風力發(fā)電的基本原理(共7頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上風力發(fā)電的基本原理5.1風能5.11風的形成風的形成及其特點：空氣的流動現象稱為風。風是空氣由于受熱或受冷而導致的從一個地方向另一個地方的移動?？諝獾倪\動遵循大氣動力學和熱力學變化的規(guī)律。5.12風能密度慨念風能密度，是氣流垂直通過單位截面積（風輪面積）的風能，空氣在1秒內以速度為V流過單位面積產生的動能稱為風能密度，是表征一個地方風能資源多少的一個指標。中國風能密度資源分布圖5.13風能密度簡介風能密度風能密度（wind-power density）是氣流在單位時間內垂直通過單位面積的風能W0.5V3瓦/米2，通過單位截面積的風所含的能量稱為風能密度，常以

2、瓦/平方米來表示。它是描述一個地方風能潛力的最方便最有價值的量，但是在實際當中每時每刻都在變化，不能使用某個瞬時風速值來計算風能密度，只有長期風速觀察資料才能反映其，故引出了平均風能密度的概念。風能密度是決定風能潛力大小的重要因素。風能密度和空氣的密度有直接關系，而空氣的則取決于氣壓和溫度。因此，不同地方、不同條件的風能密度是不同的。一般說，海邊地勢低，氣壓高，空氣密度大，風能密度也就高。在這種情況下，若有適當的風速，風能潛力自然大。高山氣壓低，空氣稀薄，風能密度就小些。但是如果高山風速大，氣溫低，仍然會有相當的風能潛力。所以說，風能密度大，風速又大，則風能潛力最好。5.14風能密度定義風能密

3、度：空氣在1秒內以速度為V流過單位面積產生的動能稱為風能密度。5.15風能密度公式風能密度公式式中：E為風能（瓦）；為空氣密度（公斤/立方米）；V為風速（米/秒）；F為垂直于風速的截面積（平方米）。5.16風能密度公式：在與風能公式相同的情況下，將風輪面積定為1平方米（A=1m2）時所具有的功率為 式中為空氣密度，V為風速。衡量一地風能大小，要視常年平均風能的多少而定，即  式中 為平均風能密度，T為總時數。5.17風能密度分類5.171平均風能密度因為風速的隨機性很大，用某一瞬時的風速無法來評估某一地區(qū)的風能潛力，因此將平均風速代入W0.5V3瓦/米2

4、式得出平均風能密度。W1/T0.5V3dt W該段時間0T內的平均風能密度 空氣密度(的變化可以忽略不計) V對應T時刻的風速 W/2TV3dt/2NVi35.172有效風能密度在實際的風能利用中，對于那些不能使風能轉換裝置如風力發(fā)電機啟動或運行的風速，例如03米的風速不能使風機啟動，超過風機運行風速將會給風機帶來破壞，故這部分風速也無法利用，除去這些不可利用的風速后，得出的平均風速所求出的風能密度稱之為有效風能密度。 W0.5V3P(v)dvV1啟動風速 V2停機風速 P(v)有效風速范圍內的條件概率分布密度函數5.173

5、年風能可利用時間：年風能可利用時間是指一年之中可以運行在有效的風速范圍內的時間，它可由下式求得： tNexp(V1/c)kexp(V2/c)k式中N為全年的小時數，V1為啟動風速，V2為停機風速，C、K為威布爾分布的兩個參數。5.2風力發(fā)電的基本原理5.21風力發(fā)電的基本原理風力發(fā)電機原理是將風能轉換為機械能的動力機械，又稱風車。廣義地說，它是一種以太陽為熱源，以大氣為工作介質的熱能利用發(fā)動機。風力發(fā)電利用的是自然能源。相對柴油發(fā)電要好的多。但是若應急來用的話，還是不如柴油發(fā)電機。風力發(fā)電不可視為備用電源，但是卻可以長期利用。風力發(fā)電的原理是利用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機將旋

6、轉的速度提升，促使發(fā)電機發(fā)電。依據目前的風車技術，大約是每秒三公尺的微風速度（微風的程度），便可以發(fā)電。風力發(fā)電正在世界上形成一股熱潮，因為風力發(fā)電沒有燃料問題，也不會產生輻射或空氣污染。風力發(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。小型風力發(fā)電系統(tǒng)效率很高，風力發(fā)電機由機頭、轉體、尾翼、葉片組成。每一個部分都很重要，各部分的功能為：葉片用來接受風力并通過機頭轉為動能；尾翼使葉片始終對著風的方向從而獲得最大的風能；轉體能使機頭靈活地轉動以實現尾翼調整方向的功能；機頭的轉子是永磁體，定子繞組切割磁力線產生電能。風力發(fā)電機因風量不穩(wěn)定，故其輸出的是1325V變化的交流電，須經過充電器

7、整流，再對蓄電瓶充電，使風力發(fā)電機產生的電量變成化學能。然后用有保護電路的逆變電源，把電瓶里的化學能轉變成交流220V，才能保證穩(wěn)定使用。 風能具有一定的動能，通過風輪將風能轉化為機械能，拖動發(fā)電機發(fā)電。風力發(fā)電的原理是利用風帶動風車葉片旋轉，再通過增速器將旋轉的速度提高促使發(fā)電機發(fā)電的。依據目前的風車技術，大約3m/s的微風速度便可以開始發(fā)電。風力發(fā)電的原理是最簡單的風力發(fā)電機可由葉片和發(fā)電機兩部分構成如圖1-1所示。空氣流動的動能作用在葉輪上，將動能轉換成機械能，從而推動片葉旋轉如果將葉輪的轉軸與發(fā)電機的轉軸相連就會帶動發(fā)電機發(fā)出電來。圖1-1風力發(fā)電原理圖5.22風力發(fā)電的特點（1）可再

8、生的潔凈能源 風力發(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）建設周期短 一個十兆瓦級的風電場建設期不到一年。 （3）裝機規(guī)模靈活 可根據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一臺。(4)可靠性高把現代高科技應用于風力發(fā)電機組使其發(fā)電可靠性大大提高，中、打型風力發(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。我國由于中大型風力發(fā)電機組全部從國外引進，造價和電價相比火力發(fā)電高，但隨著大中型風力

9、發(fā)電機組實現國產化，在不久的將來風力發(fā)電的造價和電價都低于火力發(fā)電。（6）運行維護簡單 現在中型風力發(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、牧、漁使用。 （8）發(fā)電方式多樣式風力發(fā)電即可并網運行，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實可行性。 （9）單機容量小由于風能密度低決定了單臺風力發(fā)電機組容量不可能大，現在的火力發(fā)電機組和核電機組無法相比。另外風況

10、是不穩(wěn)定的，有時又有破壞性的大風，這都是風力發(fā)電必須解決的實際問題。5.23風能發(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風力發(fā)電機的分類風力發(fā)電機多種多樣，但歸納起來可分為兩類：水平軸風力發(fā)電機，風輪的旋轉軸與風向平行；垂直軸風力發(fā)電機，風輪的旋轉軸垂直于地面或者氣流方向。(1)水平軸風力發(fā)電機(Horizontal Axis Wind Turbine)風力發(fā)電機一般有風輪、發(fā)電機（包括裝置）、塔架、機艙（或機座）、調向器（尾翼）、限速安全機構和儲能裝置等構件組成。

11、風力發(fā)電機的工作原理比較簡單，風輪在風力的作用下旋轉，它把風的動能轉變?yōu)轱L輪軸的機械能。發(fā)電機在風輪軸的帶動下旋轉發(fā)電。 風輪是集風裝置，它的作用是把流動空氣具有的動能轉變?yōu)轱L輪旋轉的機械能。一般它主要由葉片和輪轂組成，風力發(fā)電機的風輪由2個或3個葉片構成。風力發(fā)電機的作用是將風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。 風力發(fā)電機中調向器的功能是使風力發(fā)電機的風輪隨時都迎著風向，從而能最大限度地獲取風能。一般風力發(fā)電機幾乎全部是利用尾翼來控制風輪的迎風方向的。尾翼的材料通常采用鍍鋅薄鋼板。 限速安全機構是用來保證風力發(fā)電機運行安全的。限速安全機

12、構的設置可以使風力發(fā)電機風輪的轉速在一定的風速范圍內保持基本不變。 塔架是風力發(fā)電機的支撐機構，稍大的風力發(fā)電機塔架一般采用由角鋼或圓鋼組成的桁架結構。風力機的輸出功率與風速的大小有關。由于自然界的風速是極不穩(wěn)定的，風力發(fā)電機的輸出功率也極不穩(wěn)定。風力發(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。目前風力發(fā)電機用的蓄電池多為鉛酸蓄電池。(2).垂直軸風力發(fā)電機(Vertical Axis Wind Turbine)垂直軸風力發(fā)電機在風向改變時無需對風，在這點上相對于水平軸風力發(fā)電機是一大優(yōu)勢，它不僅使結構設計簡化，而且也減少了風輪對風時的陀螺力。另外，在同樣功率下，垂直軸風力發(fā)電機

13、的額定風速較現有水平軸風力發(fā)電機要小，并且它在低風速運轉時發(fā)電量也較大。垂直軸風力發(fā)電機從分類來說，主要分為阻力型和升力型。阻力型垂直軸風力發(fā)電機主要是利用空氣流過葉片產生的阻力作為驅動力，而升力型則是利用空氣流過葉片產生的升力作為驅動力。由于葉片在旋轉過程中，隨著轉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力發(fā)電機的效率要比阻力型的高很多。垂直軸風力發(fā)電機（S型）工作原理 垂直軸風力發(fā)電機（S型),是一種將風能轉變?yōu)闄C械能，再轉變?yōu)殡娔艿牡娃D速風力發(fā)電機。利用風力發(fā)電，向蓄電池充電蓄存電能。垂直軸風力發(fā)電機采用的永磁懸浮技術兩用型風機的專利技術，采用低風速啟動，無噪音，堪稱

14、無聲風力發(fā)電機。比同類型風力發(fā)電機效率高于10-30%。它普遍適用于風能條件好，遠離電網，或電網不正常的地區(qū)，供給照明、電視機、探照燈、放像、通訊設備和電動工具用電。 H型垂直軸風力發(fā)電機的技術原理該技術采用空氣洞力學原理，針對垂直軸旋轉的風洞模擬，葉片選用了飛機翼形形狀，在風輪旋轉時，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輪，由風輪帶動稀土永磁發(fā)電機發(fā)電送往控制器進行控制，輸配負載所用的電能。垂直軸風力發(fā)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計，并且主要受力點集中于輪轂，因此葉片脫落、斷裂

15、和葉片飛出等問題得到了較好的解決； 噪音。采用了水平面旋轉以及葉片應用飛機機翼原理設計，使得噪音降低到在自然環(huán)境下測量不到的程度； 抗風能力。水平旋轉和三角形雙支點設計原理，使得它受風壓力小，可以抵抗每秒45米的超強臺風； 回轉半徑。由于其設計結構和運轉原理的不同，比其他形式風力發(fā)電具有更小的回轉半徑，節(jié)省了空間，同時提高了效率； 發(fā)電曲線特性。啟動風速低于其他形式的風力發(fā)電機，發(fā)電功率的上升幅度較平緩，因此在58米風速范圍內，它的發(fā)電量較其他類型的風力發(fā)電機高10%30%； 利用風速范圍。采用了特殊的控制原理，使它的適合運行風速范圍擴大到2.525m/s，在最大限度利用風力資源的同時獲得了更

16、大的發(fā)電總量，提高了風電設備使用的經濟性；剎車裝置?？膳渲脵C械手動和電子自動剎車兩種，在無臺風和超強陣風的地區(qū)，僅需設置手動剎車即可； 運行維護。采用直驅式永磁發(fā)電機，無需齒輪箱和轉向機構，定期（一般每半年）對運轉部件的連接進行檢查即可。5.25風力發(fā)電結構：機艙：機艙包容著風力發(fā)電機的關鍵設備，包括齒輪箱、發(fā)電機。維護人員可以通過風力發(fā)電機塔進入機艙。機艙左端是風力發(fā)電機轉子，即轉子葉片及軸。轉子葉片：捉獲風，并將風力傳送到轉子軸心。現代600千瓦風力發(fā)電機上，每個轉子葉片的測量長度大約為20米，而且被設計得很像飛機的機翼。軸心：轉子軸心附著在風力發(fā)電機的低速軸上。低速軸：風力發(fā)電機的低速軸

17、將轉子軸心與齒輪箱連接在一起。在現代600千瓦風力發(fā)電機上，轉子轉速相當慢，大約為19至30轉每分鐘。軸中有用于液壓系統(tǒng)的導管，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速提高至低速軸的50倍。 高速軸及其機械閘：高速軸以1500轉每分鐘運轉，并驅動發(fā)電機。它裝備有緊急機械閘，用于空氣動力閘失效時，或風力發(fā)電機被維修時。 發(fā)電機：通常被稱為感應電機或異步發(fā)電機。在現代風力發(fā)電機上，最大電力輸出通常為500至1500KW。偏航裝置：借助電動機轉動機艙，以使轉子正對著風。偏航裝置由電子控制器操作，電子控制器可以通過風向標來感覺風向。圖中顯示了風力發(fā)電機偏航。通常，在風改變其方向時，風力發(fā)電機一次只會偏轉幾度。電子控制器：包含一臺不斷監(jiān)控風力發(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力發(fā)電機的轉動，并通過電話調制解調器來呼叫風力發(fā)電機操作員。 液壓系統(tǒng)：用于重置風力發(fā)電機的空氣動力閘。塔架：風力發(fā)電機塔載有