風(fēng)力發(fā)電科普知識(shí)

1、風(fēng)力發(fā)電科普知識(shí) （二）佚名    上接 風(fēng)力發(fā)電科普知識(shí) （一） 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率曲線(xiàn) 在風(fēng)速很低的時(shí)候，風(fēng)電機(jī)風(fēng)輪會(huì)保持不動(dòng)。當(dāng)?shù)竭_(dá)切入風(fēng)速時(shí)（通常每秒3到4米 ），風(fēng)輪開(kāi)始旋轉(zhuǎn)并牽引發(fā)電機(jī)開(kāi)始發(fā)電。隨著風(fēng)力越來(lái)越強(qiáng) ， 輸出功率會(huì)增加。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到額定 風(fēng)速時(shí)，風(fēng)電機(jī)會(huì)輸出其額定功率。之后輸出功率會(huì)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(shí)候，風(fēng)電機(jī)會(huì)剎車(chē)，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(xiàn)來(lái)表達(dá) 。 功率曲線(xiàn)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。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

2、用風(fēng)電機(jī) 的功率曲線(xiàn)和該地點(diǎn)的風(fēng)力資料以進(jìn)行產(chǎn)電量估算。 什么是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定輸出功率 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。 由于能量與風(fēng)速的立方 成正比，因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率會(huì)隨風(fēng)速變化會(huì)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，這取決于它的設(shè)計(jì)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) ）。 典型風(fēng)力發(fā)電機(jī)各部件介紹 我們以目前使用最為廣 泛的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例關(guān)于其結(jié)構(gòu)作一 介紹 , 它主要由葉輪，調(diào)速或限速裝置，偏航系統(tǒng)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，塔架等組成：葉輪：

3、風(fēng)力機(jī)區(qū)別于其他機(jī)械的最主要特征就是葉輪。葉輪一般由 23 個(gè)葉片和輪轂所組成 , 其功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能除小型風(fēng)力機(jī)的葉片部分采用木質(zhì)材料外, 中、大 型風(fēng)力機(jī)的葉片都采用玻璃纖維或高強(qiáng)度復(fù)合材料制成。風(fēng)力機(jī)葉片都要裝在輪轂上。輪轂是葉輪的樞紐, 也是葉片根部與主軸的連接件。所有從葉片傳來(lái)的力 , 都通過(guò)輪轂傳遞到傳動(dòng)系統(tǒng), 再傳到風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)的對(duì)象。同時(shí)輪轂也是控制葉片槳距( 使葉片作俯仰轉(zhuǎn)動(dòng) ) 的所在。輪轂的作用是連接葉片和低速軸，要求能承受大的，復(fù)雜的載荷。中小型風(fēng)機(jī)常采用剛性連接，兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)常采用蹺蹺板連接方式。 調(diào)速或限速裝置：在很多情況下 , 要求風(fēng)力機(jī)不論風(fēng)速如何變化轉(zhuǎn)速

4、總保持恒定或不超過(guò)某一限定值 ,為此 目的而采用了調(diào)速或限速裝置。當(dāng)風(fēng)速過(guò)高時(shí) , 這些裝置還用來(lái)限制功率 , 并減小作用在葉片上的力。調(diào)速或限速裝置有各種各樣的類(lèi)型 , 但從原理上來(lái)看大致有三類(lèi): 一類(lèi)是使 葉輪偏離主風(fēng)向, 另一類(lèi)是利用氣動(dòng)阻力, 第三類(lèi)是改變?nèi)~片的槳距角。 偏航系統(tǒng)： 為了讓葉輪能自然地對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向, 通常風(fēng)機(jī)都會(huì)采用調(diào)向裝置 , 對(duì)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 而言, 一般采用的是電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)向跟蹤系統(tǒng)。整個(gè)偏航系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)及減速機(jī)構(gòu)、偏航調(diào)節(jié)系統(tǒng) 和扭纜保護(hù)裝置等部分組成。偏航調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括風(fēng)向標(biāo)和偏航系統(tǒng)調(diào)節(jié)軟件。 風(fēng)向標(biāo)對(duì)應(yīng)每一個(gè)風(fēng)向都有一個(gè)相應(yīng)的脈沖輸 出 信號(hào), 通過(guò)偏航系統(tǒng)

5、軟件確定其 偏 航方向和偏航角度,然后將偏航信號(hào)放大傳送給電動(dòng)機(jī), 通過(guò)減速機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)力機(jī)平臺(tái) , 直到對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向?yàn)橹埂?風(fēng)機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)一般包括低速軸、高速軸、齒輪箱、聯(lián)軸節(jié)和制動(dòng)器等。 但不是每一種風(fēng)機(jī)都必須具備所有這些環(huán)節(jié)。有些風(fēng)機(jī)的輪轂直接連接到齒輪箱上 , 不需要低速傳動(dòng)軸。也有一些風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)成無(wú)齒輪箱的, 葉輪直接連接到發(fā)電機(jī)。 葉輪葉片產(chǎn)生的機(jī)械能由機(jī)艙里的傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞給發(fā)電機(jī)，它包括一個(gè)齒輪箱 、離合器和一個(gè)能使風(fēng)力機(jī)在停止運(yùn)行時(shí)的緊急情況下復(fù)位的剎車(chē)系統(tǒng) 。齒輪箱用于增加葉輪轉(zhuǎn)速，從2050 轉(zhuǎn)/分到10001500 轉(zhuǎn)/分，后者是驅(qū)動(dòng)大多數(shù)發(fā)電機(jī)所需的轉(zhuǎn)速。齒輪箱可以是一個(gè) 簡(jiǎn)單

6、的平行軸齒輪箱，其中輸出軸是不同軸的，或者它也可以是較昂貴的一種，允許輸入、輸出軸共線(xiàn)，使結(jié)構(gòu)更緊湊。傳動(dòng)系統(tǒng)要按輸出功率和最大動(dòng)態(tài)扭矩載荷 來(lái)設(shè)計(jì)。由于葉輪 功率輸出有波動(dòng)，一些設(shè)計(jì)者試圖通過(guò)增加機(jī)械適應(yīng)性和緩沖驅(qū)動(dòng)來(lái)控制動(dòng)態(tài)載荷，這對(duì)大型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)是非常重要的，因其動(dòng)態(tài)載荷很大，而且感應(yīng)發(fā)電機(jī) 的緩沖余地比小型風(fēng)力機(jī)的小。 風(fēng)力發(fā)電包含了由風(fēng)能到機(jī)械能和由機(jī)械能到電能兩個(gè)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)承擔(dān)了后一種能量轉(zhuǎn)換任務(wù)。恒速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)一般來(lái)說(shuō)比 較簡(jiǎn)單，所采用的發(fā)電機(jī)主要有兩種，即同步發(fā)電機(jī)和鼠籠型感應(yīng)發(fā)電機(jī)。變速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是20世紀(jì)70年代中期以后逐漸發(fā)展起來(lái)的一種

7、新型風(fēng)力發(fā)電系 統(tǒng)，其主要優(yōu)點(diǎn)在于葉輪以變速運(yùn)行，可以在很寬 的風(fēng)速范圍內(nèi)保持近乎恒定的最佳葉尖速比，從而提高了風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行效率，從風(fēng)中獲取的 能量可以比恒速風(fēng)力機(jī)高得多。此外，這種風(fēng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上和實(shí)用中還有很多的優(yōu)越性。利用 電力電子學(xué)是實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行最佳化的最好方法之一，雖然與恒速恒頻系統(tǒng)相比可能使風(fēng)電轉(zhuǎn)換裝置的電氣部分變得較為復(fù)雜和昂貴，但電氣部分的成本在中、大型風(fēng) 力發(fā)電機(jī)組中所占比例不大，因而發(fā)展中、大型變速恒頻風(fēng)電機(jī)組受到很多國(guó)家的重視。 （恒速）同步發(fā)電機(jī)： （恒速）同步發(fā)電機(jī)的優(yōu)先是勵(lì)磁系統(tǒng)可控制發(fā)電機(jī)的電壓和無(wú)功功率，發(fā)電機(jī)效率高 。同步電機(jī)要通過(guò)同步設(shè)備的整步操作達(dá)到準(zhǔn)同步并網(wǎng)

8、（并網(wǎng)困難），由于風(fēng)速變化大，以及同 步發(fā)電機(jī)要求轉(zhuǎn)速恒定，風(fēng)力機(jī)必需裝有良好的變槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。 （恒速）異步發(fā)電機(jī)： 異步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固，造價(jià)低，異步發(fā)電機(jī)投入系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由于是靠轉(zhuǎn)差率來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)荷，因此對(duì)機(jī)組的調(diào)節(jié)精度要求不高，不需要同步設(shè)備的整步操作，只 要轉(zhuǎn)速接近同步速 時(shí)就可并網(wǎng)，且并網(wǎng)后不會(huì)產(chǎn)生振蕩和失步。缺點(diǎn)是并網(wǎng)時(shí)沖擊電流幅值大，不能產(chǎn)生無(wú)功功率。 塔架： 風(fēng)力機(jī)的塔架除了要支撐風(fēng)力機(jī)的重量 , 還要承受吹向風(fēng)力機(jī)和塔架的風(fēng)壓, 以及風(fēng)力機(jī) 運(yùn)行中的動(dòng)載荷。它的剛度和風(fēng)力機(jī)的振動(dòng)有密切關(guān)系。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的塔架主要可分 為管柱型和桁架型兩類(lèi), 管柱型塔架可從最簡(jiǎn)單的木桿

9、, 一直到大型鋼管和混凝土管柱。 小型風(fēng)力機(jī)塔桿為了增加 抗 彎矩的能力 , 可以用拉 線(xiàn) 來(lái)加強(qiáng)。中、大型塔桿為了運(yùn)輸 方便, 可以將鋼管分成幾段 。 一般圓柱形塔架對(duì)風(fēng)的阻力較小, 特別是對(duì)于下風(fēng)向風(fēng)力機(jī),產(chǎn)生紊流的影響要比桁架式塔架小。桁架式塔架常用于中小型風(fēng)力機(jī)上, 其優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)不高, 運(yùn)輸也方便。 但這種塔架會(huì)使下風(fēng)向風(fēng)力機(jī)的葉片產(chǎn)生很大的紊流。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(dòng)力學(xué)原理，就像飛機(jī)的機(jī)翼一樣。風(fēng)并非 " 推 " 動(dòng)葉輪葉片，而是吹過(guò)葉片形成葉片正反面的壓差，這種壓差會(huì)產(chǎn)生升力，令葉輪旋轉(zhuǎn)并不斷橫切風(fēng)流。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉輪并不能提取風(fēng)的所有

10、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)主要包含三部分葉輪、機(jī)艙和塔架。大型與電網(wǎng)接駁的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)，是橫軸式三葉片葉輪，并 安裝在直立管狀塔桿上。葉輪葉片由復(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)的葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)相當(dāng)慢。比較簡(jiǎn)單的風(fēng)力發(fā)電機(jī)是采用固定速度的。通常采用兩個(gè) 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(jì)一般是可變速的（比如Vestas公司的V52-850千瓦風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為每分鐘 14

11、 轉(zhuǎn)到每分鐘 31.4轉(zhuǎn)）。利用 可 變速操作，葉輪的空氣動(dòng)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，變速的風(fēng)電機(jī)設(shè)計(jì)比起定速風(fēng)電機(jī)，越來(lái)越受歡迎。 機(jī)艙上安裝的感測(cè)器探測(cè)風(fēng)向，透過(guò)轉(zhuǎn)向機(jī)械裝置令機(jī)艙和葉輪自動(dòng)轉(zhuǎn)向，面向來(lái)風(fēng)。葉輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)齒輪變速箱傳送到機(jī)艙內(nèi)的發(fā)電機(jī)（如果沒(méi)有 齒輪變速箱則直接傳送到發(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(guò)，為風(fēng)電機(jī)而設(shè) 計(jì)的多極 直接驅(qū)動(dòng)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

12、變的。強(qiáng)風(fēng)下最常見(jiàn)的兩種限制功率輸出的方法（從而限制葉輪所承受壓力）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(guò)額定風(fēng) 速的強(qiáng)風(fēng)會(huì)導(dǎo)致通過(guò)葉片的氣流產(chǎn)生擾流，令葉輪失速。當(dāng)風(fēng)力過(guò)強(qiáng)時(shí)，葉片尾部制動(dòng)裝置 會(huì)動(dòng)作，令葉輪剎車(chē)。使用斜角調(diào)節(jié)的風(fēng)電機(jī)，每片葉片能夠以縱向?yàn)檩S而旋轉(zhuǎn)，葉片角度隨著風(fēng)速不同而轉(zhuǎn)變，從而改變?nèi)~輪的空氣動(dòng)力性能。當(dāng)風(fēng)力過(guò)強(qiáng)時(shí)，葉 片轉(zhuǎn)動(dòng)至迎氣邊緣 面向來(lái)風(fēng)，從而令葉輪剎車(chē)。葉片中嵌入了避雷條，當(dāng)葉片遭到雷擊時(shí)，可將閃電中的電流引導(dǎo)到地下去。我國(guó)現(xiàn)階段主要風(fēng)力發(fā)電機(jī)型的發(fā)電過(guò)程 目前，在我國(guó)得到廣泛使用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要是水 平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)是目前技術(shù)最成

13、熟、生產(chǎn)量最多的一種形式。它由葉輪、增速齒輪箱、發(fā)電機(jī)、偏航裝置、控制系統(tǒng)、塔架等部件所組成。 從大的結(jié)構(gòu)劃分來(lái)說(shuō)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)可由葉輪和發(fā)電機(jī)兩部分構(gòu)成，空氣流動(dòng)的動(dòng)能作用在葉輪上，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能 , 從而推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn) 。 這樣就通過(guò)葉輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，低速轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)由增速齒輪箱增速 ， 將動(dòng)力傳遞 給發(fā)電機(jī)，然后由高速轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能經(jīng)過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)變成電能。在這里齒輪箱可以將很低的葉輪 轉(zhuǎn)速（600千瓦的風(fēng)機(jī)通常為27轉(zhuǎn)/分）變?yōu)楹芨叩陌l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速（通常為 1500轉(zhuǎn)/分） 。同 時(shí)也使得發(fā)電機(jī)易于控制，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的頻率和電壓輸出。 整個(gè)機(jī)艙由高大的塔架舉起，由于風(fēng)向經(jīng)常變化，為了有

14、效地利用風(fēng)能，還安裝有迎風(fēng)裝置，它根據(jù)風(fēng)向傳感器測(cè)得的 風(fēng)向信號(hào)，由控制器控制偏航電機(jī)，驅(qū)動(dòng)與塔架上大齒輪嚙合的小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使機(jī)艙始終對(duì)風(fēng)（注：一般600千瓦的風(fēng)機(jī)機(jī)艙總重20多噸），所以偏航系統(tǒng)的作 用就是可以使葉輪掃掠面積總是垂直于主風(fēng)向。  直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn) 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在我國(guó)是一種新型的產(chǎn)品，但在國(guó)外已經(jīng)發(fā)展了很長(zhǎng)時(shí)間。目前我國(guó)在直驅(qū)式風(fēng)機(jī)中系統(tǒng)的研究相對(duì)傳 統(tǒng)機(jī)型較少，但開(kāi)發(fā)直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組也是我國(guó)日 后風(fēng)機(jī)制造的趨勢(shì)之一。直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)取消了沉重的增速齒輪箱，發(fā)電機(jī)軸直接連接到葉輪軸上，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速而改變，其交流電的頻率也隨之變化，經(jīng) 過(guò)置于地面的大功率電力電子變換器，將頻率不定的交流電整流成直流電，再逆變成與電網(wǎng)同頻率的交流電輸出。另外一些無(wú)齒輪 箱直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，沿用低速多極永磁發(fā)電機(jī)，并使用一臺(tái)全功率變頻器將頻率變化的風(fēng)電 送入電網(wǎng)。直接驅(qū)動(dòng)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由于沒(méi)有齒輪箱，零部件數(shù)量相對(duì)傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組要少得多。我國(guó)主要的直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用水平軸、三葉片、上風(fēng)向、變槳 距調(diào)節(jié)、直接驅(qū)動(dòng)、永磁同