个州中, 大约有30个州已经开始利用风能资源。在1998- 2004年期 间, 美国风力发电的总装机容量已经超过6740MW, 可以满足160万个中等家庭的日常 用电需求。随着技术的进步和规模的扩大, 风电发电成本继续下降, 估计10年后它 完全可以和清洁的燃煤电厂竞争。由于风力发电是可再生洁净能源, 其环境效益也 十分明显, 随着风力发电技术的日益成熟, 发电成本的进一步降低, 风力发电会越 来越被更多的人认识和接受
15、。这也是全世界很多国家都热衷风力发电的主要原因。 风力发电的迅猛发展也使那些本地能源短缺的发展中国家收益, 如巴西、阿根廷、 摩洛哥、埃及和哥斯达黎加等国是发展中国家风力发电的佼佼者。中国、印度也在 积极发展风电。 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 3 1.2.2 国内风力发电的基本情况国内风力发电的基本情况 我国幅员辽阔, 陆疆总长2万多千米, 海岸线1.8万多千米, 是一个风力资源丰 富的国家, 全国约有2/3的地带为多风带。风能总储量为32.26亿千瓦, 实际可开发 的风能储量为2.53亿千瓦, 为可再生能源和新能源利用技术提供了强大的资源条件。 两大风能地带西北、华北、东北和东南沿海为
16、风能资源丰富区, 跨全国21个省、 市、自治区。到1999年底已开发微小户用型风力发电机16万台, 并网型风电场24座, 总装机容量26万千瓦, 其中绝大多数机组是从丹麦、德国、美国、比利时、瑞典引 进的, 最大单机容量为600kW。据相关资料报道, 到2020年, 预计我国将新增发电能 力500GW, 其中121GW为可再生能源。2010年以前, 我国计划新建20座风力发电场, 每座风场的发电能力达到100MW以上, 且达到4000MW的风力发电总目标, 并要求风力 发电设备本土化。 1.2.3 风力发电的特点风力发电的特点 风力发电有如下特点 (1)可再生,且清洁无污染。 (2)风速随时变
17、化,风电机组承受着十分恶劣的交变载荷。 (3)风电的不稳定性会给电网或负载带来一定的冲击影响。 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。 1.3 本文的主要研究内容 本文以小型风力发电系统为研究对象,对风力发电原理、系统结构以及小型 风力发电系统中的储能装置蓄电池的充放电控制等方面做了较为深入的理论分析和 研究,对实现运行及可靠运行具有一定的参考价值。本文的主要研究内容和章节安 排如下。 第
18、一章 介绍课题提出的背景、目的和意义,论述国内外风力发电发展概况, 概括总结风力发电相关技术的发展概况,第二章 介绍了小型风力发电原理及系统的基 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 4 本组成,并详细介绍各个部分的组成以及原理。第三章 讲述了小型风力供电系统电路的 设计及各部分器件的选择,以及部分计算。第四章 本章简述了小型风力供电系统软 件的实现,及部分编程, 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 5 第二章小型风力发电系统的基本组成第二章小型风力发电系统的基本组成 风力发电系统的组成 本文的独立运行小型风力发电机系统,如图2-1所示,它主要包括风力发电机、 整流器、DC-DC变换器、蓄电池以及控
19、制系统几个部分。 图 2-1 小型风力发电系统的框图 2.1 风力发电机组 一般把发电功率在 10 千瓦及其以下的风力发电机称作小型风力发电机。 2.1.1 小型风力发电机的分类小型风力发电机的分类 1.按照风力发电机的风轮轴位置分类 按照风力发电机风轮轴的位置分,可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发 电机。 图2-2水平轴风力发电机 (1)水平轴风力发电机 :水平轴风力发电机的风轮围绕一个水平轴旋转, 风轮轴与风向平行,风轮上的叶片式径向安装的,与旋转轴垂直,并与风轮的旋 转平面成一角度(称为安装角)。风轮叶片数目为14 片(大多为 2 片和 3 片) ,他在高速运行时有较高的风能利用率,但
20、启动时需要较高的风速。 (2)垂直轴风力发电机 :垂直轴风力发电机的风轮围绕一个垂直轴旋转 风 力 发 电 机 整 流DC-DC 变换器蓄电池 控制器 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 6 图2-3垂直轴风力发电机 风轮轴与风向垂直。其优点是可以接受来自任何方向的风,因而当风向改变时, 无需对风。 2.按照风力发电机的功率分 按风力发电机的功率可分为大、中、小型风力发电机。功率在10 千瓦以 下的称为小型风力发电机,功率在 10 千瓦至 100 千瓦的称为中型风力发电机, 功率在 100 千瓦以上的称为大型风力发电机。 3.风力发电机又分直流发电机和交流发电机两种。 1)直流发电机机 电励磁式
21、直流发电机。主要有他励、自励和复励几种形式,小型直流发电系 统大都用于1KW以下的微、小型风力发电装置,与蓄电池储能配合使用。这种直流发 电系统在风速变化时,一般通过调节励磁来保持输出电压的恒定。 永磁式直流发电机。这种发电机主要是励磁不可调节,结构较电励磁式直流 发电机简单。系统采用输出电压随风速变化的系统,在发电机和负载间设置储能设 备(如蓄电池)和整流、逆变设备来变换,以满足用户对输出电压的要求。 2)交流发电机 交流发电机主要有两种,一种是同步发电机,一种是异步发电机。前者运行于 电机极数和频率所决定的同步转速,后者则以稍高于同步速成的转速运行。主要有 感应发电机发电模式、硅整流自励交
22、流发电机发电模式、无刷爪极自励发电机发电 模式、永磁发电机发电模式。 2.1.2 小型风力发电机的结构小型风力发电机的结构 小型风力发电机组的组成:小型风力发电机组一般由下列几部分组成:风轮、 发电机、调速和调向机构、停车机构、塔架及拉索等, 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 7 风轮:小型风力机的风轮大多用 23 个叶片组成,它是把风能转化为机 械能的部件。目前风轮叶片的材质主要有两种。一种是玻璃钢材料,一般用玻璃 丝布和调配好的环氧树脂在模型内手工糊制,在内腔填加一些填充材料,手工糊 制适用于不同形状和变截面的叶片但手工制作费工费时,产品质量不易控制。国 外小风机也采用机械化生产等截面叶片
23、,大大提高了叶片生产的效率和产品质量。 发电机:小型风力发电机一般采用的是永磁式交流发电机,由风轮驱动发 电机产生的交流电经过整流后变成可以储存在蓄电池中的直流电。 调向机构、调速机构和停车机构:为了从风中获取能量,风轮旋转面应垂 直于风向,在小型风机中,这一功能靠风力机的尾翼作为调向机构来实现。同时 随着风速的增加,要对风轮的转速有所限制,这是因为一方面过快的转速会对风 轮和风力机的其他部件造成损坏,另一方面也需要把发电机的功率输出限定在一 定范围内。由于小型风力机的结构比较简单,目前一般采用叶轮侧偏式调速方式, 这种调速机构在风速风向变化转大时容易造成风轮和尾翼的摆动,从而引起风力 机的振
24、动。因此,在风速较大时,特别是蓄电池已经充满的情况,应人工控制风 力机停机。在有的小型风力机中设计有手动刹车机构,另外在实践可采用侧偏停 机方式,即在尾翼上固定一软绳,当需要停机时,拉动尾翼,使风轮侧向于风向, 从而达到停车的目的。 小型风力发电系统的装机容量较小,一般都是选择小型风力发电机作为发电机 组。按照空气动力学原理分类的话,最常见的是托举型水平轴风力发电机。目前小 型风力发电机主要是低速永磁发电机,这主要是因为小型风力发电机的风轮是直接 祸合在发电机轴上,省去了升速机构,故不用增速齿轮箱增速,这就要求发电机只 有几百转每分,所以采用低速发电机。由于风向经常变化,为了有效地利用风能,
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