风力发电的基本原理

1风力发电的基本原理5.1风能5.11风的形成风的形成及其特点：空气的流动现象称为风。风是空气由于受热或受冷而导致的从一个地方向另一个地方的移动。空气的运动遵循大气动力学和热力学变化的规律。5.12风能密度—慨念风能密度，是气流垂直通过单位截面积（风轮面积）的风能，空气在1秒内以速度为V流过单位面积产生的动能称为风能密度，是表征一个地方风能资源多少的一个指标。中国风能密度资源分布图5.13风能密度—简介风能密度风能密度（wind-powerdensity）是气流在单位时间内垂直通过单位面积的风能W＝0.5ρV3瓦/米2，通过单位截面积的风所含的能量称为风能密度，常以瓦/平方米来表示。它是描述一个地方风能潜力的最方便最有价值的量，但是在实际当中风速每时每刻都在变化，不能使用某个瞬时风速值来计算风能密度，只有长期风速观察资料才能反映其规律，故引出了平均风能密度的概念。2风能密度是决定风能潜力大小的重要因素。风能密度和空气的密度有直接关系，而空气的密度则取决于气压和温度。因此，不同地方、不同条件的风能密度是不同的。一般说，海边地势低，气压高，空气密度大，风能密度也就高。在这种情况下，若有适当的风速，风能潜力自然大。高山气压低，空气稀薄，风能密度就小些。但是如果高山风速大，气温低，仍然会有相当的风能潜力。所以说，风能密度大，风速又大，则风能潜力最好。5.14风能密度—定义风能密度：空气在1秒内以速度为V流过单位面积产生的动能称为风能密度。5.15风能密度—公式风能密度公式式中：E为风能（瓦）；为空气密度（公斤/立方米）；V为风速（米/秒）；F为垂直于风速的截面积（平方米）。5.16风能密度公式：在与风能公式相同的情况下，将风轮面积定为1平方米（A=1m2）时所具有的功率为式中ρ为空气密度，V为风速。衡量一地风能大小，要视常年平均风能的多少而定，即式中为平均风能密度，T为总时数。5.17风能密度—分类5.171平均风能密度因为风速的随机性很大，用某一瞬时的风速无法来评估某一地区的风能潜力，因此将平均风速代入W＝0.5ρV3瓦/米2式得出平均风能密度。W＝1/T∫0.5ρV3dtW――该段时间0－T内的平均风能密度ρ――空气密度(ρ的变化可以忽略不计)V――对应T时刻的风速W＝ρ/2T∫V3dt＝ρ/2N∑Vi35.172有效风能密度3在实际的风能利用中，对于那些不能使风能转换装置如风力发电机启动或运行的风速，例如0～3米的风速不能使风机启动，超过风机运行风速将会给风机带来破坏，故这部分风速也无法利用，除去这些不可利用的风速后，得出的平均风速所求出的风能密度称之为有效风能密度。W＝∫0.5ρV3P(v)dvV1――启动风速V2――停机风速P(v)――有效风速范围内的条件概率分布密度函数5.173年风能可利用时间：年风能可利用时间是指一年之中可以运行在有效的风速范围内的时间，它可由下式求得：t＝N{exp[―(V1/c)k]―exp[―(V2/c)k]}式中N为全年的小时数，V1为启动风速，V2为停机风速，C、K为威布尔分布的两个参数。5.2风力发电的基本原理5.21风力发电的基本原理风力发电机原理是将风能转换为机械能的动力机械，又称风车。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。相对柴油发电要好的多。但是若应急来用的话，还是不如柴油发电机。风力发电不可视为备用电源，但是却可以长期利用。风力发电的原理是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以发电。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。小型风力发电系统效率很高，风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一个部分都很重要，各部分的功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为动能；尾翼使叶片始终对着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，须经过充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电量变成化学能。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，才能保证稳定使用。风能具有一定的动能，通过风轮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。风力发电的原理是最简单的风力发电机可由叶片和发电机两部分构成如图1-1所示。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。4图1-1风力发电原理图5.22风力发电的特点（1）可再生的洁净能源风力发电是一种可再生的洁净能源，不消耗化石资源也不污染环境，这是火力发电所无法比拟的优点。（2）建设周期短一个十兆瓦级的风电场建设期不到一年。（3）装机规模灵活可根据资金情况决定一次装机规模，有一台资金就可以安装一台投产一台。(4)可靠性高把现代高科技应用于风力发电机组使其发电可靠性大大提高，中、打型风力发电机组可靠性从80年代的50%提高到了98%，高于火力发电机组寿命可达20年。（5）造价低从国外建成的风力场看，单位千瓦造价和单位千瓦时电价都低于火力发电，和常规能源发电相比具有竞争力。我国由于中大型风力发电机组全部从国外引进，造价和电价相比火力发电高，但随着大中型风力发电机组实现国产化，在不久的将来风力发电的造价和电价都低于火力发电。（6）运行维护简单现在中型风力发电机的自动化水平很高，完全可以再无人职守的情况下正常工作，只需定期进行必要的维护，不存在火力发电的大修问题。（7）实际占地面积小发电机组与监控、变电等建筑仅占火电厂1%的土地，其余场地仍可供农、牧、渔使用。（8）发电方式多样式风力发电即可并网运行，也可以和其他能源如柴油发电、太能源发电、水利发电机组形成互补系统，还可以独立运行，因此对于解决边远地区的用电问题提供了现实可行性。（9）单机容量小由于风能密度低决定了单台风力发电机组容量不可能大，现在的火力发电机组和核电机组无法相比。另外风况是不稳定的，有时又有破坏性的大风，这都是风力发电必须解决的实际问题。55.23风能发电的优缺点（1）优点：清洁，环境效益好；可再生，永不枯竭；基建周期短；装机规模灵活。（2）缺点：噪声，视觉污染；占用大片土地；不稳定，不可控；目前成本仍然很高。5.24风力发电机的分类风力发电机多种多样，但归纳起来可分为两类：水平轴风力发电机，风轮的旋转轴与风向平行；垂直轴风力发电机，风轮的旋转轴垂直于地面或者气流方向。(1)水平轴风力发电机(HorizontalAxisWindTurbine)风力发电机一般有风轮、发电机（包括装置）、塔架、机舱（或机座）、调向器（尾翼）、限速安全机构和储能装置等构件组成。风力发电机的工作原理比较简单，风轮在风力的作用下旋转，它把风的动能转变为风轮轴的机械能。发电机在风轮轴的带动下旋转发电。风轮是集风装置，它的作用是把流动空气具有的动能转变为风轮旋转的机械能。一般它主要由叶片和轮毂组成，风力发电机的风轮由2个或3个叶片构成。风力发电机的作用是将风能最终变成电能而输出，已采用的发电机有3种，即直流发电机、同步交流发电机和异步交流发电机。风力发电机中调向器的功能是使风力发电机的风轮随时都迎着风向，从而能最大限度地获取风能。一般风力发电机几乎全部是利用尾翼来控制风轮的迎风方向的。尾翼的材料通常采用镀锌薄钢板。限速安全机构是用来保证风力发电机运行安全的。限速安全机构的设置可以使风力发电机风轮的转速在一定的风速范围内保持基本不变。塔架是风力发电机的支撑机构，稍大的风力发电机塔架一般采用由角钢或圆钢组成的桁架结构。风力机的输出功率与风速的大小有关。由于自然界的风速是极不稳定的，风力发电机的输出功率也极不稳定。风力发电机发出的电能一般是不能直接用在电器上的，先要储存起来。目前风力发电机用的蓄电池多为铅酸蓄电池。(2).垂直轴风力发电机(VerticalAxisWindTurbine)垂直轴风力发电机在风向改变时无需对风，在这点上相对于水平轴风力发电机是一大优势，它不仅使结构设计简化，而且也减少了风轮对风时的陀螺力。另外，在同样功率下，垂直轴风力发电机的额定风速较现有水平轴风力发电机要小，并且它在低风速运转时发电量也较大。垂直轴风力发电机从分类来说，主要分为阻力型和升力型。阻力型垂直轴风力发电机主要是利用空气流过叶片产生的阻力作为驱动力，而升力型则是利用空气流过叶片产生的升力作为驱动力。由于叶片在旋转过程中，随着转速的增加阻力急剧减小，而升力反而会增大，所以升力型的垂直轴风力发电机的效率要比阻力型的高很多。①垂直轴风力发电机（S型）工作原理垂直轴风力发电机（S型),是一种将风能转变为机械能，再转变为电能的低转速风力发电机。利用风力发电，向蓄电池充电蓄存电能。垂直轴风力发电机采用的永磁悬浮技术两用型风机的专利技术，采用低风速启动，无噪音，堪称无声风力发电机。比同类型风力发电机效率高于10-30%。它普遍适用于风能条件好，远离电网，或电网不正常的地区，供给照明、电视机、探照灯、放像、通讯设备和电动工具用电。6②H型垂直轴风力发电机的技术原理该技术采用空气洞力学原理，针对垂直轴旋转的风洞模拟，叶片选用了飞机翼形形状，在风轮旋转时，它不会受到因变形而改变效率等；它用垂直直线4-5个叶片组成，由4角形或5角形形状的轮毂固定、连接叶片的连杆组成的风轮，由风轮带动稀土永磁发电机发电送往控制器进行控制，输配负载所用的电能。③垂直轴风力发电机的特点具有较多显著特点：⑴安全性。采用了垂直叶片和三角形双支点设计，并且主要受力点集中于轮毂，因此叶片脱落、断裂和叶片飞出等问题得到了较好的解决；⑵噪音。采用了水平面旋转以及叶片应用飞机机翼原理设计，使得噪音降低到在自然环境下测量不到的程度；⑶抗风能力。水平旋转和三角形双支点设计原理，使得它受风压力小，可以抵抗每秒45米的超强台风；⑷回转半径。由于其设计结构和运转原理的不同，比其他形式风力发电具有更小的回转半径，节省了空间，同时提高了效率；⑸发电曲线特性。启动风速低于其他形式的风力发电机，发电功率的上升幅度较平缓，因此在5～8米风速范围内，它的发电量较其他类型的风力发电机高10%～30%；⑹利用风速范围。采用了特殊的控制原理，使它的适合运行风速范围扩大到2.5～25m/s，在最大限度利用风力资源的同时获得了更大的发电总量，提高了风电设备使用的经济性；⑺刹车装置。可配置机械手动和电子自动刹车两种，在无台风和超强阵风的地区，仅需设置手动刹车即可；⑻运行维护。采用直驱式永磁发电机，无需齿轮箱和转向机构，定期（一般每半年）对运转部件的连接进行检查即可。5.25风力发电结构：⑴机舱：机舱包容着风力发电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。维护人员可以通过风力发电机塔进入机舱。机舱左端是风力发电机转子，即转子叶片及轴。⑵转子叶片：捉获风，并将风力传送到转子轴心。现代600千瓦风力发电机上，每个转子叶片的测量长度大约为20米，而且被设计得很像飞机的机翼。⑶轴心：转子轴心附着在风力发电机的低速轴上。⑷低速轴：风力发电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。在现代600千瓦风力发电机上，转子转速相当慢，大约为19至30转每分钟。轴中有用于液压系统的导管，来激发空气动力闸的运行⑸齿轮箱：齿轮箱左边是低速轴，它可以将高速轴的转速提高至低速轴的50倍。⑹高速轴及其机械闸：高速轴以1500转每分钟运转，并驱动发电机。它装备有紧急机械闸，用于空气动力闸失效时，或风力发电机被维修时。⑺发电机：通常被称为感应电机或异步发电机。在现代风力发电机上，最大电力输出通常为500至1500KW。⑻偏航装置：借助电动机转动机舱