风力发电原理

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1、发电风力发电机最初出现在十九世纪末。自二十世纪八十年代起，这项技术不断发展并日渐成熟，适合工业应用。近二 三十年，典型的风力发电机的风轮直径不断增大，而额定功 率也不断提升。在二十一 世纪00 年代 初，风 力 发 电机最具 经济 效益 的额定 输出功率 范围 在600 千瓦至 750 千瓦 之 间，而风 轮 直径则 在40 米 至 47 米 之 间 。 当 时 所 有 制 造 商 都 有 生 产 这 类 风 力 发 电 机 。 新一代的兆瓦级风力发电机是以这类机种作为基础发展出来而风轮直径达到约90米的风力发电机（例如Vestas V90 3.0兆瓦风 电 机 ， Nordex N90 2.

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 功 率 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

3、（速度厂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 （速度厂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

4、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) 风 力 发 电 机 的 工 作 原 理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

5、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。（上图 来源： Danish Wind IndustryAssociation） 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 V5

6、2-850 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

7、 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。O超芦減凤隹感器叶

8、片轴顽転碟式机揃制动器em用吊车0带变频黠的VMF应部 控制器主轴锁风乾邈走丟统曲偏航齿轮曲液压控制单元复合型碟式偶合器曰发电机为扭拒臂Q斜角调节液压缸住叶片轮壳上 图 ： Vestas V52-850 千 瓦 风 力 发 电 机 机 舱 内 的 组 成 部 份（来源：Vestas ）3）风 力 发 电 机 的 功 率 曲 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

9、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。功率曲线V52-850 kWOOOOOODOOO098765432 1僞卄)爲去l02.0dB) 100,0 dB(A)101.0 dBA)103 0 dB(A)1 04.2 dE(A)上 图 ： V52-850 千 瓦 风 力 发 电 机 於 不 同 噪 音 级 别 下 的 工 作 曲 线（噪音级别可透过改变风力发电机的转速而改变）（来源：Vestas ）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

10、估算。（ 在大型风力发电机-资源潜力部分有更多相关资讯）4）风 力 发 电 机 的 额 定 输 出 功 率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）风 力 发 电 机 的 主 要 种 类 横轴风力发电机和竖轴风力发电机 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

11、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。逆风风力发电机和顺风风力发电机逆风风电机是一种风轮面向来风的横轴式风电机。而对於 顺风风电机，来风是从风轮的背後吹来。大多数的风力发电 机是逆风式的。单叶片、双叶片和三叶片风力发电机 叶片的数目由很多因素决定，其中包括空气动力效率、复 杂度、成本、噪音、美学要求等等。大型风力发电机可由1、 2或者3片叶片构成。叶片较少的风力发电机通常需要更高的转速以提取风中的 能量，因此噪音比较大。而如果叶片太多，它们之间会相互

12、作用而降低系统效率。目前3叶片风电机是主流。从美学角度 上看，3叶片的风电机看上去较为平衡和美观。6) 岸 上 风 电 场 岸上风电系统可以是仅有一台风电机，或者由多台风电机 器线性排列或方阵排列形成风电场。风电场的风力发电机相互之间需要有足够的距离，以免造 成过强的湍流相互影响，或由於尾流效应而严重减低後排 风电机的功率输出。为了配合运送大型设备(特别是叶片)到安装现场，须要 建设道路。另外亦须要建设输电线，把风电场的输出连接到 电网接入点。7) 世 界 各 地 的 风 力 发 电 装 置到 2005 年 底 ， 世 界 总 风 力 发 电 装 机 容 量 达 58 千 兆 瓦 。 德 国

13、、 西班牙、美国、印度和丹麦是以风力发电装机容量来算前几 名 的 国 家 。 在 丹 麦 ， 风 能 发 电 提 供 该 国 总 用 电 量 的 20 。 香 港 第 一 台 大 型 风 力 发 电 机 是 由 香 港 电 灯 集 团 於 2005 年 末 安 装 在 南 丫 岛 上 ，并 於 2006 年 二 月 正 式 启 用 。该 机 额 定 输 出 功 率 为 800 千 瓦 。风 能 是 可 再 生 能 源 发 展 中 最 快 的 部 分 。 由 1995 年 到 2005 年 之 间 的 年 增 长 率 为 28.5 。 根 据 德 国 风 能 会 （ DEWI ） 的 估 计 ， 风 能 发 电 的 年 增 长 率 将 保 持 高 增 长 率 ， 在 2012 年 或 之 前 全 球 风 力 发 电 装 机 容 量 可 能 达 到 150 千 兆 瓦