風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作原理及原理圖
風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作原理及原理圖
現(xiàn)代變速雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理就是通過葉輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械轉(zhuǎn)距(風(fēng)輪轉(zhuǎn)動慣量),通過主軸傳動鏈,經(jīng)過齒輪箱增速到異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速后,通過勵磁變流器勵磁而將發(fā)電機(jī)的定子電能并入電網(wǎng).如果超過發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)子也處于發(fā)電狀態(tài),通過變流器向電網(wǎng)饋電.
最簡單的風(fēng)力發(fā)電機(jī)可由葉輪和發(fā)電機(jī)兩部分構(gòu)成,立在一定高度的塔干上,這是小型離網(wǎng)風(fēng)機(jī).最初的風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能隨風(fēng)變化時(shí)有時(shí)無,電壓和頻率不穩(wěn)定,沒有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.為了解決這些問題,現(xiàn)代風(fēng)機(jī)增加了齒輪箱、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等.
齒輪箱可以將很低的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速(1500千瓦的風(fēng)機(jī)通常為12-22轉(zhuǎn)/分)變?yōu)楹芨叩陌l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速(發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速通常為1500轉(zhuǎn)/分).同時(shí)也使得發(fā)電機(jī)易于控制,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的頻率和電壓輸出.偏航系統(tǒng)可以使風(fēng)輪掃掠面積總是垂直于主風(fēng)向.要知道,1500千瓦的風(fēng)機(jī)機(jī)艙總重50多噸,葉輪30噸,使這樣一個(gè)系統(tǒng)隨時(shí)對準(zhǔn)主風(fēng)向也有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)難度.
風(fēng)機(jī)是有許多轉(zhuǎn)動部件的,機(jī)艙在水平面旋轉(zhuǎn),隨時(shí)偏航對準(zhǔn)風(fēng)向;風(fēng)輪沿水平軸旋轉(zhuǎn),以便產(chǎn)生動力扭距.對變槳矩風(fēng)機(jī),組成風(fēng)輪的葉片要圍繞根部的中心軸旋轉(zhuǎn),以便適應(yīng)不同的風(fēng)況而變槳距.在停機(jī)時(shí),葉片要順槳,以便形成阻尼剎車.
早期采用液壓系統(tǒng)用于調(diào)節(jié)葉片槳矩(同時(shí)作為阻尼、停機(jī)、剎車等狀態(tài)下使用),現(xiàn)在電變距系統(tǒng)逐步取代液壓變距.
就1500千瓦風(fēng)機(jī)而言,一般在4米/秒左右的風(fēng)速自動啟動,在13米/秒左右發(fā)出額定功率.然后,隨著風(fēng)速的增加,一直控制在額定功率附近發(fā)電,直到風(fēng)速達(dá)到25米/秒時(shí)自動停機(jī).
現(xiàn)代風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)極限風(fēng)速為60-70米/秒,也就是說在這么大的風(fēng)速下風(fēng)機(jī)也不會立即破壞.理論上的12級颶風(fēng),其風(fēng)速范圍也僅為32.7-36.9米/秒.
風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)要根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向?qū)ο到y(tǒng)加以控制,在穩(wěn)定的電壓和頻率下運(yùn)行,自動地并網(wǎng)和脫網(wǎng);同時(shí)*齒輪箱、發(fā)電機(jī)的運(yùn)行溫度,液壓系統(tǒng)的油壓,對出現(xiàn)的任何異常進(jìn)行報(bào)警,必要時(shí)自動停機(jī),屬于無人值守獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)單元.
風(fēng)力發(fā)電機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的動力機(jī)械,又稱風(fēng)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(jī)。
許多世紀(jì)以來,風(fēng)力發(fā)電機(jī)同水力機(jī)械一樣,作為動力源替代人力、畜力,對生產(chǎn)力的發(fā)展發(fā)揮過重要作用。近代機(jī)電動力的廣泛應(yīng)用以及二十世紀(jì)50年代中東油田的發(fā)現(xiàn),使風(fēng)力機(jī)的發(fā)展緩慢下來。70年代初期,由于“石油危機(jī)”,出現(xiàn)了能源緊張的問題,人們認(rèn)識到常規(guī)礦物能源供應(yīng)的不穩(wěn)定性和有限性,于是尋求清潔的可再生能源遂成為現(xiàn)代世界的一個(gè)重要課題。風(fēng)能作為可再生的、無污染的自然能源又重新引起了人們重視。
機(jī)械連接與功率傳遞水平軸風(fēng)機(jī)槳葉通過齒輪箱及其高速軸與萬能彈性聯(lián)軸節(jié)相連,將轉(zhuǎn)矩傳遞到發(fā)電機(jī)的傳動軸,此聯(lián)軸節(jié)應(yīng)按具有很好的吸收阻尼和震動的特性,表現(xiàn)為吸收適量的徑向、軸向和一定角度的偏移,并且聯(lián)軸器可阻止機(jī)械裝置的過載。另一種為直驅(qū)型風(fēng)機(jī)槳葉不通過齒輪箱直接與電機(jī)相連風(fēng)機(jī)電機(jī)類型
根據(jù)定槳矩失速型風(fēng)機(jī)和變速恒頻變槳矩風(fēng)機(jī)的特點(diǎn),國內(nèi)目前裝機(jī)的電機(jī)一般分為二類:異步型
(1)籠型異步發(fā)電機(jī);功率為600/125kW750kW800kW1250\\180kW
定子向電網(wǎng)輸送不同功率的50Hz交流電;
(2)繞線式雙饋異步發(fā)電機(jī);功率為1500kW
定子向電網(wǎng)輸送50Hz交流電,轉(zhuǎn)子由變頻器控制,向電網(wǎng)間接輸送有功或無功功率。
同步型
(1)永磁同步發(fā)電機(jī);功率為750kW1200kW1500kW由永磁體產(chǎn)生磁場,定子輸出經(jīng)全功率整流逆變后向電網(wǎng)輸送50Hz交流電
(2)電勵磁同步發(fā)電機(jī);由外接到轉(zhuǎn)子上的直流電流產(chǎn)生磁場,定子輸出經(jīng)全功率整流逆變后向電網(wǎng)輸送50Hz交流電
根據(jù)葉片形式的不同,現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電機(jī)分為以下兩類:水平軸
世界上目前利用最多的形式,功率最大5MW左右。
新型垂直軸
21世紀(jì)初由中國、日本、歐洲幾乎同時(shí)發(fā)明的一種新型風(fēng)力發(fā)電機(jī),有別于最早的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)(達(dá)里厄型),效率高于水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī),無噪音和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu),維護(hù)簡單。已成為歐美市場中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的首選。世界上目前最大功率是由上海模斯電子設(shè)備有限公司(MUCE)生產(chǎn)的50千瓦垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī),日本最大功率30千瓦,英美國家生產(chǎn)的功率在1千瓦到10千瓦之間。
最近,國內(nèi)外多家公司提出了建造超大型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的計(jì)劃(10MW),此項(xiàng)計(jì)劃得到落實(shí)后,由于成本遠(yuǎn)低于目前的風(fēng)力發(fā)電機(jī),必將逐步取代水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī),成為世界新能源的主力軍!
回答者:201*1937-三
級201*-1-116:54
可惜這里只能貼文字,無法貼圖示。關(guān)于風(fēng)電機(jī)的結(jié)構(gòu),文字性質(zhì)的描述和介紹轉(zhuǎn)貼如下。原帖地址是:-china.cn/node/56,那里可以查看到具體的結(jié)構(gòu)部件以及相關(guān)的資料。
資料來源:風(fēng)能@中國
風(fēng)能行業(yè)在中國是一個(gè)新興的產(chǎn)業(yè),很多新的東西在中國并沒有標(biāo)準(zhǔn)化的稱呼。除此之外,還有很多零部件都在不斷的發(fā)展變化當(dāng)中,本文中所進(jìn)行的描述跟目前國內(nèi)的技術(shù)發(fā)展可能會有一定的出入。
除了本文的文字介紹之外,在資料中心還有些多媒體資料,可以看到風(fēng)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖。(點(diǎn)擊這里查看)
風(fēng)電機(jī)的基本原理和部件組成如下:
大部分小功率風(fēng)電機(jī)具有恒定轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)子葉片末的轉(zhuǎn)速為64米/秒,在軸心部分轉(zhuǎn)速為零。距軸心四分之一葉片長度處的轉(zhuǎn)速為16米/秒。但是,隨著海洋用大功率風(fēng)電機(jī)的研發(fā)并投入使用,風(fēng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不再恒定,葉片末的轉(zhuǎn)速也由于葉片的增長而加大。所以站長推薦對不同類型的風(fēng)電機(jī)單獨(dú)查看其技術(shù)數(shù)據(jù)。(請參考產(chǎn)品信息)風(fēng)電機(jī)結(jié)構(gòu)
機(jī)艙:機(jī)艙包容著風(fēng)電機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備,包括齒輪箱、發(fā)電機(jī)。維護(hù)人員可以通過風(fēng)電機(jī)塔進(jìn)入機(jī)艙。機(jī)艙前端是風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)子,即轉(zhuǎn)子葉片和軸。
轉(zhuǎn)子葉片:捉獲風(fēng),并將風(fēng)力傳送到轉(zhuǎn)子軸心。在600千瓦級別的風(fēng)電機(jī)上,每個(gè)轉(zhuǎn)子葉片的測量長度大約為20米;而在5兆瓦級別的風(fēng)電機(jī)上,葉片長度可以達(dá)到近60米。葉片的設(shè)計(jì)很類似飛機(jī)的機(jī)翼,制造材料卻大不相同,多采用纖維而不是輕型合金。大部分轉(zhuǎn)子葉片用玻璃纖維強(qiáng)化塑料(GRP)制造。采用碳纖維或芳族聚酰胺作為強(qiáng)化材料是另外一種選擇,但這種葉片對大型風(fēng)電機(jī)是不經(jīng)濟(jì)的。木材、環(huán)氧木材、或環(huán)氧木纖維合成物目前還沒有在轉(zhuǎn)子葉片市場出現(xiàn),盡管目前在這一領(lǐng)域已經(jīng)有了發(fā)展。鋼及鋁合金分別存在重量及金屬疲勞等問題,目前只用在小型風(fēng)電機(jī)上。。實(shí)際上,轉(zhuǎn)子葉片設(shè)計(jì)師通常將葉片最遠(yuǎn)端的部分的橫切面設(shè)計(jì)得類似于正統(tǒng)飛機(jī)的機(jī)翼。但是葉片內(nèi)端的厚輪廓,通常是專門為風(fēng)電機(jī)設(shè)計(jì)的。為轉(zhuǎn)子葉片選擇輪廓涉及很多折衷的方面,諸如可靠的運(yùn)轉(zhuǎn)與延時(shí)特性。葉片的輪廓設(shè)計(jì),即使在表面有污垢時(shí),葉片也可以運(yùn)轉(zhuǎn)良好。
軸心:轉(zhuǎn)子軸心附著在風(fēng)電機(jī)的低速軸上。
低速軸:風(fēng)電機(jī)的低速軸將轉(zhuǎn)子軸心與變速齒輪箱連接在一起。在一般的風(fēng)電機(jī)上,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相當(dāng)慢,大約為19至30轉(zhuǎn)每分鐘。軸中有用于液壓系統(tǒng)的導(dǎo)管,來激發(fā)空氣動力閘的運(yùn)行。
齒輪箱:齒輪箱連接低速軸和高速軸的變速裝置,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(jī)械閘:高速軸以超過1500轉(zhuǎn)/分鐘運(yùn)轉(zhuǎn),并驅(qū)動發(fā)電機(jī)。它裝備有緊急機(jī)械閘,用于空氣動力閘失效時(shí),或風(fēng)電機(jī)被維修時(shí)。
發(fā)電機(jī):風(fēng)電機(jī)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。風(fēng)電機(jī)上的發(fā)電機(jī)與普通電網(wǎng)上的發(fā)電設(shè)備相比,有所不同:風(fēng)電機(jī)發(fā)電機(jī)需要在波動的機(jī)械能條件下運(yùn)轉(zhuǎn)。通常使用的風(fēng)電機(jī)發(fā)電機(jī)是感應(yīng)電機(jī)或異步發(fā)電機(jī),最新的風(fēng)電機(jī)已經(jīng)開始使用永磁同步發(fā)電機(jī)。目前世界上單機(jī)最大電力輸出超過6000千瓦(德國enercon的E-112/114)。
偏航裝置:借助電動機(jī)轉(zhuǎn)動機(jī)艙,以使轉(zhuǎn)子葉片調(diào)整風(fēng)向的最佳切入角度。偏航裝置由電子控制器操作,電子控制器可以通過風(fēng)向標(biāo)來探知風(fēng)向。通常,在風(fēng)改變其方向時(shí),風(fēng)電機(jī)一次只會偏轉(zhuǎn)幾度。值得注意的是,小功率級別的風(fēng)電機(jī)都是通過統(tǒng)一的偏航裝置調(diào)整所有葉片的角度,而最新的風(fēng)電機(jī)大都是每個(gè)葉片設(shè)置單獨(dú)的偏航系統(tǒng)。
電子控制器:一般都使用一臺或多臺不斷監(jiān)控風(fēng)電機(jī)狀態(tài)的計(jì)算機(jī),用于控制偏航裝置。一旦風(fēng)電機(jī)發(fā)生故障(即齒輪箱或發(fā)電機(jī)的過熱),該控制器可以自動停止風(fēng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動,并通過網(wǎng)絡(luò)信號通知風(fēng)電機(jī)管理中心。
液壓系統(tǒng):用于重置風(fēng)電機(jī)的空氣動力閘。
冷卻系統(tǒng):發(fā)電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)需要冷卻。在大部分風(fēng)電機(jī)上,發(fā)電機(jī)被放置在管內(nèi),并使用大型風(fēng)扇來空冷,除此之外還需要一個(gè)油冷卻元件,用于冷卻齒輪箱內(nèi)的油;還有一部分制造商采用水冷。水冷發(fā)電機(jī)更加小巧,而且電效高,但這種方式需要在機(jī)艙內(nèi)設(shè)置散熱器,來消除液體冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量。。一些新型風(fēng)電機(jī)也采用水冷和風(fēng)冷并用系統(tǒng)(比如德國Multibrid的M5000)。
支撐塔:風(fēng)電機(jī)塔載有機(jī)艙及轉(zhuǎn)子。通常高的塔具有優(yōu)勢,因?yàn)殡x地面越高,風(fēng)速越大。600千瓦風(fēng)電機(jī)的塔高為40至60米,5兆瓦級別的塔高則超過100米。根據(jù)底座的不同,支撐塔可以為管狀,也可以是格子狀。管狀的塔對于維修人員更為安全,因?yàn)樗麄兛梢酝ㄟ^內(nèi)部的梯子到達(dá)塔頂。格狀的塔的優(yōu)點(diǎn)在于它重量輕,技術(shù)相對成熟(與海上石油鉆井臺原理相同)。
底座:早期小功率的風(fēng)電機(jī)底座是包含在支撐塔內(nèi)的,隨著風(fēng)電機(jī)單機(jī)功率越來越大,支撐塔也越來越高,對支撐塔底部的力學(xué)要求也越來越多,越來越復(fù)雜,所以目前的技術(shù)發(fā)展趨勢是將底座從支撐塔中分離出來單獨(dú)制造。目前現(xiàn)有的底座結(jié)構(gòu)包括直桿式、三腳架和格狀底座
風(fēng)速計(jì)及風(fēng)向標(biāo):用于測量風(fēng)速及風(fēng)向。
輸出電壓
小型風(fēng)電機(jī)(100-150千瓦)通常產(chǎn)生690伏特的三相交流電。然后電流通過風(fēng)電機(jī)旁的變壓器(或在塔內(nèi)),電壓被提高至一萬至三萬伏,這取決于當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。大的制造商可以提供50赫茲風(fēng)電機(jī)類型(用于世界大部分的電網(wǎng)),或60赫茲類型(用于美國電網(wǎng))。
發(fā)電機(jī)電網(wǎng)的設(shè)計(jì)
風(fēng)電機(jī)可以使用同步或異步發(fā)電機(jī),并直接或非直接地將發(fā)電機(jī)連接在電網(wǎng)上。直接電網(wǎng)連接指的是將發(fā)電機(jī)直接連接在交流電網(wǎng)上。非直接電網(wǎng)連接指的是,風(fēng)電機(jī)的電流通過一系列電力設(shè)備,經(jīng)調(diào)節(jié)與電網(wǎng)匹配。采用異步發(fā)電機(jī),這個(gè)調(diào)節(jié)過程自動完成。
除了上述零部件之外,現(xiàn)代最新的風(fēng)電機(jī)都帶有十分復(fù)雜的控制系統(tǒng),拆裝維護(hù)都需要專門的公司來進(jìn)行。本站產(chǎn)品信息內(nèi)會逐漸的完善風(fēng)電機(jī)生產(chǎn)商和維護(hù)維修公司的信息。如果您沒有找到您所需要的信息,請您聯(lián)系站長,我們會盡快幫您整理好您所需要的資料
關(guān)于風(fēng)電機(jī)設(shè)計(jì)的一些問題:
為什么轉(zhuǎn)子葉片呈螺旋狀?
大型風(fēng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片通常呈螺旋狀。從轉(zhuǎn)子葉片看過去,并向葉片的根部移動,直至到轉(zhuǎn)子中心,你會發(fā)現(xiàn)風(fēng)從很陡的角度進(jìn)入(比地面的通常風(fēng)向陡得多)。如果葉片從特別陡的角度受到撞擊,轉(zhuǎn)子葉片將停止運(yùn)轉(zhuǎn)。因此,轉(zhuǎn)子葉片需要被設(shè)計(jì)成螺旋狀,以保證葉片后面的刀口,沿地面上的風(fēng)向被推離。
為什么要使用齒輪箱?為什么我們不能通過主軸直接驅(qū)動發(fā)電機(jī)?
風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的能量,通過主軸、齒輪箱及高速軸傳送到發(fā)電機(jī)。使用齒輪箱,可以將風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的較低轉(zhuǎn)速、較高轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)換為用于發(fā)電機(jī)上的較高轉(zhuǎn)速、較低轉(zhuǎn)矩(更低的轉(zhuǎn)矩,更高的速度)。風(fēng)電機(jī)上的齒輪箱,通常在轉(zhuǎn)子及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速之間具有單一的齒輪比。對于600千瓦或750千瓦機(jī)器,齒輪比大約為1比50。如果我們使用普通發(fā)電機(jī),并使用兩個(gè)、四個(gè)或六個(gè)電極直接連接在50赫茲交流三相電網(wǎng)上,我們將不得不使用轉(zhuǎn)速為1000至3000轉(zhuǎn)每分鐘的風(fēng)電機(jī)。對于43米轉(zhuǎn)子直徑的風(fēng)電機(jī),這意味著轉(zhuǎn)子末端的速度比聲速的兩倍還要高。另外一種可能性是建造一個(gè)帶許多電極的交流發(fā)電機(jī)。但如果你要將發(fā)電機(jī)直接連在電網(wǎng)上,你需要使用200個(gè)電極的發(fā)電機(jī),來獲得30轉(zhuǎn)每分鐘的轉(zhuǎn)速。另外一個(gè)問題是,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的質(zhì)量需要與轉(zhuǎn)矩大小成比例。因此直接驅(qū)動的發(fā)電機(jī)會非常重。偏航裝置系統(tǒng)是怎么運(yùn)行的?
偏航裝置大體上可以分成三部分:
偏航誤差
當(dāng)轉(zhuǎn)子不垂直于風(fēng)向時(shí),風(fēng)電機(jī)存在偏航誤差。偏航誤差意味著,風(fēng)中的能量只有很少一部分可以在轉(zhuǎn)子區(qū)域流動。如果只發(fā)生這種情況,偏航控制將是控制向風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)子電力輸入的極佳方式。但是,轉(zhuǎn)子靠近風(fēng)源的部分受到的力比其它部分要大。一方面,這意味著轉(zhuǎn)子傾向于自動對著風(fēng)偏轉(zhuǎn),逆風(fēng)或順風(fēng)的汽輪機(jī)都存在這種情況。另一方面,這意味著葉片在轉(zhuǎn)子每一次轉(zhuǎn)動時(shí),都會沿著受力方向前后彎曲。存在偏航誤差的風(fēng)電機(jī),與沿垂直于風(fēng)向偏航的風(fēng)電機(jī)相比,將承受更大的疲勞負(fù)載。
偏航機(jī)構(gòu)
幾乎所有水平軸的風(fēng)電機(jī)都會強(qiáng)迫偏航。即,使用一個(gè)帶有電動機(jī)及齒輪箱的機(jī)構(gòu)來保持風(fēng)電機(jī)對著風(fēng)偏轉(zhuǎn)。750千瓦風(fēng)電機(jī)上的偏航機(jī)構(gòu)上可以看到環(huán)繞外沿的偏航軸承,及內(nèi)部偏航馬達(dá)及偏航閘的輪子。幾乎所有逆風(fēng)設(shè)備的制造商都喜歡在不需要的情況下,停止偏航機(jī)構(gòu)。偏航機(jī)構(gòu)由電子控制器來激發(fā)。
電纜扭曲計(jì)數(shù)器
電纜用來將電流從風(fēng)電機(jī)運(yùn)載到塔下。但是當(dāng)風(fēng)電機(jī)偶然沿一個(gè)方向偏轉(zhuǎn)太長時(shí)間時(shí),電纜將越來越扭曲。因此風(fēng)電機(jī)配備有電纜扭曲計(jì)數(shù)器,用于提醒操作員應(yīng)該將電纜解開了。類似于所有風(fēng)電機(jī)上的安全機(jī)構(gòu),系統(tǒng)具有冗余。風(fēng)電機(jī)還會配備有拉動開關(guān),在電纜扭曲太厲害時(shí)被激發(fā)。
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風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作原理
風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作原理簡單的說是:風(fēng)的動能(即空氣的動能)轉(zhuǎn)化成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的動能,轉(zhuǎn)子的動能又轉(zhuǎn)化成電能。風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作原理是利用風(fēng)能可再生能源的部分。由1995年到201*年之間的年增長率為28.5%。根據(jù)德
風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作原理簡單的說是:風(fēng)的動能(即空氣的動能)轉(zhuǎn)化成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的動能,轉(zhuǎn)
子的動能又轉(zhuǎn)化成電能。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作原理是利用風(fēng)能可再生能源的部分。由1995年到201*年
之間的年增長率為28.5%。根據(jù)德國風(fēng)能會(DEWI)的估計(jì),風(fēng)能發(fā)電的年增長率將保持高增長率,在201*年或之前全球風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量可能達(dá)到150千兆瓦。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)這類風(fēng)力發(fā)電機(jī)。新一代的兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)是以這類機(jī)種作為基礎(chǔ)發(fā)展出來的。
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(fēng)輪直徑達(dá)到約90米的風(fēng)力發(fā)電機(jī)(例如VestasV903.0兆瓦風(fēng)電機(jī),NordexN902.5兆瓦風(fēng)電機(jī)等等),甚至有些直徑達(dá)100米(如GE3.6兆瓦風(fēng)電機(jī))。這些大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要市場是歐洲。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REPower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)的動能。特定質(zhì)量的空氣的動能可以用下列公式計(jì)算。
能量=1/2X質(zhì)量X(速度)^2
吹過特定面積的風(fēng)的的功率可以用下列公式計(jì)算。功率=1/2X空氣密度X面積X(速度)^3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;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(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)采用空氣動力學(xué)原理,就像飛機(jī)的機(jī)翼一樣。風(fēng)并非"推"動風(fēng)輪葉片,而是吹過葉片形成葉片正反面的壓差,這種壓差會產(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。
(上圖來源:DanishWindIndustryAssociation)
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)動相當(dāng)慢。比較簡單的風(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31.4轉(zhuǎn))。利用可變速操作,風(fēng)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(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),越來越受歡迎。
機(jī)艙上安裝的感測器探測風(fēng)向,透過轉(zhuǎn)向機(jī)械裝置令機(jī)艙和風(fēng)輪自動轉(zhuǎn)向,面向來風(fēng)。
風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動通過齒輪變速箱傳送到機(jī)艙內(nèi)的發(fā)電機(jī)(如果沒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,為風(fēng)電機(jī)而設(shè)計(jì)的多極直接驅(qū)動式發(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)的功率輸出是隨著風(fēng)力而變的。強(qiáng)風(fēng)下最常見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),超過額定風(fēng)速的強(qiáng)風(fēng)會導(dǎo)致通過業(yè)片的氣流產(chǎn)生擾流,令風(fēng)輪失速。當(dāng)風(fēng)力過強(qiáng)時(shí),業(yè)片尾部制動裝置會動作,令風(fēng)輪車。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)輪的空氣動力性能。當(dāng)風(fēng)力過強(qiáng)時(shí),葉片轉(zhuǎn)動至迎氣邊緣面向來風(fēng),從而令風(fēng)輪車。
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。
上圖:VestasV52-850千瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙內(nèi)的組成部份(來源:Vestas)
3)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率曲線
在風(fēng)速很低的時(shí)候,風(fēng)電機(jī)風(fēng)輪會保持不動。當(dāng)?shù)竭_(dá)切入風(fēng)速時(shí)(通常每秒3到4米),風(fēng)輪開始旋轉(zhuǎn)并牽引發(fā)電機(jī)開始發(fā)電。隨著風(fēng)力越來越強(qiáng),輸出功率會增加。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速時(shí),風(fēng)電機(jī)會輸出其額定功率。之後輸出功率會保留大致不變。當(dāng)風(fēng)速進(jìn)一步增加,達(dá)到切出風(fēng)速的時(shí)候,風(fēng)電機(jī)會車,不再輸出功率,為免受損。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)的性能可以用功率曲線來表達(dá)。功率曲線是用作顯示在不同風(fēng)速下(切入風(fēng)速到切出風(fēng)速)風(fēng)電機(jī)的輸出功率。
上圖:V52-850千瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)於不同噪音級別下的工作曲線(噪音級別可透過改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速而改變)(來源:Vestas)
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)的功率會隨風(fēng)速變化會很大。
同樣構(gòu)造和風(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
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。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)樗梢允占煌瑏硐虻娘L(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)輪面向來風(fēng)的橫軸式風(fēng)電機(jī)。而對於順風(fēng)風(fēng)電機(jī),來風(fēng)是從風(fēng)輪的背後吹來。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
岸上風(fēng)電系統(tǒng)可以是僅有一臺風(fēng)電機(jī),或者由多臺風(fēng)電機(jī)器線性排列或方陣排列形成風(fēng)電場。
風(fēng)電場的風(fēng)力發(fā)電機(jī)相互之間需要有足夠的距離,以免造成過強(qiáng)的湍流相互影響,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,須要建設(shè)道路。另外亦須要建設(shè)輸電線,把風(fēng)電場的輸出連接到電網(wǎng)接入點(diǎn)。
7)世界各地的風(fēng)力發(fā)電裝置
到201*年底,世界總風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)58千兆瓦。德國、西班牙、美國、印度和丹麥?zhǔn)且燥L(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量來算前幾名的國家。在丹麥,風(fēng)能發(fā)電提供該國總用電量的20%。香港第一臺大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)是由香港電燈集團(tuán)於201*年末安裝在南丫島上,并於201*年二月正式啟用。該機(jī)額定輸出功率為800千瓦。以上詳細(xì)的介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作原理及相關(guān)風(fēng)力發(fā)電機(jī)知識,如果想了解更多關(guān)于風(fēng)力發(fā)電原理知識,請關(guān)注風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)其它內(nèi)容。
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