风力发原理及风力发电的工艺流程.docx
《风力发原理及风力发电的工艺流程.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《风力发原理及风力发电的工艺流程.docx(8页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
![风力发原理及风力发电的工艺流程.docx](https://file1.bdocx.com/fileroot1/2022-12/31/dde02f86-a292-4cfa-88b8-2ebeed7de29f/dde02f86-a292-4cfa-88b8-2ebeed7de29f1.gif)
风力发原理及风力发电的工艺流程
生产工艺流程
申华协合贡宝拉格风电场
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,典型风力发电机风轮直径不断增大,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。
新一代兆瓦级风力发电机是以这类机种作为基础发展出来。
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米风力发电机(例如VestasV903.0兆瓦风电机,NordexN902.5兆瓦风电机等等),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,适合风电地段日渐减少,因此有逼切性安装发电能力尽量高风力发电机。
另一类更大型为海上应用而设计风力发电机,已经完成设计并制成原型机。
例如REPower公司设计风力发电机风轮直径达126米,功率达5兆瓦。
1)风功率
风能量指是风动能。
特定质量空气动能可以用下列公式计算。
能量=1/2X质量X(速度)^2
吹过特定面积风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。
随著高度升高,空气密度也会下降。
於上述公式中可以看出,风功率与速度三次方〔立方〕成正比,并与风轮扫掠面积成正比。
不过实际上,风轮只能提取风能量中一部分,而非全部。
2)风力发电机工作原理
现代风力发电机采用空气动力学原理,就像飞机机翼一样。
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。
风力发电机风轮并不能提取风所有功率。
根据Betz定律,理论上风电机能够提取最大功率,是风功率59.6%。
大多数风电机只能提取风功率40%或者更少。
风力发电机主要包含三部分∶风轮、机舱和塔杆。
大型与电网接驳风力发电机最常见结构,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,大型风电机风轮转动相当慢。
比较简单风力发电机是采用固定速度。
通常采用两个不同速度-在弱风下用低速和在强风下用高速。
这些定速风电机感应式异步发电机能够直接发产生电网频率交流电。
比较新型设计一般是可变速(比如Vestas公司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,风轮空气动力效率可以得到改善,从而提取更多能量,而且在弱风情况下噪音更低。
因此,变速风电机设计比起定速风电机,越来越受欢迎。
机舱上安装感测器探测风向,透过转向机械装置令机舱和风轮自动转向,面向来风。
风轮旋转运动通过齿轮变速箱传送到机舱内发电机(如果没有齿轮变速箱则直接传送到发电机)。
在风电工业中,配有变速箱风力发电机是很普遍。
不过,为风电机而设计多极直接驱动式发电机,也有显著发展。
设於塔底变压器(或者有些设於机舱内)可提升发电机电压到配电网电压(香港情况为11千伏)。
所有风力发电机功率输出是随著风力而变。
强风下最常见两种限制功率输出方法(从而限制风轮所承受压力)是失速调节和斜角调节。
使用失速调节风电机,超过额定风速强风会导致通过业片气流产生扰流,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,可将闪电中电流引导到地下去。
上图:
VestasV52-850千瓦风力发电机机舱内组成部份
(来源:
Vestas)
3)风力发电机功率曲线
在风速很低时候,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,达到切出风速时候,风电机会剎车,不再输出功率,为免受损。
风力发电机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)风电机输出功率。
上图:
V52-850千瓦风力发电机於不同噪音级别下工作曲线(噪音级别可透过改变风力发电机转速而改变)
(来源:
Vestas)
为特定地点选取合适风力发电机,一般方法是采用风电机功率曲线和该地点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)风力发电机额定输出功率
风力发电机额定输出功率是配合特定额定风速设而定。
由於能量与风速立方成正比,因此,风力发电机功率会随风速变化会很大。
同样构造和风轮直径风电机可以配以不同大小发电机。
因此两座同样构造和风轮直径风电机可能有相当不同额定输出功率值,这取决於它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横轴式风电机。
而对於顺风风电机,来风是从风轮背後吹来。
大多数风力发电机是逆风式。
单叶片、双叶片和三叶片风力发电机
叶片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。
叶片较少风力发电机通常需要更高转速以提取风中能量,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。
风电场风力发电机相互之间需要有足够距离,以免造成过强湍流相互影响,或由於"尾流效应"而严重减低後排风电机功率输出。
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,把风电场输出连接到电网接入点。
7)世界各地风力发电装置
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国家。
在丹麦,风能发电提供该国总用电量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部分。
由1995年到2005年之间年增长率为28.5%。
根据德国风能会(DEWI)估计,风能发电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。