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1、唐山工业职业技术学院2013届毕业论文第一章 绪 论1.1 风能风能(wind energy)是因空气流做功而提供给人类的一种可利用的能量。空气流具有的动能称风能。空气流速越高，动能越大。人们可以用风车把风的动能转化为旋转的动作去推动发电机，以产生电力，方法是透过传动轴，将转子（由以空气动力推动的扇叶组成）的旋转动力传送至发电机。到2008年为止，全世界以风力产生的电力约有 94.1 百万千瓦，供应的电力已超过全世界用量的1%。风能虽然对大多数国家而言还不是主要的能源，但在1999年到2005年之间已经成长了四倍以上。有效风能密度：为了衡量一个地方风能的大小，评价一地地区的风能潜力，风能密度是
2、直接反映风能丰欠的指标量。风能密度表述气流在单位时间垂直通过单位面积的风能。由于风速是一个随机性很大的量，通常用平均风能密度和有效风能密度来评价某地带的风能潜力。装机容量指的是一个发电厂或一个区域电网具有的汽(水)轮发电机组总容量，一般以“万千瓦”或“兆瓦”为单位，说的是它的发电能力，是功率单位。1.2 发展新能源的背景目前，生活于地球这颗行星上的人数已超过60亿，到本世纪中期，大有达到百亿之势，维持人类日常生活、文化，需消费大量的能源。但过度的能源消耗在促进人类发展的同时，会使地球环境恶化，甚至成为威胁人类生存的因素。在20世纪100年间，全世界人口从16.5亿增长了3.7倍，但消费的能源以
3、惊人的速度增长到原来的9倍，由于消耗的大部分能源来自矿物燃料，必然导致CO2排放量增加，因此大气温室效应不断加重。如果21世纪继续维持这种能源消耗增长之势，社会生活大有无法维继的危险。 因此，为了今后人类的可持续发展，由传统的矿物燃料向太阳能、风能之类的绿色可再生能源的转变是能源发展的必然趋势。联合国副秘书长、联合国环境规划署执行主任阿西姆施泰纳也表示：“风力发电迅速发展，正在成为实现全球低碳、高效经济的核心技术之一。在哥本哈根达成一个具有雄心的协议，有助于风能在更多国家推广” 1.3 风力发电的优缺点风能的发展对环境有正面影响和负面影响.未来的发展将依赖于如何使正面影响达到最大,而同时负面影
4、响保持在最低.优点：1）风能为洁净的能量来源。2）风能设施日趋进步，大量生产降低成本，在适当地点，风力发电成本已低于发电机。3）风能设施多为不立体化设施，可保护陆地和生态。4）风力发电是可再生能源，很环保。5)风能发电不会释放二氧化碳,不会带来酸雨,大雾和放射等污染,也不会造成对陆地海水,和水资源的污染.风能的大规模使用可能是减少二氧化碳排放的最经济快速的方法.缺点：1）风力发电在生态上的问题是可能干扰鸟类，如美国堪萨斯州的松鸡在风车出现之后已渐渐消失，目前的解决方案是离岸发电，离岸发电价格较高但效率也高；2）在一些地区，风力发电的经济性不足；许多地区的风力有间歇性，更糟糕的是如台湾等地在电力
5、需求较高的夏季及白日，是风力较少的时间；必须等待压缩空气等储量能技术发展；3）风力发电需要大量土地兴建风力发电厂，才可以生产比较多的能源；4）进行风力发电时，风力发电机会发出庞大的噪音，所以要找一些空旷的地方来兴建；5)风力机引起的电磁干扰,当风力机被放置在一台收音机,电视机或微波收发器之间时,他有时会反射一些电磁射线,其反射波与原信号会混合在一起,到达接收器.这可能造成原信号很大的扭曲.有些风力机使用薄木板做的叶片就可以避免这样的问题,因为薄木板可以吸收的无线电波大于反射的电波.6）现在风力发电还未成熟，还有相当发展空间；1.4 风能利用潜力提到能源，大家会联想到什么？也许有人会想起初中或高
6、中物理课程中令人头痛的势能、动能、热能等问题；也有人会想起石油危机，脑海中会浮现出抢购卫生纸的情景；也有人会从最近报纸、杂志等刊登的有关温室效应的报道，联想到矿物燃料的埋藏量、太阳能、风能等新能源的有效利用。风能作为一种重要的可再生能源，是地球上最古老，最重要的能源之一，它具有蕴藏量巨大、可再生、分布广、无污染等特点，风力发电已成为世界可再生能源发展的重要方向。目前利用风力发电已成为风能利用的主要形式，受到世界各国的高度重视，而且发展速度非常快。与热力发电设施不同，风力发电不需要冷却水，应用风力发电可使公用系统用水减少17%，相当于不需在建设80GW的新燃煤电厂。风力发电没有燃料问题，也不会产
7、生辐射或空气污染；而且从经济的角度讲，风力仪器比太阳能仪器要便宜九成多。中国风能储量很大，分布面广，甚至比水能还要丰富。合理利用风能既可减少环境污染，又可减轻越来越严重的能源短缺的压力。第二章 风能发电实验原理2.1 风力发电原理概述风力发电有3种运行方式，通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力，它用蓄电池蓄能，以保证无风时的用电；二是风力发电与其他发电方式相结合，向一个单位、一个村庄或一个岛屿供电；三是风力发电并入常规电网运行，向大电网提供电力，常常是一处风电场安装几十台甚至几百台风力发电机，这是风力发电的主要发展方向。风力发电机一般由风轮、发电机、调向器、塔架、限速安全机构和储能装置
8、等构成，风力发电机的工作原理比较简单，风轮在风的作用下旋转，它把风能转变为风轮的机械能，风轮发电机在风轮轴的带动下旋转发电。图2-1风力发电机2.2 风轮吸收的风能 风能公式：式中为空气密度，单位kg/m3V为风速，单位m/sF是气流通过的面积，m2评价一地风能资源潜力，常用风功率密度： 单位：瓦/米2 P=(1/2)V3ACp Cp 吸收效率 空气密度，标准密度：1.225kg/m3V 风速 A 风轮面积，pD2/4 P为吸收的风能2.3 曹妃甸风速变化图及风区分类1、 天气变化数据图 曹妃甸港口常年都有海风在吹，因此我搜集了曹妃甸一年的天气变化情况，并做了统计。2、风区分类由于在海边各个地
9、区的风速是不一定的所以搜集了各种风速并做了分类。如下图：GL规范平均风速（ms）年最大风速（ms）年极限风速（ms）50年暴风风速（ms）50年极限风速（ms）一类风区10.0040.0056.0046.5065.10二类风区8.5034.0047.6039.5355.34三类风区7.5030.0042.0034.8848.83四类风区6.0024.0033.6027.9039.102.4 实验原理风力发电实验装置结构原理示意图如图9所示，整机实物照片及各部位标注如图10所示，其中九孔插板上各元件标注如图11所示。实验装置结构原理示意图9表明，该实验仪包括风源S、风速计M（通过支架Z2安装在导
10、轨上）、风轮（由轮毂2和叶片1构成）、三相交流永磁同步发电机4、整流滤波电路、测量电路、电能的存储与利用电路、带标尺的导轨3。其中的整流滤波电路、电能的存储与利用电路中的所有电学元件及测量电路中的可变负载插在“九孔插板”上并通过该插板实现连接，实现即插即用、方便快捷搭建电路的目的。风轮、三相交流永磁同步发电机通过水平转动轴连接并安装在支架Z3上。所有从叶片传来的风力，通过轮毂传递到转动系统，再传递给发电机。图3.1 风力发电实验装置结构原理示意图所述整流滤波电路：包括与三相交流永磁同步发电机连接的六个二极管（D1，D2，D3，D4，D5，D6）以及电容5并联支路，其中，六个二极管按三相桥式全波
11、整流电路连接，用以将发电机输出的三相交流电转换为直流电；所述电容5，用以对电流进一步滤波。测量电路：包括智能电压表6支路和由一个可变负载7与一个智能电流表8串联构成的支路，两个支路分别与整流滤波电路并联。所述电能的存储与利用电路：包括由双刀双掷开关K2控制的发光二极管LED回路和储能蓄电池9回路。电能的存储与利用电路与测量电路之间安装有一个控制开关K1。所述导轨的两侧带有可定位的标尺，在导轨一侧面开有一凹槽，放置智能电压表和智能电流表。2.5 风能转化为电能的大致草图2.6 电能的利用与存储 电能的利用：利用风力产生的电能可以取暖、用于日常照明、还有港口电气设备的电能需求。 电能的存储： 为了
12、增进风能转化为电能的利用效率，使用合适的电能储存系统可以在不增加电网容量投资的基础上，满足负荷高峰时的需求。一个基础性的问题在于，负荷情况可能因每天，每小时，季节变化而变化，必须有足够容量的设备提供高峰时的需求。理论上，发电和用电应该是相等的。电能发电设备必须能较快地实现投入和切除，比如，微型燃气轮机的反应时间较长，抽水蓄能电站的投入时间较短，然而，石化燃料电站及核电站均不适合频繁起停。此外，这些电站在固定于某个输出的时候才能达到较高的效率。因此，让大型电站处于连续运行状态，并通过寻找合适的电源方式以在用电低谷的时候吸收电能，用电高峰的时候发出电能以平抑需求和供给的差异的方式被认为是经济性和效
13、率较高的一种方式。 由于受环境影响因素较大，很少利用自然资源类型直接作为电能存储的媒介，比如，太阳能，风能，海浪能，潮汐能，这些类型的能源也必须结合合适的电能存储设备才能充分发挥调峰的功效。 电能的存储设备通常需要将电能转化为其他类型的能量，在特定时间段内，将此种类型的能量再次反转为电能以用于生产生活所需。 第三章 风能发电的优越性与可行性3.1风能发电的优势l 风力是一种蕴藏丰富而又洁净的自然能源，没有环境污染问题。l 建造风力发电厂的费用低廉。l 利用风力发电不需火电所需的煤、石油等燃料或核电站所需的核材料即可产生电力，除常规保养外，没有其他任何消耗。l 风力发电技术已经成熟，市场前景广阔
14、。我国风力发电的区位条件：1) 地处季风区，风能资源丰富。2) 国家政府在政策和经济上大力支持。3) 风力发电技术日益成熟。4) 风能发电成本低，市场前景广阔。3.2我国的发展计划与政策 发展计划：概括地讲，国家“三委”、“四部”都非常重视风力发电事业的发展。“三委”指国家计委、国家科委、国家经贸委，“四部”指电力部、机械部、航天部、水利部。电力部制订了一系列风力发电的优惠政策，其中两条非常重要，一是允许风力发电就近并网，二是风电价格要在发电成本加还本付息的基础上，允许有合理的利润空间，超出电网电价部分由全电网平摊。这种优惠政策有力地支持了风电事业的发展。1992年，国家成立了第一个风能公司福
15、霖公司，负责风电场的投资、建设和管理，先后建成了南澳、东岗等风电场。机械部为国产化大型风电机组而努力，1989年，中国农业机械工业协会风力机械分会成立。在“八五”期间，曾在中国第一拖拉机厂组建了一个风电办公室，派人去德国学习风力发电技术，在德国胡苏姆造船厂和德国专家一起组装了10台HSW-250T机组。航天部1992年成立了万电公司，专门从事大型风电机组的研制。万电公司隶属中国运载火箭技术研究院。1996年2月，万电公司和奥地利比尔公司签订了风力发电技术引进合同，花费50万美元从比尔公司购买了600kW机组的技术资料。水利部也非常重视风力发电。隶属水利部的新疆达坂城一风电场，1989年建成，现在已利用国外政府无偿援助2000多万元人民币，引进22台机组，总容量达6100kW。1996年又在新疆布尔津建成一个风/水互补的供电系统。风电场装机容量为1050kW。国家计委提出两个计划：一个是“光明工程”，一个是“乘风计划”，前者是支持国内微小型风力发电机组的发展，解决偏远地区供电问题；后者就是支持国
