風(fēng)電場(chǎng)主要設(shè)備介紹及其基本理論

風(fēng)電場(chǎng)主要設(shè)備介紹及其基本理論1風(fēng)力發(fā)電機(jī)的類型風(fēng)力發(fā)電機(jī)多種多樣，歸納起來可分為兩類：①水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向平行；②垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直于地面或者氣流方向。1.1水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)可分為升力型和阻力型兩類。升力型風(fēng)力發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度快，阻力型旋轉(zhuǎn)速度慢。對(duì)于風(fēng)力發(fā)電，多采用升力型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。大多數(shù)水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有對(duì)風(fēng)裝置，能隨風(fēng)向改變而轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，這種對(duì)風(fēng)裝置采用尾舵，而對(duì)于大型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，則利用風(fēng)向傳感元件以及伺服電機(jī)組成的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪在塔架前面的稱為上風(fēng)向風(fēng)力機(jī)，風(fēng)輪在塔架后面的則稱為下風(fēng)向風(fēng)機(jī)。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的式樣很多，有的具有反轉(zhuǎn)葉片的風(fēng)輪，有的在一個(gè)塔架上安裝多個(gè)風(fēng)輪，以便在輸出功率一定的條件下減少塔架的成本，還有的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)在風(fēng)輪周圍產(chǎn)生漩渦，集中氣流，增加氣流速度。1.2垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)在風(fēng)向改變的時(shí)候無需對(duì)風(fēng)，在這點(diǎn)上相對(duì)于水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一大優(yōu)勢(shì)，它不僅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，而且也減少了風(fēng)輪對(duì)風(fēng)時(shí)的陀螺力。利用阻力旋轉(zhuǎn)的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)有幾種類型，其中有純阻力裝置的風(fēng)輪；S型風(fēng)車，具有部分升力，但主要還是阻力裝置。這些裝置有較大的啟動(dòng)力矩，但尖速比低，在風(fēng)輪尺寸、重量和成本一定的情況下，提供的功率輸出低。達(dá)里厄式風(fēng)輪是法國G.J.M達(dá)里厄于19世紀(jì)30年代發(fā)明的。在20世紀(jì)70年代，加拿大國家科學(xué)研究院對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，現(xiàn)在是水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要競(jìng)爭(zhēng)者。達(dá)里厄式風(fēng)輪是一種升力裝置，彎曲葉片的剖面是翼型，它的啟動(dòng)力矩低，但尖速比可以很高，對(duì)于給定的風(fēng)輪重量和成本，有較高的功率輸出?，F(xiàn)在有多種達(dá)里厄式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，如①型，△型，Y型和H型等。這些風(fēng)輪可以設(shè)計(jì)成單葉片，雙葉片，三葉片或者多葉片。其他形式的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)有馬格努斯效應(yīng)風(fēng)輪，它由自旋的圓柱體組成，當(dāng)它在氣流中工作時(shí)，產(chǎn)生的移動(dòng)力是由于馬格努斯效應(yīng)引起的，其大小與風(fēng)速成正比。有的垂直軸風(fēng)輪使用管道或者漩渦發(fā)生器塔，通過套管或者擴(kuò)壓器使水平氣流變成垂直氣流，以增加速度，還可利用太陽能或者燃燒某種燃料，使水平氣流變成垂直方向的氣流。2風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成1）機(jī)艙：機(jī)艙是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備，包括齒輪箱、發(fā)電機(jī)。維護(hù)人員可以通過風(fēng)電機(jī)塔進(jìn)入機(jī)艙。機(jī)艙左端是風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，即轉(zhuǎn)子葉片及軸。2） 轉(zhuǎn)子葉片:捉獲風(fēng)，并將風(fēng)力傳送到轉(zhuǎn)子軸心?，F(xiàn)代600kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)上，每個(gè)轉(zhuǎn)子葉片的測(cè)量長(zhǎng)度大約為20米，而且被設(shè)計(jì)得很像飛機(jī)的機(jī)翼。軸心：轉(zhuǎn)子軸心附著在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的低速軸上。3） 低速軸：風(fēng)力發(fā)電機(jī)的低速軸將轉(zhuǎn)子軸心與齒輪箱連接在一起。在現(xiàn)代600千瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)上，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相當(dāng)慢，大約為19至30轉(zhuǎn)每分鐘。軸中有用于液壓系統(tǒng)的導(dǎo)管，來推動(dòng)空氣動(dòng)力閘的運(yùn)行。4） 齒輪箱：齒輪箱左邊是低速軸，它可以將高速軸轉(zhuǎn)速提高至低速軸轉(zhuǎn)速的50倍。5） 高速軸及其機(jī)械閘：高速軸以1500轉(zhuǎn)每分鐘運(yùn)轉(zhuǎn)，并驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。它裝備有緊急機(jī)械閘，用于空氣動(dòng)力閘失效時(shí)，或風(fēng)力發(fā)電機(jī)被維修時(shí)。6） 發(fā)電機(jī)：通常被稱為感應(yīng)電機(jī)或異步發(fā)電機(jī)。在現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)上，最大電力輸出通常為500kW至1500kW。7） 偏航裝置：借助電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)艙，以使轉(zhuǎn)子正對(duì)風(fēng)向。偏航裝置由電子控制器操作，電子控制器可以通過風(fēng)向標(biāo)來指示風(fēng)向。通常，在風(fēng)改變其方向時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)一次只會(huì)偏轉(zhuǎn)幾度角度。8） 電子控制器：包含一臺(tái)監(jiān)控風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)的計(jì)算機(jī)，并控制偏航裝置。為防止任何故障（即齒輪箱或發(fā)電機(jī)的過熱），該控制器可以自動(dòng)停止風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過電話調(diào)制解調(diào)器來呼叫風(fēng)力發(fā)電機(jī)操作員。9） 液壓系統(tǒng)：用于重置風(fēng)力發(fā)電機(jī)的空氣動(dòng)力閘。冷卻元件：包含一個(gè)風(fēng)扇，用于冷卻發(fā)電機(jī)。此外，它包含一個(gè)油冷卻元件，用于冷卻齒輪箱內(nèi)的油。10） 塔：風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔載有機(jī)艙及轉(zhuǎn)子。通常高的塔具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)殡x地面越高，風(fēng)速越大。11） 風(fēng)速計(jì)及風(fēng)向標(biāo)：用于測(cè)量風(fēng)速及風(fēng)向。3風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本參數(shù)和基本理論3.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本參數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最主要的參數(shù)是風(fēng)輪直徑（對(duì)于垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)來說是風(fēng)輪掃掠面積）和額定功率，成為產(chǎn)品型號(hào)的組成部分：風(fēng)輪直徑（或風(fēng)輪掃掠面積）說明風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠在多大的范圍內(nèi)獲取風(fēng)中蘊(yùn)含的能量，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電能力的重要標(biāo)志。額定功率是與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組配套的發(fā)電機(jī)銘牌功率，其定義式“正常工作條件下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在額定風(fēng)速下設(shè)計(jì)要達(dá)到的最大連續(xù)輸出功率”。風(fēng)輪直徑應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同的風(fēng)況與額定功率匹配，以獲得最大的年發(fā)電量和最低的發(fā)電成本，配置較大直徑風(fēng)輪供低風(fēng)速區(qū)選用，配置較小直徑的風(fēng)輪供高風(fēng)速區(qū)選用。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)品樣本中都有一個(gè)功率曲線圖，橫坐標(biāo)是風(fēng)速，縱坐標(biāo)是機(jī)組的輸出功率。功率曲線主要分為上升和穩(wěn)定兩部分，機(jī)組開始向電網(wǎng)輸出功率時(shí)的風(fēng)速稱為切入風(fēng)速。隨著風(fēng)速的增大，輸出功率上升，輸出功率大約與風(fēng)速的立方成正比，達(dá)到額定功率值時(shí)的風(fēng)速稱為額定風(fēng)速。此后風(fēng)速再增加，由于風(fēng)輪的調(diào)節(jié)，功率基本保持不變。定槳距風(fēng)輪因失速有個(gè)過程，超過額定風(fēng)速后功率略有上升，然后又下降。如果風(fēng)速繼續(xù)增加，為了保護(hù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全，規(guī)定了允許風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行的最大風(fēng)速，稱為切出風(fēng)速。機(jī)組運(yùn)行時(shí)遇到這樣的大風(fēng)必須停機(jī)與電網(wǎng)脫開，輸出功率立刻降為0，功率曲線到此終止。功率曲線的測(cè)試要有專用的測(cè)風(fēng)塔，嚴(yán)格按照國際電工委員會(huì)（IEC）制定的標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行。對(duì)應(yīng)于風(fēng)速的實(shí)測(cè)功率值是很分散的，最終得出的功率曲線是大量實(shí)測(cè)值概率分布按照規(guī)定方法歸納出來的。在風(fēng)電場(chǎng)用記載風(fēng)速儀和功率傳感器測(cè)出的功率曲線是不規(guī)范的，只能作為參考。另外應(yīng)注意樣本上提供的功率曲線是換算成標(biāo)準(zhǔn)空氣密度條件下的數(shù)值，在應(yīng)用時(shí)要考慮現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況。3.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本理論風(fēng)能的基本特征-風(fēng)能的計(jì)算一個(gè)國家的風(fēng)能資源狀況是由該國的地理位置、季節(jié)、地形等特點(diǎn)決定的。目前通常采用的評(píng)價(jià)風(fēng)能資源開發(fā)利用潛力的主要指標(biāo)是有效風(fēng)能密度和年有效風(fēng)速時(shí)數(shù)。有效風(fēng)速是指3?20m/s的風(fēng)速，有效風(fēng)能密度是根據(jù)有效風(fēng)速計(jì)算的風(fēng)能密度。風(fēng)能的大小實(shí)際就是氣流流過的動(dòng)能，總體上說，風(fēng)能大小與風(fēng)速和風(fēng)能密度有關(guān)，但是計(jì)算起來二者不是相等的關(guān)系。必須指出，風(fēng)的能量大小與風(fēng)速是成立方關(guān)系，也就是說，在風(fēng)能密度沒有多大變化時(shí)，風(fēng)速的大小將是風(fēng)能的決定因素。風(fēng)能大小與氣流通過的面積、空氣密度和氣流速度的立方成正比。因此，在風(fēng)能計(jì)算中，最重要的因素是風(fēng)速，風(fēng)速取值準(zhǔn)確與否對(duì)風(fēng)能的估計(jì)有決定性作用，風(fēng)速大1倍，風(fēng)能可以大8倍。各地風(fēng)能資源的多少，主要取決于該地每年刮風(fēng)的時(shí)間長(zhǎng)短和風(fēng)的強(qiáng)度如何。所以在談這個(gè)問題之前要涉及到一些關(guān)于風(fēng)能的最基本知識(shí)，了解風(fēng)的某些特性，例如風(fēng)速、風(fēng)級(jí)、風(fēng)能密度等。風(fēng)能的基本特征--風(fēng)速風(fēng)的大小常用風(fēng)的速度來衡量，風(fēng)速是單位時(shí)間內(nèi)空氣在水平方向上所移動(dòng)的距離。專門測(cè)量風(fēng)速的儀器，有旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速計(jì)、散熱式風(fēng)速計(jì)和聲學(xué)風(fēng)速計(jì)等。它是計(jì)算在單位時(shí)間內(nèi)風(fēng)的行程，常以m/s、km/h、mile/h等來表示。因?yàn)轱L(fēng)是不恒定的，所以風(fēng)速經(jīng)常變化，甚至瞬息萬變。風(fēng)速是風(fēng)速儀在一個(gè)極短時(shí)間內(nèi)測(cè)到的瞬時(shí)風(fēng)速。若在指定的一段時(shí)間內(nèi)測(cè)得多次瞬時(shí)風(fēng)速，將它平均計(jì)算起來，就得到平均風(fēng)速。例如日平均風(fēng)速、月平均風(fēng)速或年平均風(fēng)速等。當(dāng)然，風(fēng)速儀設(shè)置的高度不同，所得風(fēng)速結(jié)果也不同，它是隨高度升高而增強(qiáng)的。通常測(cè)風(fēng)高度為10m。根據(jù)風(fēng)的氣候特點(diǎn)，一般選取年風(fēng)速資料中年平均風(fēng)速最大、最小和中間的三個(gè)年份為代表年份，分別計(jì)算該三個(gè)年份的風(fēng)功率密度然后加以平均，其結(jié)果可以作為當(dāng)?shù)爻Ｄ昶骄怠ｏL(fēng)速是一個(gè)隨機(jī)性很大的量，必須通過一定長(zhǎng)度時(shí)間的觀測(cè)計(jì)算出平均風(fēng)功率密度。對(duì)于風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置而言，可利用的風(fēng)能是在“啟動(dòng)風(fēng)速”到“停機(jī)風(fēng)速”之間的風(fēng)速段，這個(gè)范圍的風(fēng)能即“有效風(fēng)能”，該風(fēng)速范圍內(nèi)的平均風(fēng)功率密度稱為“有效風(fēng)功率密度”。風(fēng)能的基本特征--風(fēng)級(jí)風(fēng)級(jí)是根據(jù)風(fēng)對(duì)地面或海面物體影響而引起的各種現(xiàn)象，按風(fēng)力的強(qiáng)度等級(jí)來估計(jì)風(fēng)力的大小。早在1805年，英國人蒲褐就擬定了風(fēng)速的等級(jí)，國際上稱為“蒲褐風(fēng)級(jí)”。自1946年以來風(fēng)力等級(jí)又做了一些修訂，由13個(gè)等級(jí)改為18個(gè)等級(jí)，實(shí)際上應(yīng)用的還是0?12級(jí)的風(fēng)速，所以最大的風(fēng)速人們常說刮12級(jí)臺(tái)風(fēng)。風(fēng)能的基本特征--風(fēng)能密度通過單位截面積的風(fēng)所含的能量稱為風(fēng)能密度，常以w/m2來表示。風(fēng)能密度是決定風(fēng)能潛力