基于仿生學(xué)的風(fēng)力-光伏復(fù)合發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、目前風(fēng)力-光伏復(fù)合發(fā)電雖然解決了互補(bǔ)的問(wèn)題，但仍然存在光伏電池板占地面積較大、太陽(yáng)能發(fā)電效率較低;風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)不合理、繞組設(shè)計(jì)方法與接法控制設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致捕風(fēng)性能較差以及風(fēng)力機(jī)發(fā)電效率較低等諸多問(wèn)題，制約了風(fēng)力-光伏復(fù)合發(fā)電技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。為此，國(guó)內(nèi)外正致力于探索提高風(fēng)力-光伏復(fù)合發(fā)電機(jī)組（系統(tǒng)）性能的新方法、新技術(shù)，其中基于仿生學(xué)概念的仿生技術(shù)應(yīng)用研究成為這一領(lǐng)域一個(gè)新的研究熱點(diǎn)和前沿技術(shù)。
　　 本論文從仿生學(xué)的角度出

2、發(fā)，模擬自然界生物體的結(jié)構(gòu)，借鑒植物光合作用機(jī)理，研究樹(shù)木不同樹(shù)冠下的光合作用、植物葉片的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性和竹子竹節(jié)的力學(xué)特性，相應(yīng)進(jìn)行了風(fēng)力機(jī)仿生葉片結(jié)構(gòu)研究、繞組設(shè)計(jì)方法與接法控制研究、太陽(yáng)能光伏發(fā)電仿生結(jié)構(gòu)研究以及支撐部分仿生結(jié)構(gòu)研究。本論文所采用研究方法與所取得的成果，在太陽(yáng)能、風(fēng)能等綠色能源應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面具有重要的學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值、對(duì)提高風(fēng)力-光伏復(fù)合發(fā)電性價(jià)比的關(guān)鍵技術(shù)解決，具有重要現(xiàn)實(shí)意義與應(yīng)用參考價(jià)值。
　　 本論文主

3、要研究工作和所取得成果體現(xiàn)在:
　　 深入研究分析了國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、風(fēng)力-光伏復(fù)合發(fā)電以及仿生學(xué)仿生結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀和主要研究問(wèn)題。
　　 在現(xiàn)有風(fēng)力機(jī)葉片理論研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)風(fēng)力機(jī)基本設(shè)計(jì)理論進(jìn)行了論述，基于水平軸風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)理論，詳細(xì)推導(dǎo)了風(fēng)能利用率數(shù)學(xué)表達(dá)式;基于葉素理論、動(dòng)量-葉素理論，建立仿生葉片模型，根據(jù)已有的載荷基礎(chǔ)，采用計(jì)算機(jī)仿真，對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能分析、建立動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型、模態(tài)計(jì)

4、算，獲得葉片的各種位移圖、相關(guān)頻率及振型為風(fēng)力機(jī)葉片的研究設(shè)計(jì)提供了一種新的途徑。
　　 基于諧波理論，論述了以“安培導(dǎo)體單元”為基本元素的無(wú)短距系數(shù)的廣義整距繞組變極設(shè)計(jì)方法，研究了變極電機(jī)工作原理，進(jìn)行了變極設(shè)計(jì)方法研究，采用這種方法設(shè)計(jì)的變極電機(jī)，具有變前極與后極都等效于整距繞組功能，并以4/6變極為例加以詳細(xì)說(shuō)明。
　　 研究了采用新型2△/3△接法變極和變滑差相結(jié)合控制方法以及高效雙速感應(yīng)發(fā)電機(jī)采用不斷電切換技

5、術(shù)，解決了因風(fēng)力經(jīng)常變化引起的轉(zhuǎn)速不斷切換所造成的能量損失問(wèn)題，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有并網(wǎng)時(shí)電壓頻率能自動(dòng)恒定、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換不斷電、無(wú)能量中斷損失、不存在變流器及變頻器產(chǎn)生的高次諧波對(duì)電網(wǎng)的污染以及變極轉(zhuǎn)換簡(jiǎn)單等，與同步型風(fēng)力發(fā)電機(jī)相比，省去了變流器和復(fù)雜的控制系統(tǒng)，極大地降低了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的成本。
　　 基于植物光合作用機(jī)理和樹(shù)冠基本結(jié)構(gòu)與類型，進(jìn)行了基于仿生學(xué)的光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究。研究、比較自然界中樹(shù)木在不同樹(shù)冠形狀結(jié)構(gòu)下光能利用效率

6、的差異，選擇各種不同樹(shù)冠的形狀結(jié)構(gòu)，利用軟件進(jìn)行仿真研究分析，探索仿生結(jié)構(gòu)的機(jī)理，建立光伏發(fā)電仿生結(jié)構(gòu)模型;搭建了光伏發(fā)電仿生試驗(yàn)裝置，對(duì)光能利用效率進(jìn)行比較和理論分析。
　　 以竹子竹節(jié)為原型，在研究竹子和竹節(jié)的結(jié)構(gòu)力學(xué)基礎(chǔ)上，提出了一種支撐部分仿生竹子竹節(jié)的結(jié)構(gòu)模型，研究系統(tǒng)支撐仿生結(jié)構(gòu)的性能。
　　 深入研究和解決了系統(tǒng)的蓄電池充放電控制、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程組態(tài)監(jiān)測(cè)等其他關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，進(jìn)一步提高了風(fēng)力-光伏復(fù)合發(fā)電

7、系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
　　 本文的主要?jiǎng)?chuàng)新工作如下:
　　 1.基于植物光合作用機(jī)理和樹(shù)冠基本結(jié)構(gòu)與類型，進(jìn)行了基于仿生學(xué)的光伏發(fā)電系統(tǒng)的探索研究;研究、比較自然界中樹(shù)木在不同樹(shù)冠形狀結(jié)構(gòu)下光能利用效率的差異，選擇各種不同樹(shù)冠的形狀結(jié)構(gòu)，利用軟件進(jìn)行仿真研究分析，采用不同樹(shù)冠形狀結(jié)構(gòu)的光伏發(fā)電研究分析、比較不同朝向和角度的研究方法及所得出的結(jié)論具有非常重要的應(yīng)用參考價(jià)值。
　　 2.基于仿生學(xué)概念和數(shù)值模擬分析

8、方法，探索了植物葉片結(jié)構(gòu)與其力學(xué)性能之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，建立了精確的數(shù)學(xué)模型;對(duì)實(shí)際植物葉片，分別通過(guò)AutoCAD、ANSYS軟件獲取植物葉片的坐標(biāo)數(shù)據(jù)點(diǎn)云和建立簡(jiǎn)化的葉片有限元模型，并進(jìn)行風(fēng)力均勻分布加載求解振動(dòng)模態(tài)分析，所建立的數(shù)學(xué)模型和所采用計(jì)算機(jī)仿真方法能有效地指導(dǎo)風(fēng)機(jī)葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　 3.提出了一種以“安培導(dǎo)體單元”為基本元素的廣義整距繞組變極電機(jī)設(shè)計(jì)方法，深入研究了變極電機(jī)工作原理，進(jìn)行了變極技術(shù)研究，所設(shè)計(jì)的變

9、極電機(jī)，具有變前極與后極都等效于整距繞組功能，解決了電機(jī)設(shè)計(jì)理論當(dāng)中變極繞組不能同時(shí)適應(yīng)變前極與后極的根本性問(wèn)題，提高了電機(jī)的繞組利用率和性能。
　　 4.基于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)，針對(duì)3Y/3Y接法變極的局限性，提出一種新的交流電機(jī)反向換相變極法-新型2△/3△接法變極，這種接法用于稍寬極比變極電機(jī)比3Y/3Y接法更加優(yōu)越，應(yīng)用新型2△/3△接法能獲得較好的轉(zhuǎn)矩性能和較大的功率輸出，改善了風(fēng)力機(jī)的整體性能。
　　 5.以竹