風力發(fā)電原理及風力發(fā)電的工藝流程

1、風力發(fā)電原理及風力發(fā)電的工藝流程風力發(fā)原理及風力發(fā)電的工藝流程發(fā)電風力發(fā)電機最初出現(xiàn)在十九世紀末。自二 十世紀八十年代起，這項技術(shù)不斷發(fā)展并 日漸 成熟，適合工業(yè)應用。近二三十年，典型的風 力發(fā)電機的風輪直徑不斷增大，而額定功率也 不斷提升。在二H世紀00年代初，風力發(fā)電機最具經(jīng)濟效益的額定輸出功率范圍在600千瓦至750 千瓦之間，而風輪直徑則在40米至47米之間。當時所有制造商都有生產(chǎn)這類風力發(fā)電機。新 一代的兆瓦級風力發(fā)電機是以這類機種作為基礎發(fā)展出來的O1 / 12礎發(fā)展出來的O1 / 12風力發(fā)電原理及風力發(fā)電的工藝流程二零零七年初，有一些制造商開始生產(chǎn)額 定功率為幾兆瓦而風輪直徑達

2、到約90米的風力發(fā)電機（例如Vestas V90 3.0 兆瓦風電機，Nordex N90 2.5兆瓦風電機等等），甚至有些直徑達100 米（如GE 3.6兆瓦風電機）。這些大型風力發(fā)電 機主要市場是歐洲。在歐洲，適合風電的地段 日漸減少，因此有逼切性安裝發(fā)電能力盡量高 的風力發(fā)電機。另一類更大型的為海上應用而設計的風力 發(fā)電機，已經(jīng)完成設計并制成原型機。例如RE Power公司設計的風力發(fā)電機風輪直徑達126米， 功率達5兆瓦。1）風的功率風的能量指的是風的動能。特定質(zhì)量的空 氣的動能可以用下列公式計算。能量=1/2 X 質(zhì)量X （ 速度）八2吹過特定面積的風的的功率可以用下列公 式計算。功

3、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；2 / 12風力發(fā)電原理及風力發(fā)電的工藝流程面積指氣流橫截面積，單位為平方米； 速度單位為米/秒。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 下降。於上述公式中可以看出，風的功率與速度 的三次方立方成正比，并與風輪掃掠面積 成正比。不過實際上，風輪只能提取風的能量 中的一部分，而非全部。2）風力發(fā)電機的工作原理現(xiàn)代風力發(fā)電機采用空氣動力學原理，就 像飛機的機翼一樣。風并非推動風輪葉片， 而是吹過葉片形成葉片正反面的

4、壓差，這種 壓差會產(chǎn)生升力，令風輪旋轉(zhuǎn)并不斷橫切風流風力發(fā)電機的風輪并不能提取風的所有功 率。根據(jù)Betz定律，理論上風電機能夠提取的 最大功率，是風的功率的59.6% 。大多數(shù)風電機 只能提取風的功率的40%或者更少。風力發(fā)電機主要包含三部分：風輪、機艙 和塔桿。大型與電網(wǎng)接駁的風力發(fā)電機的最常3 / 12風力發(fā)電原理及風力發(fā)電的工藝流程見的結(jié)構(gòu)，是橫軸式三葉片風輪，并安裝在直 立管狀塔桿上。塔桿基座（上圖 來源： Danish Wind Industry Association ）風輪葉片由復合材料制造。不像小型風力 發(fā)電機，大型風電機的風輪轉(zhuǎn)動相當慢。比較 簡單的風力發(fā)電機是采用固定速度

5、的。通常采 用兩個不同的速度-在弱風下用低速和在強風 下用高速。這些定速風電機的感應式異步發(fā)電 機能夠直接發(fā)產(chǎn)生電網(wǎng)頻率的交流電。比較新型的設計一般是可變速的（比如Vest as公司的V52-850千瓦風電機轉(zhuǎn)速為每分鐘14轉(zhuǎn) 到每分鐘31.4轉(zhuǎn)）。利用可變速操作，風輪的 空氣動力效率可以得到改善，從而提取更多的 能量，而且在弱風情況下噪音更低。因此，變4 / 12風力發(fā)電原理及風力發(fā)電的工藝流程速的風電機設計比起定速風電機，越來越受歡 迎。機艙上安裝的感測器探測風向，透過轉(zhuǎn)向 機械裝置令機艙和風輪自動轉(zhuǎn)向，面向來風。風輪的旋轉(zhuǎn)運動通過齒輪變速箱傳送到機 艙內(nèi)的發(fā) 電機（如果沒有齒輪變速箱則直

6、接傳 送到發(fā)電機）。在風電工業(yè)中，配有變速箱的 風力發(fā)電機是很普遍的。不過，為風電機而設 計的多極直接驅(qū)動式發(fā)電機，也有顯著的發(fā)展設於塔底的變壓器（或者有些設於機艙內(nèi)） 可提升發(fā)電機的電壓到配電網(wǎng)電壓（香港的情況為11千伏）。所有風力發(fā)電機的功率輸出是隨著風力而 變的。強風下最常見的兩種限制功率輸出的方 法（從而限制風輪所承受壓力）是失速調(diào)節(jié)和 斜角調(diào)節(jié)。使用失速調(diào)節(jié)的風電機，超過額定 風速的強風會導致通過業(yè)片的氣流產(chǎn)生擾流， 令風輪失速。當風力過強時，業(yè)片尾部制動裝 置會動作，令風輪剎車。使用斜角調(diào)節(jié)的風電 機，每片葉片能夠以縱向為軸而旋轉(zhuǎn)，葉片角 度隨著風速不同而轉(zhuǎn)變，從而改變風輪的空氣5

7、 / 12風力發(fā)電原理及風力發(fā)電的工藝流程動力性能。當風力過強時，葉片轉(zhuǎn)動至迎氣邊 緣面向來風，從而令風輪剎車葉片中嵌入了避雷條，當葉片遭到雷擊時，可將閃電中的電流引導到地下去O超聲浪風傳感器后維修用吊車OO超聲浪風傳感器后維修用吊車O帶支癡器的VW頂部控制器發(fā)電機。斜角調(diào)節(jié)液壓缸?；?水冷卻耨。齒輪箱。王軸。斜角調(diào)節(jié)系鐮葉片輪殼。葉片軸承作葉片集風輪褪定系統(tǒng)藥液壓控制單元小扭起臂每機艙底座碟式機械制動器母偏骯齒輪埠復合型碟式偶合器上圖：Vestas V52-850 千瓦風力發(fā)電機機艙內(nèi)的組成部份（來源：Vestas ）3）風力發(fā)電機的功率曲線6 / 12風力發(fā)電原理及風力發(fā)電的工藝流程在風速

8、很低的時候，風電機風輪會保持不動。當?shù)竭_切入風速時（通常每秒3到4米）， 風輪開始旋轉(zhuǎn)并牽引發(fā)電機開始發(fā)電。隨著風力越來越強，輸出功率會增加。當風速達到 額定風速時，風電機會輸出其額定功率。之彳爰 輸出功率會保留大致不變。當風速進一步增加，達到切出風速的時候，風電機會剎車，不再 輸出功率，為免受損。風力發(fā)電機的性能可以用功率曲線來表達。功率曲線是用作顯示在不同風速下（切入風速到切出風速）風電機的輸出功率。7 / 12風力發(fā)電原理及風力發(fā)電的工藝流程功率曲線V52-850 kWo o O o o D 6 s4(E) S10Q051520o o O o o D 6 s4(E) S10Q051520

9、風速（米/秒）100 0 dB(A)100 0 dB(A)103 0 dB(A)101 0 dB(用1042 叫A)102 a孤闞上圖：V52-850千瓦風力發(fā)電機於不同噪音級別下的工作曲線（噪音級別可透過改變風力發(fā) 電機的轉(zhuǎn)速而改變）（來源：Vestas ）為特定地點選取合適的風力發(fā)電機，一般方法是采用風電機的功率曲線和該地點的風力資料以進行產(chǎn)電量估算。（在大型風力發(fā)電機-資源潛力部分有更多相關資訊）4）風力發(fā)電機的額定輸出功率8 / 12風力發(fā)電原理及風力發(fā)電的工藝流程風力發(fā)電機的額定輸出功率是配合特定的 額定風速設而定的。由於能量與風速的立方成 正比，因此，風力發(fā)電機的功率會隨風速變化

10、會很大。同樣構(gòu)造和風輪直徑的風電機可以配以不 同大小的發(fā)電機。因此兩座同樣構(gòu)造和風輪直 徑的風電機可能有相當不同的額定輸出功率值 ,這取決於它的設計是配合強風地帶（配較 大型發(fā)電機）或弱風地帶（配較小型發(fā)電機）。5）風力發(fā)電機的主要種類橫軸風力發(fā)電機和豎軸風力發(fā)電機根據(jù)葉片固定軸的方位，風力發(fā)電機可以 分為橫軸和豎軸兩類。橫軸式風電機工作時轉(zhuǎn) 軸方向與風向一致，豎軸式風電機轉(zhuǎn)軸方向與 風向成直角。橫軸式風電機通常需要不停地變向以保持 與風向一致。而豎軸式風電機則不必如此，因 為它可以收集不同來向的風能。橫軸式風電機在世界上占主流位置。9 / 12風力發(fā)電原理及風力發(fā)電的工藝流程逆風風力發(fā)電機和

11、順風風力發(fā)電機逆風風電機是一種風輪面向來風的橫軸式 風電機。而對於順風風電機，來風是從風輪的 背彳爰吹來。大多數(shù)的風力發(fā)電機是逆風式的。單葉片、雙葉片和三葉片風力發(fā)電機葉片的數(shù)目由很多因素決定，其中包括空 氣動力效率、復雜度、成本、噪音、美學要求 等等。大型風力發(fā)電機可由1、2或者3片葉片 構(gòu)成。葉片較少的風力發(fā)電機通常需要更高的轉(zhuǎn) 速以提取風中的能量，因此噪音比較大。而如 果葉片太多，它們之間會相互作用而降低系統(tǒng) 效率。目前3葉片風電機是主流。從美學角度 上看，3葉片的風電機看上去較為平衡和美觀6）岸上風電場10 / 12風力發(fā)電原理及風力發(fā)電的工藝流程岸上風電系統(tǒng)可以是僅有一臺風電機，或 者由多臺風電機器線性排列或方陣排列形成風電場。風電場的風力發(fā)電機相互之間需要有足夠 的距離，以免造成過強的湍流相互影響，或由 於尾流效應而嚴重減低彳爰排風電機的功率 輸出。為了配合運送大型設備（特別是葉片）到 安裝現(xiàn)場，須要建設道路。另外亦須要建設輸 電線，把風電場的輸出連接到電網(wǎng)接入點。7）世界各地的風力發(fā)電裝置到2005年底，世界總風力發(fā)電裝機容量達58 千兆瓦。德國、西班牙、美國、印度和丹麥是 以風力發(fā)電裝機容量來算前幾名的國家。在丹 麥，風能發(fā)電提供該國總用電量的20 %。香港 第一臺大型風力發(fā)電機是由香港電燈集