风能教学系统汇总.docx
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风能教学系统汇总
小型风能发电产学研一体化教学目标
小型太阳能电站产教结合教学目标
一、小型太阳能电站产教结合的目的和任务
小型太阳能电站产教结合是校企合作处借助校办工厂与专业系部共同建立的一种产学研一体化办学模式。
借助小型太阳能电站的产品研发、设计、生产等过程的实施，组织实践教学，为学生创设了与企业相同的实训环境。
通过学生参与新产品研发，掌握了研发过程，学到太阳能综合电站的专业知识，促进理论知识与实践能力的相互转化，提升专业综合能力，培养企业有用的专业技能人才。
小型太阳能综合电站的产教结合的任务主要是从市场调研，设计，加工，安装和调试建立小型太阳能综合电站；在电站的建设过程中，在学生中培养掌握新产品研发和具备企业专业素质的高技能人才；电站建完后为中、高技学生提供实训平台，掌握光伏和风能发电的专业知识，提升就业竞争能力。
二、小型太阳能电站产教结合的教学内容和要求
序号
教学内容
教学要求
1
校办工厂员工职业素质的培养：
职业安全、岗位职责、厂规厂纪
使学生行为规范、心理承受力符合企业职业素质要求
2
参与小型太阳能综合电站新产品研发及生产全过程
掌握企业研发新产品全过程：
市场调研、设计、加工、安装及调试
3
小型太阳能综合电站课题：
1、2、3、4、5
掌握光伏和风能发电的专业基础知识、充电控制器、逆变器、蓄电池、跟踪控制器
4
电站的生产过程中技能培养：
电路的制作、零部件的加工等
提高加工过程中设备操作技能，工具的使用，电路和零件的加工制作能力
5
小型电站的维护，保养
维护的方法和技能
三、小型太阳能综合电站产学研一体化教学的评价方式
根据教学体系为产学研一体化教学要求，评价采用过程评价方式和总评方式进行，依据教师的日常教学和实践的任务要求，由指导教师实施评价。
第一章风力发电概述
1.1风力发电现状
风力发电是将风能转化为电能的装置。
风力发电利用的是自然风能资源，没有燃料问题，绿色清洁，零耗电、零排放、零污染。
风力发电运行可稳定，有并网和独立两种运行模式。
风力发电系统的安装容量正在以每年超过30%的增长率在世界范围得到日益广泛的应用，已经形成一个年产值超过五十亿美元的全球性产业。
我国风力资源丰富，也在西部地区大力提倡。
目前安装的风力发电系统大多是MW级与电网互联的大型风机系统，该行业的技术经过不断完善已日臻成熟。
但是用于边远地区独立供电的小型风力发电系统还需要克服很多技术上的难点才能得以广泛的应用。
随着我国经济持续快速发展，改善环境，提高生活质量，解决偏远地区生活用电的迫切要求，采用小型风力发电系统为局部负载提供电力，不仅可以减少一次性巨额投资，还可以免除火力发电系统的温室气体排放，改善环境和农村地区的能源结构，有益于可持续性发展。
。
太阳能和风能同属新能源，太阳能比风能起步要晚的多。
太阳能光伏发电30元/瓦左右的价格受到大众认可，可是转换效率仅有15%左右；中小型风力发电的价格仅为同等功率的1/5-1/6时，转换效率却有60%-80%，如此低的价格更有甚者还在压低。
光电生产过程中对环境造成的污染远大于风电，却比风电能得到长足的发展，这样的对比反差耐人沉思。
如果从人们用能的角度考虑，最终是为了满足用电，从发电量来衡量风能的成本要比太阳能经济许多。
1.2小型风力发电系统总体结构及工作原理
从能量转换的角度看，风力发电机组由两大部分组成：
其一是风力机，它的功能是将风能转换为机械能；其二是发电机，它的功能是将机械能转换为电能。
小型风力发电系统结构浅谈小型风力发电机
它一般由风轮、发电机、尾舵和电气控制部分等构成。
常规的小型风力发电机组多由感应发电机或永磁同步发电机加AC/DC变换器、蓄电池、逆变器组成[4]。
在风的吹动下，风轮转动起来，使空气动力能转变成了机械能（转速+扭矩）。
风轮的轮毂固定在发电机轴上，风轮的转动驱动了发电机轴的旋转，带动永磁三相发电机发出三相交流电。
风速的不断变化、忽大忽小，发电机发出的电流和电压也随着变化。
发出的电经过控制器的整流，由交流电变成了具有一定电压的直流电，并向蓄电池进行充电。
从蓄电池组输出的直流电，通过逆变器后变成了220V的交流电，供给用户的家用电器。
风力发电机根据应用场合的不同又分为并网型和离网型风力机。
离网型风力发电机亦称独立运行风力机，是应用在无电网地区的风力机，一般功率较小。
独立运行风力机一般需要与蓄电池和其他控制装置共同组成独立运行风力机发电系统。
这种独立运行系统可以是几kW乃至几十kw，解决一个村落的供电系统，也可以是几十到几百W的小型风力发电机组以解决一家一户的供电。
图1独立运行小型风力发电系统
3小型风力发电机的电力变换装置
由于风能的随机性，发电机所发出电能的频率和电压都是不稳定的，以及蓄电池只能存储直流电能，无法为交流负载直接供电。
因此，为了给负载提供稳定、高质量的电能和满足交流负载用电，需要在发电机和负载之间加入电力变换装置，这种电力变换装置主要由整流器、逆变器、控制器、蓄电池等组成[5][6]。
3.1整流器
整流器的主要功能是对风力发电机输出的三相交流电进行整流，整流后的直流电经过控制器再对蓄电池进行充电。
一般采用的都是三相桥式整流电路。
在风电支路中整流器的另外一个重要的功能是，在外界风速过小或者基本没风的情况下，风力发电机的输出功率也较小，由于三相整流桥的二极管导通方向只能是由风力发电机的输出端到蓄电池，所以防止了蓄电池对风力发电机的反向供电。
独立运行的小型风力发电系统中，有风轮驱动的交流发电机，需要配以适当的整流器，才能对蓄电池充电。
根据风力发电系统的容量不同，整流器分为可控与不可控两种。
可控整流器主要应用在功率较大的系统中，可以减小电感过大带来的体积大、损耗大等缺点；不可控整流器主要应用于小功率系统中。
3.2逆变器
逆变器是在电力变换过程中经常使用到的一种电力电子装置，它的主要作用就是将蓄电池存储的或由整流桥输出的直流电转变为负载所能使用的交流电。
目前独立运行小型风电系统的逆变器多数为电压型单相桥式逆变器。
在风力发电中所使用的逆变器要求具有较高的效率，特别是轻载时的效率要高，这是因为风电发电系统经常运行在轻载状态。
另外，由于输入的蓄电池电压随充、放电状态改变而变动较大，这就要求逆变器能在较大的直流电压变化范围内正常工作，而且要保证输出电压的稳定[7]。
过去风力机的控制器和逆变器是分开的，现在多数厂家都采用控制器和逆变器一体化的方案。
控制器将发电机发出的交流电整流后，充入蓄电池组。
逆变器将蓄电池组输出的直流电转换成220V交流电，并提供给用电器[8]。
逆变器按输人方式分为两种：
（1）直流输入型：
逆变器输入端直接与电瓶连接的产品；
（2）交流输入型：
逆变器输入端与风力发电机组的发电机交流输出端连接的产品，即控制、逆变一体化的产品。
逆变器的保护功能有：
（1）过充保护：
当风速持续较高，蓄电池充电很足，蓄电池组电压超过额定电压1.25倍时，控制器停止向蓄电池充电，多余的电流流向卸荷器。
（2）过放保护：
当风速长期较低，蓄电池充电不足，蓄电池组电压低于额定电压0.85倍时，逆变器停止工作，不再向外供电。
当风速再增高，蓄电池组电压恢复到额定电压的1.1倍时，逆变器自动恢复工作、向外供电。
3.3蓄电池[9][10]
在独立运行的小型风力发电系统中，广泛采用蓄电池作为蓄能装置。
蓄电池的作用是当风力较强或负荷减小时，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、无风或用电负荷增大时，储存在蓄电池中的电能向负荷供电，以补足风力发电机所发电能的不足，达到维持向负荷持续稳定供电的作用。
蓄电池主要有普通蓄电池、碱性镉镍蓄电池以及阀控式密封铅酸蓄电池三类。
普通铅酸蓄电池由于具有使用寿命短、效率低、维护复杂、所产生的酸雾污染环境等问题，其使用范围很有限，目前已逐渐被阀控式密封铅酸蓄电池所淘汰。
阀控式密封铅酸蓄电池整体采用密封结构，不存在普通铅酸蓄电池的气涨、电解液渗漏等现象，使用安全可靠、寿命长，正常运行时无须对电解液进行检测和调酸加水，又称为免维护蓄电池，目前已被广泛地应用到邮电通信、船舶交通、应急照明等许多领域。
碱性镉镍蓄电池的特点是体积小、放电倍率高、运行维护简单、寿命长，但由于它单体电压低、易漏电、造价高且容易对环境造成污染，因而其使用受到限制，现主要应用在电动工具及各种便携式电子装置上。
目前在大多数风电系统或太阳能光伏系统中采用的都是阀控式密封铅酸蓄电池。
蓄电池是影响风电系统寿命的关键因素，对阀控式密封铅酸蓄电池充放电的控制直接影响蓄电池的寿命，不合理的充放电将直接导致蓄电池的崩溃。
在大多数的风电系统中，都是由CPU来监测并控制蓄电池的充放电过程，较多采用分阶段法来优化充电过程。
因为分阶段充电过程符合阀控式密封铅酸蓄电池的特性，能很好地保护蓄电池，延长其使用寿命。
4 最大输出功率调节方式
在风力发电中，由于风速变幻莫测，使对其的利用存在一定的困难。
风速的变化使风力机输出机械功率发生变化，从而使发电机输出功率产生波动而使电能质量下降，使风力发电机的输出电能质量稳定成为风力发电技术中的重要问题。
所以改善风力发电技术，提高风力发电机组的效率，对于最充分地利用风能资源有着十分重要的意义。
根据风力发电供电方式的不同将功率输出定性地分为两类：
调节机械功率，在风力机控制回路加调节装置使风力机输出机械功率稳定；调节电功率，在发电机的控制部分加入反馈，使用快速响应的控制器和优化控制策略来控制发电机输出功率[11]。
4.1定浆距失速调节
失速调节方式是指浆叶本身所具有的失速特性，当风速高于额定风速时，气流的攻角增大到失速条件，使浆叶的表面产生涡流，降低叶片气动效率，影响能量捕获。
小型风力发电系统最大功率控制扰动法失速调节一般用于恒速运行的风力发电机中[11-13]。
.2变浆距调节
为了提高风能转换效率和保证风力机输出功率平稳，可以通过浆距调节使风力机适应风速的变化，达到最优的功率输出。
变浆距风力发电机组不完全依靠叶片的气动特性，而主要是依靠与叶片相匹配的叶片攻角改变来调节风能的转换效率。
在静止时节距角为90°，这时气流对桨叶不产生力矩，整个桨叶相当于一块阻尼板。
当达到启动风速时，桨叶向0°方向转动，气流对桨叶产生一定的攻角，叶轮开始转动。
在额定风速以下时，叶片的攻角处于0°附近，此时叶片角度受控制精度的影响，变化范围很小，可等同于定浆矩风机。
在额定风速以上时，变浆距机构发挥作用，调整叶片攻角，保证发电机的功率在允许范围之内。
变浆距风力机启动风速比较低，这对增加发电量几乎没有什么意义，停机时对传动机构冲击小，风力机正常工作时主要采用功率控制[11-13]。
4.3主动失速调节
这种调节方式是前两种功率调节方式的组合。
在低风速时，采用变浆距调节，可达到更高的气动效率；当风机达到额定功率后，风机按照变浆距调节时风机调节浆距相反的方向改变浆距，这种调节将引起叶片攻角的变化，从而导致更深层次的失速，可使功率输出更加平滑。
这种调节方式综合前两种调节方式的优点，类似变浆距调节，但不需要很灵敏的调节速度，大风时，整个机组受到的冲击也较小[13]。
风力发电原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。
依据目前的风力发电机技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。
小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统：
风力发电机+控制器+纯正弦波逆变器。
风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。
每一部分都很重要，各部分功能为：
叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。
风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。
然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。
机械连接与功率传递水平轴风机桨叶通过齿轮箱及其高速轴与万能弹性联轴节相连,将转矩传递到发电机的传动轴,此联轴节应按具有很好的吸收阻尼和震动的特性，表现为吸收适量的径向、轴向和一定角度的偏移，并且联轴器可阻止机械装置的过载。
另一种为直驱型风机桨叶不通过齿轮箱直接与电机相连风机电机类型。
第二章风力发电工作原理课题
发电机＋充电器＋数字逆变器。
风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。
每一部分都很重要，各部分功能为：
叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。
风力发电机结构
机舱：
机舱包容着风力发电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。
维护人员可以通过风力发电机塔进入机舱。
机舱左端是风力发电机转子，即转子叶片及轴。
转子叶片：
捉获风，并将风力传送到转子轴心。
现代600千瓦风力发电机上，每个转子叶片的测量长度大约为20米，而且被设计得很象飞机的机翼。
轴心：
转子轴心附着在风力发电机的低速轴上。
低速轴：
风力发电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。
在现代600千瓦风力发电机上，转子转速相当慢，大约为19至30转每分钟。
轴中有用于液压系统的导管，来激发空气动力闸的运行。
齿轮箱：
齿轮箱左边是低速轴，它可以将高速轴的转速提高至低速轴的50倍。
高速轴及其机械闸：
高速轴以1500转每分钟运转，并驱动发电机。
它装备有紧急机械闸，用于空气动力闸失效时，或风力发电机被维修时。
发电机：
通常被称为感应电机或异步发电机。
在现代风力发电机上，最大电力输出通常为500至1500千瓦。
偏航装置：
借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。
偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。
图中显示了风力发电机偏航。
通常，在风改变其方向时，风力发电机一次只会偏转几度。
电子控制器：
包含一台不断监控风力发电机状态的计算机，并控制偏航装置。
为防止任何故障（即齿轮箱或发电机的过热），该控制器可以自动停止风力发电机的转动，并通过电话调制解调器来呼叫风力发电机操作员。
液压系统：
用于重置风力发电机的空气动力闸。
冷却元件：
包含一个风扇，用于冷却发电机。
此外，它包含一个油冷却元件，用于冷却齿轮箱内的油。
一些风力发电机具有水冷发电机。
塔：
风力发电机塔载有机舱及转子。
通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速越大。
现代600千瓦风汽轮机的塔高为40至60米。
它可以为管状的塔，也可以是格子状的塔。
管状的塔对于维修人员更为安全，因为他们可以通过内部的梯子到达塔顶。
格状的塔的优点在于它比较便宜。
风速计及风向标：
用于测量风速及风向
第三章风力发电机课题
2.1风力发电机结构
2.2风力发电机的工作过程
第四章风力发电控制器课题
3.1风力发电控制器的组成
3.2风力发电控制器的电路
第五章F风力发电设备的维护
小型风力发电机特点：
高效率微风启动长寿命免维护防锈防腐蚀防潮防水防风沙
小型风力发电机应用领域
风光互补路灯照明系统：
城市路灯，公路路灯，景观照,，风光互补高速公路监控，通讯机站，海上石油平台，孤岛海水淡化系统，风光互补喷泉系统，风不互补船舶发电系统，家用风光互补发电系统，农田滴灌系统等
SN系列风力发电机的选型
SN系列风力发电机适合用于多种不同气候的地区，所以您在购买SN风力发电机是应充分考虑当地的自然环境，这将能最大程度的发挥SN风力发电机的性能。
1风速选择：
低风速风力发电机能有效提升风力发电机在低风速区域的风能利用，在年平均风速小于3.5m/s,且无台风的地区，推荐选用低风速产品。
2环境温度选择：
最低环境温度在-10℃以下的地区，建议采用低温型风机。
小型风力发电机安装地点选择
风速及风向的变化对风力发电机的发电量有着较大的影响，通常，塔架越高，风速越大，气流越平稳，发电量越大。
因此风力发电机的选址应慎重考虑，每一次安装都不同，而且要考虑塔筒高、电池组的距离、当地规划要求以及建筑和树木这些障碍物等因素。
风机安装与选址具体要求如下：
SN系列风力发电机推荐的最小塔高是8米或距离障碍物5米以上安装范围中心的100m范围之内尽量没有障碍物；
相邻两台风机的安装应保持在8~10倍风轮直径的距离；风机选址应避开紊流。
选择年平均风速较大的地区，具有较稳定的盛行风向，且风速的日变化与季变化小；
风机高度范围内的垂直方向的风速切变要小；选择尽可能少的自然灾害的地方。
选择安装位置时安全是首要关注的。
因此，即使是在一个风速资源较不理想的地方安装风力发电机，安装时风轮叶片不得旋转。
SN系列小型风力发电机日常维护
SN系列风力发电机的可靠性高，无需定期维护保养。
但是对于—风机—塔架—输电线路这一整体系统，还是需是适时地进行检查与维护，以保持系统正常运行。
序号
维护项目
暴风后
每半年
每一年
每两年
每五年
1
检查塔架拉索松紧度
●
●
2
检查整套系统工作状况和接头松紧度
●
●
3
蓄电池维护
●
4
检查所有部件的腐蚀情况和紧固件的松紧度
●
●
5
叶片表面除尘和检查叶片表面的质量
●
6
检查整流罩破损情度
●
●
●
7
更换叶片
8
更换蓄电池
●
备注:
"●"表示需要维护
MINI风力发电机技术参数
额定功率：
400瓦（在风速12.5米/秒）
峰值功率：
450瓦
叶片直径：
1.16米
重量：
6.2公斤
运输包装尺寸：
770x410x200毫米（8.3公斤）
安装架：
1.5吋40系列钢管48毫米外径
起动风速：
2.0米/秒
切入风速：
2.5米/秒
输出电压
12,24，VDC
风力电机控制器：
内置全新智能控制器实时监测风力发电机运行情况采用MPPT功率跟踪技术
机体：
铝合金
叶片：
3个-尼龙纤维复合材料
过速保护:
电子扭矩控制
每月发电量:
30千瓦小时（在风速3.5米/秒）
可承受的极限风速:
50米/秒
产品保证期：
3年有条件的保证期
风光互补发电
风力发电是将风能转换成电能，风能推动叶轮旋转，叶轮带动转动轴和增速机，增速机带动发电机，发电机通过输电电缆将电能输送地面控制系统和负荷。
风力发电技术是一项多学科的，可持续发展的，绿色环保的综合技术。
太阳能发电是指将太阳能转换成电能，即直接将太阳光能转换电能的发电方式，光伏发电是利用太阳电池这种半导体电子器件有效地吸收太阳光辅射能，并使之转变成电能的直接发电方式，是当今太阳光发电的主流。
风力发电存在着无风时（尤其是夏季白天长夜间短，太阳光强季节）不发电的问题，太阳能发电也存在着无阳光时（尤其是冬季白天短夜间长，北风大的季节）不发电的问题，如果能把风力发电、太阳能发电结合在一起互补发电就解决了这个问题，实现了365天连续供电。
一、基础
1、路灯基础应高于历年汛期最高水位（一般浇筑在花坛上）。
2、挖基础坑时，要了解地下管线情况，并采取防塌方、交错措施。
3、浇注混凝土基础前基础钢筋必须严格按要求绑扎，底脚螺栓的螺牙涂牛油并加以包扎。
4、在紧靠路灯基础处必须浇设避雷针
二、防雷接地
1、桥上钢杆灯杆，应与桥本体土建结构接地连通。
2、高杆灯必须有独立的接地系统，必须在基础四周设置4根2.7m单根接地管接地，其接地电阻≤4Ω。
3、光控箱外壳户外落地控制箱及进出线镀锌钢管要有可靠接地，接地电阻不大于8Ω
三、灯盘和灯帽
1、灯具必须牢固地固定地灯盘上，并能调节照明角度。
2、各部联接线绝缘应符合电气要求。
3、灯帽上滑轮应灵活、可靠。
4、灯帽安装后，打上玻璃胶，保顶部杆体内无雨水浸入。
四、太阳板
1、太阳板支架应安装在规定的路灯支架上，牢固 地固定在路灯支架上。
2、太阳板电缆线应按规定穿到太阳板支架里，穿好后打上玻璃胶，确保雨水浸入。
3、太阳板应按规定安装在太阳板支架上，牢固地固定在太阳板支架上并调整好方向和角度。
五、风力发电机组
1、插好并旋紧发电机和窜线电缆的接头。
2、将发电机套入路灯支架顶端的法兰内（风机孔要与路灯支架顶端孔对齐）。
3、将风力发电机与法兰用螺钉紧固。
4、紧固好风力发电机顶端的轮毂。
5、安装风力发电机的导流罩。
六、控制柜
1、控制柜的门应与箱体紧密相配，防止雨水渗入。
2、控制器应采用所需设备规格安装，连接线时应牢固在控制器接线板内，不应松动。
3、电缆线进到接线箱内，应固定在接线板上；路灯相线可用1/16#的铜熔丝或压板相连。
七、吊装
1、路灯钢杆组装时，应反引下线穿好。
2、灯杆起吊，必须注意周围环境，如架空导线、绿化、广告牌、脚手架、建筑物等，做好安全措施。
产品特点:
1、起动风速低，风能利用率高；体积小，外型美观、运行振动低。
2、安装采用人性化设计，方便设备安装、维护和检修。
3、风轮叶片采用新工艺经精密注射成型，配以优化的气动外形设计和结构设计，风能利用系数高，增加了年发电量。
4、发电机采用专利技术的永磁转子交流发电机，配以特殊的定子设计，有效地降低发电机的阻转矩，同时使风轮与发电机具有更为良好的匹配特性，机组运行的可靠性。
5、采用最大功率跟踪智能型微处理器控制，有效调节电流电压。
风力发电机组:
FS-300:
FS-300
额定电压（V）：
DC24
额定功率（W）：
300
额定转速（rpm）：
450
风轮直径（m）：
2
启动风速（m/s）：
2.3
切入风速（m/s）：
3
额定风速（m/s）：
10
工作温度（℃）：
-30~50
限速方式：
电磁及离心
重量（kg）：
32.8
叶片材料及数量：
高强度尼龙×3/铝合金×3
3、风轮叶片采用新工艺经精密注射成型，配以优化的气动外形设计和结构设计，风能利用系数高，增加了年发电量。
4、发电机采用专利技术的永磁转子交流发电机，配以特殊的定子设计，有效地降低发电机的阻转矩，同时使风轮与发电机具有更为良好的匹配特性，机组运行的可靠性。
风力发电机技术参数：
型号
名称
J-300HX
额定功率
300W
最大功率
330W
额定电压
12/24V
启动风速
2.0m/s
额定风速
11.0m/s
安全风速
55m/s
主机净重
13公斤
风轮直径
2米
叶片数量
3片
叶片材料
尼龙纤维
发电机
三相交流永磁同步发电机
控制系统
电磁/风轮偏侧
调速方式
自动调整迎风角度
润滑方式
加注润滑脂
工作温度
-
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