风力发电原理及生产过程.docx

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风力发电原理及生产过程

风能发电的主要形式有三种：

一是独立运行；二是风力发电与其他发电方式（如柴油机发电）相结合；三是风力并网发电。

由于并网发电的单机容量大、发展潜力大，故本文所指的风电，未经特别说明，均指并网发电。

1、小型独立风力发电系统

　　小型独立风力发电系统一般不并网发电，只能独立使用，单台装机容量约为100瓦-5千瓦，通常不超过10千瓦。

它的构成为：

风力发电机＋充电器＋数字逆变器。

风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。

叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。

因风量不稳定，故小型风力发电机输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。

然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。

　　2、并网风力发电系统

　　德国、丹麦、西班牙等国家的企业开发建立了评估风力资源的测量及计算机模拟系统，发展变桨距控制及失速控制的风力机设计理论，采用新型风力机叶片材料及叶片翼型，研制出变极、变滑差、变速恒频及低速永磁等新型发电机，开发了由微机控制的单台及多台风力发电机组成的机群的自动控制技术，从而大大提高了风力发电的效率及可靠性。

在此基础上，风力发电机单机装机容量可以达到600千瓦以上。

不少国家建立了众多的中型及大型风力发电场，并实现了与大电网的对接。

　　现代风力发电机多为水平轴式。

一部典型的现代水平轴式风力发电机包括叶片、轮毂（与叶片合称叶轮）、机舱罩、齿轮箱、发电机、塔架、基座、控制系统、制动系统、偏航系统、液压装置等。

其工作原理是：

当风流过叶片时，由于空气动力的效应带动叶轮转动，叶轮透过主轴连结齿轮箱，经过齿轮箱（或增速机）加速后带动发电机发电。

目前也有厂商推出无齿轮箱式机组，可降低震动、噪音，提高发电效率，但成本相对较高。

　　风力发电机并不能将所有流经的风力能源转换成电力，理论上最高转换效率约为59%，实际上大多数的叶片转换风能效率约介于30-50%之间，经过机电设备转换成电能后的总输出效率约为20-45%。

一般市场上风力发电机的启动风速约为2.5-4米/秒，于风速12-15米/秒时达到额定的输出容量。

当风速更高时，风力发电机的控制机构将电力输出稳定在额定容量左右，为避免过高的风速损坏发电机，大多于风速达20-25米/秒范围内停机。

一般采用旋角节制或失速节制方式来调节叶片之气动性能及叶轮的输出。

依据目前的技术，3米/秒左右的风速（微风的程度）便可以进行发电。

但在进行风场评估时，通常要求离地10米高的年平均风速达到5-5.5米/秒以上。

　　风机叶片从风的流动获得的能量与风速的三次方成正比。

风速之外，叶轮直径决定了可撷取风能的多寡，约与叶轮直径平方成正比。

叶片的数量也会影响到风机的输出。

一般来说，2叶、3叶风机效率较高，力矩较低，适用于发电。

此外。

现代风机的叶片多采用机翼的翼型。

　　近年来，风电机组技术改进的主要方向是降低制造成本、提高单机容量、提高风能转换效率、自动控制等。

主流风电机组的单机容量为600-2000千瓦，容量越大，发电效率越高，技术难度越大。

目前，国内单机容量750-2000千瓦的机组最受欢迎。

国外正在开发、应用的机组单机容量是3000-5000千瓦。

2003年，德国Enercon公司安装了第一台4500千瓦的风电机组样机。

目前商用大型风力发电机组一般为水平轴风力发电机，它由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件所组成。

风轮的作用是将风能转换为机械能，它由气动性能优异的叶片（目前商业机组一般为2—3个叶片）装在轮毂上所组成，低速转动的风轮通过传动系统由增速齿轮箱增速，将动力传递给发电机。

上述这些部件都安装在机舱平面上，整个机舱由高大的搭架举起，由于风向经常变化，为了有效地利用风能，必须要有迎风装置，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咬合的小齿轮转动，使机舱始终对风。

风电机组的功率调节有两种方式，一种是失速调节，另一种是变桨距调节—即叶片可以绕叶片上的轴转动，改变叶片气动数据，实现功率调节；整台机组由电控系统进行监视与控制，可以实现无人操作管理。

风力发电机主要包括水平轴式风力发电机和垂直轴式风力发电机等。

其中，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。

它由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件所组成。

风轮将风能转换为机械能，低速转动的风轮通过传动系统由增速齿轮箱增速，将动力传递给发电机。

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。

风力发电场（简称风电场），是将多台大型并网式的风力发电机安装在风能资源好的场地，按照地形和主风向排成阵列，组成机群向电网供电。

风力发电机就像种庄稼一样排列在地面上，故形象地称为“风力田”。

风力发电场于20世纪80年代初在美国的加利福尼亚州兴起，目前世界上最大的风电场是洛杉矶附近的特哈查比风电场，装机容量超过50万千瓦，年发电量为14亿千瓦·时，约占世界风力发电总量的23％。

　　风力发电的优越性可归纳为三点：

第一，建造风力发电场的费用低廉，比水力发电厂、火力发电厂或核电站的建造费用低得多；第二，不需火力发电所需的煤、油等燃料或核电站所需的核材料即可产生电力，除常规保养外，没有其他任何消耗；第三，风力是一种洁净的自然能源，没有煤电、油电与核电所伴生的环境污染问题。

制造风能机械，利用风力发电是风能利用的两项主要内容。

风力发动机是一种把风能变成机械能的能量转化装置。

风力发动机由5部分组成：

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（1）风轮。

风轮由二个或多个叶片组成，安装在机头上，是把风能转化为机械能的主要部件。

（2）机头。

机头是支承风轮轴和上部构件（如发电机和齿轮变速器等）的支座，它能绕塔架中的竖直轴自由转动。

　　（3）机尾。

机尾装于机头之后，它的作用是保证在风向变化时，使风轮正对风向。

　　（4）回转体。

回转体位于机头底盘和塔架之间，在机尾力矩的作用下转动。

　　（5）塔架。

塔架是支撑风力发动机本体的构架，它把风力发动机架设在不受周围障碍物影响的高空中。

　　根据风轮叶片的数目，风力发动机分为少叶式和多叶式两种。

少叶式有2～4个叶片，具有转速高，单位功率的平均质量小，结构紧凑的优点；常用在年平均风速较高的地区。

是目前主要用作风力发电机的原动机。

其缺点是启动较为困难。

多叶式一般有4～24个叶片，常用于年平均风速低于3～4米／秒的地区；具有易启动的优点，因此利用率较高。

由于转速低，多用于直接驱动农牧业机械。

　　风力发动机的风轮与纸风车转动原理一样，但是，风轮叶片具有比较合理的形状。

为了减小阻力，其断面呈流线型。

前缘有很好的圆角，尾部有相当尖锐的后缘，表面光滑，风吹来时能产生向上的合力，驱动风轮很快地转动。

对于功率较大的风力发动机，风轮的转速是很低的，而与之联合工作的机械，转速要求较高，因此必须设置变速箱，把风轮转速提高到工作机械的工作转速。

风力发动机只有当风垂直地吹向风轮转动面时，才能发出最大功率来，由于风向多变，因此还要有一种装置，使之在风向变化时，保证风轮跟着转动，自动对淮风向，这就是机尾的作用。

风力发动机是多种工作机械的原动机。

利用它带动水泵和水车，就是风力提水机；带动碾米机，就是风力碾米机；此类机械统称为风能的直接利用装置。

带动发电机的就叫风力发电机。

它们均由两大部分组成，一部分是风力发动机本体和附件，是把风能转化为机械能的装置；另一部分是电气部分，包括发电机及电气装置，把机械能转化为电能，并可靠地提供给用户。

小风力发电机的容量不大，功率一般从几瓦到几千瓦，大都具有结构简单，搬运方便的优点。

按风力发动机与发电机的连接方式分，有变速连接的和直接连接的两种。

　　在风能的利用中，蓄能是一个重要的问题。

特别是对于风力发电，在很大程度上，其生命力由蓄能装置（如蓄电池）的可靠程度来决定。

有了蓄能装置，在有风的时候，把多余的能量储存起来；在无风时，输出应用。

各种蓄能方式的研究是风能利用的一个急待解决的重要任务。

风力发电技术主要分为风能资源评估与预测，风力发电装备制造技术，风电机组测试、近海风电技术、风电对公共电网的影响等几个方面。

1．能资源的评估与预测

国外已经对风能资源的测试与评估开发出许多的测试设备和评估软件，在风电场选址，特别是微观选址方面已经开发了商业化软件。

如丹麦RIS国家研究实验室开发的用于风电场微观选址的资源分析工具软件——WASP；美国TureWindSolutions公司开发的MesoMap和Sitewind风能资源评估系统等。

在风电机组布局及电力输配电系统的设计上也开发出了成熟的软件。

国外还对风力机和风电场的短期及长期发电预测作了很多研究，精确度可达90%以上。

2．风力发电装配制造技术

1）单机容量继续稳步上升

20世纪80年代生产的旧式机组单机容量仅为20KW——60KW。

单机容量增大后的直接好处是能以数目较少的风电机组完成相同的发电量，从而节省土地使用面积。

目前单机容量最大的风电机组是由德国Repower公司生产的，容量为5MW，叶轮直径达130m，安装在120m高的塔架上，预计2010年将开发出10MW的风电机组。

对容量在2MW以上的机组欧洲主要考虑在海上安装。

2）风轮输出功率控制方式有失速调节和变桨距调节两种

失速控制是在转速不变的条件下，风速超过额定植后，叶片发生失速，将输出功率限制在一定范围内。

失速控制的优点是叶片与轮毂之间没有活动部件，不需要复杂的控制程序，在失速过程中功率波动小；其缺点是风力发电机组的性能的限制，启动风速较高，在风速超过额定值时发电功率有所下降，同时需要叶间刹车装置，机组动态负荷较大。

变桨距调节是沿桨叶的纵轴旋转叶片，控制风轮的能量吸收，保持一定的输出功率，变桨距调节的优点是机组启动性能好，输出功率稳定，机组结构受力小，停机方便安全；缺点是增加了变桨距装置，增加了故障几率，控制程序比较复杂。

两种控制方式各有利弊，各自适应不同的运行环境和运行要求。

从目前市场情况看，采用变桨距调节的风电极组较多。

3）无齿轮箱系统的市场份额迅速扩大

齿轮传动不仅降低了风电转换效率和产生噪音，更是造成机械故障的主要原因，而且为减少机械磨损需要润滑清洗等定期维护。

采用无齿轮箱的直驱方式虽然提高了电机的设计成本，但却有效的提高了系统的效率及运行可靠性。

在德国2004年所安装的风电机组中，就有40.9%采用了无齿轮箱系统。

3．风电机组测试技术

德国、丹麦、荷兰、美国、希腊等国家对风电机组的设计和测试技术都做过很多研究，制定了国际标准，建立了认证体系，并都有自己的检测机构，其他国家的产品只有通过其检测才能进入。

我国对风电机组的测试技术做过一定研究，但不系统。

4．风电与电网

风力发电能够顺利并入一个国或地区电网的电量，主要取决于电力系统对供电波动反应的能力。

变化不定的风力给电网带来的问题，远比怀疑论者估计的低。

很多涉及到现代欧洲电网系统的评估表明，电网系统中风电容量占20%并不存在技术问题。

但是，当大规模的风电并入电网后，风电与电网间的相互影响及相互作用规律还是需要进一步研究。

风电技术发展趋势

随着风电工业的不断发展，风电技术和风电系统也在不断的发展，以满足其自身技术，应对风速变化、成本、环境以及稳定运行等各方面的要求。

其主要趋势包括以下几个方面：

1．主要发展水平轴风力机

垂直轴的主要优点是全风向、变速装置及发电机可以置于地面, 但其主要