风力发原理及风力发电的工艺流程

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1、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VestasV903.0兆瓦风电机，NordexN902.5兆瓦风电

2、机等等），甚至有些直径达100米(如GE3.6兆瓦风电机)。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REPower公司设计的风力发电机风轮直径达126米，功率达5兆瓦。　　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=1/2X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=1/2X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

3、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

4、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：DanishWindIndustryAssociation)　　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

5、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

6、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

7、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：VestasV52-850千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

8、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