风力和太阳能发电的研究和应用硕士学位论文.docx
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风力和太阳能发电的研究和应用硕士学位论文
硕士学位论文
（同等学力申请硕士学位）
风力和太阳能发电的研究和应用
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摘要
随着社会经济的发展，人类对能源的需求越来越大。
一方面，对能源的利用给社会发展带来了长足的进步；另一方面，对能源的利用却又给人类赖以生存的环境带来了极大的破坏。
风能和太阳能发电现已普遍被人们认为是一种最理想的无污染环境的绿色再生能源，而且在近几年来得到了长足的发展，风光互补技术更是克服了两种能源单一利用所带来的局限性。
风光互补智能系统作为一种灵活、稳定的能源供给系统，将是新能源利用研究与应用的热点。
鸟击作为影响航空安全的重要因素之一，近年来越来越受到人们的重视。
据不完全统计。
。
。
驱鸟炮和声学驱鸟设备是减少鸟击率的有效设备。
可是给这两种设备供电却成为了一个难题。
在机场如此广大的飞行控制区内，如果采用传统的供电方式，显然既不经济也不环保。
而单一的风力或是太阳能供电，则由于其局限性，很容易造成设备由于供电问题而导致停止运行。
而风光互补技术却能以其灵活性和稳定性解决上述的问题。
本文希望通过对风能、太阳能和风光互补技术的研究，对驱鸟系统设备设计出一套高效、可靠的供电系统。
其主要工作如下：
1、分析风能和太阳能的特点，结合驱鸟系统设备对供电电源的需求，提出适合驱鸟系统的风能太阳能发电方式。
2、分析风光互补发电系统中能量产生、控制、存储等各个环节，提出一套适合的小型风光互补发电系统的运行控制策略。
3、针对白云机场驱鸟系统设备供电方案，进行实例设计。
关键词：
风光互补；航空安全；驱鸟
目录
第一章绪论1
1.1课题背景1
1.1.1鸟击问题严重影响航空安全1
1.1.2风光互补技术与驱鸟设备相结合3
1.2风力发电的概况3
1.2.1风力发电历史及世界风能资源利用3
1.2.2我国风能资源5
1.3太阳能发电的概况6
1.4课题研究的主要内容6
第二章风光互补系统的结构及原理7
2.1小型风力发电系统7
2.1.1风能的特点7
2.1.2风力发电技术10
2.1.3小型风力机12
2.2光伏发电系统15
2.2.1太阳能电池的分类15
2.2.3太阳能电池的电学特性17
2.3系统的储能装置20
2.3.1铅酸蓄电池的工作原理20
2.3.2铅酸蓄电池主要性能参数21
2.3.3铅酸蓄电池的充电特性24
2.3.4铅酸蓄电池的运行方式26
第三章风光互补发电系统结构及能量控制27
3.1风光互补发电系统总体结构27
3.2风力发电系统的组成及能量控制27
3.2.1风力发电系统27
3.2.2风力发电系统功率控制28
3.3.3光伏发电系统能量控制31
3.3.4蓄电池充电控制策略33
第四章工程应用34
4.1系统设计方法35
4.1.1系统用电容量计算35
4.1.2蓄电池容量计算35
4.1.3风力发电机组功率与太阳电池组件功率的匹配设计36
4.1.4风力发电机组供电能力的测算36
4.1.5太阳能电池方阵发电能力及太阳能电池板数量计算37
4.1.6控制器38
4.1.7逆变器、变压器的设计39
4.1.8充放电控制器监控及蓄电池监测39
4.2工程实例39
结论42
第一章绪论
1.1课题背景
1.1.1鸟击问题严重影响航空安全
鸟击是指航空器在飞行过程中与鸟类以及其它鸟兽发生相撞的事件。
在航空运输业高速发展的百年史中，有关鸟击的报道屡见不鲜，而由于鸟击引发的令人触目惊心空难也时有发生。
鸟击严重影响着航空器的运行，轻则航班延误、航空器损伤，重则机毁人亡，给航空业造成了巨大的经济损失。
1、国内外鸟击现状
据美国鸟击委员会统计，仅在美国，鸟类以及其他野生动物撞飞机事件造成的经济损失每年超过6亿美元。
1988年至2008年，鸟类以及其他野生动物撞飞机事件已造成至少219人死亡。
美国联邦航空局于2009年4月公布的数据表明自2000年至数据公布日，美国13座大型机场内飞机撞鸟事件数量翻了一倍多。
公布的数据除含有飞机撞鸟事件总数外，还包括事件发生的具体地点。
数据显示飞行员自2000年以来在美国境内共报告撞击59776只飞鸟；自1990年以来，美国境内共发生超过8.9万起飞机撞鸟或在跑道上撞动物事件，共有11人在这些事件中死亡。
我国飞鸟撞击的现状同样不容乐观。
据中国民航鸟击航空器防范信息网的年度数据统计，2002~2008年全国各机场、航空公司和飞机维修公司等有关部门共上报在中国大陆地区发生的鸟击事件共计1457起，其中因鸟击造成的事故征候260起。
由表？
？
可以看出，中国民航鸟击事件报告数量持续上升，特别是2006年以来保持每年增长100起左右的态势，万架次率持续升高；鸟击事故征候数量自2006年以来较为平稳，但基数仍然较大；机场鸟防责任区内发生的鸟击事故征候数量及万架次率继续保持较低水平，但鸟击事件数量较多。
表1－12002～2008年中国民航鸟击事件统计
从经济损失上看，每年鸟击事件都会给中国民航造成巨大的经济损失。
由于鸟击给航空界带来的经济损失目前尚无精确的计算方法，大部分可获得的用于估算的信息来自机械维修、航线运营方面的不完全统计数据。
根据在机械维修和航线运营中产生的费用标准估计鸟击造成的直接损失（表1－2、1－3），2008年中国民航因鸟击造成直接损失约4596.8万元人民币。
表1－22008年鸟击事件造成的中国民航维修直接损失估计
表1－32008年鸟击事件造成的中国民航航线直接损失估计
2、鸟击的危害
据测算,一只500克的飞鸟与300公里/小时速度进近的飞机相撞,将产生111公斤的冲击力,其破坏性可想而知。
航空器的导航系统大多位于前部，包括机载雷达、电子导航设备、通讯设备等，此外驾驶员面前的风挡玻璃对于引导飞机的起降也起到非常重要的作用。
由于导航的需要，这些设备的防护罩包括风挡玻璃机械强度大多较其他部位更差，更容易在受到鸟击后损坏，导致飞行器失去导航系统的指引，在起降过程中发生失事事故。
鸟击对航空器动力系统的破坏造成的后果更为直接。
对于螺旋桨飞机，鸟击会导致桨叶变形乃至折断，使得飞机动力下降；对于喷气式飞机，飞鸟常常会被吸入进气口，将涡轮发动机的扇叶变形，或者卡住发动机，使发动机停机乃至起火。
对飞行器动力系统的破坏常常是致命的，会直接导致飞机失速坠毁。
除了导航系统和动力系统，鸟击还会对飞行器的其他部件造成损伤，如机翼、尾舵、表面喷漆等，但是这些部件的破坏最终导致严重事故的机率不大。
3、鸟击防治与防御
传统的鸟击防治手段有驱鸟车、驱鸟炮、声波驱鸟、光刺激等，近年来开始尝试用治理生态环境的绿色、高效手段进行驱鸟。
1.1.2风光互补技术与驱鸟设备相结合
本文要研究的就是给传统的鸟击防治设备驱鸟炮和声波驱鸟供电。
在机场如此广大的飞行控制区内，如果采用传统的供电方式，显然既不经济也不环保。
而单一的风力或是太阳能供电，则由于其局限性，很容易造成设备由于供电问题而导致停止运行。
而风光互补技术却能以其灵活性和稳定性解决上述的问题。
1.2风力发电的概况
1.2.1风力发电历史及世界风能资源利用
风能是人类最早使用的能源之一。
远在公元前2000年，埃及、波斯等国就已出现帆船和风磨，中世纪的荷兰和美国已经有用于排灌的水平轴风车。
我们国家也是最早利用风能的国家之一，早在距今1800年前就有了风力提水的记载。
欧洲的第一台风机出现在公园1100年左右，当时用于磨面和抽水。
1887年到1888年间，美国人CharlesF.Brush建造了第一台风机，当时可为12组电池、350盏白炽灯、2盏碳棒弧光灯和3个发动机提供电力。
到了19世纪末，PoullaCour建造了几个实验风机，并对风道进行了研究。
PoullaCour的试验风机至今仍保留在丹麦的Askov。
1957年，JohannesJuul建造了Geder风机，已初具现代风机的雏形。
Geder风机由一个发电机和三个旋转叶片组成。
1979年，vvst为其客户交付了第一批风机，并开始致力于在可再生能源领域的投资。
回顾世界风电发展历史，大致可以分为三个阶段：
第一阶段，1977-1987年。
这个阶段的主要成就是证明风力是可以用来发电的，风的很多特点是可以被人们利用和控制的。
其中，丹麦和美国的研究成果最多，风机容量也从几十瓦发展到百千瓦。
第二个阶段，1987-1997年。
风电技术逐步成熟，风电产业成规模发展，并建立了稳定的商业模式。
涌现出了近10家技术较为成熟的优秀制造企业，单机容量从百千瓦提高到几百千瓦，变浆风机技术成熟并进入市场，与失速风机在竞争中共同发展。
第三个阶段，1997年至今。
兆千级的风机成主要趋势，海上风电逐步推广。
随着单机容量提高，为应对极限载荷和疲劳载荷的挑战，新的直驱变速变浆和双馈变速变浆逐步成为兆千级风机的主流技术。
进入21世纪,全球可再生能源在不断发展,而在可再生能源中风能始终保持最快的增长态势,并成为继石油燃料、化土燃料之后的核心能源,目前世界风能发电厂以每年29%的增长速度在发展,根据全球风能协会（GWEC）的统计,至2009年底,全球风力发电机总装机容量达74.2GW,较2008年的59.1GW增长27%,如表？
。
由此可见,风电正在以超预期的发展速度不断增长。
如今在全球的风能发展中,欧洲风能发电的发展速度很快,预计15年之后欧洲人口的一半将会使用风电。
亚洲地区风力发电与美欧相比还比较缓慢,除印度一支独秀以外,其它国家风电装机容量均很小。
风电累计装机容量居前五位（到2006年底）的国家依次是:
德国（20620MW）,西班牙（11615MW）、美国（11603MW）、印度（6270MW）和丹麦（3136MW）。
表1－42000年至2009年全球风力发电装机容量
1.2.2我国风能资源
我国是世界上风力资源占有率最高的国家，据资料统计，我国10m高度层风能资源总量为3226GW，其中陆上可开采风能总量为253GW，加上海上风力资源，我国可利用风力资源近1000GW。
如果风力资源开发率达到60%，仅风能发电一项就可支撑我国目前的全部电力需求。
我国风电事业起步较晚,但是基于国家政策和资金的支持,风力发电得到了快速的发展。
我国从70年代开始进行并网型风力发电的尝试。
在浙江、黑龙江、福建研制出了较大功率的机组；内蒙古的有关单位研制的小型风力发电机已有批量生产，用于解决地处偏远、居住分散的农牧民住户、蒙古包的生活用电和少量生产用电。
八十年代以来，风力发电在我国得到了相应的发展。
近年来，由于风力发电技术的日臻成熟以及市场规模不断扩大，建造成本逐渐降低，加上国家政策上的扶持，我国风力发电事业呈现出高速发展的态势。
根据中国资源综合利用协会可再生能源专业委员会的统计数据显示：
截至2010年底，中国全年风力发电新增装机达1600万千瓦，累计装机容量达到4182.7万千瓦。
从2005年开始，中国的风电总装机连续五年实现翻番。
2010年，中国风电延续了其迅猛的发展势头，总装机比上年增长约62%。
我国国家发改委能源研究所副所长李俊峰指出,到2020年我国风能发电能力按计划将达到1.5亿千瓦。
2000～2008年中国历年风电装机容量
1.3太阳能发电的概况
能源和环境问题是近十几年来世界关注的焦点，为了能源和环境的可持续发展，各国都将光伏发电作为发展的重点，特别是20世纪90年代以来，随着美国国家光伏发展计划、百万太阳能屋顶计划的实施以及日本、欧洲光伏应用市场需求的迅速增长，全球光伏产业发展迅速。
1997年美国政府在全世界率先宣布发起“百万太阳能屋顶计划”。
该计划的宗旨和目标包括有效减少CO2等温室气体的排放、保持美国在世界光伏工业的竞争力和创造更多的高技术就业职位，到2010年要求光伏系统总安装容量达3025MW，CO2的排放量每年减少3.51×106t。
1998年9月，作为德国新能源计划的一部分，德国政府宣布从1999年1月起实施“十万太阳能屋顶计划”。
这项计划的目标是到2003年底安装10万套光伏屋顶系统，总容量在300～500MWp，每个屋顶约3～5kWp。
我国国内光伏产业也在飞速发展，已有10多家光伏企业在纽约、伦敦等海外市场及国内证券市场上市。
2008年，国内光伏电池产量超过了2000MW，实际生产能力超过了3000MW，位居世界第一。
光伏电池产量占全球产量的比重由2001年的1%提高到2008年的15%。
1.4课题研究的主要内容
课题以机场飞行控制区内驱鸟系统负荷的实用、经济供电为出发点，通过对风能太阳能的特点分析，详细阐述风光互补发电系统结构特点和工作原理，最后针对具体用电设备设计出一套高效、可靠的供电系统。
第二章风光互补系统的结构及原理
2.1小型风力发电系统
2.1.1风能的特点
描述风能特点的参数有风速、风级、风向、风能密度等。
其中风速和风向是描述风特性的两个最重要、最常用的参数。
1、风速和风级
风速是表示风移动的速度，即在单位时间内空气在水平方向上所移动的距离。
通常情况下可以用风速来衡量风的大小。
风级是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象，按风力的强度等级来估计风力的大小。
国际上通用的是1805年英国人弗郎西斯•蒲福拟定的“蒲福风级”。
风级、风速以及不同风级在海面、陆地上的表现特征对照见表2－1。
风级
相当平地10
高处的风速
海面浪高
海面渔船特征
陆地地面特征
说明术语
一般
最高
0
0～0.2
小于1
-
-
海面平静如镜
烟柱直冲天：
烟流垂直上升
无风
1
0.3～1.5
1～5
0.1
0.1
微浪
清烟随风偏：
烟流倾斜，但风标还未转动
轻风
2
1.6～3.3
6～11
0.1
0.3
小波纹，渔船摇动
风来吹脸面：
人面感到有风
轻风
3
3.4～5.4
12～19
0.6
1.0
小浪，渔船渐觉摇动
叶动红旗展：
树叶及小枝摇动不息，旗帜展开
微风
4
5.5～7.9
20～28
1.0
1.5
浪顶有白色泡沫，渔船满帆时可使船身倾向一侧
风吹飞纸片：
能吹起地面的灰尘和纸张，树枝摇动，高草和庄稼波浪起伏
和风
5
8.0～10.7
29～38
2.0
2.5
浪顶白色泡沫较多，渔船收拢部分帆
带叶小树摇：
有叶的小树摆动，高草和庄稼波浪起伏明显
清劲风
6
10.8～13.8
39～49
3.4
4.0
白色泡沫被风吹离浪顶，渔船收拢大部分帆
举伞步行艰：
大树枝摇动，电线呼呼有声，撑伞困难，高草和庄稼不时倾伏于地
强风
7
13.9～17.1
50～61
4.0
5.5
白色泡沫离开浪顶，被风吹成条纹状
迎风走不便：
全树摇动，大树枝弯，迎风步行感觉不便
疾风
8
17.2～20.7
62～74
5.5
7.5
白色泡沫被风吹成明显条纹状
风吹树枝断：
折毁小树枝，人迎风前行感觉阻力很大
大风
9
20.8～24.4
75～88
7.0
10.0
被风吹起的浪花，使水平能见度减小，机帆船航行困难
屋顶飞瓦片：
草房受破坏，房瓦被掀起，大树可折断
烈风
10
24.5～28.4
89～102
9.0
12.5
被风吹起的浪花，使水平能见度明显减小，机帆船航行危险
拔树又倒屋：
树木可被吹倒，一般建筑物被破坏
狂风
11
28.5～32.6
103～117
11.5
16.0
被风吹起的浪花，使水平能见度显著减小，机帆船航行极其危险
11和12级风陆上少见：
大树木可被吹倒，一般建筑物被严重破坏，极具摧毁力
暴风
12
32.7～36.9
118～133
14.0
海浪滔天
飓风
13
37.0～41.4
134～149
少见
少见
14
41.5～46.1
150～166
15
46.2～50.9
167～183
16
51.0～56.0
184～201
17
56.1～61.2
202～220
表2－1蒲福风级对照
2、风向
风向是指风吹来的方向。
风向的测量单位，用方位来表示。
陆地上，一般用16个方位表示。
用角度表示风向，是把圆周分成360度，北风（N）是0度（即360度），东风（E）是90度，南风（S）是180度，西风（W）是270度，其余的风向都可以由此计算出来，见图2－1。
图2－1风向的十六方位
3、风能和风能密度
风能的大小就是气流所具有的动能。
在单位时间内流过某一截面的风能，即为风功率，其计算公式为：
（2-1）
式中
—风功率，
（即
）；
—空气密度，
；
—风速，
；
—空气流过的截面面积，
。
从式中可以看出，风速增加一倍，风能便增加八倍。
所以风速对风能有决定性的作用。
风能密度是气流在单位时间内垂直通过单位面积的风能，单位为
，即每平方米扫风面积中所包含的能量，其计算公式为：
（2-2）
式中
—风能密度，
。
由于风速是一个随机性很大的量，所以一般用平均风能密度来表示某地在一个时间段内风能的可利用性。
将某地一年（一段时间）每天24小时逐时测到的风速数据，按所需间距分成各等级风速，如
，
，…，
（
，此为有效风速，下文有详细解释），然后将各等级风速在一年（一段时间）出现的累积小时数
，
，…，
，分别乘以各风速下的风能密度，再相加后除以一年（一段时间）总时数
，即计算公式为：
（2-3）
则可求出某地一年（一段时间）的平均风能密度。
2.1.2风力发电技术
把风的动能转变成机械动能，再把机械动能转化为电能，这就是风力发电。
风力发电的原理就是将风的动能经过风机风轮转化为发电机轴的旋转机械能，再带动发电机的转子旋转，从而实现导体切割磁力线而发电。
1、风力发电机的功率曲线
通常风力发电机（组）的功率用额定风速下的额定功率来表征。
风力发电机（组）在风速达到额定风速时，此风力发电机（组）的输出功率为额定功率。
在风速低于额定风速时，发电机（组）的输出功率低于额定功率，而高于额定风速时，如果不加限制，则输出功率会超过额定功率。
但任何风力发电机都不可能在无限制的范围内工作，所以当风速达到额定风速时，就要采取一定的措施来限制和保护风力发电机。
切入风速，指风力发电机组开始并网发电的最低风速。
切出风速，指风力发电机组并网发电的最大风速，超过此风速机组将切出电网。
对于风能转换装置而言，可利用的风能是在“切入风速”到“切出风速”之间的风速段。
目前国内大多数地区常取3m/s为切入风速，20m/s为切出风速，因此3～20m/s通常称为“有效风速”。
风速与负载所获得的电功率之间的关系曲线称为风力发电机功率曲线，图2－2为某一400W风力发电机的输出功率曲线。
图2－2风力发电机功率曲线
功率曲线表示的是一台风力发电机（组）的功率性能。
但由于现场情况的不一样，如风速、风向、地形等的情况不同风力发电机（组）的功率曲线一般不是一条，而是一组。
2、贝茨理论
德国哥廷根研究所的贝茨（Betz）于1926年建立第一个关于风轮的完整理论。
贝茨假定风轮是理想的，也就是说没有轮毂，而叶片数是无穷多，并且对通过风轮的气流没有阻力。
因此这是一个纯粹的能量转换器。
此外还进一步假设气流在整个风轮扫掠面上的气流是均匀的，气流速度的方向无论在风轮前后还是通过时都是沿着风轮轴线的。
质量为
的物体，以速度
运动时它所具有的功能为：
（2－4）
在与空气流动垂直的某一处任取一截面，设该截面的面积为
，则在单位时间内流过该截面的空气体积是：
（2－5）
设空气密度为
，则该体积的空气质量为：
（2－6）
显然这一质量的空气在这一速度下流动时所具有的动能为：
（2－7）
空气流动时的全部能量几乎都是动能，且上式表达的是单位时间内的动能，所以它就是功率，因此：
（2－8）
理论证明风轮后面的风速为风轮前面风速（前后均为未经风轮扰动的风速，即稍远离风轮的风速）的1/3时风轮所获得的能量最大（2/3风速的能量被风轮吸收了），所以有效的单位时间内的空气质量为
。
风轮因此能够获得的最大功率为：
（2－9）
即：
风轮在流动空气中所能获得的最大功率为其扫风面积范围内全部风能的59.3%。
实际情况中风力机的功率远达不到0.593这个极限值，一般在0.2～0.5之间。
2.1.3小型风力机
1、风力发电机构造
一般风力发电机由风轮、发电机、传动装置、调向器、调速器或限速器、塔架、机座和刹车制动系统等构件组成
1—风轮（集风装置）；2—传动装置；3—塔架；4—调向器（尾翼）；
5—限速调速装置；6—做功装置（发电机）
图2－3小型风力发电机的基本组成
2、风力发电机的概况
风力发电机的种类和样式很多，按不同的分类方式可以将其分为若干种：
（1）、根据风力机轴的空间位置，可分为水平轴和垂直轴风力机。
水平轴风力发电机，风轮的旋转轴与风向平行，如图2－4。
图2－4水平轴式风力机
水平轴风力发电机分为升力型和阻力型两类。
升力型风力发电机旋转速度快，阻力型旋转速度慢。
对于风力发电，多采用升力型水平轴风力发电机。
大多数水平轴风力发电机具有对风装置，能随风向改变而转动。
对于小型风力发电机，这种对风装置采用尾舵。
风力机的风轮在塔架前面的称为上风向风力机，风轮在塔架后面的则成为下风向风机。
水平轴风力发电机的式样很多，有的具有反转叶片的风轮，有的再一个塔架上安装多个风轮，以便在输出功率一定的条件下减少塔架的成本，还有的水平轴风力发电机在风轮周围产生漩涡，集中气流，增加气流速度。
垂直轴风力发电机，风轮的旋转轴垂直于地面或气流方向，如图2－5。
图2－5垂直轴式风力机
垂直轴风力发电机在风向改变的时候无需对风，在这点上相对于水平轴风力发电机是一大优势，它不仅使结构设计简化，而且也减少了风轮对风时的陀螺力。
而且相对水平轴发电机，其塔架设计简单，维护方便。
但由于其效率低，自启动困难及速度控制困难等原因，一般情况下仍多采用水平轴风力发电机。
（2）、根据发电机磁场的产生方式可分为永磁式风力发电机和电流励磁式风力发电机。
永磁式风力发电机采用磁钢产生所需的磁场，磁钢有铁氧体的或钕铁硼的。
电流励磁式风力发电机采用线圈通电来产生磁场。
小型风力发电机大多采用磁钢来产生磁场，为永磁式发电。
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