文档介绍：风力发电机是如何运行
风力发电机工作原理简单的说是:风的动能(即空气的动能)转化成发电机转子的动能,转子的动能又转化成电能。
风力发电机工作原理是利用风能可再生能源的部分。由 1995 年到 2005 年之间的年增长率为 % 。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。
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的。
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 兆瓦风电机, Nordex N90 兆瓦风电机等等) , 甚至有些直径达 100 米( 如 GE 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。
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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 ( 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 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) 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 % 。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 % 。大多数风电机只能提取风的功率的 40% 或者更少。
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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。
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 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