風(fēng)力發(fā)電基本原理

風(fēng)力發(fā)電的原理風(fēng)能是一種干凈的、儲量豐富、可再生的能源。風(fēng)能發(fā)電的主要形式有三種：一是獨(dú)立運(yùn)行；二是風(fēng)力發(fā)電與其他發(fā)電方式（如柴油機(jī)發(fā)電）相結(jié)合；三是風(fēng)力并網(wǎng)發(fā)電。風(fēng)車是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的動力機(jī)械。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(jī)。風(fēng)力發(fā)電利用的是自然能源，風(fēng)力發(fā)電可視為備用電源，但是卻可以長期利用。風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)力帶動風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，通過風(fēng)輪機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，拖動發(fā)電機(jī)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)的速度提高來促使發(fā)電機(jī)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)電的原理說起來非常簡單，最簡單的風(fēng)力發(fā)電機(jī)可由葉片和發(fā)電機(jī)兩部分構(gòu)成?？諝饬鲃拥膭幽茏饔迷谌~輪上，將動能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，從而推動片葉旋轉(zhuǎn)，如果將葉輪的轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連就會帶動發(fā)電機(jī)發(fā)出電來。小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)效率很高，但它不是只由一個發(fā)電機(jī)頭組成的，而是一個有一定科技含量的小系統(tǒng)：風(fēng)力發(fā)電機(jī)+充電器+數(shù)字逆變器。風(fēng)力發(fā)電機(jī)由機(jī)頭、轉(zhuǎn)體、尾翼、葉片組成。每一部分都很重要，各部分功能為：葉片用來接受風(fēng)力并通過機(jī)頭轉(zhuǎn)為電能；尾翼使葉片始終對著來風(fēng)的方向從而獲得最大的風(fēng)能；轉(zhuǎn)體能使機(jī)頭靈活地轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)尾翼調(diào)整方向的功能；機(jī)頭的轉(zhuǎn)子是永磁體，定子繞組切割磁力線產(chǎn)生電能。風(fēng)力發(fā)電機(jī)因風(fēng)量不穩(wěn)定，故其輸出的是13?25V變化的交流電，須經(jīng)充電器整流，再對蓄電瓶充電，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能變成化學(xué)能。然后用有保護(hù)電路的逆變電源，把電瓶里的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成交流220V市電，才能保證穩(wěn)定使用。機(jī)械連接與功率傳遞水平軸風(fēng)機(jī)槳葉通過齒輪箱及其高速軸與萬能彈性聯(lián)軸節(jié)相連，將轉(zhuǎn)矩傳遞到發(fā)電機(jī)的傳動軸，此聯(lián)軸節(jié)應(yīng)按具有很好的吸收阻尼和震動的特性，表現(xiàn)為吸收適量的徑向、軸向和一定角度的偏移，并且聯(lián)軸器可阻止機(jī)械裝置的過載。小型獨(dú)立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般不并網(wǎng)發(fā)電，只能獨(dú)立使用，單臺裝機(jī)容量約為100瓦-5千瓦，通常不超過10千瓦。德國、丹麥、西班牙等國家的企業(yè)開發(fā)建立了評估風(fēng)力資源的測量及計算機(jī)模擬系統(tǒng)，發(fā)展變槳距控制及失速控制的風(fēng)力機(jī)設(shè)計理論，采用新型風(fēng)力機(jī)葉片材料及葉片翼型，研制出變極、變滑差、變速恒頻及低速永磁等新型發(fā)電機(jī)，開發(fā)了由微機(jī)控制的單臺及多臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成的機(jī)群的自動控制技術(shù)，從而大大提高了風(fēng)力發(fā)電的效率及可靠性。在此基礎(chǔ)上，風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)裝機(jī)容量可以達(dá)到600千瓦以上。不少國家建立了眾多的中型及大型風(fēng)力發(fā)電場，并實現(xiàn)了與大電網(wǎng)的對接?，F(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)多為水平軸式。一部典型的現(xiàn)代水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)包括葉片、輪轂（與葉片合稱葉輪）、機(jī)艙罩、發(fā)電機(jī)、塔架、基座、控制系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、大型發(fā)電機(jī)還配置變速箱、液壓裝置等。其工作原理是：當(dāng)風(fēng)流過葉片時，由于空氣動力的效應(yīng)帶動葉輪轉(zhuǎn)動，葉輪透過主軸連結(jié)齒輪箱，經(jīng)過齒輪箱（或增速機(jī)）加速后帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。目前也有廠商推出無齒輪箱式機(jī)組，可降低震動、噪音，提高發(fā)電效率，但成本相對較高。風(fēng)力發(fā)電機(jī)并不能將所有流經(jīng)的風(fēng)力能源轉(zhuǎn)換成電力，理論上最高轉(zhuǎn)換效率約為59%，實際上大多數(shù)的葉片轉(zhuǎn)換風(fēng)能效率約介于30-50%之間，經(jīng)過機(jī)電設(shè)備轉(zhuǎn)換成電能后的總輸出效率約為20-45%。一般市場上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的啟動風(fēng)速約為2.5-4米/秒，于風(fēng)速12-15米/秒時達(dá)到額定的輸出容量。當(dāng)風(fēng)速更高時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制機(jī)構(gòu)將電力輸出穩(wěn)定在額定容量左右，為避免過高的風(fēng)速損壞發(fā)電機(jī)，大多于風(fēng)速達(dá)20-25米/秒范圍內(nèi)停機(jī)。一般采用旋角節(jié)制或失速節(jié)制方式來調(diào)節(jié)葉片之氣動性能及葉輪的輸出。依據(jù)目前的技術(shù)，3米/秒左右的風(fēng)速（微風(fēng)的程度）便可以進(jìn)行發(fā)電。但在進(jìn)行風(fēng)場評估時，通常要求離地10米高的年平均風(fēng)速達(dá)到5-5.5米/秒以上。風(fēng)機(jī)葉片從風(fēng)的流動獲得的能量與風(fēng)速的三次方成正比。風(fēng)速之外，葉輪直徑?jīng)Q定了可擷取風(fēng)能的多寡，約與葉輪直徑平方成正比。葉片的數(shù)量也會影響到風(fēng)機(jī)的輸出。一般來說，2葉、3葉風(fēng)機(jī)效率較高，力矩較低，適用于發(fā)電。此外?，F(xiàn)代風(fēng)機(jī)的葉片多采用機(jī)翼的翼型。近年來，風(fēng)電機(jī)組技術(shù)改進(jìn)的主要方向是降低制造成本、提高單機(jī)容量、提高風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率、自動控制等。主流風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量為600-2000千瓦，容量越大，發(fā)電效率越高，技術(shù)難度越大。目前，國內(nèi)單機(jī)容量750-2000千瓦的機(jī)組最受歡迎。國外正在開發(fā)、應(yīng)用的機(jī)組單機(jī)容量是3000-5000千瓦。2003年，德國enercon公司安裝了第一臺4500千瓦的風(fēng)電機(jī)組樣機(jī)。風(fēng)電的優(yōu)點(diǎn)包括：（1）利用自然界的可再生能源，干凈無污染，無須燃料；（2）運(yùn)行成本低，風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計壽命約為20-25年，運(yùn)行和維護(hù)的費(fèi)用通常相當(dāng)于機(jī)組總成本的3%-5%；（3）建設(shè)周期短，若不計測風(fēng)，快者一年左右可建成。風(fēng)電的主要不足包括：（1）選址時對自然環(huán)境（風(fēng)速）要求較高，光測風(fēng)階段就要?dú)v時一年以上；風(fēng)場占地面積通常在幾百畝到幾千畝，與火電相比，單位土地面積的發(fā)電出力相差較大（盡管風(fēng)機(jī)塔架周圍的土地仍可進(jìn)行其它利用）；風(fēng)力大的地區(qū)通常人口稀少，離電力負(fù)荷中心較遠(yuǎn)，對電網(wǎng)輸送要求較高。（2）出力不穩(wěn)定（取決于不可控的風(fēng)速），利用小時數(shù)低（通常為2000小時/年左右），通常認(rèn)為風(fēng)力發(fā)電量占電網(wǎng)總電量的比重不能過高（10-12%,也有人說是20%）,否則會影響電網(wǎng)穩(wěn)定。2003年德國曾經(jīng)因為風(fēng)電出力驟減導(dǎo)致電價上漲20%。有些人認(rèn)為，丹麥的經(jīng)驗表明，風(fēng)電能占到電網(wǎng)20%以上的發(fā)電量比重。其實不盡然。丹麥也有它的特殊情況。它的風(fēng)電夏季發(fā)電量僅為冬季的一半，而夏季用電需求弱于冬季；夏季白天發(fā)電量較夜間大，白天用電需求正好也高于夜間；冬季夜間發(fā)電量最大，此時的用電需求正好也在高位。而在臺灣，夏天白天是全年用電高峰，此時風(fēng)電出力反而最低，僅及冬季的10%左右。我國大陸多數(shù)地區(qū)也是冬春季節(jié)風(fēng)速高，夏季風(fēng)速??；沿海地區(qū)還經(jīng)常受到臺風(fēng)的侵?jǐn)_（臺風(fēng)風(fēng)速過大，不利于發(fā)電）。（3）一次性投資較火電大，上網(wǎng)電價高于火電、水電。我國風(fēng)電場的千瓦造價通常要8000----12000元，比西方還高，原因之一是進(jìn)口設(shè)備價格較貴。隨著技術(shù)的進(jìn)步，風(fēng)電成本將會下降。有研究稱，風(fēng)力發(fā)電的成本已跟燃煤機(jī)組的成本相近。目前，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。高三16班徐靖風(fēng)能是一種干凈的、儲量豐富、可再生的能源