风力发电原理及风力发电的工艺流程

1、风力发电原理及风力发电的工艺流程风力发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H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 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的O1 / 12础发展出来的O1 / 12风力发电原理及风力发电的工艺流程二零零七年初，有一些制造商开始生产额 定功率为几兆瓦而风轮直径达

2、到约90米的风力发电机（例如Vestas V90 3.0 兆瓦风电机，Nordex N90 2.5兆瓦风电机等等），甚至有些直径达100 米（如GE 3.6兆瓦风电机）。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。1）风的功率风的能量指的是风的动能。特定质量的空 气的动能可以用下列公式计算。能量=1/2 X 质量X （ 速度）八2吹过特定面积的风的的功率可以用下列公 式计算。功

3、率=1/2 X 空气密度X面积X （速度）A3其中，功率单位为瓦特；空气密度单位为千克/立方米；2 / 12风力发电原理及风力发电的工艺流程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

4、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3 / 12风力发电原理及风力发电的工艺流程见的结构，是横轴式三叶片风轮，并安装在直 立管状塔杆上。塔杆基座（上图 来源： Danish Wind Industry Association ）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

5、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Vest as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4 / 12风力发电原理及风力发电的工艺流程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

6、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，令风轮刹车。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5

7、 / 12风力发电原理及风力发电的工艺流程动力性能。当风力过强时，叶片转动至迎气边 缘面向来风，从而令风轮刹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O超声浪风传感器后维修用吊车OO超声浪风传感器后维修用吊车O带支痴器的VW顶部控制器发电机。斜角调节液压缸。淮/水冷却耨。齿轮箱。王轴。斜角调节系镰叶片轮壳。叶片轴承作叶片集风轮褪定系统药液压控制单元小扭起臂每机舱底座碟式机械制动器母偏肮齿轮埠复合型碟式偶合器上图：Vestas V52-850 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6 / 12风力发电原理及风力发电的工艺流程在风速

8、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。之彳爰 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，风电机会刹车，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。7 / 12风力发电原理及风力发电的工艺流程功率曲线V52-850 kWo o O o o D 6 s4(E) S10Q051520o o O o o D 6 s4(E) S10Q051520

9、风速（米/秒）100 0 dB(A)100 0 dB(A)103 0 dB(A)101 0 dB(用1042 叫A)102 a孤阚上图：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8 / 12风力发电原理及风力发电的工艺流程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

10、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。9 / 12风力发电原理及风力发电的工艺流程逆风风力发电机和

11、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 背彳爰吹来。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、复杂度、成本、噪音、美学要求 等等。大型风力发电机可由1、2或者3片叶片 构成。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10 / 12风力发电原理及风力发电的工艺流程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，以免造成过强的湍流相互影响，或由 於尾流效应而严重减低彳爰排风电机的功率 输出。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