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1、离网风力发电系统的应用设计实例一、任务导入我国还有很多远离电网的农村、牧区、边防连队、海岛驻军等地方使用柴或汽油发电机组供电，发电成本相当高，而这些地方大部分处在风力资源丰富地区。通过采用风力发电机组供电，节约了燃料和资源，同时还减少了对环境的污染，一举多得，有着十分显著的经济效益和社会效益。如何选择一台真正适合本地区使用的小型风力发电机进行风力发电呢？二、相关知识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
2、千瓦乃至上几十千瓦解决一个村落的供电系统，也可以是几十到几百瓦的小型风力发电机组以解决一家一户的供电，我们这里主要介绍适合我国边远无电地区的小型风力发电机组的应用。学习情境 离网风力发电系统的设计方法根据安装地点的风能资源情况，以及用户的用电负荷和用电要求，合理选配小型风力发电机组的类型和配置，以获得最佳效益是离网风力发电系统的设计要求。（一）风力发电设计应注意的问题1风力发电系统应用环境的分类为了使风力发电系统适应不同的使用环境，降低因为环境原因造成的风力发电机组故障，将风力发电系统的使用环境分成3类。根据不同环境的实际需要选择相适应的产品。I类地区：沿海地区。抗风能力强，风力发电机在承受6
3、0m/s风速时，不至于损坏；耐腐蚀，要求在沿海地区耐腐蚀年限为10年。类：高寒、高海拔地区。要求可以适应低温环境；适应高海拔低气压环境。类：沙漠、戈壁地区。要求可以适应高温酷热环境；适应沙尘天气。I类地区风力发电机的安全风速不小于60m/s；类和类地区机组的安全风速不小于50m/s。风力发电机的启动风速和额定风速应根据年平均风速频率分布图来确定，无年平均风速频率分布图时，应根据平均风速最低月份确定。风力发电机的噪声应不高于70dB。2影响风力发电系统设计的因素由于风力资源随地点而变，因此即使在很相近的两个地点，风力资源特性也不会相同，因此，对于任何风光互补发电项目，必须进行实地短期风力测量、长
4、期风力资源预测、风流模拟计算和发电量估算等。如果需要安装超过一台风力发电机，每台风力发电机在特定风向下部可能成为其他风力发电机的障碍物，造成尾流效应。风电场总发电量估算须考虑尾流效应的影响。根据当地风力特征选择适当的风力发电机。风力资源中等的地方，使用可变速型号比固定速度型号的风力发电机能够有更好的发电量。考虑到部分地区有台风，因此应选择市场上最牢固的风力发电机。国际电工协会标准分级中，1级风力发电机可以抵受最高的极端负荷。此外，湍流强度也影响风力发电机的选择。只有结合安装地点的实际环境条件选择使用风力发电机，才能充分地利用当地的风力资源，最大限度地发挥风力发电机的效率，取得较高的经济效益。应
5、该指出的是，在风力资源丰富地区，最好选择额定设计风速与当地最佳设计风速相吻合的风力发电机。如能做到这一点无论是从风力发电机的选择上，还是利用风力资源的经济意义上都有重要的意义。风洞试验证明，风力发电机风轮的转换功率与风速的立方成正比，也就是说，风速对功率影响最大。例如，在当地最佳设计风速为6m/s的地区，安装一台额定设计风速为8m/s的风力发电机，结果其年额定输出功率只达到原设计输出功率的42%，也就是说，风力发电机额定输出功率较设计值降低了58%。若选用的风力发电机额定设计风速越高，那么其额定功率输出的效果就越不理想。但也必须指出，风力发电机额定设计风速偏低，其风轮直径、发电机相对要增大，整
6、机造价相应也就加大，从制造和产品的经济意义上考虑都是不合算的。（二）风力发电机电量与用电量的匹配设计风力发电机与用电器的匹配是一项不可忽视的内容。在选配用电器时也应按照蓄电池与风力发电机匹配原则进行。即选配的用电器耗用的能量要与风力发电机输出的能量相匹配。但应指出的是，匹配指标所强调是能量，不要混淆为功率。在选用用电器时，还必须注意电压的要求。离网风光互补发电系统发出的电能首先经过蓄电池储存起来，然后再由蓄电池向用电器供电。所以，必须认真科学地考虑，风力发电机功率、太阳能电池组件功率与蓄电池容量的合理匹配和静风期储能等问题。目前，离网风光互补发电系统的输出功率与蓄电池容量一般都是按照输入和输出
7、相等，或输入大于输出的原则进行匹配的。（1）设备日用电量计算Qi=PiTi (1-5)式中Qi日用电量；Pi设备额定功率；Ti日用电小时数。（2）系统总用电量估算Qm =PiNiTi (1-6)式中Qm系统负荷最大日用电量(kWh)；Pi每种相同设备的额定功率(kW)；Ni具有相同额定功率的设备的数量；Ti该类设备的日平均使用时间(h)；I1，2，n个不同类的设备数量。（3）发电能力的测算日平均发电量则是由风力发电机和太阳能电池组件的发电能力及当地风光资源状况决定的。Q= Q1+Q2 （1-7）式中Q1风力发电机组的日平均发电量；Q2太阳能电池组件的日平均发电量。（4）风力发电机组供电能力的测
8、算方法风力发电机组的年平均发电量或日平均发电量的计算是比较复杂的问题，而且仅是平均值概念的计算值。如果要较为准确的测算出风力发电系统日平均或年平均发电量，则必须要有发电机的功率特性曲线和风速频率分布图才能进行计算。利用风力发电机组输出功率特性曲线和风轮毂高处不同风速频率分布，可以估算出一台风力发电机在计算期间（年、月、日）的发电总量。计算中假设风力发电机设备利用率为100%。具有风频图的风力发电机输出功率计算公式Q=PvTv (1-8)式中Q风力发电机在计算期间的发电总量(kWh)；Pv在风速v时风力发电机的输出功率(W)；Tv场地风速口的期间累计小时数(h)。其中：风力机组在风速v时的实际输
9、出功率公式为:Pv=(v/vo)3 PO (1-9)式中Pv机组实际输出功率，W；vo额定风速，m/s；v实际风速，m/s； Po机组额定输出功率，W。风力发电机组一般只有系列值，所以在选用机型时，要根据当地的平均风速和风力发电机组输出功率特性曲线来确定。例如：如图1-52是某小型风力发电机的输出功率与风速的关系图。（1）在风速为 12 m/s时达到最大输出功率；（2）在风速为8m/s时输出功率是600W。（3）根据功率曲线，以5.0m/s的年平均风速，则平均每天的发电量为 4.8 KWH，平均每月（30天计）的供电量在 144 KWH，平均每年的供电量在 1752KWH。（4）若该风力发电机
10、按输出功率为500W发电，平均每天工作8h，计算一年（365天）发电量是多少？(W=Pt=0.5kW3658h=1460kWh) 图1-52输出功率与风速的关系图如果不能得到风速频率分布图，则可用当地的年平均风速进行估算。用年平均风速值时的发电机输出功率值乘以年度总的小时值8760h，即Qi =K8760Pv (1-10)式中Qi年发电量(kWh)；Pv年平均风速值时发电机组输出功率；K修正系数，取1.21.5。根据经验，按平均风速计算的发电量小于实际按风速频率分布图计算的年发电量，因此可按一定的比例进行适度修正（修正系数取1.21.5）。（三）风力发电系统设计方法在风力发电系统中，对方案和成
11、本影响较大的主要因素是风力发电机的容量及蓄电池的配置；采用水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机进行了方案设计，同时考虑连续3天或6天自给天数的情况进行蓄电池配备设计。1小型风力发电系统容量选择依据（1）根据风能资源情况选型风的动能与风速的立方成正比，对于风力发电机来讲，其输出功率也是与风速的三次方成正比。这就是说，当风速值有较小的变化时，输出功率将产生较大的变化。因此选择风力发电机的一个最重要因素是要考虑使其设计风速值适合当地的风能资源，与之达到最大的匹配。这样，一是可以充分利用当地的风能资源，二是可以充分发挥风力发电机的能量输出，提高利用效益。例如，在某风能可利用区，每天4m/s的风大约有15
12、h。一台设计风速为7m/s的100W风力发电机，根据风能公式，计算其日均发电量为Qw=(v/v0)3 P0Tv=100(4/7)3 15 =279.75(W.h)若选择一台设计风速为6m/s的100W风力发电机，根据风能公式，计算其日均发电量为Qw=(v/v0)3 P0Tv=100(4/6)3 15 =444(W.h)从上面的计算可以看出，选择风力发电机的设计风速与当地的风能资源达到最大匹配，可以提高风力发电机的能量输出。大多数气象部门都建立了风能资源数据库，在选购风力发电机时可向该部门了解有关当地的风能资源资料。了解当地的年、月、日的平均风速、有效风速值日平均小时数等，就可以利用风能公式估算
13、出所选择的风力发电机组平均年、月、日的发电量，再根据用电需求量确定所选择的风力发电机是否适宜。这样，就可以选择合适的风力发电机。年平均风速低，风力2级（风速2.5m/s）以上的地区，可选用小型永磁式风力发电机(垂直轴风力发电机)。年平均风速高，风力在45级（风速68m/s）以上的地区，可选用励磁式风力发电机(水平轴风力发电机）。近年来风力发电机获得了突飞猛进的发展，涌现出了种类繁多的机型。购买时首先要根据风力发电机的型号，选择适合你的要求的风力发电机，见表1-6。（2）根据电器负荷选型一般所选择风力发电机的额定功率应略大于所用电器的总功率，以保证各种电器能正常工作。一般用电设备按负载分为三大类
14、，即电阻性负载（如灯泡、热水器、电视 机）、电容性负载（如交换式电源供应器）及电感性负载（如传动马达、洗衣机、 水泵、空调）。在计算总功率时电阻性负载和电容性负载按实际功率累加，电感性负载按三倍实际功率累加，得到的总功率再乘 1.2 即为所需风力发电机的功 率。比如 1 台 800W 空调 + 3 个 60W 灯泡 + 1 台 200W 电视机，所需的风力发 电机功率为(8003 + 360 + 200)1.2 =3336W。但如果当地的风力资源较好， 或者用电时间短则可以选用更小一点功率的风力发电机，能够提供每日所需总用电量即可。选择时不可简单地用风力发电机上“铭牌”标定的额定功率值与用电设
15、备标定的额定功率值直接作为选配两者的发电量与耗电量的匹配来作为选择风力发电机的依据，而应以风力发电机在当地风能资源条件下平均日、月、年发电量和用电器平均日、月、年用电量为依据。由于水平轴风力发电机的启动风速高(小型风机大于或等于3 m/s才能启动，3.5m/s的风速才能发电)，需较高风速才能发电、能量转化效率低，而垂直轴风力发电机在较低的风速时即可发电满足同样的用电需求，由于使用微摩擦、启动力矩小的磁悬浮轴承垂直轴风力发电机在1.5m/s的微弱风速下就能启动，2.5m/s的风速就能发电，能效提高约20%，能广泛应用于全国80%的地区，对于同样功率的风力发电机，垂直轴风力发电机费用虽然高于水平轴风力发电机，但其体积、重量和所需运行空间均小于水平轴风力发电机，且具有运行稳定、噪声小、对风速要求低等优点,是今后优先应选用的小型风力发电机。（3）风力发电机选型注意事项1）比较风力发电机应在相同风速下比较一年的总发电量。不同的风力发电机的功率可能标定在不同的额定风速上，比较应在同一风速下进行。2）可靠性和
