风力发电科普知识

风力发电科普知识筷子消毒器（二）

佚名

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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。之后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。

什么是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。由于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，这取决于它的设计是配合强风地带（配较大型发电机）或弱风地带（配较小型发电机连体滑雪服）。

典型风力发电机各部件介绍

我们以目前使用最为广泛的水平轴风力发电机为例关于其结构作一介绍 , 它主要由叶轮，调速或限速装置，偏航系统，传动机构，发电机系统，塔架等组成：叶轮：

风力机区别于其他机械的最主要特征就是叶轮。叶轮一般由 2～3 个叶片和轮毂所组成 , 其功能是将风能转换为机械能．除小型风力机的叶片部分采用木质材料外, 中、大型风力机的叶片都采用玻璃纤维或高强度复合材料制成。风力机叶片都要装在轮毂上。轮毂是叶轮的枢纽, 也是叶片根部与主轴的连接件。所有从叶片传来的力 , 都通过轮毂传递到传动系统, 再传到风力机驱动的对象。同时轮毂也是控制叶片桨距( 使叶片作俯仰转动 ) 的所在。轮毂的作用是连接叶片和低速轴，要求能承受大的，复杂的载荷。中小型风机常采用刚性连接，兆瓦级风力机常采用跷跷板连接方式。

调速或限速装置：

在很多情况下 , 要求风力机不论风速如何变化转速总保持恒定或不超过某一限定值 ,为此目的而采用了调速或限速装置。当风速过高时 , 这些装置还用来限制功率虚拟房间 , 并减小作用在叶片上的力。调速或限速装置有各种各样的类型 , 但从原理上来看大致有三类: 一类是使叶轮偏离主风向, 另一类是利用气动阻力, 第三类是改变叶片的桨距角。

偏航系统：

为了让叶轮能自然地对准风向, 通常风机都会采用调向装置 , 对大型风力发电机组而言, 一般采用的是电动机驱动的风向跟踪系统。整个偏航系统由电动机及减速机构、偏航调节系统和扭缆保护装置等部分组成。偏航调节系统包括风向标和偏航系统调节软件。风向标对应每一个风向都有一个相应的脉冲输出信号, 通过偏航系统软件确定其偏航方向和偏航角度,然后将偏航信号放大传送给电动机, 通过减速机构转动风力机平台 , 直到对准风向为止。

风机的传动系统一般包括低速轴、高速轴、齿轮箱、联轴节和制动器等。但不是每一种风机都必须具备所有这些环节。有些风机的轮毂直接连接到齿轮箱上 , 不需要低速传动轴。也有一些风机设计成无齿轮箱的, 叶轮直接连接到发电机。

叶轮叶片产生的机械能由机舱里的传动系统传递给发电机，它包括一个齿轮箱、离合器和一个能使风力机在停止运行时的紧急情况下复位的刹车系统。齿轮箱用于增加叶轮转速，从20~50 转/分到1000~1500 转/分，后者是驱动大多数发电机所需的转速。齿轮箱可以是一个简单的平行轴齿轮箱，其中输出轴是不同轴的，或者它也可以是较昂贵的一种，允许输入、输出轴共线，使结构更紧凑。传动系统要按输出功率和最大动态扭矩载荷来设计。由于叶轮功率输出有波动，一些设计者试图通过增加机械适应性和缓冲驱动来控制动态载荷，这对大型的风力发电机来说是非常重要的，因其动态载荷很大，而且感应发电机的缓冲余地比小型风力机的小。

风力发电包含了由风能到机械能和由机械能到电能两个能量转换过程，发电机及其控制系统承担了后一种能量转换任务。恒速恒频发电机系统一般来说比较简单，所采用的发电机主要有两种，即同步发电机和鼠笼型感应发电机。变速恒频发电机系统是20世纪70年代中期以后逐渐发展起来的一种新型风力发电系统，其主要优点在于叶轮以变速运行，可以在很宽的风速范围内保持近乎恒定的最佳叶尖速比，从而提高了风力机的运行效率，从风中获取的能量可以比恒速风力机高得多。此外，这种风机在结构上和实用中还有很多的优越性。利用电力电子学是实现变速运行最佳化的最好方法之一，虽然与恒速恒频系统相比可能使风电转换装置的电气部分变得较为复杂和昂贵，但电气部分的成本在中、大型风力发电机组中所占比例不大，因而发展中、大型变速恒频风电机组受到很多国家的重视。

（恒速）同步发电机：

（恒速）同步发电机的优先是励磁系统可控制发电机的电压和无功功率，发电机效率高。同步电机要通过同步设备的整步操作达到准同步并网（并网困难），由于风速变化大，以及同步发电机要求转速恒定，风力机必需装有良好的变桨距调节机构。

（恒速）异步发电机：异步发电机结构简单，坚固，造价低，异步发电机投入系统运行时，由于是靠转差率来调节负荷，因此对机组的调节精度要求不高，不需要同步设备的整步操作，只五方通话系统要转速接近同步速时就可并网，且并网后不会产生振荡和失步。缺点是并网时冲击电流幅值大，不能产生无功功率。

塔架：

风力机的塔架除了要支撑风力机的重量 , 还要承受吹向风力机和塔架的风压, 以及风力机运行中的动载荷。它的刚度和风力机的振动有密切关系。水平轴风力发电机的塔架主要可分为管柱型和桁架型两类, 管柱型塔架可从最简单的木杆 , 一直到大型钢管和混凝土管柱。小型风力机塔杆为了增加抗弯矩的能力 , 可以用拉线来加强。中、大型塔杆为了运输方便, 可以将钢管分成几段。一般圆柱形塔架对风的阻力较小, 特别是对于下风向风力机,产生紊流的影响要比桁架式塔架小。桁架式塔架常用于中小型风力机上, 水晶笔筒其优点是造价不高, 运输也方便。但这种塔架会使下风向风力机的叶片产生很大的紊流。

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 " 动叶轮叶片，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，令叶轮旋转并不断横切风流。风力发电机的叶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∶叶轮、机舱和塔架。大型与电网接驳的风力发电机的最常见的结构，是横轴式三叶片叶轮，并安装在直立管状塔杆上。叶轮叶片由复合材料制造。不像小型风力发电机，大型风电机的叶轮转动相当慢。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，叶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叶轮自动转向，面向来风。叶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（从而限制叶轮所承受压力）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叶片的气流产生扰流，令叶轮失速。当风力过强时，叶片尾部制动装置会动作，令叶轮剎车。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，从而改变叶轮的空气动力性能。当风力过强时，叶片转动至迎气边缘面向来风，从而令叶轮剎车。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。

我国现阶段主要风力发电机型的发电过程

基因调控网络目前，在我国得到广泛使用的风力发电机主要是水平轴式风力发电机，水平轴式风力发电机是目前技术最成熟、生产量最多的一种形式。它由叶轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件所组成。从大的结构划分来说，风力发电机可由叶轮和发电机两部分构成，空气流动的动能作用在叶轮上，将动能转换成机械能 , 从而推动叶轮旋转。这样就通过叶轮将风能转换为机械能，低速转动的叶轮通过传动系统由增速齿轮箱增速，将动力传递给发电机，然后由高速转动的机械能经过电机转变成电能。在这里齿轮箱可以将很低的叶轮转速（600千瓦的风机通常为27转/分）变为很高的发电机转速（通常为 1500转/分）。同时也使得发电机易于控制，实现稳定的频率和电压输出。

整个机舱由高大的塔架举起，由于风向经常变化，为了有效地利用风能，还安装有迎风装置，它根据风向传感器测得的风向信号，由控制器控制偏航电机，驱动与塔架上大齿轮啮合的小齿轮转动，使机舱始终对风（注：一般600千瓦的风机机舱总重20多吨），所以偏航系统的作用就是可以使叶轮扫掠面积总是垂直于主风向。

直驱式风力发电机组的特点

直驱式风力发电机组在我国是一种新型的产品，但在国外已经发展了很长时间。目前我国在直驱式风机中系统的研究相对传统机型较少，但开发直驱式风力发电机组也是我国日后风机制造的趋势之一。直驱永磁风力发电机取消了沉重的增速齿轮箱，发电机轴直接连接到叶轮轴上，转子的转速随风速而改变，其交流电的频率也随之变化，经过置于地面的大功率电力电子变换器，将频率不定的交流电整流成直流电，再逆变成与电网同频率的交流电输出。另外一些无齿轮箱直驱风力发电机，沿用低速多极永磁发电机，并使用一台全功率变频器将频率变化的风电送入电网。直接驱动式风力发电机组由于没有齿轮箱，零部件数量相对传统风电机组要少得多。我国主要的直驱型风力发电机组采用水平轴、三叶片、上风向、变桨距调节、直接驱动、永磁同步发电机并网的总体设计方案，相对于传统的异步发电机组其优点如下：

（1）由于传动系统部件的减少，提高了风力发电机组的可靠性和可利用率；

（2）永磁发电技术及变速恒频技术的采用提高了风电机组的效率；

（3）机械传动部件的减少降低了风力发电机组的噪音；

（4）可靠性的提高降低了风力发电机组的运行维护成本；

（5）机械传动部件的减少降低了机械损失，提高了整机效率；

（6）利用变速恒频技术，可以进行无功补偿；

（7）由于减少了部件数量，使整机的生产周期大大缩短。

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