小型风力发电系统研发研究

小型风力发电系统研发研究

李奥1 金增楠1

1.沈阳城市建设学院机械工程学院，110167

摘要：风能是可再生能源中最重要的能源之一。将风能转化为电能的开发利用比较简单，不需要建立庞大的原料基地，可节省大量投资，既不需要采掘运输，也不需要复杂昂贵的转化装置。同时，由于良好的环境效益，特别是无污染物排放，故在迫切需要解决“能源与环保”双重要求的当前形势下，世界上许多国家都在大力研究开发风力发电，竞相激励风力发电设备及先进技术的广泛应用。本文根据相关理论，初步建立小型风力发电模型，为后续发电系统建立基础内容。

关键词：风力发电；数字模型；理论分析

一 引言

风能是可再生能源中最重要的能源之一。将风能转化为电能的开发利用比较简单，不需要建立庞大的原料基地，可节省大量投资，既不需要采掘运输，也不需要复杂昂贵的转化装置。同时，由于良好的环境效益，特别是无污染物排放，故在迫切需要解决“能源与环保”双重要求的当前形势下，世界上许多国家都在大力研究开发风力发电，竞相激励风力发电设备及先进技术的广泛应用。本文首先阐述了风力发电的意义以及国内外风力发电的现状,然后分析了风力发电的原理以及对小型风力发电机做了简介。

二 小型风力发电系统研发研究国内外发展现状

美国在小型风力发电机的制造方面仍然是世界的领先者，目前安装在美国的小型风力发电机 90%以上由美国本土制造。美国在其国内小型风力机市场建立和研发投资方面取得了较大进展，已帮助建立了一批稳定的风力机制造商和一个合理统一的市场。据美国风能协会预计，到 2020 年，美国的小型风力发电机装机容量将达到50000MW，占据全美国电力消费的 3%，这些电力供应可通过分布式发电实现

加拿大制造小型风力机的企业只有 6 家，其中五家侧重于生产 20k W-50k W 的小到中型风力发电机。目前在世界范围内只有 12 家知名厂商生产大于 20k W 以上的小型风力机，加拿大生产风力机的厂家虽少，但在中型风力发电机生产上却占据重要地位。

三 风力发电机理论分析

（二）贝茨理论

贝茨理论假设的风轮是理想的,其中的风轮由无数叶片组成,可以看成一个圆盘,没有空气摩擦,从而可以把通过风轮的气流看成均匀的,且与风轮平面相互垂直,

其中,理想风轮由上图中间面积为S2:的区域代替,风经过此处的风速为V2。风轮前方处区域面积为S1风经过此处的风速为v1。风轮后方处区域面积为S3,风经过此处的风速为v3。空气密度为P。

理想情况下,由于空气总流量不变,可以得出式子

                                                                       (1)                                       

由动量变化可以得出风轮上风的作用力:

                                                                   (2)

我们可以得出风轮前后动能的变化,即风轮吸收的功率

                                                                 (3)

由于是理想模式,可以认为风轮吸收的功率等于风轮上风的作用力做功,即

                                                               (4)

由(6)和(8)得出

                                                                         (5)

由(6)和(9)得出

                                                             (6)

由于风速是不受控制的,即固定的,我们可以把P看成V3地函数。通过对(10)求导可得

                                                      (7)

令(11)等于零,可得

                                                                           (8)

以及

                                                                           (9)

由于V1和V3都是正实数,所以12)没有实际意义。

将(13)代入(10),可得

                                                                          (10)

此时P为理论上最大吸收功率。

由(3)和(14)得出Cf= 0.593,此时的C,为最大风能利用系数,这表明即使没有任何功率损失,风机的风能利用率最大也只能达到59. 3%。

三 风力发电系统模型的建立

（一）小型风力发电系统概述

风力发电系统技术涉及空气动力学、力学、机械传动、电力电子、自动控制等多学科的综合性系统工程。分析风能转换系统的结构是研究风力发电控制技术的有效途径。

（二）风力发电系统的结构

风力发电系统主要由风轮、增速箱、发电机、塔架、控制系统、偏航系统等组成

（三）风力发电机组的分类

风力机组是将风中的能量转化为电能。由于国情不同,每个国家对风力发电机组的分类标准也不同,美国和欧洲将容量小于 100KW 的机组定义为小型风力发电机组,中型机组为 100KW 到 1000KW,大型机组为 1000KW 以上的机组。而我国将 1KW 到 10KW 的机型称为小型机[28],本文研究对象为 6KW 的小型风力发电系统。风力机按主轴形式可以分为:垂直轴风力机(风轮轴垂直于风向)和水平轴风力机(风轮轴平行于风向)。根据风力机的运行模式可以分为四类:定速定桨距机组、定速变桨距机组、变速定桨距机组、变速变桨距机组。

参考文献：

[1]章伟,邓院昌,曾雪兰等.小型风力发电机应用分析及评价[J].电网与清洁能源,2012,28(5):82-86.

[2]Wang Xiaorong, Wang Weisheng and Dai Huizhu. Wind Power Industry inChina[J]. ELECTICITY,2004,(1): 41-43.

[3]田海姣,王铁龙,王颖等.垂直轴风力发电机发展概述[J].应用能源技术,2006,(11):22-27.

[4]lulian M, Nicolaos A,Emil C.Optimal Control of Wind Energy Systems [M]. 2008.

[5]World Wind Energy Association,World Wind Energy Report 2011[R].2012:5-10.

[6]夏安俊,胡书举,许洪华.风电机组 MPPT 动态功率曲线控制策略的研究[J].电气传动.2011 13(3):60-65.