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1、编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第5页 共5页“集装箱岸桥风能照明系统”的研发与应用上海沪东集装箱码头有限公司 许 力一、前言科学技术进步始终是企业节能降耗的原动力，近年来，沪东公司将节能减排工作作为首要任务，加大了对科技节能技术应用，积极采用新技术、新工艺、新设备、新材料等节能减排技术，以提升港口企业核心竞争力。通过对科技节能技术应用及对原有设备进行技术革新，降低能源消耗，为创建绿色港口和生态型城市做出应有贡献。当石油、煤炭等化石能源越来越少，世界各国研发可再生能源的心情越来越迫切。可再生能源正面、积极的作用，众所周知。太阳能、风能、潮汐能、水能、生物能源可
2、再生能源种类众多。取自于自然的可再生能源，与地理因素密切相关。上海沪东集装箱公司地处外高桥地区，在桥吊机房平台部位经过公司技术人员检测统计，年平均风力超过5级以上，风力资源非常丰富，非常适合风力发电技术的应用。我们决定开发“集装箱岸桥风能照明系统”，同时结合利用新型节能LED照明技术，达到节能降耗的目的。二、系统的研制1、整体结构及研发思路我们利用小功率风能发电机、储能蓄电池、节能LED照明技术、单片机控制备用市电引入，实现对桥吊部分照明利用绿色能源。其结构如下图所示： 2、风力发电设备调研及选型研制“风力发电装置”的关键是要选择合适的风力发电机和合适容量的蓄电电瓶。目前的风力发电机只是给电瓶
3、充电，而由电瓶把电能贮存起来，人们最终使用电功率的大小与电瓶大小有更密切的关系。功率的大小更主要取决于风量的大小，而不仅是机头功率的大小。对于沿海陆地，小的风力发电机会比大的更合适。因为它更容易被小风量带动而发电，持续不断的小风，会比一时狂风更能供给较大的能量。一台1000W风力发电机也可以通过大电瓶配合使用，获得1500W甚至2000W乃至更大的功率出（如右图）。 我们调研了市场上多种小型风力发电机，最终选择以1.5KW水平轴风力发电机组作为本次项目开发的发电设备，并配置充放电控制器、铅酸蓄电池组等配套设备使风能得以存储利用。 3、主要设备介绍3.1 水平轴风力发电机工作原理风力发电的原理，
4、是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，然后带动发电机产生电能。依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。3.2水平轴风力发电机组 小型风力发电组效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统：风力发电机充电器数字逆变器。通常水平轴风力发电机组一般由下列几部分组成：风轮、发电机、调速和调向机构、停车机构、塔架及拉索等。风轮叶片：用来接受风力，把风能转化为机械能的部件。三片风叶直径2.7米，由一种玻璃钢材料制作而成。发电机：采用三相永磁式交流发电机。由风轮驱动发电机定子绕组切割磁力线产生电能，风力发电机因风量不稳定，故
5、其输出的是1325V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。调向机构、调速机构和停车机构：为了从风中获取能量，风轮旋转面应垂直于风向，在小型风机中，这一功能靠风力机的尾翼作为调向机构来实现。同时随着风速的增加，要对风轮的转速有所限制，这是因为一方面过快的转速会对风轮和风力机的其他部件造成损坏，另一方面也需要把发电机的功率输出限定在一定范围内。3.3 充放电控制器充放电控制器智能型充放电控制器适用于风能市电供电系统，可以将风力发电机和市电产生的电能对蓄电池进行充电，供给照
6、明设备使用。它功能是控制和显示风力机对蓄电池的充电，以保证蓄电池不至于过充和过放，以保证蓄电池的正常使用和整个系统的可靠工作。该控制器还附带一个耗能负载，它的作用是在蓄电池瓶已充满，外部负荷很小时来吸纳风力机发出的电能。若在蓄电池组电量不够而风能缺乏的时候，该控制器会将备用市电引入对蓄电池组充电，保证照明设备的正常工作。3.3.1控制器工作原理控制器的主要作用是将风力发电机发出的三相交流电整流成直流电给蓄电池充电。它内部包含了许多检测电路，如电压电流检测、风速检测、温度检测等，能有效地保障风机和蓄电池的正常运行。其中最为重要的是一个带DSP(数字信号处理)功能的16位单片机-dsPIC30F2
7、010。它的主要作用是采集、处理风力发电机运行过程中的多种检测信号，并控制驱动整流电路和备用市电的切换。（结构原理图如下）3.3.2性能及特点l PWM无级卸载l 功率跟踪方式，效率更高 l 风能发电与备用市电分别输入，可单独或互补组合输入l 具有稳压、稳流精度高、纹波小、效率高、输入电压范围宽等特点l 根据风力发电特点，采用多反馈闭环控制l 对蓄电池严格按限流恒压方式充电，保证蓄电池寿命l 具有完善保护功能：如蓄电池反接保护、蓄电池开路保护、蓄电池电压过低断开保护、输入输出过、欠压保护、输入输出过流保护、风机过风速和过电压刹车保护、防雷保护等3.4 蓄电池组蓄电池是发电系统中的一个非常重要的
8、部件，它直接关系到输出负载能否长久稳定工作。蓄电池需要充放电控制器来进行电源管理，避免充放电过程中对电池造成损坏。我们采用适用于风能太阳能应用的专用铅酸蓄电池（如右图）。它有自放电率极低、容量充足、使用温度范围宽、密封导电性能好及充电接受能力强等特点。3.5 LED照明设备LED灯是由超导发光晶体产生的超高强度的灯光，是目前照明行业中最热门的焦点，由于它节能显著、使用寿命长、安全环保，深受各国政府部门及业界人士的关注。LED照明灯光线柔和、穿透力强，与传统白炽灯相比，节能80%以上，可以使用60，000小时以上，是将电能转换成光能的最有效方式。本项目主要对桥吊大车行走照明灯及走道灯进行整改，需
9、要4个50W大车LED灯、100个6W走道LED灯（如下图）。6W走道LED灯50W大车行走LED灯所选用的灯具必须符合防护等级IP65，防触电保护等级I类。三、系统的实际应用风力发电机发出的电能经过蓄电池贮存起来，然后再由蓄电池向用电器供电。所以，在安装调试过程中，我们认真科学地考虑了风力发电机功率与蓄电池容量的匹配问题。目前，小型风力发电机与蓄电池容量一般都是按照输入和输出相等，或输入大于输出的原则进行匹配的。即：100W风力发电机匹配120Ah蓄电池(60Ah2块)；200W风力发电机匹配120-180Ah蓄电池(60或90Ah2块)；300W风力发电机匹配240Ah蓄电(120Ah2块
10、)；750W风力发电机匹配240Ah蓄电池(120Ah2块)。蓄电池容量过大时，风力发电机发出的能量不能保证及时地给蓄电池充足电，致使蓄电池经常处于亏电状态。缩短蓄电池使用寿命。另外，蓄电池容量大，价格和使用费用随之增大，给经济上也造成不必要的浪费。蓄电池容量过小时，会使蓄电池经常处于过充电状态。如因充足电而停止风力发电机的工作会严重影响风机工作效率。蓄电池长期过充电将会使蓄电池早期损坏，缩短使用寿命。另外，小型风力发电机的合理匹配，照明设备的套配也是一项不可忽视的内容。在选配LED灯时也应按照蓄电池与风力发电机的匹配原则进行。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
11、是，匹配指标所强调是“能量”，不要混淆为功率。在选用LED灯时，还必须注意电压制的要求。该项目使用的蓄电池为48V，所选用的LED灯也要满足额定电压为48VDC。四、经济效益上海沪东集装箱码头有限公司于2009年6月在105桥吊上试制安装了“集装箱岸桥风能照明系统”，该系统目前主要是通过对原过道及大车照明部分改造，应用节能LED照明技术实现降低能耗，运用风能发电技术节省费用开支，双管齐下达到节能降耗目的。1、桥吊走道及大车照明系统能耗降低l 改造前照明额定能耗为6.4 KW；l 改造后照明额定能耗降低到0.92 KW；如果按日平均开启10小时计算，同比每年节约电能为20002 KWh/台，节能
12、达到85%以上。2、风力发电照明系统改造经济效益：l 改造前费用支出每台每年电费支出约20000元；其他维护成本1000元/年；共计：21000元/年。l 风力发电改造费用成本：风能发电（2KW）系统(含LED节能灯具等) 总费用：60000元/套其他维护费用（材料及人工费用）：300元/年结论：根据上述数据对比可知：实施风能供电照明系统改造，3年可收回投资，经济效益和社会效益明显。五、结论 “集装箱岸桥风能照明系统”的研制，改变了桥吊设备单一的供能方式。利用无污染的绿色能源来满足码头小功率设备用电，不仅降低了电能消耗，也改善了桥吊照明设备。随着经济全球化的步伐进一步加快、能源价格的不断攀升，
13、可再生能源技术的发展及应用已经得到世界各国的大力支持。“集装箱岸桥风能照明系统”的开发，是我港利用绿色能源促进港口设备供电方式的一次革新。它的优势在于不需要燃料、占地面积小、无污染，运行成本低。在充分吸取和改进风力并网发电系统经验，使其更适应于港口建设，为创建绿色港口和生态型城市做出应有贡献。参考文献：1. 熊礼俭 风力发电新技术与发电工程设计、运行、维护及标准规范实用手册 中国科技文化出版社2. 张维智,李方洲 小型水平轴风力发电机风洞实验 风力发电2004年第1期3. 张秋生 风力发电机组功率曲线考核初探 风力发电2004年第3期点评：作者介绍了“集装箱岸桥风能照明系统”的研制思路及其实际应用的情况，说明利用无污染的绿色能源来满足码头小功率设备用电，不仅是可行的，而且有一定的经济效益，具有推广应用的价值。（本文获中国港口集装箱码头2009年高峰论坛湛江港杯论文竞赛鼓励奖）第 5 页 共 5 页
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