風(fēng)力發(fā)電原理

1、風(fēng)力發(fā)電原理及風(fēng)力發(fā)電的工藝流程發(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(lèi)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(lèi)機(jī)種作為基礎(chǔ)發(fā)展出來(lái) 的。二零零七年初，有一些制造商開(kāi)始生產(chǎn)額定功率為幾兆瓦 而 風(fēng) 輪 直 徑 達(dá) 到 約 90 米 的 風(fēng) 力 發(fā) 電 機(jī) （ 例 如 Vestas V90 3.0 兆

2、 瓦 風(fēng) 電 機(jī) ， Nordex N90 2.5 兆 瓦 風(fēng) 電 機(jī) 等 等 ） ， 甚 至 有 些 直 徑 達(dá) 100 米 （ 如 GE 3.6 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(lèi)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 RE Power 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

3、可以用 下列公式計(jì)算。能量=1/2 X質(zhì)量X （速度）A2吹過(guò)特定面積的風(fēng)的的功率可以用下列公式計(jì)算。功 率 = 1/2 X 空 氣 密 度 X 面 積 X （ 速 度 ）A3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；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(guò)

4、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。2) 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(guò)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

5、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(jiàn) 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。塔桿基座（上圖來(lái)源：Danish Wind Industry Association ）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.

6、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(lái)越受歡迎。機(jī)艙上安裝的感測(cè)器探測(cè)風(fēng)向，透過(guò)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(lái)風(fēng)。風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)齒輪變速箱傳送到機(jī)艙內(nèi)的發(fā)電機(jī)（ 如果沒(méi)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(guò)，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

7、是隨著風(fēng)力而變的。強(qiáng)風(fēng)下最 常見(jiàn)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(guò)額定 風(fēng)速的強(qiáng)風(fēng)會(huì)導(dǎo)致通過(guò)業(yè)片的氣流產(chǎn)生擾流，令風(fēng)輪失速。 當(dāng)風(fēng)力過(guò)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(chē)。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(guò)強(qiáng)時(shí)，葉片轉(zhuǎn)動(dòng)至迎氣邊緣面向來(lái)風(fēng)，從而令風(fēng)輪 剎車(chē)。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趙瑋波風(fēng)伍感器6葉片軸預(yù)齡碟式機(jī)械制動(dòng)器omffl吊車(chē)葉片O帶變頻器的VMF頂部0齒槍箱曲風(fēng)輪鎖走系貌金偏航齒輪

8、揑制器曲主軸®練壓控制單元®豈合型饌式偶合黠發(fā)電機(jī)。斜箱調(diào)節(jié)磁扭範(fàn)臂Q斜角調(diào)節(jié)液壓缸葉片輪殼0機(jī)能瘟座（來(lái)源：Vestas ）3）風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率曲線Vestas V52-850 千瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙內(nèi)的組成部份在風(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(kāi)始旋轉(zhuǎn)并牽引發(fā)電機(jī)開(kāi) 始發(fā)電。隨著風(fēng)力越來(lái)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(selse> -w悵)至乗)100- oom os 口導(dǎo) ooLn 呂9I 09°?常>蠱粗Me° < S緯星屋莊&

9、lt;(敢<93図蕪敢<<図)$«<叵 WW底瑁斗 旺<報(bào)ffi料禪。坦<悵報(bào)ffi料禪旺公丘黠塑星屋莊腆H<。密職<滅料禪S緯WW <<巡屋莊 <sFm星敢<田図蕪坦呂W采規(guī)敢<汕。超wMySE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

10、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(lèi)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(lèi)。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?lái)向的風(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(lái)風(fēng)的橫軸式風(fēng) 電機(jī)。而對(duì)於 順

11、風(fēng)風(fēng)電機(jī)，來(lái)風(fēng)是從風(fēng)輪的背後吹來(lái)。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。6）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(guò) 強(qiáng) 的 湍

12、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)。7）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(lái)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 為 800 千