风力发电原理

风力发电原理及风力发电的工艺流程发电风力发电机最初出现在十九世纪末。自二十世纪八十年代起，这项技术不断发展并日渐成熟，适合工业应用。近二三十年，典型的风力发电机的风轮直径不断增大，而额定功率也不断提升。在 二 十 一 世 纪 00年 代 初 ， 风 力 发 电 机 最 具 经 济 效 益 的 额 定输 出 功 率 范 围 在 600千 瓦 至 750千 瓦 之 间 ， 而 风 轮 直 径 则 在 40米至 47米之间。当时所有制造商都有生产这类风力发电机。新的一 代。的兆瓦级风力发电机是以这类机种作为基础发展出来二 零 零 七 年 初 ， 有 一 些 制 造 商 开 始 生 产 额 定 功 率 为 几 兆 瓦而 风 轮 直 径 达 到 约 90米 的 风 力 发 电 机 （ 例 如 vestasv903.0兆 瓦-可编辑修改 -风 电 机 ， nordexn902.5兆 瓦 风 电 机 等 等 ） ， 甚 至 有 些 直 径 达 100米 ( 如 ge3.6兆 瓦 风 电 机 ) 。 这 些 大 型 风 力 发 电 机 主 要 市 场 是欧洲。在欧 洲 ， 适 合 风 电的地段日 渐 减 少 ， 因 此 有 逼 切 性 安装发电能力 尽 量 高 的 风 力发电机。另 一 类 更 大 型 的 为 海 上 应 用 而 设 计 的 风 力 发 电 机 ， 已 经 完成 设 计 并 制 成 原 型 机 。 例 如 re power 公 司 设 计 的 风 力 发 电 机 风轮 直 径 达 126 米 ， 功 率 达 5 兆 瓦 。下1)风列风 的 功 率的 能 量 指 的 是 风 的 动 能公 式 计 算 。 特 定 质量的空气的动能 可 以 用能量= 1/2x 质 量 x ( 速 度 )2吹过 特 定 面 积 的 风 的 的 功率 可 以 用下列公式计算。功率其= 1/2x 空 气 密 度 x 面 积 x中 ，(速 度 )3功率单位为瓦特；空气密度单位为千 克 /立 方 米 ；面 积 指 气 流 横 截 面 积 ， 单 位 为 平 方 米 ； 速 度 单 位 为 米 / 秒 。在 海 平 面 高 度和 摄 氏 15度 的 条 件 下 ，乾空气密度为1.225千克/ 立 方 米 。 空 气密 度 随 气压 和 温 度 而 变。随著高度的升 高，空 气 密 度 也 会 下 降 。於 上 述 公 式 中 可 以 看 出 ， 风 的 功 率 与 速 度 的 三 次 方 立 方 成 正 比 ， 并 与 风 轮 扫 掠 面 积 成 正 比 。 不 过 实 际 上 ， 风 轮 只 能提 取 风 的 能 量 中 的 一 部 分 ， 而 非 全 部 。2) 风 力 发 电 机 的 工 作 原 理现 代 风 力 发 电 机 采 用 空 气 动 力 学 原 理 ， 就 像 飞 机 的 机 翼 一 样 。 风 并 非 推 动 风 轮 叶 片 ， 而 是 吹 过 叶 片 形 成 叶 片 正 反 面 的 压 差 ， 这 种 压 差 会 产 生 升 力 ， 令 风 轮 旋 转 并 不 断 横 切 风 流。风 力 发 电 机 的 风 轮 并 不 能 提 取 风 的 所 有 功 率 。 根 据 betz定 律 ， 理 论 上 风 电 机 能 够 提 取 的 最 大 功 率 ， 是 风 的 功 率 的 59.6%。大 多 数 风 电 机 只 能 提 取 风 的 功 率 的 40%或 者 更 少 。风 力 发 电 机 主 要 包 含 三 部 分 风 轮 、 机 舱 和 塔 杆 。 大 型 与电网接驳的风力发电机的最常见的结构，是横轴式三叶片风轮，并安装在直立管状塔杆上。( 上 图 来 源 ： danishwindindustryassociation)风 轮 叶 片 由 复 合 材 料 制 造 。 不 像 小 型 风 力 发 电 机 ， 大 型 风电 机 的 风 轮 转 动 相 当 慢 。 比 较 简 单 的 风 力 发 电 机 是 采 用 固 定速 度 的 。 通 常 采 用 两 个 不 同 的 速 度 - 在 弱 风 下 用 低 速 和 在 强 风下用高速。这些定速风电机的 感应 式异步 发 电 机 能 够 直 接 发产生电网频率的交流电。比 较 新 型 的 设 计 一 般 是 可 变 速 的 （ 比 如 vestas公 司 的 v52-850 千 瓦 风 电 机 转 速 为 每 分 钟 14转 到 每 分 钟 31.4转 ） 。 利 用 可 变 速操 作 ， 风 轮 的 空 气 动 力 效 率 可 以 得 到 改 善 ， 从 而 提 取 更 多 的能量，而且在弱风情况下噪 音 更 低 。 因 此 ， 变 速 的 风 电 机 设计比起定速风电机，越来越 受 欢 迎 。机 舱 上 安 装 的 感 测 器 探 测 风 向 ， 透 过 转 向 机 械 装 置 令 机 舱和 风 轮 自 动 转 向 ， 面 向 来 风 。风 轮 的 旋 转 运 动 通 过 齿 轮 变 速 箱 传 送 到 机 舱 内 的 发 电 机 （ 如 果 没 有 齿 轮 变 速 箱 则 直 接 传 送 到 发 电 机 ） 。 在 风 电 工 业 中， 配 有 变 速 箱 的 风 力 发 电 机 是 很 普 遍 的 。 不 过 ， 为 风 电 机 而 设计 的 多 极 直 接 驱 动 式 发 电 机 ， 也 有 显 著 的 发 展 。设 於 塔 底 的 变 压 器 （ 或 者 有 些 设 於 机 舱 内 ） 可 提 升 发 电 机的 电 压 到 配 电 网 电 压 （ 香 港 的 情 况 为 11千 伏 ） 。所 有 风 力 发 电 机 的 功 率 输 出 是 随 著 风 力 而 变 的 。 强 风 下 最 常 见 的 两 种 限 制 功 率 输 出 的 方 法 （ 从 而 限 制 风 轮 所 承 受 压 力） 是 失 速 调 节 和 斜 角 调 节 。 使 用 失 速 调 节 的 风 电 机 ， 超 过 额 定风 速 的 强 风 会 导 致 通 过 业 片 的 气 流 产 生 扰 流 ， 令 风 轮 失 速 。当风力过强时，业片尾部制动装置会动作，令风轮剎车。使用斜角调节的风电机，每片叶片能够以纵向为轴而旋转，叶片角度随著风速不同而转变，从而改变风轮的空气动力性能。当 风 力 过 强 时 ， 叶 片 转 动 至 迎 气 边 缘 面 向 来 风 ， 从 而 令 风 轮剎 车 。叶 片 中 嵌 入 了 避 雷 条 ， 当 叶 片 遭 到 雷 击 时 ， 可 将 闪 电 中 的电 流 引 导 到 地 下 去 。上 图 ： vestasv52-850千 瓦 风 力 发 电 机 机 舱 内 的 组 成 部 份( 来 源 ： vestas)3) 风 力 发 电 机 的 功 率 曲 线在 风 速 很 低 的 时 候 ， 风 电 机 风 轮 会 保 持 不 动 。 当 到 达 切 入风 速 时 （ 通 常 每 秒 3 到 4 米 ） ， 风 轮 开 始 旋 转 并 牵 引 发 电 机 开始发电。随著风力越来越强，输出功率会增加。当风速达到额定风速时，风电机会输出其额定功率。之後输出功率会保留大致不变。当风速进一步增加，达到切出风速的时候，风电机会剎车，不再输出功率，为免受损。风 力 发 电 机 的 性 能 可 以 用 功 率 曲 线 来 表 达 。 功 率 曲 线 是 用作 显 示 在 不 同 风 速 下 （ 切 入 风 速 到 切 出 风 速 ） 风 电 机 的 输 出功 率 。上 图 ： v52-850千 瓦 风 力 发 电 机 於 不 同 噪 音 级 别 下 的 工 作 曲线 ( 噪 音 级 别 可 透 过 改 变 风 力 发 电 机 的 转 速 而 改 变 )( 来 源 ： vestas)为 特 定 地 点 选 取 合 适 的 风 力 发 电 机 ， 一 般 方 法 是 采 用 风 电机 的 功 率 曲 线 和 该 地 点 的 风 力 资 料 以 进 行 产 电 量 估 算 。 。 （ 在 大 型 风 力 发 电 机 -资 源 潜 力 部 分 有 更 多 相 关 资 讯 ）4) 风 力 发 电 机 的 额 定 输 出 功 率风 力 发 电 机 的 额 定 输 出 功 率 是 配 合 特 定 的 额 定 风 速 设 而 定的 。 由 於 能 量 与 风 速 的 立 方 成 正 比 ， 因 此 ， 风 力 发 电 机 的 功率 会 随 风 速 变 化 会 很 大 。同 样 构 造 和 风 轮 直 径 的 风 电 机 可 以 配 以 不 同 大 小 的 发 电 机。 因 此 两 座 同 样 构 造 和 风 轮 直 径 的 风 电 机 可 能 有 相 当 不 同 的额 定 输 出 功 率 值 ， 这 取 决 於 它 的 设 计 是 配 合 强 风 地 带 （ 配 较大 型 发 电 机 ） 或 弱 风 地 带 （ 配 较 小 型 发 电 机 ） 。5)风力发电机的主要种类横轴风力发电机和竖轴风 力 发 电 机根据叶片固定轴的方位， 风 力 发 电 机 可 以 分 为 横 轴 和 竖 轴两 类 。 横 轴 式 风 电 机 工 作 时 转 轴 方 向 与 风 向 一 致 ， 竖 轴 式 风电 机 转 轴 方 向 与 风 向 成 直 角 。横 轴 式 风 电 机 通 常 需 要 不 停 地 变 向 以 保 持 与 风 向 一 致 。 而 竖 轴 式 风 电 机 则 不 必 如 此 ， 因 为 它 可 以 收 集 不 同 来 向 的 风 能。横 轴 式 风 电 机 在 世 界 上 占 主 流 位 置 。逆 风 风 力 发 电 机 和 顺 风 风 力 发 电 机逆 风 风 电 机 是 一 种 风 轮 面 向 来 风 的 横 轴 式 风 电 机 。 而 对 於顺风风电 机 ， 来 风 是 从 风 轮 的 背 後 吹 来 。 大 多 数 的 风 力 发 电机是逆风 式 的 。单叶 片 、 双 叶 片 和 三 叶 片 风 力 发电机叶片 的 数 目 由 很 多 因 素 决 定 ， 其中包括空气动力效率、 复杂2度或、 成 本 、 噪 音 、 美 学 要 求 等 等者 3片 叶 片 构 成 。大型风力发电机可由 1、叶片 较 少 的 风 力 发 电 机 通 常 需 要更高的转速以提取风中 的能 量 ， 因 此 噪 音 比 较 大 。 而 如 果 叶 片 太 多 ， 它 们 之 间 会 相 互作 用 而 降 低 系 统 效 率 。 目 前 3 叶 片 风 电 机 是 主 流 。 从 美 学 角 度上 看 ， 3 叶 片 的 风 电 机 看 上 去 较 为 平 衡 和 美 观 。6)岸上 风 电 场岸上风 电 系 统 可 以 是 仅 有 一 台 风 电 机 ， 或 者 由多台 风电 机器线性排 列 或 方 阵 排 列 形 成 风 电 场 。风电场 的 风 力 发 电 机 相 互 之 间 需 要 有 足 够 的 距离， 以免 造成风过电强机的 湍 流 相 互 影 响 ， 或 由 於 尾 流 效 应 而 严的 功 率 输 出 。重减 低後 排为了配 合 运 送 大 型 设 备 （ 特 别 是 叶 片 ） 到 安 装现场 ，须 要建设道路 。 另 外 亦 须 要 建 设 输 电 线 ， 把 风 电 场 的 输 出 连 接 到电网接入 点 。7) 世 界 各 地 的 风 力 发 电 装 置到 2005年 底 ， 世 界 总 风 力 发 电 装 机 容 量 达 58千 兆 瓦 。 德 国 、西 班 牙 、 美 国 、 印 度 和 丹 麦 是 以 风 力 发 电 装 机 容 量 来 算 前 几名 的 国 家 。 在 丹 麦 ， 风 能 发 电 提 供 该 国 总 用 电 量 的 20 。 香港 第 一 台 大 型 风 力 发 电 机 是 由 香 港 电 灯 集 团 於 2005年 末 安 装 在 南 丫 岛 上 ， 并 於 2