风力发电原理及风力发电的工艺流程

 

   

1.原理

     把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。 风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。

    

2.风力发电装置组成

     风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。这种风力发电机组，大体上可分风轮(包括尾舵)、发电机和铁塔三部分。（大型风力发电站基本上没有尾舵，一般只有小型（包括家用型）才会拥有尾舵）

2.1 风轮

风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只(或更多只)螺旋桨形的叶轮组成。当风吹向浆叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。桨叶的材料要求强度高、重量轻，目前多用玻璃钢或其它复合材料(如碳纤维)来制造。（现在还有一些垂直风轮，s型旋转叶片等，其作用也与常规螺旋桨型叶片相同）

由于风轮的转速比较低，而且风力的大小和方向经常变化着，这又使转速不稳定；所以，在带动发电机之前，还必须附加一个把转速提高到发电机额定转速的齿轮变速箱，再加一个调速机构使转速保持稳定，然后再联接到发电机上。为保持风轮始终对准风向以获得最大的功率，还需在风轮的后面装一个类似风向标的尾舵。

2.2 铁塔

铁塔是支承风轮、尾舵和发电机的构架。它一般修建得比较高，为的是获得较大的和较均匀的风力，又要有足够的强度。铁塔高度视地面障碍物对风速影响的情况，以及风轮的直径大小而定，一般在6-20米范围内。

2.3 发电机

     发电机的作用，是把由风轮得到的恒定转速，通过升速传递给发电机构均匀运转，因而把机械能转变为电能。

1.风电机群

2.集电部分

3.升压变电站(陆上可能多于一级升压，海上可能有集控中心)

升压变压器

无功补偿装置（电容器、电抗器、静止无功补偿装置、滤波器）

4.风电场管理系统

    

由风电机群组成的风电场A、升压变电站B和输电线路L组成的并网型风力发电系统，是将风电电力通过PCC节点送入电力网络，再供给用户。PCC节点是风电场与电网的连接点，又称公共连接点。通常在升压变电站出口第一个电杆位置，有时也可设置在线路的末端。

    4.1结构

  它通常由风轮（含叶片、轮毂等）、传动系统（主轴、主轴承、齿轮箱和连接轴、机械刹车）、偏航系统、电气系统（发电机、控制系统、电容补偿柜和变压器）和机舱等组成。

    4.2原理

首先通过风轮把风能转换为机械能，进而借助于发电机再把机械能转化为电能。由于风轮的转速一般比较低（每分钟几转到数十转），而发电机的转速通常很高（一般每分钟超过1000转），因此需要通过齿轮箱变速。 

  

  4.3 组成部件

由桨叶，轮毂，主轴，桨距调节机构（电动伺服机构），偏航机构（电动伺服机构），刹车、制动机构，风速传感器，发电机，并网开关，软并网装置，变频器，控制系统，无功补偿设备主变压器，转速传感器组成。

5、风电机组用异步机的特性曲线

 

 

    异步机在超同步状态下（发电机）与次同步状态下（电动机）的电磁转矩是反向的；无功功率无论在超同步还是次同步状态随着转差绝对值的增加而增加，输出的有功功率越大、转速越高时，其吸收的无功功率就越大。

6、空气动力学模型与轴系模型

 6.1空气动力学模型

   

 

 

桨距角控制：

 

    要保持最优叶尖速比，需根据风速变化调节风电机组的转速，因此，只有变速运行才能保证风力机捕获的风能最大、效率最高。

V R / ω λ=　　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 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 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 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 Industry Association )

　　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 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 ， 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 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 。

 

　　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 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 。

 

　　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 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 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 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 、 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 。