风力发电基本原理

风力发电的原理风能是一种干净的、储量丰富、可再生的能源。风能发电的主要形式有三种：一是独立运行；二是风力发电与其他发电方式（如柴油机发电）相结合；三是风力并网发电。风车是将风能转换为机械功的动力机械。广义地说，它是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机。风力发电利用的是自然能源，风力发电可视为备用电源，但是却可以长期利用。风力发电是利用风力带动风车叶片旋转，通过风轮机将风能转化为机械能，拖动发电机发电。风力发电的原理是利用风带动风车叶片旋转，再通过增速器将旋转的速度提高来促使发电机发电的。依据目前的风车技术，大约3m/s的微风速度便可以开始发电。风力发电的原理说起来非常简单，最简单的风力发电机可由叶片和发电机两部分构成。空气流动的动能作用在叶轮上，将动能转换成机械能，从而推动片叶旋转，如果将叶轮的转轴与发电机的转轴相连就会带动发电机发出电来。小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统：风力发电机+充电器+数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13〜25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。机械连接与功率传递水平轴风机桨叶通过齿轮箱及其高速轴与万能弹性联轴节相连，将转矩传递到发电机的传动轴，此联轴节应按具有很好的吸收阻尼和震动的特性，表现为吸收适量的径向、轴向和一定角度的偏移，并且联轴器可阻止机械装置的过载。小型独立风力发电系统一般不并网发电，只能独立使用，单台装机容量约为100瓦-5千瓦，通常不超过10千瓦。德国、丹麦、西班牙等国家的企业开发建立了评估风力资源的测量及计算机模拟系统，发展变桨距控制及失速控制的风力机设计理论，采用新型风力机叶片材料及叶片翼型，研制出变极、变滑差、变速恒频及低速永磁等新型发电机，开发了由微机控制的单台及多台风力发电机组成的机群的自动控制技术，从而大大提高了风力发电的效率及可靠性。在此基础上，风力发电机单机装机容量可以达到600千瓦以上。不少国家建立了众多的中型及大型风力发电场，并实现了与大电网的对接。现代风力发电机多为水平轴式。一部典型的现代水平轴式风力发电机包括叶片、轮毂（与叶片合称叶轮）、机舱罩、发电机、塔架、基座、控制系统、制动系统、偏航系统、大型发电机还配置变速箱、液压装置等。其工作原理是：当风流过叶片时，由于空气动力的效应带动叶轮转动，叶轮透过主轴连结齿轮箱，经过齿轮箱（或增速机）加速后带动发电机发电。目前也有厂商推出无齿轮箱式机组，可降低震动、噪音，提高发电效率，但成本相对较高。风力发电机并不能将所有流经的风力能源转换成电力，理论上最高转换效率约为59%，实际上大多数的叶片转换风能效率约介于30-50%之间，经过机电设备转换成电能后的总输出效率约为20-45%。一般市场上风力发电机的启动风速约为2.5-4米/秒，于风速12-15米/秒时达到额定的输出容量。当风速更高时，风力发电机的控制机构将电力输出稳定在额定容量左右，为避免过高的风速损坏发电机，大多于风速达20-25米/秒范围内停机。一般采用旋角节制或失速节制方式来调节叶片之气动性能及叶轮的输出。依据目前的技术，3米/秒左右的风速（微风的程度）便可以进行发电。但在进行风场评估时，通常要求离地10米高的年平均风速达到5-5.5米/秒以上。风机叶片从风的流动获得的能量与风速的三次方成正比。风速之外，叶轮直径决定了可撷取风能的多寡，约与叶轮直径平方成正比。叶片的数量也会影响到风机的输出。一般来说，2叶、3叶风机效率较高，力矩较低，适用于发电。此外。现代风机的叶片多采用机翼的翼型。近年来，风电机组技术改进的主要方向是降低制造成本、提高单机容量、提高风能转换效率、自动控制等。主流风电机组的单机容量为600-2000千瓦，容量越大，发电效率越高，技术难度越大。目前，国内单机容量750-2000千瓦的机组最受欢迎。国外正在开发、应用的机组单机容量是3000-5000千瓦。2003年，德国enercon公司安装了第一台4500千瓦的风电机组样机。风电的优点包括：（1）利用自然界的可再生能源，干净无污染，无须燃料；（2）运行成本低，风电机组的设计寿命约为20-25年，运行和维护的费用通常相当于机组总成本的3%-5%；（3）建设周期短，若不计测风，快者一年左右可建成。风电的主要不足包括：（1）选址时对自然环境（风速）要求较高，光测风阶段就要历时一年以上；风场占地面积通常在几百亩到几千亩，与火电相比，单位土地面积的发电出力相差较大（尽管风机塔架周围的土地仍可进行其它利用）；风力大的地区通常人口稀少，离电力负荷中心较远，对电网输送要求较高。（2）出力不稳定（取决于不可控的风速），利用小时数低（通常为2000小时/年左右），通常认为风力发电量占电网总电量的比重不能过高（10-12%,也有人说是20%）,否则会影响电网稳定。2003年德国曾经因为风电出力骤减导致电价上涨20%。有些人认为，丹麦的经验表明，风电能占到电网20%以上的发电量比重。其实不尽然。丹麦也有它的特殊情况。它的风电夏季发电量仅为冬季的一半，而夏季用电需求弱于冬季；夏季白天发电量较夜间大，白天用电需求正好也高于夜间；冬季夜间发电量最大，此时的用电需求正好也在高位。而在台湾，夏天白天是全年用电高峰，此时风电出力反而最低，仅及冬季的10%左右。我国大陆多数地区也是冬春季节风速高，夏季风速小；沿海地区还经常受到台风的侵扰（台风风速过大，不利于发电）。（3）一次性投资较火电大，上网电价高于火电、水电。我国风电场的千瓦造价通常要8000----12000元，比西方还高，原因之一是进口设备价格较贵。随着技术的进步，风电成本将会下降。有研究称，风力发电的成本已跟燃煤机组的成本相近。目前，风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；我国也在西部地区大力提倡。高三16班徐靖风能是一种干净的、储量丰富、可再生的能源