風(fēng)力發(fā)電簡單原理

第三講 風(fēng)力發(fā)電簡單原理栗文義 一、風(fēng)的起源及特性1、風(fēng)的起源 風(fēng)是最熟悉的自然現(xiàn)象。要了解風(fēng)的形成必須了解包圍著地球的大氣的運動。大氣的流動也像水流一樣是從壓力高處往壓力低處流。太陽能正是形成大氣壓差的原因。 由于地球自轉(zhuǎn)軸與圍繞太陽的公轉(zhuǎn)軸之間存在665的夾角，因此對地球上不同地點，太陽照射角度是不同的，而且對同一地點一年365天中這個角度也是變化的。地球上某處所接受的太陽輻射能正是與該地點太陽照射角的正弦成正比。地球南北極接受太陽輻射能少，所以溫度低，氣壓高；而赤道接受熱量多，溫度高，氣壓低。另外地球又繞自轉(zhuǎn)軸每24h旋轉(zhuǎn)一周，溫度、氣壓晝夜變化。 這樣由于地球表面各處的溫度、氣壓變化，氣流就會從壓力高處向壓力低處運動，以便把熱量從熱帶向兩極輸送，因此形成不同方向的風(fēng)，并伴隨不同的氣象變化。大洋中的海流也起著類似的作用。從全球尺度來看，大氣中的氣流是巨大的能量傳輸介質(zhì)，地球的自轉(zhuǎn)以進一步促進了大氣中半永久性的行星尺度環(huán)流的形成。下圖表示了地球上風(fēng)的運動方向。 風(fēng)的變化 風(fēng)向和風(fēng)速是兩個描述風(fēng)的重要參數(shù)。風(fēng)向是指風(fēng)吹來的方向，如果風(fēng)是從北方吹來就稱為北風(fēng)。風(fēng)速是表示風(fēng)移動的速度，即單位時間內(nèi)空氣流動所經(jīng)過的距離。顯然風(fēng)向和風(fēng)速這兩個參數(shù)都是在變化的。 （1）風(fēng)隨時間的變化 風(fēng)隨時間的變化，包括每日的變化和季節(jié)的變化。通常一天之中風(fēng)的強弱在某種程度上可以看作是周期性的。如地面上夜間風(fēng)弱，白天風(fēng)強；高空中正相反是夜里風(fēng)強，白天風(fēng)弱。這個逆轉(zhuǎn)的臨界高度約為100150m。下圖是在日本川口國際廣播電臺的無線電鐵塔上測得的不同高度處，一天內(nèi)的風(fēng)速變化。 由于季節(jié)的變化，太陽和地球的相對位置也發(fā)生變化，使地球上存在季節(jié)性的溫差。因此風(fēng)向和風(fēng)的強度也會發(fā)生季節(jié)性變化。 我國大部分地區(qū)風(fēng)的季節(jié)性變化情況是：春季最強，冬季次 之，夏季最弱。當(dāng)然也有部分地區(qū)例外，如沿海溫州地區(qū)，夏季季風(fēng)最強，春季季風(fēng)最弱。 （2）風(fēng)隨高度的變化 從空氣運動的角度，通常將不同高度的大氣層分為三個區(qū)域（見下圖）。離地面2m以內(nèi)的區(qū)域稱為底層；2100m的區(qū)域稱為下部摩擦層，二者總稱為地面境界層；從1001000m的區(qū)段稱為上部摩擦層，以上三區(qū)域總稱為摩擦層。摩擦層之上是自由大氣。 大氣層的構(gòu)成圖 地面境界層內(nèi)空氣流動受渦流、黏性和地面植物及建筑物等的影響，風(fēng)向基本不變，但越往高處風(fēng)速越大。各種不同地面情況下，如城市、鄉(xiāng)村和海邊平地，其風(fēng)速隨高度的變化如下圖所示。 不同地面上風(fēng)速和高度的關(guān)系圖 關(guān)于風(fēng)速隨高度而變化的經(jīng)驗公式很多，通常采用所謂指數(shù)公式，即：式中 v距地面高度為h處的風(fēng)速，ms； v1高度為hi處的風(fēng)速，ms； n經(jīng)驗指數(shù)，它取決于大氣穩(wěn)定度和地面粗糙度，其值約為1/21/8。 （3）風(fēng)的隨機性變化 如果用自動記錄儀來記錄風(fēng)速，就會發(fā)現(xiàn)風(fēng)速是不斷變化的，一般所說的風(fēng)速是指變動部位的平均風(fēng)速。通常自然風(fēng)是一種平均風(fēng)速與瞬間激烈變動的紊流相重合的風(fēng)。紊亂氣流所產(chǎn)生的瞬時高峰風(fēng)速也叫陣風(fēng)風(fēng)速。下圖表示了陣風(fēng)和平均風(fēng)速的關(guān)系。 陣風(fēng)和平均風(fēng)圖速 a一陣風(fēng)振幅；b一陣風(fēng)的形成時間； C一陣風(fēng)的最大偏移量；d一陣風(fēng)消失時間 風(fēng)況曲線 風(fēng)況曲線是風(fēng)能利用的基礎(chǔ)資料。它是將全年（8760h）風(fēng) 速在v（ms）以上的時間作為橫坐標(biāo)，縱坐標(biāo)則為風(fēng)速v（見下圖），從風(fēng)況曲線即可知道該地區(qū)某種風(fēng)速以上有多少小時，從而制定相應(yīng)的風(fēng)能利用計劃。 日本石廊崎等地區(qū)的風(fēng)況曲線圖 風(fēng)能特點 風(fēng)能與其它能源相比，既有其明顯的優(yōu)點，又有其突出的局限性。風(fēng)能具有四大優(yōu)點和三大弱點。四大優(yōu)點是： 蘊量巨大； 可以再生； 分布廣泛； 沒有污染。 三大弱點是：1、密度低。 這是風(fēng)能的一個重要缺陷。由于風(fēng)能來源于空氣的流動，而空氣的密度是很小的，因此風(fēng)力的能量密度也很小，只有水力的1816。在各種能源中，風(fēng)能的含能量是極低的，給其利用帶來一定的困難。 2、不穩(wěn)定。 由于氣流瞬息萬變，因此風(fēng)的脈動、日變化、季變化以至年際的變化都十分明顯，波動很大，極不穩(wěn)定。3、地區(qū)差異大。 由于地形的影響，風(fēng)力的地區(qū)差異非常明顯。一個鄰近的區(qū)域，有利地形下的風(fēng)力，往往是不利地形下的幾倍甚至幾十倍。 二、風(fēng)力機簡介 風(fēng)力機又稱風(fēng)車，是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機械能、電能或熱能的能量轉(zhuǎn)換裝置。風(fēng)力機的類型很多，通常將其分為水平軸風(fēng)力機，垂直軸風(fēng)力機和特殊風(fēng)力機三大類。但應(yīng)用最廣的還是前兩 種類型的風(fēng)力機。 1、水平軸風(fēng)力機 水平軸風(fēng)力機是目前國內(nèi)外最常見的一種風(fēng)力機。下圖表示了目前應(yīng)用最廣的各種不同迎風(fēng)式水平軸風(fēng)力機的示意圖。 各種不同迎風(fēng)式水平軸風(fēng)力機示意圖 a）單葉片；（b）雙葉片；（c）三葉片；（d）美國農(nóng)場式多葉片風(fēng)車；（g）車輪式多葉片風(fēng)車；（f）迎風(fēng)式；（g）背風(fēng)式；（h）空心壓差式；（i）川帆翼式；（j）多轉(zhuǎn)子；(k）反轉(zhuǎn)葉片式 2、垂直軸風(fēng)力機 垂直軸風(fēng)力機葉輪的轉(zhuǎn)動與風(fēng)向無關(guān)，因此不需要像水平軸風(fēng)力機那樣采用迎風(fēng)裝置，但其輸出功率一般比水平軸風(fēng)力機小。下圖為各種不同的垂直軸風(fēng)力機的示意圖。風(fēng)力機的效率主要取決于風(fēng)輪效率、傳動效率、貯能效率。 發(fā)電機和其他工作機具的效率。 圖1 各種不同垂直軸風(fēng)力機示意圖 （a）堅軸風(fēng)機（阻力型）；（b）堅軸風(fēng)機（升力型） 1S型；2-多葉片型；3-開型式S型;4-平板式； 5-中型達里厄；6-型達里厄；7-旋翼型 三、何謂風(fēng)力發(fā)電 人類社會發(fā)展的歷史與能源的開發(fā)和利用水平密切相關(guān)，每一次新型能源的開發(fā)都使人類經(jīng)濟的發(fā)展產(chǎn)生一次飛躍。在我們進入21世紀(jì)的今天，世界能源結(jié)構(gòu)也正在孕育著重大的轉(zhuǎn)變，即由礦物能源系統(tǒng)向以可再生能源為基礎(chǔ)的可持續(xù)能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。所謂可再生能源就是取之不盡、用之不竭、與人類共存的能源。它包括太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、海洋能等。在這眾多的可再生能源中，目前發(fā)展最快、商業(yè)化最廣泛、經(jīng)濟上最適用的，當(dāng)數(shù)風(fēng)力發(fā)電。 何謂風(fēng)力發(fā)電1 原理 風(fēng)力發(fā)電的原理說起來非常簡單，最簡單的風(fēng)力發(fā)電機可由葉輪和發(fā)電機兩部分構(gòu)成，如下圖所示。空氣流動的動能作用在葉輪上，將動能轉(zhuǎn)換成機械能, 從而推動葉輪旋轉(zhuǎn)。如果將葉輪的轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機的轉(zhuǎn)軸相連，就會帶動發(fā)電機發(fā)出電來。孩童玩的紙質(zhì)風(fēng)車就是風(fēng)力機的雛形，在它的軸上裝個極微型的發(fā)電機就可發(fā)電。 風(fēng)力發(fā)電的原理示意 風(fēng)力發(fā)電的原理這么簡單，為什么僅到20世紀(jì)的中后期才獲得應(yīng)用呢？第一，常規(guī)發(fā)電還能滿足需要，社會生產(chǎn)力水平不夠高，還無法顧及降低環(huán)境污染和解決偏遠(yuǎn)地區(qū)的供電問題；第二，能夠并網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計與制造，只有現(xiàn)代高技術(shù)的出現(xiàn)才有可能。20世紀(jì)初期是造不出現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機的。那么，現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機是什么樣呢？下面我們就介紹一下現(xiàn)代風(fēng)機的結(jié)構(gòu)與技術(shù)特點。 2 現(xiàn)代風(fēng)機 上圖所示的風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出的電時有時無，電壓和頻率不穩(wěn)定，是沒有實際應(yīng)用價值的。一陣狂風(fēng)吹來，風(fēng)輪越轉(zhuǎn)越快，系統(tǒng)就會被吹跨。為了解決這些問題，現(xiàn)代風(fēng)機增加了齒輪箱、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等，現(xiàn)代風(fēng)機的示意如下圖所示。 現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)示意圖 齒輪箱可以將很低的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速（600千瓦的風(fēng)機通常為27轉(zhuǎn)/分）變?yōu)楹芨叩陌l(fā)電機轉(zhuǎn)速（通常為1500轉(zhuǎn)/分）。同時也使得發(fā)電機易于控制，實現(xiàn)穩(wěn)定的頻率和電壓輸出。偏航系統(tǒng)可以使風(fēng)輪掃掠面積總是垂直于主風(fēng)向。要知道，600千瓦的風(fēng)機機艙總重20多噸，使這樣一個系統(tǒng)隨時對準(zhǔn)主風(fēng)向也有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)難度。 風(fēng)機是有許多轉(zhuǎn)動部件的。業(yè)已說明，機艙在水平面旋轉(zhuǎn)，隨時跟風(fēng)。風(fēng)輪沿水平軸旋轉(zhuǎn)，以便產(chǎn)生動力。在變槳矩風(fēng)機，組成風(fēng)輪的葉片要圍繞根部的中心軸旋轉(zhuǎn)，以便適應(yīng)不同的風(fēng)況。在停機時，葉片尖部要甩出，以便形成阻尼。液壓系統(tǒng)就是用于調(diào)節(jié)葉片槳矩、阻尼、停機、剎車等狀態(tài)下使用。 要知道，通常所說的12級颶風(fēng)，其風(fēng)速范圍也僅為32.7-36.9米/秒。風(fēng)機的控制系統(tǒng)，要在這樣惡劣的條件下，根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向?qū)ο到y(tǒng)加以控制，在穩(wěn)定的電壓和頻率下運行，自動地并網(wǎng)和脫網(wǎng)。并監(jiān)視齒輪箱、發(fā)電機的運行溫度，液壓系統(tǒng)的油壓，對出現(xiàn)的任何異常進行報警，必要時自動停機。 3、風(fēng)力發(fā)電場 現(xiàn)代大型風(fēng)力發(fā)電機，單臺容量一般為600-1000千瓦。目前國際上研制的超大型風(fēng)力發(fā)電機單機容量也只為6MW。對于一個大型發(fā)電場來說，其容量還是很小的。因此，我們一般將十幾臺或幾十臺風(fēng)力發(fā)電機組成一個風(fēng)電場。這樣既形成一個強大的供電體系，也便于管理，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。同時，也降低了安裝、運行和維護的成本。下圖為山東長島風(fēng)力發(fā)電場一角。 山東長島風(fēng)力發(fā)電場一角 控制系統(tǒng)是現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機的神經(jīng)中樞?，F(xiàn)代風(fēng)機是無人值守的。就600千瓦風(fēng)機而言，一般在4米/秒左右的風(fēng)速自動啟動，在14米/秒左右發(fā)出額定功率。然后，隨著風(fēng)速的增加，一直控制在額定功率附近發(fā)電，直到風(fēng)速達到25米/秒時自動停機。現(xiàn)代風(fēng)機的存活風(fēng)速為60-70米/秒，也就是說在這么大的風(fēng)速下風(fēng)機也不會被吹壞。