風力發(fā)電的基本原理(共7頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上風力發(fā)電的基本原理5.1風能5.11風的形成風的形成及其特點：空氣的流動現(xiàn)象稱為風。風是空氣由于受熱或受冷而導致的從一個地方向另一個地方的移動。空氣的運動遵循大氣動力學和熱力學變化的規(guī)律。5.12風能密度慨念風能密度，是氣流垂直通過單位截面積（風輪面積）的風能，空氣在1秒內(nèi)以速度為V流過單位面積產(chǎn)生的動能稱為風能密度，是表征一個地方風能資源多少的一個指標。中國風能密度資源分布圖5.13風能密度簡介風能密度風能密度（wind-power density）是氣流在單位時間內(nèi)垂直通過單位面積的風能W0.5V3瓦/米2，通過單位截面積的風所含的能量稱為風能密度，常以

2、瓦/平方米來表示。它是描述一個地方風能潛力的最方便最有價值的量，但是在實際當中每時每刻都在變化，不能使用某個瞬時風速值來計算風能密度，只有長期風速觀察資料才能反映其，故引出了平均風能密度的概念。風能密度是決定風能潛力大小的重要因素。風能密度和空氣的密度有直接關系，而空氣的則取決于氣壓和溫度。因此，不同地方、不同條件的風能密度是不同的。一般說，海邊地勢低，氣壓高，空氣密度大，風能密度也就高。在這種情況下，若有適當?shù)娘L速，風能潛力自然大。高山氣壓低，空氣稀薄，風能密度就小些。但是如果高山風速大，氣溫低，仍然會有相當?shù)娘L能潛力。所以說，風能密度大，風速又大，則風能潛力最好。5.14風能密度定義風能密

3、度：空氣在1秒內(nèi)以速度為V流過單位面積產(chǎn)生的動能稱為風能密度。5.15風能密度公式風能密度公式式中：E為風能（瓦）；為空氣密度（公斤/立方米）；V為風速（米/秒）；F為垂直于風速的截面積（平方米）。5.16風能密度公式：在與風能公式相同的情況下，將風輪面積定為1平方米（A=1m2）時所具有的功率為 式中為空氣密度，V為風速。衡量一地風能大小，要視常年平均風能的多少而定，即  式中 為平均風能密度，T為總時數(shù)。5.17風能密度分類5.171平均風能密度因為風速的隨機性很大，用某一瞬時的風速無法來評估某一地區(qū)的風能潛力，因此將平均風速代入W0.5V3瓦/米2

4、式得出平均風能密度。W1/T0.5V3dt W該段時間0T內(nèi)的平均風能密度 空氣密度(的變化可以忽略不計) V對應T時刻的風速 W/2TV3dt/2NVi35.172有效風能密度在實際的風能利用中，對于那些不能使風能轉(zhuǎn)換裝置如風力發(fā)電機啟動或運行的風速，例如03米的風速不能使風機啟動，超過風機運行風速將會給風機帶來破壞，故這部分風速也無法利用，除去這些不可利用的風速后，得出的平均風速所求出的風能密度稱之為有效風能密度。 W0.5V3P(v)dvV1啟動風速 V2停機風速 P(v)有效風速范圍內(nèi)的條件概率分布密度函數(shù)5.173

5、年風能可利用時間：年風能可利用時間是指一年之中可以運行在有效的風速范圍內(nèi)的時間，它可由下式求得： tNexp(V1/c)kexp(V2/c)k式中N為全年的小時數(shù)，V1為啟動風速，V2為停機風速，C、K為威布爾分布的兩個參數(shù)。5.2風力發(fā)電的基本原理5.21風力發(fā)電的基本原理風力發(fā)電機原理是將風能轉(zhuǎn)換為機械能的動力機械，又稱風車。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。風力發(fā)電利用的是自然能源。相對柴油發(fā)電要好的多。但是若應急來用的話，還是不如柴油發(fā)電機。風力發(fā)電不可視為備用電源，但是卻可以長期利用。風力發(fā)電的原理是利用風力帶動風車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機將旋

6、轉(zhuǎn)的速度提升，促使發(fā)電機發(fā)電。依據(jù)目前的風車技術(shù)，大約是每秒三公尺的微風速度（微風的程度），便可以發(fā)電。風力發(fā)電正在世界上形成一股熱潮，因為風力發(fā)電沒有燃料問題，也不會產(chǎn)生輻射或空氣污染。風力發(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。小型風力發(fā)電系統(tǒng)效率很高，風力發(fā)電機由機頭、轉(zhuǎn)體、尾翼、葉片組成。每一個部分都很重要，各部分的功能為：葉片用來接受風力并通過機頭轉(zhuǎn)為動能；尾翼使葉片始終對著風的方向從而獲得最大的風能；轉(zhuǎn)體能使機頭靈活地轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)尾翼調(diào)整方向的功能；機頭的轉(zhuǎn)子是永磁體，定子繞組切割磁力線產(chǎn)生電能。風力發(fā)電機因風量不穩(wěn)定，故其輸出的是1325V變化的交流電，須經(jīng)過充電器

7、整流，再對蓄電瓶充電，使風力發(fā)電機產(chǎn)生的電量變成化學能。然后用有保護電路的逆變電源，把電瓶里的化學能轉(zhuǎn)變成交流220V，才能保證穩(wěn)定使用。 風能具有一定的動能，通過風輪將風能轉(zhuǎn)化為機械能，拖動發(fā)電機發(fā)電。風力發(fā)電的原理是利用風帶動風車葉片旋轉(zhuǎn)，再通過增速器將旋轉(zhuǎn)的速度提高促使發(fā)電機發(fā)電的。依據(jù)目前的風車技術(shù)，大約3m/s的微風速度便可以開始發(fā)電。風力發(fā)電的原理是最簡單的風力發(fā)電機可由葉片和發(fā)電機兩部分構(gòu)成如圖1-1所示?？諝饬鲃拥膭幽茏饔迷谌~輪上，將動能轉(zhuǎn)換成機械能，從而推動片葉旋轉(zhuǎn)如果將葉輪的轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機的轉(zhuǎn)軸相連就會帶動發(fā)電機發(fā)出電來。圖1-1風力發(fā)電原理圖5.22風力發(fā)電的特點（1）可再

8、生的潔凈能源 風力發(fā)電是一種可再生的潔凈能源，不消耗化石資源也不污染環(huán)境，這是火力發(fā)電所無法比擬的優(yōu)點。 （2）建設周期短 一個十兆瓦級的風電場建設期不到一年。 （3）裝機規(guī)模靈活 可根據(jù)資金情況決定一次裝機規(guī)模，有一臺資金就可以安裝一臺投產(chǎn)一臺。(4)可靠性高把現(xiàn)代高科技應用于風力發(fā)電機組使其發(fā)電可靠性大大提高，中、打型風力發(fā)電機組可靠性從80年代的50%提高到了98%，高于火力發(fā)電機組壽命可達20年。（5）造價低從國外建成的風力場看，單位千瓦造價和單位千瓦時電價都低于火力發(fā)電，和常規(guī)能源發(fā)電相比具有競爭力。我國由于中大型風力發(fā)電機組全部從國外引進，造價和電價相比火力發(fā)電高，但隨著大中型風力

9、發(fā)電機組實現(xiàn)國產(chǎn)化，在不久的將來風力發(fā)電的造價和電價都低于火力發(fā)電。（6）運行維護簡單 現(xiàn)在中型風力發(fā)電機的自動化水平很高，完全可以再無人職守的情況下正常工作，只需定期進行必要的維護，不存在火力發(fā)電的大修問題。 （7）實際占地面積小 發(fā)電機組與監(jiān)控、變電等建筑僅占火電廠1%的土地，其余場地仍可供農(nóng)、牧、漁使用。 （8）發(fā)電方式多樣式風力發(fā)電即可并網(wǎng)運行，也可以和其他能源如柴油發(fā)電、太能源發(fā)電、水利發(fā)電機組形成互補系統(tǒng)，還可以獨立運行，因此對于解決邊遠地區(qū)的用電問題提供了現(xiàn)實可行性。 （9）單機容量小由于風能密度低決定了單臺風力發(fā)電機組容量不可能大，現(xiàn)在的火力發(fā)電機組和核電機組無法相比。另外風況

10、是不穩(wěn)定的，有時又有破壞性的大風，這都是風力發(fā)電必須解決的實際問題。5.23風能發(fā)電的優(yōu)缺點（1）優(yōu)點：清潔，環(huán)境效益好；可再生，永不枯竭；基建周期短；裝機規(guī)模靈活。（2）缺點：噪聲，視覺污染；占用大片土地；不穩(wěn)定，不可控；目前成本仍然很高。5.24風力發(fā)電機的分類風力發(fā)電機多種多樣，但歸納起來可分為兩類：水平軸風力發(fā)電機，風輪的旋轉(zhuǎn)軸與風向平行；垂直軸風力發(fā)電機，風輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直于地面或者氣流方向。(1)水平軸風力發(fā)電機(Horizontal Axis Wind Turbine)風力發(fā)電機一般有風輪、發(fā)電機（包括裝置）、塔架、機艙（或機座）、調(diào)向器（尾翼）、限速安全機構(gòu)和儲能裝置等構(gòu)件組成。

11、風力發(fā)電機的工作原理比較簡單，風輪在風力的作用下旋轉(zhuǎn)，它把風的動能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L輪軸的機械能。發(fā)電機在風輪軸的帶動下旋轉(zhuǎn)發(fā)電。 風輪是集風裝置，它的作用是把流動空氣具有的動能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L輪旋轉(zhuǎn)的機械能。一般它主要由葉片和輪轂組成，風力發(fā)電機的風輪由2個或3個葉片構(gòu)成。風力發(fā)電機的作用是將風能最終變成電能而輸出，已采用的發(fā)電機有3種，即直流發(fā)電機、同步交流發(fā)電機和異步交流發(fā)電機。 風力發(fā)電機中調(diào)向器的功能是使風力發(fā)電機的風輪隨時都迎著風向，從而能最大限度地獲取風能。一般風力發(fā)電機幾乎全部是利用尾翼來控制風輪的迎風方向的。尾翼的材料通常采用鍍鋅薄鋼板。 限速安全機構(gòu)是用來保證風力發(fā)電機運行安全的。限速安全機

12、構(gòu)的設置可以使風力發(fā)電機風輪的轉(zhuǎn)速在一定的風速范圍內(nèi)保持基本不變。 塔架是風力發(fā)電機的支撐機構(gòu)，稍大的風力發(fā)電機塔架一般采用由角鋼或圓鋼組成的桁架結(jié)構(gòu)。風力機的輸出功率與風速的大小有關。由于自然界的風速是極不穩(wěn)定的，風力發(fā)電機的輸出功率也極不穩(wěn)定。風力發(fā)電機發(fā)出的電能一般是不能直接用在電器上的，先要儲存起來。目前風力發(fā)電機用的蓄電池多為鉛酸蓄電池。(2).垂直軸風力發(fā)電機(Vertical Axis Wind Turbine)垂直軸風力發(fā)電機在風向改變時無需對風，在這點上相對于水平軸風力發(fā)電機是一大優(yōu)勢，它不僅使結(jié)構(gòu)設計簡化，而且也減少了風輪對風時的陀螺力。另外，在同樣功率下，垂直軸風力發(fā)電機

13、的額定風速較現(xiàn)有水平軸風力發(fā)電機要小，并且它在低風速運轉(zhuǎn)時發(fā)電量也較大。垂直軸風力發(fā)電機從分類來說，主要分為阻力型和升力型。阻力型垂直軸風力發(fā)電機主要是利用空氣流過葉片產(chǎn)生的阻力作為驅(qū)動力，而升力型則是利用空氣流過葉片產(chǎn)生的升力作為驅(qū)動力。由于葉片在旋轉(zhuǎn)過程中，隨著轉(zhuǎn)速的增加阻力急劇減小，而升力反而會增大，所以升力型的垂直軸風力發(fā)電機的效率要比阻力型的高很多。垂直軸風力發(fā)電機（S型）工作原理 垂直軸風力發(fā)電機（S型),是一種將風能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，再轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿牡娃D(zhuǎn)速風力發(fā)電機。利用風力發(fā)電，向蓄電池充電蓄存電能。垂直軸風力發(fā)電機采用的永磁懸浮技術(shù)兩用型風機的專利技術(shù)，采用低風速啟動，無噪音，堪稱

14、無聲風力發(fā)電機。比同類型風力發(fā)電機效率高于10-30%。它普遍適用于風能條件好，遠離電網(wǎng)，或電網(wǎng)不正常的地區(qū)，供給照明、電視機、探照燈、放像、通訊設備和電動工具用電。 H型垂直軸風力發(fā)電機的技術(shù)原理該技術(shù)采用空氣洞力學原理，針對垂直軸旋轉(zhuǎn)的風洞模擬，葉片選用了飛機翼形形狀，在風輪旋轉(zhuǎn)時，它不會受到因變形而改變效率等；它用垂直直線4-5個葉片組成，由4角形或5角形形狀的輪轂固定、連接葉片的連桿組成的風輪，由風輪帶動稀土永磁發(fā)電機發(fā)電送往控制器進行控制，輸配負載所用的電能。垂直軸風力發(fā)電機的特點具有較多顯著特點：安全性。采用了垂直葉片和三角形雙支點設計，并且主要受力點集中于輪轂，因此葉片脫落、斷裂

15、和葉片飛出等問題得到了較好的解決； 噪音。采用了水平面旋轉(zhuǎn)以及葉片應用飛機機翼原理設計，使得噪音降低到在自然環(huán)境下測量不到的程度； 抗風能力。水平旋轉(zhuǎn)和三角形雙支點設計原理，使得它受風壓力小，可以抵抗每秒45米的超強臺風； 回轉(zhuǎn)半徑。由于其設計結(jié)構(gòu)和運轉(zhuǎn)原理的不同，比其他形式風力發(fā)電具有更小的回轉(zhuǎn)半徑，節(jié)省了空間，同時提高了效率； 發(fā)電曲線特性。啟動風速低于其他形式的風力發(fā)電機，發(fā)電功率的上升幅度較平緩，因此在58米風速范圍內(nèi)，它的發(fā)電量較其他類型的風力發(fā)電機高10%30%； 利用風速范圍。采用了特殊的控制原理，使它的適合運行風速范圍擴大到2.525m/s，在最大限度利用風力資源的同時獲得了更

16、大的發(fā)電總量，提高了風電設備使用的經(jīng)濟性；剎車裝置?？膳渲脵C械手動和電子自動剎車兩種，在無臺風和超強陣風的地區(qū)，僅需設置手動剎車即可； 運行維護。采用直驅(qū)式永磁發(fā)電機，無需齒輪箱和轉(zhuǎn)向機構(gòu)，定期（一般每半年）對運轉(zhuǎn)部件的連接進行檢查即可。5.25風力發(fā)電結(jié)構(gòu)：機艙：機艙包容著風力發(fā)電機的關鍵設備，包括齒輪箱、發(fā)電機。維護人員可以通過風力發(fā)電機塔進入機艙。機艙左端是風力發(fā)電機轉(zhuǎn)子，即轉(zhuǎn)子葉片及軸。轉(zhuǎn)子葉片：捉獲風，并將風力傳送到轉(zhuǎn)子軸心?，F(xiàn)代600千瓦風力發(fā)電機上，每個轉(zhuǎn)子葉片的測量長度大約為20米，而且被設計得很像飛機的機翼。軸心：轉(zhuǎn)子軸心附著在風力發(fā)電機的低速軸上。低速軸：風力發(fā)電機的低速軸

17、將轉(zhuǎn)子軸心與齒輪箱連接在一起。在現(xiàn)代600千瓦風力發(fā)電機上，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相當慢，大約為19至30轉(zhuǎn)每分鐘。軸中有用于液壓系統(tǒng)的導管，來激發(fā)空氣動力閘的運行齒輪箱：齒輪箱左邊是低速軸，它可以將高速軸的轉(zhuǎn)速提高至低速軸的50倍。 高速軸及其機械閘：高速軸以1500轉(zhuǎn)每分鐘運轉(zhuǎn)，并驅(qū)動發(fā)電機。它裝備有緊急機械閘，用于空氣動力閘失效時，或風力發(fā)電機被維修時。 發(fā)電機：通常被稱為感應電機或異步發(fā)電機。在現(xiàn)代風力發(fā)電機上，最大電力輸出通常為500至1500KW。偏航裝置：借助電動機轉(zhuǎn)動機艙，以使轉(zhuǎn)子正對著風。偏航裝置由電子控制器操作，電子控制器可以通過風向標來感覺風向。圖中顯示了風力發(fā)電機偏航。通常，在風改變其方向時，風力發(fā)電機一次只會偏轉(zhuǎn)幾度。電子控制器：包含一臺不斷監(jiān)控風力發(fā)電機狀態(tài)的計算機，并控制偏航裝置。為防止任何故障（即齒輪箱或發(fā)電機的過熱），該控制器可以自動停止風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)動，并通過電話調(diào)制解調(diào)器來呼叫風力發(fā)電機操作員。 液壓系統(tǒng)：用于重置風力發(fā)電機的空氣動力閘。塔架：風力發(fā)電機塔載有