風(fēng)力發(fā)電原理及風(fēng)力發(fā)電的工藝流程

1、風(fēng)力發(fā)電原理及風(fēng)力發(fā)電的工藝流程風(fēng)力發(fā)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H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O1 / 12礎(chǔ)發(fā)展出來的O1 / 12風(fēng)力發(fā)電原理及風(fēng)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(fēng)輪直徑達(dá)

2、到約90米的風(fēng)力發(fā)電機(jī)（例如Vestas V90 3.0 兆瓦風(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)計的風(fēng)力 發(fā)電機(jī)，已經(jīng)完成設(shè)計并制成原型機(jī)。例如RE Power公司設(shè)計的風(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算。能量=1/2 X 質(zhì)量X （ 速度）八2吹過特定面積的風(fēng)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(fēng)力發(fā)電原理及風(fēng)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(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

4、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3 / 12風(fēng)力發(fā)電原理及風(fēng)力發(fā)電的工藝流程見的結(jié)構(gòu)，是橫軸式三葉片風(fēng)輪，并安裝在直 立管狀塔桿上。塔桿基座（上圖 來源： 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)動相當(dāng)慢。比較 簡單的風(fēng)力發(fā)電機(jī)是采用固定速度

5、的。通常采 用兩個不同的速度-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)計一般是可變速的（比如Vest as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4 / 12風(fēng)力發(fā)電原理及風(fēng)力發(fā)電的工藝流程速的風(fēng)電機(jī)設(shè)計比起定速風(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

6、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，業(yè)片尾部制動裝 置會動作，令風(fēng)輪剎車。使用斜角調(diào)節(jié)的風(fēng)電 機(jī)，每片葉片能夠以縱向為軸而旋轉(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5

7、 / 12風(fēng)力發(fā)電原理及風(fēng)力發(fā)電的工藝流程動力性能。當(dāng)風(fēng)力過強(qiáng)時，葉片轉(zhuǎn)動至迎氣邊 緣面向來風(fēng)，從而令風(fēng)輪剎車葉片中嵌入了避雷條，當(dāng)葉片遭到雷擊時，可將閃電中的電流引導(dǎo)到地下去O超聲浪風(fēng)傳感器后維修用吊車OO超聲浪風(fēng)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(jī)。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(fēng)輪褪定系統(tǒng)藥液壓控制單元小扭起臂每機(jī)艙底座碟式機(jī)械制動器母偏骯齒輪埠復(fù)合型碟式偶合器上圖：Vestas V52-850 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6 / 12風(fēng)力發(fā)電原理及風(fēng)力發(fā)電的工藝流程在風(fēng)速

8、很低的時候，風(fēng)電機(jī)風(fēng)輪會保持不動。當(dāng)?shù)竭_(dá)切入風(fēng)速時（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，風(fēng)電機(jī)會輸出其額定功率。之彳爰 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)速的時候，風(fēng)電機(jī)會剎車，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。7 / 12風(fēng)力發(fā)電原理及風(fēng)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(fēng)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(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8 / 12風(fēng)力發(fā)電原理及風(fēng)力發(fā)電的工藝流程風(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

10、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 為它可以收集不同來向的風(fēng)能。橫軸式風(fēng)電機(jī)在世界上占主流位置。9 / 12風(fēng)力發(fā)電原理及風(fēng)力發(fā)電的工藝流程逆風(fēng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和

11、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 背彳爰吹來。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10 / 12風(fēng)力發(fā)電原理及風(fēng)力發(fā)電的工藝流程岸上風(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)重減低彳爰排風(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、西班牙、美國、印度和丹麥?zhǔn)?以風(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