小型风力发电系统设计论文(正式)

南通纺织职业技术学院毕业设计（论文）

小型风力发电系统设计

周来恩

班级 1 0 新能源

专业新能源

教学系机电系

指导老师曹莹

完成时间年月日至年月日

附件二：中文摘要

摘要

随着电力和能源改革逐步深入，在国家倡导节能减排的大背景下，风

力发电成为新能源开发利用的重要领域。在有风力资源的地区，建设小型

风力发电或风光互补独立电站(集中供电系统或户用系统)成为为小型负

荷供电一种新选择。研究中小型风力发电系统的设计和并网技术显得十分

必要。

关键词：风力发电机，并网，最大功率

I

附件三：目录

目录

摘要............................................................................................................I 1 绪论 (3)

1.1小型风力发电的应用 (3)

1.2 膜分离技术 (4)

1.2.1 膜分离技术 (4)

2 光催化—膜分离反映装置工艺特性研究 (5)

2.1 试验装置的设计想 (5)

2.2 滤膜的选择 (6)

2.2.3 膜组件型式的选择 (6)

致谢 (10)

参考文献 (11)

附录 (12)

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附件四：正文

1 绪论

风是地球的一种自然现象，它由太阳辐射引起。太阳照射到地球表面，地球表

面各处受热不均，产生温差，引起大气对流运动而形成风。风能蕴量巨大。据估算，到达地球的太阳能中虽仅有约1%转化为风能，但其总量十分可观，全球风能约为2.74 又109MW，其中可利用的风能约为2X107Mw，比地球上可开发利用的水能总量要

大10倍l’]。全世界每年燃烧煤炭得到的能量，还不到风力在同一时间内提供给地球能量的1%。，同时其来源丰富，取之不尽，用之不竭ll]。

风能是一种清洁的永续能源，与传统能源相比，风力发电不依赖外部能源，没

有燃料价格风险，发电成本稳定，也没有碳排放等环境成本;此外，可利用的风能

在全球范围内分布都很广泛。正是因为有这些独特的优势，风力发电逐渐成为许多国家可持续发展战略的重要组成部分，得以迅速发展。根据全球风能理事会的统计，全球的风力发电产业正以惊人的速度增长，到了2009年底，全球已有超过100个国

家涉足风电开发，其中有17个国家累计装机容量超过百万千瓦。累计装机容量排名前10的国家依次是美国、中国、德国、西班牙、意大利、法国、英国、葡萄牙和丹麦。随着分布式发电技术与微网技术的快速发展，小型风力发电系统的市场占有率

正在以每年大约35%的速度上升，且会越来越快速的增长。小型风力发电产业也得到了较快的发展，为我

国无电地区的电力建设、边境稳定的维护、社会主义新农村的建设和和谐社会的发展做出了巨大贡献。

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1.1 小型风力发电的应用

小型风力发电的主要发电方式可分为两大类:离网型和并网型

1.2 风力发电现状与展望

全球风能资源极为丰富，技术上可以利用的资源总量估计约53×106亿kWh /年。作为可再生的清洁能源，受到世界各国的高度重视。近20年来风电技术有了巨大的进步，发展速度惊人。而风能售价也已能为电力用户所承受：一些美国的电力公司提供给客户的风电优惠售价已达到2～2.5美分/kWh，此售价使得美国家庭有25%的电力可以通过购买风电获得。 2004年欧洲风能协会和绿色和平组织签署了《风力12——关于2020年风电达到世界电力总量的12%的蓝图》的报告，“风力12%”的蓝图展示出风力发电已经成为解决世界能源问题的不可或缺的重要力量。按照风电目前的发展趋势，预计2008～2012年期间装机容量增长率为20%，以后到2015年期间为15%，2017～2020年期间为10%。其推算的结果2010年风电装机1.98亿KW，风电电量0.43×104亿kWh，2020年风电装机12.45亿KW，风电电量3.05×104亿kWh，占当时世界总电消费量25.58×104亿kWh的11.9%。世界风电发展有如下特点：（1）风电单机容量不断扩大，（2）风电制造企业集中度较高，（3）风电电价快速下降近年来，我国的小型风力发电产业已经从解决农村无电为主向城市街道照明和移动通信独立电源等工业应用方向发展，并得到了快速发展，新的应用领域还在不断拓展，年产量也在逐年增加。但是，我国小型风力发电产业仍面临着各方面的问题：

1、自身方面。虽然我国的小型风力发电产业起步较早，和国际上的差距不是很大。但是在某些方面仍存在问题，如叶片、风轮、发电机和控制器的设计水平有待提高;塔架、地基的制作水平需要改进;外观和包装需要美化和完善，此外，企业的研发能力弱，设备的检测和认证程序缺乏，产品的质量差异很大，产业缺乏有效的产品质量监管，劣质产品的低价倾销严重干扰了产业市场的正常经营

2、市场方面。我国小型风力发电产业目前的市场规模过小，不少企业处于作坊式的生产状态，成本居高不下;市场规模小也导致相关大中型专业配套企业没有兴趣为其提供零部件配套供应。此外，产业缺乏有效的投融资体制，企业资金缺乏，成为企业发展的瓶颈;

3、电价方面。我国的电价由国家管理，出于历史的、政治的和经济上的全方位

考虑，我国的电价偏低，除水电外，可再生能源的发电都高于火电，需要政策性补贴。大风电尚且如此，小风电就更无法和火电竞争;

4、政策方面。早期小型风力发电机组的发展只是考虑用小型风力发电机组解决

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农村供电问题，并没有提高到利用可再生能源的角度来认识，产业主要由有关部委的农村能源办公室负责，政府把它作为福利事业来看待，带有明显的政府行为和扶贫支农性质。结果导致企业一直处于比较困难的生存状态，缺乏发展后劲。虽然近年来我国高度重视可再生能演的发展，出台了一系列方针政策来促进可再生能源利用，但落实到小型风力发电产业的却非常少。即使有政策，这些政策也缺少稳定性，执行度和可操作性不是很好。

1.2.1 风力发电的原理和特点

风力发电是利用风能来发电，而风力发电机组是将风能转化为电能的机械。风轮是风电机组最主要的部件，由桨叶和轮毂组成。桨叶具有良好的动力外形，在气流的作用下能产生空气动力是风轮旋转，将风能转化为机械能，再通过齿轮箱增速驱动发电机，将机械能转化电能。然后在依据具体要求需要，通过适当的变换将其存储为化学能或者并网或者直接为负载供电。

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。

2 风力机的原理及其结构

2.1 风力机的气动原理

风力发电机组主要利用气动升力的风轮。气动升力是由飞行器的机翼产生的一种力，如图2--1。

图2-1气动升力图

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从图可以看出，机翼翼型运动的气流方向有所变化，在其上表面形成低压区，在其下表面形成高压区，产生向上的合力，并垂直于气流方向。在产生升力的同时也产生阻力，风速也会有所下降。升力总是推动叶片绕中心轴转动。

图2.1 实验装置示意图

实验装置由PVC 材料制成，总有效容积为SL 。待处理的废水进入反应器后，与悬浮于水中的二氧化钦微粒相混合，在高压汞灯的照射下，发生降解作用，通过抽吸泵的抽吸，使中空纤维膜内形成负压，在压差作用下，降解后

的水进入中空纤维膜内，经两侧收集管汇集后经抽吸泵出水，

而二氧化钛微料则被滤膜挡住，留在反应器中。

2.2 风力机的主要部件

水平轴风力机主要由风轮、塔架、对风装置、齿轮箱组成，

整体结构如图2—2所示：

（1）风轮：由1~3个叶片组成，这是吸收风能的主要部

件。当风轮旋转时，叶片受到离心力和气动力的作用，离心力

对叶片是一个拉力，而气动力使叶片弯曲。当风速高于风力机

的设计风速时，为防止叶片损坏，需对风轮进行控制，控制风

轮有三种方法：a ，使风轮偏离主方向；b ，改变叶片角度；利

用扰流器，产生阻力，以降低风轮转速。

（2）塔架：为了让风轮能在较高的风速中运行，需要塔架把风轮支撑起来。这时塔架需要承受两个主要的载荷：一个是风力机的重力，向下压在塔架上；另一个是

阻力，使 图2-2风力主要部结构图

塔架向风的下游方向弯曲。选择塔架时要必须考虑其成本，根据实际情况而定。

（3）对风装置：自然界的风向及风速一直变化，为了得到较高的风能利用率，应使风能的旋转面经常对准风向为此需要对风装置。本论文只介绍小型风力机的对风装置，如图2—4所示，利用尾舵控制对风。由尾翼带东水平轴旋转，是风轮总朝向风吹来的方向。

图2-4对风装置

（4）齿轮箱

由于风轮的转速比较低，而且风力的大小经常变化着，这又使得转速不稳定。所以，在带动发电机之前，还必须附加一个齿轮箱，再加一个调速装置使得转速保持稳定，然后在连接到发电机上。齿轮箱的主要作用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机，通过齿轮副的增速作用使其得到相应的转速。在装机是应使其与轮毂相连。为了增加齿轮箱的制动能力，在齿轮箱的输入端或输出端设置刹车装置配合叶尖制动装置实现联合制动。

2.3 小型风力发电的并网型应用

可再生能源并网发电或称分布式发电，指的是在用户现场或靠近用电现场(用户终端)配置较小的发电机组(一般低于30MW)，以满足特定用户的需要，或支持现存配电网的经济运行，或者同时满足这两方面的要求。可再生能源并网发电是当一前清洁能源和环保措施中发展最快的领域之一，它也同时为电力用户降低电费支出提供了可能性。由于当前风力发电机成本远比太阳能低，人们普遍采用的可再生能源发电设备主要是小型风力发电机，因此，并网型的风力发电技术被广泛推广应用。小型风力发电机作为分布式电源需要满足以下四个边界条件:

l)风资源不低于4m/S(测量高度10m);

2)有可以接入的电网;

3)有一定量的负载;

4)一定面积的安装场地(与大风电相比，对场地的要求非常小)。在“分布式发电”模式下，企业或用户由风力发电和电网同时供电，当风力足够大，风力发电机组发出的电量足够时，负载完全由风力发电机组供电，多余的电量还可以出售给电力公司;当风速较低，风力发电机的电力不足以满足负载需要时，负载由风力和电网同时供电;当风速低于切入风速时，风力发电机没有输出，所有的电力全部来自于电网，这一切

都是自动进行的，因此这类系统也无需蓄电池之类的储能设备。由于不提供后备电力

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供应，当电网因任何原因停止供电时，风力发电机也自动关闭。

2.4 小型风力发电系统的结构及原理

国内外研究学者就二氧化钦的分离问题开展了广泛深入的研究，大致可分为四类。

2.3 风力机的功率

风的动能和风速的平方成正比，功率是力和速度的乘积，也可用于风轮功率的计算。风力与速度平方成正比，所以风的功率与风度的三次方成正比。如果风速增加一倍，风的功率便会增加8倍。

风轮从风中吸收的功率如下：

3p P C A v ρ= (2—1)

2A R π= (2—2)

式中：P 为输出功率，p C 为风轮机的功率系数，ρ为空气密度，R 为风轮半径，v 为风速。 众所周知，如果接近风力机的空气全部动能都被风力机全部吸收，那么风轮后的空气就不动了，然而空气当然不能完全停止，所以风力机的效率总是小于1。

2.2.3 膜组件型式的选择

……

鉴于以上分析，本实验采用平板式聚丙烯中空纤维微滤膜组件，膜面积为0.2m 2，该中空纤维膜组件是由直径为0.3mm~0.5mm 的许多根中空纤维膜经集束封头后组成。这种膜由纺丝技术制造，不需要外加支撑材料，故具有结构紧揍，单位体积内膜的填装密度高，比表面积大的特点，其主要性能指标如下表：

表2.1 聚丙烯中空纤维主要性能指标

性能

指标 膜壁厚

40μm ~50μm 膜半径

0.1μm ~0.2μm 透气率

>7.0×10-2cm 3/cm 2.s.cmHg 纵向强度

120MPa 孔隙率 40%~50%

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附件五：致谢

致谢

值此论文完稿之际，感激之情油然而生。

………………

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附件六：参考文献

参考文献

[1] Fujishima A, Honda K．Electrochemical photolysis of water at semianducror Electrode．Nature, 1972, 238:37~38

[2] Cristina Lizanla, Juhata Freer．Optimized Photodegrdaation of Reacvtie Blue 19 on TiO2 and ZnO suspensions．Catalysis Today, 2002, 76:235~246

……

[8] 郁志文, 王文华, 彭安, 曹福苍．水溶液中4-氯酚在光照下的矿化和聚合化．环

境科学, 1998, 19(6): 45~51

……

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附件七：附录

附录

重要的原始数据、数学推导、计算程序、框图、结构图、注释、统计表、计算机打印输出：

附录的序号编排按附录A，附录B…编排，附录（例如附录B）内的顺序可按B.1，B.2.1，B.2.1.2规律编排。图表按：图B1，图B2，表B1，表B2的规律编排。

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