風(fēng)力發(fā)電原理

發(fā)電風(fēng)力發(fā)電機(jī)最初出現(xiàn)在十九世紀(jì)末。自二十世紀(jì)八十年代起，這項(xiàng)技術(shù)不斷發(fā)展并日漸成熟，適合工業(yè)應(yīng)用。近二三十年，典型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪直徑不斷增大，而額定功率也不斷提升。在二十一世紀(jì)00年代初，風(fēng)力發(fā)電機(jī)最具經(jīng)濟(jì)效益的額定輸出功率范圍在600千瓦至750千瓦之間，而風(fēng)輪直徑則在40米至47米之間。當(dāng)時(shí)所有制造商都有生產(chǎn)這類風(fēng)力發(fā)電機(jī)。新一代的兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)是以這類機(jī)種作為基礎(chǔ)發(fā)展出來而風(fēng)輪直徑達(dá)到約90米的風(fēng)力發(fā)電機(jī)（例如VestasV903.0兆瓦風(fēng)電機(jī)，NordexN902.5兆瓦風(fēng)電機(jī)等等），甚至有些直徑達(dá)100米（如GE3.6兆瓦風(fēng)電機(jī)）。這些大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要市場(chǎng)是歐洲。在歐洲，適合風(fēng)電的地段日漸減少，因此有逼切性安裝發(fā)電能力盡量高的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。另一類更大型的為海上應(yīng)用而設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，已經(jīng)完成設(shè)計(jì)并制成原型機(jī)。例如REPower公司設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪直徑達(dá)126米，功率達(dá)5兆瓦。1） 風(fēng)的功率風(fēng)的能量指的是風(fēng)的動(dòng)能。特定質(zhì)量的空氣的動(dòng)能可以用下列公式計(jì)算。能量=1/2X質(zhì)量X（速度廠2吹過特定面積的風(fēng)的的功率可以用下列公式計(jì)算。功率=1/2X空氣密度X面積X（速度廠3其中，功率單位為瓦特；空氣密度單位為千克/立方米；面積指氣流橫截面積，單位為平方米；速度單位為米/秒。在海平面高度和攝氏15度的條件下，乾空氣密度為1.225千克/立方米?？諝饷芏入S氣壓和溫度而變。隨著高度的升高，空氣密度也會(huì)下降。於上述公式中可以看出，風(fēng)的功率與速度的三次方〔立方〕成正比，并與風(fēng)輪掃掠面積成正比。不過實(shí)際上，風(fēng)輪只能提取風(fēng)的能量中的一部分，而非全部。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用空氣動(dòng)力學(xué)原理，就像飛機(jī)的機(jī)翼一樣。風(fēng)并非"推"動(dòng)風(fēng)輪葉片，而是吹過葉片形成葉片正反面的壓差，這種壓差會(huì)產(chǎn)生升力，令風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)并不斷橫切風(fēng)流風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪并不能提取風(fēng)的所有功率。根據(jù)Betz定律，理論上風(fēng)電機(jī)能夠提取的最大功率，是風(fēng)的功率的59.6%大多數(shù)風(fēng)電機(jī)只能提取風(fēng)的功率的40%或者更少。風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要包含三部分：風(fēng)輪、機(jī)艙和塔桿。大型與電網(wǎng)接駁的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最常見的結(jié)構(gòu)，是橫軸式三葉片風(fēng)輪，并安裝在直立管狀塔桿上。（上圖來源：DanishWindIndustryAssociation）風(fēng)輪葉片由復(fù)合材料制造。不像小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，大型風(fēng)電機(jī)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)相當(dāng)慢。比較簡(jiǎn)單的風(fēng)力發(fā)電機(jī)是采用固定速度的。通常采用兩個(gè)不同的速度-在弱風(fēng)下用低速和在強(qiáng)風(fēng)下用高速。這些定速風(fēng)電機(jī)的感應(yīng)式異步發(fā)電機(jī)能夠直接發(fā)產(chǎn)生電網(wǎng)頻率的交流電。比較新型的設(shè)計(jì)一般是可變速的（比如Vestas公司的V52-850千瓦風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為每分鐘14轉(zhuǎn)到每分鐘31.4轉(zhuǎn)）。利用可變速操作，風(fēng)輪的空氣動(dòng)力效率可以得到改善，從而提取更多的能量，而且在弱風(fēng)情況下噪音更低。因此，變速的風(fēng)電機(jī)設(shè)計(jì)比起定速風(fēng)電機(jī)，越來越受歡迎。機(jī)艙上安裝的感測(cè)器探測(cè)風(fēng)向，透過轉(zhuǎn)向機(jī)械裝置令機(jī)艙和風(fēng)輪自動(dòng)轉(zhuǎn)向，面向來風(fēng)。風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過齒輪變速箱傳送到機(jī)艙內(nèi)的發(fā)電機(jī)（如果沒有齒輪變速箱則直接傳送到發(fā)電機(jī)）。在風(fēng)電工業(yè)中，配有變速箱的風(fēng)力發(fā)電機(jī)是很普遍的。不過，為風(fēng)電機(jī)而設(shè)計(jì)的多極直接驅(qū)動(dòng)式發(fā)電機(jī)，也有顯著的發(fā)展。設(shè)於塔底的變壓器（或者有些設(shè)於機(jī)艙內(nèi)）可提升發(fā)電機(jī)的電壓到配電網(wǎng)電壓（香港的情況為11千伏）。所有風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率輸出是隨著風(fēng)力而變的。強(qiáng)風(fēng)下最常見的兩種限制功率輸出的方法（從而限制風(fēng)輪所承受壓力）是失速調(diào)節(jié)和斜角調(diào)節(jié)。使用失速調(diào)節(jié)的風(fēng)電機(jī)，超過額定風(fēng)速的強(qiáng)風(fēng)會(huì)導(dǎo)致通過業(yè)片的氣流產(chǎn)生擾流，令風(fēng)輪失速。

當(dāng)風(fēng)力過強(qiáng)時(shí)，業(yè)片尾部制動(dòng)裝置會(huì)動(dòng)作，令風(fēng)輪剎車。使用斜角調(diào)節(jié)的風(fēng)電機(jī)，每片葉片能夠以縱向?yàn)檩S而旋轉(zhuǎn)，葉片角度隨著風(fēng)速不同而轉(zhuǎn)變，從而改變風(fēng)輪的空氣動(dòng)力性能當(dāng)風(fēng)力過強(qiáng)時(shí)，葉片轉(zhuǎn)動(dòng)至迎氣邊緣面向來風(fēng)，從而令風(fēng)輪剎車。葉片中嵌入了避雷條，當(dāng)葉片遭到雷擊時(shí)，可將閃電中的電流引導(dǎo)到地下去。O超蘆減鳳隹感器◎葉片軸頑転O超蘆減鳳隹感器◎葉片軸頑転碟式機(jī)揃制動(dòng)器em用吊車0帶變頻黠的VMF應(yīng)部控制器?主軸0帶變頻黠的VMF應(yīng)部控制器?主軸鎖風(fēng)乾邈走丟統(tǒng)曲偏航齒輪曲液壓控制單元?復(fù)合型碟式偶合器曰發(fā)電機(jī)曰發(fā)電機(jī)為扭拒臂Q斜角調(diào)節(jié)液壓缸Q斜角調(diào)節(jié)液壓缸住葉片輪殼上圖：VestasV52-850千瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙內(nèi)的組成部份（來源：Vestas）3） 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率曲線在風(fēng)速很低的時(shí)候，風(fēng)電機(jī)風(fēng)輪會(huì)保持不動(dòng)。當(dāng)?shù)竭_(dá)切入風(fēng)速時(shí)（通常每秒3到4米），風(fēng)輪開始旋轉(zhuǎn)并牽引發(fā)電機(jī)開始發(fā)電。隨著風(fēng)力越來越強(qiáng)，輸出功率會(huì)增加。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)電機(jī)會(huì)輸出其額定功率。之後輸出功率會(huì)保留大致不變。當(dāng)風(fēng)速進(jìn)一步增加，達(dá)到切出風(fēng)速的時(shí)候，風(fēng)電機(jī)會(huì)剎車，不再輸出功率，為免受損。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的性能可以用功率曲線來表達(dá)。功率曲線是用作顯示在不同風(fēng)速下（切入風(fēng)速到切出風(fēng)速）風(fēng)電機(jī)的輸出功率。功率曲線V52-850kWOOOOOODOOO0^987654321僞卄)爲(wèi)去OOOOOODOOO0^987654321僞卄)爲(wèi)去l02.0dB^)■—100,0dB(A) 101.0dB{A)l02.0dB^)1030dB(A) 104.2dE(A)上圖：V52-850千瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)於不同噪音級(jí)別下的工作曲線（噪音級(jí)別可透過改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速而改變）（來源：Vestas）為特定地點(diǎn)選取合適的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，一般方法是采用風(fēng)電機(jī)的功率曲線和該地點(diǎn)的風(fēng)力資料以進(jìn)行產(chǎn)電量估算。。（在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)-資源潛力部分有更多相關(guān)資訊）4） 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定輸出功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定輸出功率是配合特定的額定風(fēng)速設(shè)而定的。由於能量與風(fēng)速的立方成正比，因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率會(huì)隨風(fēng)速變化會(huì)很大。同樣構(gòu)造和風(fēng)輪直徑的風(fēng)電機(jī)可以配以不同大小的發(fā)電機(jī)。因此兩座同樣構(gòu)造和風(fēng)輪直徑的風(fēng)電機(jī)可能有相當(dāng)不同的額定輸出功率值，這取決於它的設(shè)計(jì)是配合強(qiáng)風(fēng)地帶（配較大型發(fā)電機(jī)）或弱風(fēng)地帶（配較小型發(fā)電機(jī)）。5） 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要種類橫軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)和豎軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)根據(jù)葉片固定軸的方位，風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以分為橫軸和豎軸兩類。橫軸式風(fēng)電機(jī)工作時(shí)轉(zhuǎn)軸方向與風(fēng)向一致，豎軸式風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸方向與風(fēng)向成直角。橫軸式風(fēng)電機(jī)通常需要不停地變向以保持與風(fēng)向一致。而豎軸式風(fēng)電機(jī)則不必如此，因?yàn)樗梢允占煌瑏硐虻娘L(fēng)能。橫軸式風(fēng)電機(jī)在世界上占主流位置。逆風(fēng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和順風(fēng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)逆風(fēng)風(fēng)電機(jī)是一種風(fēng)輪面向來風(fēng)的橫軸式風(fēng)電機(jī)。而對(duì)於順風(fēng)風(fēng)電機(jī)，來風(fēng)是從風(fēng)輪的背後吹來。大多數(shù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)是逆風(fēng)式的。單葉片、雙葉片和三葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的數(shù)目由很多因素決定，其中包括空氣動(dòng)力效率、復(fù)雜度、成本、噪音、美學(xué)要求等等。大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)可由1、2或者3片葉片構(gòu)成。葉片較少的風(fēng)力發(fā)電機(jī)通常需要更高的轉(zhuǎn)速以提取風(fēng)中的能量，因此噪音比較大。而如果葉片太多，它們之間會(huì)相互作用而降低系統(tǒng)效率。目前3葉片風(fēng)電機(jī)是主流。從美學(xué)角度上看，3葉片的風(fēng)電機(jī)看上去較為平衡和美觀。岸上風(fēng)電場(chǎng)岸上風(fēng)電系統(tǒng)可以是僅有一臺(tái)風(fēng)電機(jī)，或者由多臺(tái)風(fēng)電機(jī)器線性排列或方陣排列形成風(fēng)電場(chǎng)。風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)相互之間需要有足夠的距離，以免造成過強(qiáng)的湍流相互影響，或由於"尾流效應(yīng)"而嚴(yán)重減低後排風(fēng)電機(jī)的功率輸出。為了配合運(yùn)送大型設(shè)備(特別是葉片)到安裝現(xiàn)場(chǎng)，須要建設(shè)道路。另外亦須要建設(shè)輸電線，把風(fēng)電場(chǎng)的輸出連接到電網(wǎng)接入點(diǎn)。世界各地的風(fēng)力發(fā)電裝置到2005年底，世界總風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)58千兆瓦。德國(guó)、西班牙、美國(guó)、印度和丹麥?zhǔn)且燥L(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量來算前幾名的國(guó)家。在丹麥，風(fēng)能發(fā)電提供該國(guó)總用電量的20％。香港第一臺(tái)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)是由香港電燈集團(tuán)於2005年末安裝在南丫島上，并於2006年二月正式啟用。該機(jī)額定輸出功率