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风力发原理及风力发电的工艺流程
时间:2011-12-28 点击:3161 次

 

风力发原理及风力发电的工艺流程
00 600 750 40 47 二 零 零 七 年 初 , 有 一 些 制 造 商 开 始 生 产 额 定 功 率 为 几 兆 瓦 而 风 轮 直 径 达 到 约 90 米 的 风 力 发 电 机 ( 例 如 Vestas V90 3.0 兆 瓦 风 电 机 , Nordex N90 2.5 兆 瓦 风 电 机 等 等 ) , 甚 至 有 些 直 径 达 100 米 ( 如 GE 3.6 兆 瓦 风 电 机 ) 。 这 些 大 型 风 力 发 电 机 主 要 市 场 是 欧 洲 。 在 欧 洲 , 适 合 风 电 的 地 段 日 渐 减 少 , 因 此 有 逼 切 性 安 装 发 电 能 力 尽 量 高 的 风 力 发 电 机 。
另 一 类 更 大 型 的 为 海 上 应 用 而 设 计 的 风 力 发 电 机 , 已 经 完 成 设 计 并 制 成 原 型 机 。 例 如 RE Power 公 司 设 计 的 风 力 发 电 机 风 轮 直 径 达 126 米 , 功 率 达 5 兆 瓦 。
1)
风 的 能 量 指 的 是 风 的 动 能 。 特 定 质 量 的 空 气 的 动 能 可 以 用 下 列 公 式 计 算 。
能 量 = 1/2 X 质 量 X ( 速 度 )^2
吹 过 特 定 面 积 的 风 的 的 功 率 可 以 用 下 列 公 式 计 算 。
功 率 = 1/2 X 空 气 密 度 X 面 积 X ( 速 度 )^3
其 中 ,
功 率 单 位 为 瓦 特 ;
空 气 密 度 单 位 为 千 克 / 立 方 米 ;
面 积 指 气 流 横 截 面 积 , 单 位 为 平 方 米 ;
速 度 单 位 为 米 / 秒 。
在 海 平 面 高 度 和 摄 氏 15 度 的 条 件 下 , 乾 空 气 密 度 为 1.225 千 克 / 立 方 米 。 空 气 密 度 随 气 压 和 温 度 而 变 。 随 著 高 度 的 升 高 , 空 气 密 度 也 会 下 降 。
於 上 述 公 式 中 可 以 看 出 , 风 的 功 率 与 速 度 的 三 次 方 〔 立 方 〕 成 正 比 , 并 与 风 轮 扫 掠 面 积 成 正 比 。 不 过 实 际 上 , 风 轮 只 能 提 取 风 的 能 量 中 的 一 部 分 , 而 非 全 部 。
2)
现 代 风 力 发 电 机 采 用 空 气 动 力 学 原 理 , 就 像 飞 机 的 机 翼 一 样 。 风 并 非 " 推 " 动 风 轮 叶 片 , 而 是 吹 过 叶 片 形 成 叶 片 正 反 面 的 压 差 , 这 种 压 差 会 产 生 升 力 , 令 风 轮 旋 转 并 不 断 横 切 风 流 。
风 力 发 电 机 的 风 轮 并 不 能 提 取 风 的 所 有 功 率 。 根 据 Betz 定 律 , 理 论 上 风 电 机 能 够 提 取 的 最 大 功 率 , 是 风 的 功 率 的 59.6% 。 大 多 数 风 电 机 只 能 提 取 风 的 功 率 的 40% 或 者 更 少 。
风 力 发 电 机 主 要 包 含 三 部 分 ∶ 风 轮 、 机 舱 和 塔 杆 。 大 型 与 电 网 接 驳 的 风 力 发 电 机 的 最 常 见 的 结 构 , 是 横 轴 式 三 叶 片 风 轮 , 并 安 装 在 直 立 管 状 塔 杆 上
风 轮 叶 片 由 复 合 材 料 制 造 。 不 像 小 型 风 力 发 电 机 , 大 型 风 电 机 的 风 轮 转 动 相 当 慢 。 比 较 简 单 的 风 力 发 电 机 是 采 用 固 定 速 度 的 。 通 常 采 用 两 个 不 同 的 速 度 - 在 弱 风 下 用 低 速 和 在 强 风 下 用 高 速 。 这 些 定 速 风 电 机 的 感 应 式 异 步 发 电 机 能 够 直 接 发 产 生    电 网 频 率 的 交 流 电 。
比 较 新 型 的 设 计 一 般 是 可 变 速 的 ( 比 如 Vestas 公 司 的 V52-850 千 瓦 风 电 机 转 速 为 每 分 钟 14 转 到 每 分 钟 31.4 转 ) 。 利 用 可 变 速 操 作 , 风 轮 的 空 气 动 力 效 率 可 以 得 到 改 善 , 从 而 提 取 更 多 的 能 量 , 而 且 在 弱 风 情 况 下 噪 音 更 低 。 因 此 , 变 速 的 风 电 机 设 计 比 起 定 速 风 电 机 , 越 来 越 受 欢 迎 。
机 舱 上 安 装 的 感 测 器 探 测 风 向 , 透 过 转 向 机 械 装 置 令 机 舱 和 风 轮 自 动 转 向 , 面 向 来 风 。
风 轮 的 旋 转 运 动 通 过 齿 轮 变 速 箱 传 送 到 机 舱 内 的 发 电 机 ( 如 果 没 有 齿 轮 变 速 箱 则 直 接 传 送 到 发 电 机 ) 。 在 风 电 工 业 中 , 配 有 变 速 箱 的 风 力 发 电 机 是 很 普 遍 的 。 不 过 , 为 风 电 机 而 设 计 的 多 极 直 接 驱 动 式 发 电 机 , 也 有 显 著 的 发 展 。
设 於 塔 底 的 变 压 器 ( 或 者 有 些 设 於 机 舱 内 ) 可 提 升 发 电 机 的 电 压 到 配 电 网 电 压 ( 香 港 的 情 况 为 11 千 伏 ) 。
所 有 风 力 发 电 机 的 功 率 输 出 是 随 著 风 力 而 变 的 。 强 风 下 最 常 见 的 两 种 限 制 功 率 输 出 的 方 法 ( 从 而 限 制 风 轮 所 承 受 压 力 ) 是 失 速 调 节 和 斜 角 调 节 。 使 用 失 速 调 节 的 风 电 机 , 超 过 额 定 风 速 的 强 风 会 导 致 通 过 业 片 的 气 流 产 生 扰 流 , 令 风 轮 失 速 。 当 风 力 过 强 时 , 业 片 尾 部 制 动 装 置 会 动 作 , 令 风 轮 剎 车 。 使 用 斜 角 调 节 的 风 电 机 , 每 片 叶 片 能 够 以 纵 向 为 轴 而 旋 转 , 叶 片 角 度 随 著 风 速 不 同 而 转 变 , 从 而 改 变 风 轮 的 空 气 动 力 性 能 。 当 风 力 过 强 时 , 叶 片 转 动 至 迎 气 边 缘 面 向 来 风 , 从 而 令 风 轮 剎 车 。
叶 片 中 嵌 入 了 避 雷 条 , 当 叶 片 遭 到 雷 击 时 , 可 将 闪 电 中 的 电 流 引 导 到 地 下 去
3) 线
在 风 速 很 低 的 时 候 , 风 电 机 风 轮 会 保 持 不 动 。 当 到 达 切 入 风 速 时 ( 通 常 每 秒 3 到 4 米 ) , 风 轮 开 始 旋 转 并 牵 引 发 电 机 开 始 发 电 。 随 著 风 力 越 来 越 强 , 输 出 功 率 会 增 加 。 当 风 速 达 到 额 定 风 速 时 , 风 电 机 会 输 出 其 额 定 功 率 。 之 後 输 出 功 率 会 保 留 大 致 不 变 。 当 风 速 进 一 步 增 加 , 达 到 切 出 风 速 的 时 候 , 风 电 机 会 剎 车 , 不 再 输 出 功 率 , 为 免 受 损 。
风 力 发 电 机 的 性 能 可 以 用 功 率 曲 线 来 表 达 。 功 率 曲 线 是 用 作 显 示 在 不 同 风 速 下 ( 切 入 风 速 到 切 出 风 速 ) 风 电 机 的 输 出 功 率
为 特 定 地 点 选 取 合 适 的 风 力 发 电 机 , 一 般 方 法 是 采 用 风 电 机 的 功 率 曲 线 和 该 地 点 的 风 力 资 料 以 进 行 产 电 量 估 算 。 。 ( 在 大 - 部 分 有 更 多 相 关 资 讯 )
4)
风 力 发 电 机 的 额 定 输 出 功 率 是 配 合 特 定 的 额 定 风 速 设 而 定 的 。 由 於 能 量 与 风 速 的 立 方 成 正 比 , 因 此 , 风 力 发 电 机 的 功 率 会 随 风 速 变 化 会 很 大 。
同 样 构 造 和 风 轮 直 径 的 风 电 机 可 以 配 以 不 同 大 小 的 发 电 机 。 因 此 两 座 同 样 构 造 和 风 轮 直 径 的 风 电 机 可 能 有 相 当 不 同 的 额 定 输 出 功 率 值 , 这 取 决 於 它 的 设 计 是 配 合 强 风 地 带 ( 配 较 大 型 发 电 机 ) 或 弱 风 地 带 ( 配 较 小 型 发 电 机 ) 。
5)
根 据 叶 片 固 定 轴 的 方 位 , 风 力 发 电 机 可 以 分 为 横 轴 和 竖 轴 两 类 。 横 轴 式 风 电 机 工 作 时 转 轴 方 向 与 风 向 一 致 , 竖 轴 式 风 电 机 转 轴 方 向 与 风 向 成 直 角 。
横 轴 式 风 电 机 通 常 需 要 不 停 地 变 向 以 保 持 与 风 向 一 致 。 而 竖 轴 式 风 电 机 则 不 必 如 此 , 因 为 它 可 以 收 集 不 同 来 向 的 风 能 。
横 轴 式 风 电 机 在 世 界 上 占 主 流 位 置。
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