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目 录

1、绪论 4

1.1 选题的目的和意义 4

1.2 国内外研究现状 4

1.3 主要研究内容 6

2 系统的方案设计 7

2.1 系统总方案设计 7

2.2 谐振式风力发电机原理 7

2.3 风速风压测量系统原理 9

3 系统硬件设计与电路分析 14

3.1 以HX711芯片为核心的A/D转换模块 14

3.2 以nRF2401芯片为核心的无线传输模块 15

3.3 单片机电路设计 17

3.4 数据通信 18

4 系统软件设计 19

4.1 主程序设计 19

4.2 A/D转换 19

4.3 无线通信 20

4.4 数据通信方式 21

5 系统调试与分析 24

5.1 硬件调试 24

5.2 测试结果以分析 26

6 总结与期望 28

6.1总结 28

6.2 展望 29

参考文献： 30

致谢 31

1、绪论

1.1 选题的目的和意义

人类的生存和社会的发展离不开能源，但是目前很多能源都是不可再生的化石能源且越用越少，能源短缺问题已成为全球焦点问题，尤其是石油这类大量使用的传统能源的危机。据估计，到2050年左右，石油将会枯竭。中国作为世界上最大的发展中国家，能源消耗问题早已成为国家安全战略问题。中国走在洁净能源尤其在风能这块领域的前列，但是在提高效率的方向还存在着挑战。

风能是是一种分布广泛、蕴含能量大的、清洁无污染的可再生能源。风能大多数若能用于风力发电且尽量高效率的利用，这样便可以缓解能源危机，改变能源结构。据估算，全世界的每天可风能发电1亿千瓦。因此风力发电技术的进步对于能源发展有着重要意义。

1.2 国内外研究现状

1、风力发电现状

风力发电作为一种全球公认的增加能源供给、促进环保事业、缓解气候问题等有很多优点的技术，得到全球多国的高度重视，中国也对风力发电极其重视。随着科技的进步，相对于传统的水平轴风力发电机，结构简单、成本低廉、低噪环保的垂直轴风力发电机具有很多突出的优点以及更加广阔的应用前景，越来越受人们的关注。

在国外，19世纪末，世界上第一座试验性的风力发电站拔地而起，1920年起，大规模的风力机发电开始广泛研究，更是在1931年，在苏联诞生了一座容量100KW的风力发电机用于商业。二十世纪以来，世界各国科学纷纷研制了各类风力发电机组，多个西方国家已然走在风电技术的前列，成立了许多大规模的风电场，近几十年来，还加大了风能在船舶、制热、制冷、淡化海水等方面的研究，使风能的利用范围得到了进一步扩大，经过官方预计，等到2020年时，风力发电占国家总体发电量极有可能超过12%。

近20年来，风力发电主要有以下几个特点：

（1）单机小容量向多机大容量发展

从以前的千瓦级到现在主流的兆瓦级风力发电机，单机容量逐渐增大，兆瓦级技术趋向成熟，基本投入商业运营，并成为未来发展方向。提升单机容量，有利于提高风能的利用效率。

（2）陆上向海上发展

海上蕴藏着及其丰富的风能资源，由于大型的风叶、塔架在陆地安装占据较大的面积，且其噪声对环境造成很大影响，然而这些问题在海上得到了解决，且海上风能资源稳定，发电率与内陆相比较高。

我国风力发电技术发展较晚，与发达国家相比有着巨大的差距，我国在20世纪80年代才开始发展风电事业，到1990年才设立了寥寥几个风场，风机机组只有32台，装机容量更是只有0.42万千瓦，直到2004年全国装机容量仍未达到百万千瓦，整体的发展很是缓慢。但近年来，随着国家在新能源政策上对企业的大力支持，早在2005年，国家就出台了一系列对可再生能源利用和风电事业的鼓励政策以促进市场发展，随之而来的，我国的风电行业便逐步进入快速发展的阶段，研发积极性大力提高，风电发展势头极其强劲，下图1.2给出了最近几年我国风电装机累积容量和新增装机容量数据。

图1.2 我国风电装机累积容量和新增装机容量

由上图1.2可以看出，我国新增装机容量年年都在增长，2016年，我国新增2337万KW，累积达到16873万KW，中国在风电技术研究之初，发展缓慢，远落后于西方国家，但后来随着各种新能源政策的支持和市场的牵引，中国风电产业逐渐发展，各种自主品牌诞生，中国的风电市场发展迅速成为全球第一，且相关企业也具有了世界一流水平。但我国在技术上，与发达国家有着较大差距，大多数企业依靠引进外国设备和关键技术，并不具备独立研制风电系统的能力。

目前我国风电技术发展主要有如下几个问题：

（1）风能探测评估资料较少

目前我国主要是10m左右高度的风能探测分析资料，但随着大规模风电场的建立，发电机往往建立在几十米甚至上百米的塔架上，10m左右的探测资料远远不能满足要求。

（2）发电并网问题

近年来我国大规模推进风电场建设，但却出现了风电场大范围闲置、发电机空转的情况，在风速不达标的情况下，风电的不稳定性会对电网形成冲击，使并网成为难题，追根究底主要原因是风电开发无序、规划混乱。

（3）风机质量不达标

企业为了获得利润，长期以来依赖于引进国外技术和设计方案，缺乏创新，没有掌握其核心技术，尤其是在发电机变速恒频、恒速恒频、风叶的设计与风叶材料的合成等关键技术领域，导致我国生产的风机检修率较高。

我国疆域广阔，是一个风力资源大国，风能储备非常丰富，但是同时能源消耗也很巨大，从节能减排、环境保护的角度出发，开发利用风能有利于解决酸雨、二氧化碳排放、能源紧缺压力等问题，符合时代发展的要求，顺应自然，人与自然相处更加和谐，同时也是国家未来发展的长久之计，风能也将成为当今时代中我国重要的发展能源，在我国能源战略上有着巨大意义。

2、现有风力发电机种类以及优缺点

风力发电机种类繁多，大致可以分为两种：①水平轴风力发电机，风轮的旋转轴平行于风向；②垂直轴风力发电机，旋转轴与地面或者气流的方向相垂直。

垂直轴风力发电机相较于水平轴风力发电机来说，垂直轴风力机有着很大的优势。水平轴发电机机仓通常放在很高的塔顶之上，无论是安装还是维护，都很不方便。而且，风力机的重心很高，一旦安装不够牢靠或者有强烈震荡，很容易翻倒，可能会砸到人或者砸坏设备。而垂直轴风力发电机机组的发电机，结构设计简单，齿轮箱位于底部，重心低，放置很稳定，维护也同样很便利，成本自然相比于水平轴风力发电机降低了很多。垂直轴风力发电机不需要根据风向调节系统，可以承受来自于360°任何方向的来风，主轴无论何时都朝着规定方向转动。另外，垂直轴风力发电机叶片的尖速比相比于水平轴来说要小很多，带来的气动噪声也很小，显而易见，噪音低有很多优点，在城市公共设施、路灯、方向灯、居民住宅区等要求低噪声的地方，都可以使用垂直轴风力发电机来发电，便利人民的生活，为城市节能做贡献。

虽然垂直轴风力发电机优点很多，但是相对于发展成熟的水平轴风力发电机来说，还是存在不少的问题的。首先，目前的水平轴风力机风能利用率一般在40%以上，实测的利用率也有23%~29%，而垂直轴风力机理想风能利用系数都很低，这一点相对限制了垂直轴风力发电机的发展。其次，垂直轴风轮的启动性能差，特别是达里厄式Φ型风轮，完全没有自启动能力，而对于其他类型的垂直轴风力机的启动风速也远没有水平轴风力机的启动风速高。另外，垂直轴风力发电机的尖速比较低，叶轮的工作转速也低于多数水平轴风力机，因此，垂直轴风力机的增速器结构要复杂许多，使得其制造成本、维护保养成本都增加了。

垂直轴风力发电机虽然有很多优点，发展潜能大，但是缺点也不可忽视，都是限制垂直轴风力机发展的重要因素，因而对于风力发电来说，研究提高垂直轴发电机效率的方法意义重大。因此针对谐振式风力发电机的控制，本文研究一种风速风压测量系统，拟通过风压检测，控制发电机能量转移，提高发电机效率。

1.3 主要研究内容

为了缓解能源危机，改善能源结构，设计出一款基于谐振式风力发电机的测量风速风压的系统，主要研究内容如下：

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