風(fēng)力發(fā)電的基本原理

1、風(fēng)力發(fā)電的基本原理5.1 風(fēng)能5.11 風(fēng)的形成風(fēng)的形成及其特點：空氣的流動現(xiàn)象稱為風(fēng)。風(fēng)是空氣由于受熱或受冷而導(dǎo) 致的從一個地方向另一個地方的移動。空氣的運動遵循大氣動力學(xué)和熱力學(xué)變化 的規(guī)律。5.12 風(fēng)能密度一慨念風(fēng)能密度，是氣流垂直通過單位截面積(風(fēng)輪面積)的風(fēng)能，空氣在 1秒內(nèi) 以速度為V流過單位面積產(chǎn)生的動能稱為風(fēng)能密度，是表征一個地方風(fēng)能資源 多少的一個指標。中國風(fēng)能密度資源分布圖5.13風(fēng)能密度一簡介風(fēng)能密度風(fēng)能密度(wind-power density )是氣流在單位時間內(nèi)垂直通過單位面積的 風(fēng)能W= 0.5 pV3瓦/米2,通過單位截面積的風(fēng)所含的能量稱為風(fēng)能密度，常以 瓦

2、/平方米來表示。它是描述一個地方風(fēng)能潛力的最方便最有價值的量，但是在 實際當中風(fēng)速每時每刻都在變化，不能使用某個瞬時風(fēng)速值來計算風(fēng)能密度，只有長期風(fēng)速觀察資料才能反映其規(guī)律，故引出了平均風(fēng)能密度的概念。風(fēng)能密度是決定風(fēng)能潛力大小的重要因素。風(fēng)能密度和空氣的密度有直接關(guān) 系，而空氣的密度則取決于氣壓和溫度。因此，不同地方、不同條件的風(fēng)能密度 是不同的。一般說，海邊地勢低，氣壓高，空氣密度大，風(fēng)能密度也就高。在這 種情況下，若有適當?shù)娘L(fēng)速，風(fēng)能潛力自然大。高山氣壓低，空氣稀薄，風(fēng)能密 度就小些。但是如果高山風(fēng)速大，氣溫低，仍然會有相當?shù)娘L(fēng)能潛力。所以說， 風(fēng)能密度大，風(fēng)速又大，則風(fēng)能潛力最好。5.

3、14 風(fēng)能密度一定義風(fēng)能密度：空氣在1秒內(nèi)以速度為V流過單位面積產(chǎn)生的動能稱為風(fēng)能密度。5.15 風(fēng)能密度一公式風(fēng)能密度公式E = -pV3P2式中：E為風(fēng)能（瓦）；為空氣密度（公斤/立方米）；V為風(fēng)速（米/秒）；F為垂直于風(fēng)速的截面積（平方米）。5.16 風(fēng)能密度公式：在與風(fēng)能公式相同的情況下，將風(fēng)輪面積定為1平方米（A=1m2時所具有的 功率為巴式中P為空氣密度，V為風(fēng)速。衡量一地風(fēng)能大小，要視常年平均風(fēng)能的多少而 定，即1 -*7* 1,?=-| Q/或V2式中為平均風(fēng)能密度，T為總時數(shù)。5.17 風(fēng)能密度一分類5.171 平均風(fēng)能密度因為風(fēng)速的隨機性很大，用某一瞬時的風(fēng)速無法來評估某一

4、地區(qū)的風(fēng)能潛力， 因此將平均風(fēng)速代入 W 0.5 p V3瓦/米2式得出平均風(fēng)能密度。W 1/T f 0.5 p V3dtW-該段時間0 T內(nèi)的平均風(fēng)能密度P 空氣密度（p的變化可以忽略不計）V又t應(yīng)T時刻的風(fēng)速W p /2T / V3dt = p /2NEVi35.172 有效風(fēng)能密度在實際的風(fēng)能利用中，對于那些不能使風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置如風(fēng)力發(fā)電機啟動或運 行的風(fēng)速，例如03米的風(fēng)速不能使風(fēng)機啟動，超過風(fēng)機運行風(fēng)速將會給風(fēng)機 帶來破壞，故這部分風(fēng)速也無法利用，除去這些不可利用的風(fēng)速后，得出的平均 風(fēng)速所求出的風(fēng)能密度稱之為有效風(fēng)能密度。W / 0.5 p V3P(v)dvV1啟動風(fēng)速V2停機風(fēng)速P

5、(v)有效風(fēng)速范圍內(nèi)的條件概率分布密度函數(shù) 5.173年風(fēng)能可利用時間：年風(fēng)能可利用時間是指一年之中可以運行在有效的風(fēng)速范圍內(nèi)的時間，它可由下式求得：t = Nexp (V1/c)k exp (V2/c)k式中N為全年的小時數(shù)，V1為啟動風(fēng)速，V2為停機風(fēng)速，G K為威布爾分布的 兩個參數(shù)。5.2 風(fēng)力發(fā)電的基本原理5.21 風(fēng)力發(fā)電的基本原理風(fēng)力發(fā)電機原理是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能的動力機械，又稱風(fēng)車。廣義地說， 它是一種以太陽為熱源，以大氣為工作介質(zhì)的熱能利用發(fā)動機。 風(fēng)力發(fā)電利用的 是自然能源。相對柴油發(fā)電要好的多。但是若應(yīng)急來用的話，還是不如柴油發(fā)電 機。風(fēng)力發(fā)電不可視為備用電源，但是卻可以

6、長期利用。風(fēng)力發(fā)電的原理是利用風(fēng)力帶動風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機將旋轉(zhuǎn)的速度提升，促使發(fā)電機發(fā)電。依據(jù)目前的風(fēng)車技術(shù)，大約是每秒三公尺的微風(fēng)速度(微 風(fēng)的程度)，便可以發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電正在世界上形成一股熱潮，因為風(fēng)力發(fā)電沒 有燃料問題，也不會產(chǎn)生輻射或空氣污染。風(fēng)力發(fā)電在芬蘭、丹麥等國家很流行； 我國也在西部地區(qū)大力提倡。小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)效率很高，風(fēng)力發(fā)電機由機頭、 轉(zhuǎn)體、尾翼、葉片組成。每一個部分都很重要，各部分的功能為：葉片用來接受 風(fēng)力并通過機頭轉(zhuǎn)為動能；尾翼使葉片始終對著風(fēng)的方向從而獲得最大的風(fēng)能； 轉(zhuǎn)體能使機頭靈活地轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)尾翼調(diào)整方向的功能；機頭的轉(zhuǎn)子是永磁體，定子繞組切割磁力線產(chǎn)

7、生電能。風(fēng)力發(fā)電機因風(fēng)量不穩(wěn)定，故其輸出的是1325V變化的交流電，須經(jīng)過充電器整流，再對蓄電瓶充電，使風(fēng)力發(fā)電機產(chǎn)生的電量 變成化學(xué)能。然后用有保護電路的逆變電源，把電瓶里的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成交流 220V,才能保證穩(wěn)定使用。風(fēng)能具有一定的動能，通過風(fēng)輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，拖動發(fā)電機發(fā)電。風(fēng) 力發(fā)電的原理是利用風(fēng)帶動風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)， 再通過增速器將旋轉(zhuǎn)的速度提高促使 發(fā)電機發(fā)電的。依據(jù)目前的風(fēng)車技術(shù)，大約3m/s的微風(fēng)速度便可以開始發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電的原理是最簡單的風(fēng)力發(fā)電機可由葉片和發(fā)電機兩部分構(gòu)成如圖1-1所示?？諝饬鲃拥膭幽茏饔迷谌~輪上，將動能轉(zhuǎn)換成機械能，從而推動片葉旋轉(zhuǎn)如 果將葉輪的轉(zhuǎn)軸與發(fā)電

8、機的轉(zhuǎn)軸相連就會帶動發(fā)電機發(fā)出電來。5.22 風(fēng)力發(fā)電的特點(1)可再生的潔凈能源風(fēng)力發(fā)電是一種可再生的潔凈能源， 不消耗化石資源也不污染環(huán)境，這是火 力發(fā)電所無法比擬的優(yōu)點。(2)建設(shè)周期短一個十兆瓦級的風(fēng)電場建設(shè)期不到一年。(3)裝機規(guī)模靈活可根據(jù)資金情況決定一次裝機規(guī)模，有一臺資金就可以安裝一臺投產(chǎn)一臺。(4)可靠性高把現(xiàn)代高科技應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機組使其發(fā)電可靠性大大提高， 中、打型風(fēng)力 發(fā)電機組可靠性從80年代的50%提高到了 98%,高于火力發(fā)電機組壽命可達20 年。(5)造價低從國外建成的風(fēng)力場看，單位千瓦造價和單位千瓦時電價都低于火力發(fā)電， 和常規(guī)能源發(fā)電相比具有競爭力。我國由于中

9、大型風(fēng)力發(fā)電機組全部從國外引 進，造價和電價相比火力發(fā)電高，但隨著大中型風(fēng)力發(fā)電機組實現(xiàn)國產(chǎn)化， 在不 久的將來風(fēng)力發(fā)電的造價和電價都低于火力發(fā)電。(6)運行維護簡單現(xiàn)在中型風(fēng)力發(fā)電機的自動化水平很高，完全可以再無人職守的情況下正常 工作，只需定期進行必要的維護，不存在火力發(fā)電的大修問題。(7)實際占地面積小發(fā)電機組與監(jiān)控、變電等建筑僅占火電廠 1%的土地，其余場地仍可供農(nóng)、 牧、漁使用。(8)發(fā)電方式多樣式風(fēng)力發(fā)電即可并網(wǎng)運行，也可以和其他能源如柴油發(fā)電、太能源發(fā)電、水利 發(fā)電機組形成互補系統(tǒng)，還可以獨立運行，因此對于解決邊遠地區(qū)的用電問題提 供了現(xiàn)實可行性。(9)單機容量小由于風(fēng)能密度低決

10、定了單臺風(fēng)力發(fā)電機組容量不可能大， 現(xiàn)在的火力發(fā)電機 組和核電機組無法相比。另外風(fēng)況是不穩(wěn)定的，有時又有破壞性的大風(fēng)，這都是 風(fēng)力發(fā)電必須解決的實際問題。5.23 風(fēng)能發(fā)電的優(yōu)缺點（ 1）優(yōu)點：清潔，環(huán)境效益好；可再生，永不枯竭；基建周期短；裝機規(guī)模靈活。（ 2）缺點：噪聲，視覺污染；占用大片土地；不穩(wěn)定，不可控；目前成本仍然很高。5.24 風(fēng)力發(fā)電機的分類風(fēng)力發(fā)電機多種多樣，但歸納起來可分為兩類：水平軸風(fēng)力發(fā)電機，風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向平行；垂直軸風(fēng)力發(fā)電機，風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直于地面或者氣流方向。（1）水平軸風(fēng)力發(fā)電機（Horizontal Axis Wind Turbine）風(fēng)力發(fā)電機一般有風(fēng)輪

11、、發(fā)電機（包括裝置）、塔架、機艙（或機座）、調(diào)向器（尾翼）、限速安全機構(gòu)和儲能裝置等構(gòu)件組成。風(fēng)力發(fā)電機的工作原理比較簡單， 風(fēng)輪在風(fēng)力的作用下旋轉(zhuǎn)，它把風(fēng)的動能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)輪軸的機械能。發(fā)電機在風(fēng)輪軸的帶動下旋轉(zhuǎn)發(fā)電。風(fēng)輪是集風(fēng)裝置，它的作用是把流動空氣具有的動能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的機械能。一般它主要由葉片和輪轂組成，風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)輪由2 個或 3 個葉片構(gòu)成。風(fēng)力發(fā)電機的作用是將風(fēng)能最終變成電能而輸出，已采用的發(fā)電機有3 種，即直流發(fā)電機、同步交流發(fā)電機和異步交流發(fā)電機。風(fēng)力發(fā)電機中調(diào)向器的功能是使風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)輪隨時都迎著風(fēng)向，從而能最大限度地獲取風(fēng)能。一般風(fēng)力發(fā)電機幾乎全部是利用尾翼來控制風(fēng)輪

12、的迎風(fēng)方向的。尾翼的材料通常采用鍍鋅薄鋼板。限速安全機構(gòu)是用來保證風(fēng)力發(fā)電機運行安全的。限速安全機構(gòu)的設(shè)置可以使風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速在一定的風(fēng)速范圍內(nèi)保持基本不變。塔架是風(fēng)力發(fā)電機的支撐機構(gòu)，稍大的風(fēng)力發(fā)電機塔架一般采用由角鋼或圓鋼組成的桁架結(jié)構(gòu)。風(fēng)力機的輸出功率與風(fēng)速的大小有關(guān)。由于自然界的風(fēng)速是極不穩(wěn)定的，風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率也極不穩(wěn)定。風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出的電能一般是不能直接用在電器上的，先要儲存起來。目前風(fēng)力發(fā)電機用的蓄電池多為鉛酸蓄電池。（2）. 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機（Vertical Axis Wind Turbine）垂直軸風(fēng)力發(fā)電機在風(fēng)向改變時無需對風(fēng)，在這點上相對于水平軸風(fēng)力發(fā)電機是一

13、大優(yōu)勢，它不僅使結(jié)構(gòu)設(shè)計簡化，而且也減少了風(fēng)輪對風(fēng)時的陀螺力。另外， 在同樣功率下，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的額定風(fēng)速較現(xiàn)有水平軸風(fēng)力發(fā)電機要小，并且它在低風(fēng)速運轉(zhuǎn)時發(fā)電量也較大。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機從分類來說，主要分為阻力型和升力型。阻力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機主要是利用空氣流過葉片產(chǎn)生的阻力作為驅(qū)動力，而升力型則是利用空氣流過葉片產(chǎn)生的升力作為驅(qū)動力。由于葉片在旋轉(zhuǎn)過程中，隨著轉(zhuǎn)速的增加阻力急劇減小，而升力反而會增大，所以升力型的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的效率要比阻力型的高很多。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機（S型）工作原理垂直軸風(fēng)力發(fā)電機（S 型 ）,是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，再轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿牡娃D(zhuǎn)速風(fēng)力發(fā)電機。利用風(fēng)力發(fā)電，向蓄

14、電池充電蓄存電能。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機采用的永磁懸浮技術(shù)兩用型風(fēng)機的專利技術(shù)，采用低風(fēng)速啟動，無噪音， 堪稱無聲風(fēng)力發(fā)電機。比同類型風(fēng)力發(fā)電機效率高于10-30%。 它普遍適用于風(fēng)能條件好，遠離電網(wǎng)，或電網(wǎng)不正常的地區(qū)，供給照明、電視機、探照燈、放像、通訊設(shè)備和電動工具用電。 H 型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的技術(shù)原理該技術(shù)采用空氣洞力學(xué)原理，針對垂直軸旋轉(zhuǎn)的風(fēng)洞模擬，葉片選用了飛機翼形形狀，在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時，它不會受到因變形而改變效率等；它用垂直直線4-5個葉片組成，由4 角形或 5 角形形狀的輪轂固定、連接葉片的連桿組成的風(fēng)輪，由風(fēng)輪帶動稀土永磁發(fā)電機發(fā)電送往控制器進行控制，輸配負載所用的電能。垂直軸風(fēng)力發(fā)

15、電機的特點具有較多顯著特點：安全性。采用了垂直葉片和三角形雙支點設(shè)計，并且主要受力點集中于輪轂，因此葉片脫落、斷裂和葉片飛出等問題得到了較好的解決；噪音。 采用了水平面旋轉(zhuǎn)以及葉片應(yīng)用飛機機翼原理設(shè)計，使得噪音降低到在自然環(huán)境下測量不到的程度；抗風(fēng)能力。水平旋轉(zhuǎn)和三角形雙支點設(shè)計原理，使得它受風(fēng)壓力小，可以抵抗每秒45 米的超強臺風(fēng)；回轉(zhuǎn)半徑。由于其設(shè)計結(jié)構(gòu)和運轉(zhuǎn)原理的不同，比其他形式風(fēng)力發(fā)電具有更小的回轉(zhuǎn)半徑，節(jié)省了空間，同時提高了效率；發(fā)電曲線特性。啟動風(fēng)速低于其他形式的風(fēng)力發(fā)電機，發(fā)電功率的上升幅度較平緩，因此在58米風(fēng)速范圍內(nèi)，它的發(fā)電量較其他類型的風(fēng)力發(fā)電機高 10% 30%;利用風(fēng)

16、速范圍。采用了特殊的控制原理，使它的適合運行風(fēng)速范圍擴大到2.5 25m/s,在最大限度利用風(fēng)力資源的同時獲得了更大的發(fā)電總量，提高了風(fēng)電設(shè)備使用的經(jīng)濟性；剎車裝置?？膳渲脵C械手動和電子自動剎車兩種，在無臺風(fēng)和超強陣風(fēng)的地區(qū)，僅需設(shè)置手動剎車即可；運行維護。采用直驅(qū)式永磁發(fā)電機，無需齒輪箱和轉(zhuǎn)向機構(gòu)，定期（一般每半年）對運轉(zhuǎn)部件的連接進行檢查即可。5.25 風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)：機艙 ：機艙包容著風(fēng)力發(fā)電機的關(guān)鍵設(shè)備，包括齒輪箱、發(fā)電機。維護人員可以通過風(fēng)力發(fā)電機塔進入機艙。機艙左端是風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子，即轉(zhuǎn)子葉片及軸。轉(zhuǎn)子葉片： 捉獲風(fēng)， 并將風(fēng)力傳送到轉(zhuǎn)子軸心?，F(xiàn)代 600 千瓦風(fēng)力發(fā)電機上，每個轉(zhuǎn)子

17、葉片的測量長度大約為20 米，而且被設(shè)計得很像飛機的機翼。軸心 ：轉(zhuǎn)子軸心附著在風(fēng)力發(fā)電機的低速軸上。低速軸：風(fēng)力發(fā)電機的低速軸將轉(zhuǎn)子軸心與齒輪箱連接在一起。在現(xiàn)代600 千瓦風(fēng)力發(fā)電機上，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相當慢，大約為19 至 30 轉(zhuǎn)每分鐘。軸中有用于液壓系統(tǒng)的導(dǎo)管，來激發(fā)空氣動力閘的運行齒輪箱：齒輪箱左邊是低速軸，它可以將高速軸的轉(zhuǎn)速提高至低速軸的50 倍。高速軸及其機械閘：高速軸以1500 轉(zhuǎn)每分鐘運轉(zhuǎn)，并驅(qū)動發(fā)電機。它裝備有緊急機械閘，用于空氣動力閘失效時，或風(fēng)力發(fā)電機被維修時。發(fā)電機 ： 通常被稱為感應(yīng)電機或異步發(fā)電機。在現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機上，最大電力輸出通常為500 至 1500KW。偏航裝置：借助電動機轉(zhuǎn)動機艙，以使轉(zhuǎn)子正對著風(fēng)。偏航裝置由電子控制器操作，電子控制器可以通過風(fēng)向標來感覺風(fēng)向。圖中顯示了風(fēng)力發(fā)電機偏航。通常，在風(fēng)改變其方向時，風(fēng)力發(fā)電機一次只會偏轉(zhuǎn)幾度。電子控制器：包含一臺不斷監(jiān)控風(fēng)力發(fā)電機狀態(tài)的計算機， 并控制偏航裝 置。為防止任何故障(即齒輪箱或發(fā)電機的過熱)，該控制器可以自動停止風(fēng)力 發(fā)電機的轉(zhuǎn)動，并通過電話調(diào)制解調(diào)器來呼叫風(fēng)力發(fā)電機操作員。液壓系統(tǒng)：用于重置風(fēng)力發(fā)電機的空氣動力閘。(11)塔架：風(fēng)力發(fā)電