1、1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作 者 姓 名 贾 明 兴学 科 专 业 电 力 学 院指 导 教 师 杨 金 明 副 教 授所 在 学 院论 文 提 交 日 期2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
2、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
3、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0目录第一章 绪论 .11.1 课题背景 .11.1.1 鸟击问题严重影响航空安全 .11.1.2 风光互补技术与驱鸟设备相结合 .31.2 风力发电的概况 .31.2.1 风力发电历史及世界风能资源利用 .31.2.2 我国风能资源 .51.3 太阳能发电的概况 .61.4 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 .72.1 小型风力发电系统 .72.1.1 风能的特点 .72.
4、1.2 风力发电技术 .102.1.3 小型风力机 .122.2 光伏发电系统 .152.2.1 太阳能电池的分类 .152.2.3 太阳能电池的电学特性 .172.3 系统的储能装置 .202.3.1 铅酸蓄电池的工作原理 .202.3.2 铅酸蓄电池主要性能参数 .212.3.3 铅酸蓄电池的充电特性 .242.3.4 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 .273.1 风光互补发电系统总体结构 .273.2 风力发电系统的组成及能量控制 .273.2.1 风力发电系统 .273.2.2 风力发电系统功率控制 .283.3.3 光伏发电系统能量控制 .313.
5、3.4 蓄电池充电控制策略 .33第四章 工程应用 .344.1 系统设计方法 .354.1.1 系统用电容量计算 .354.1.2 蓄电池容量计算 .354.1.3 风力发电机组功率与太阳电池组件功率的匹配设计 .364.1.4 风力发电机组供电能力的测算 .364.1.5 太阳能电池方阵发电能力及太阳能电池板数量计算 .374.1.6 控制器 .384.1.7 逆变器、变压器的设计 .394.1.8 充放电控制器监控及蓄电池监测 .394.2 工程实例 .39结 论 .421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
6、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
7、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，20022008 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
8、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。2表 11 20022008 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 12、13） ，2008 年中国民航因鸟击造成直接损失约 4596.8 万元人民币。表 12 2008 年鸟击事件造成的中国民航维修直接损失估计表 13 2008 年鸟击事件造成的
9、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， 3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
10、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
11、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 Charles F .Brush 建造了第一台风机，当时可为 12 组电池、4350 盏
12、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，Poul la Cour 建造了几个实验风机，并对风道进行了研究。 Poul la Cour 的试验风机至今仍保留在丹麦的 Askov。1957 年，Johannes Juul 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
13、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
14、,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(
15、3136MW)。5表 14 2000 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 10 m 高度层风能资源总量为 3226 GW，其中陆上可开采风能总量为 253 GW，加上海上风力资源，我国可利用风力资源近 1000 GW。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
16、，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 20
17、20 年我国风能发电能力按计划将达到 1.5 亿千瓦。620002008 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 302
18、5 MW，CO2 的排放量每年减少3.51106 t。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 300500 MWp，每个屋顶约 35 kWp。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 2000 MW，实际生产能力超过了 3000 MW，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
19、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。7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
20、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 21。相当平地10 高处的风速m海面浪高 m/风级 )/(s)/(hk一般 最高 海面渔船特征 陆地地面特征 说明术语0 00.2 小于1 - - 海面平静如镜烟柱直冲天：烟流垂直上升 无风1 0.31.5 15 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 1.63.3 611 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 3.45.4 1219 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 5.57.9 2028 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 8.010.7 2938 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，高草和庄稼波浪清劲风
