风力发电机的工作原理和工作发电率

【专家解说】：风力发电机工作原理简单的说是：风的动能（即空气的动能）转化成发电机转子的动能，转子的动能又转化成电能。 　　风力发电机工作原理是利用风 能 可 再 生 能 源 的 部 分 。 由 1995 年 到 2005 年 之 间 的 年 增 长 率 为 28.5 ％ 。 根 据 德 国 风 能 会 （ DEWI ） 的 估 计 ， 风 能 发 电 的 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 。 　　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 Vestas V90 3.0 兆 瓦 风 电 机 ， Nordex N90 2.5 兆 瓦 风 电 机 等 等 ） ， 甚 至 有 些 直 径 达 100 米 ( 如 GE 3.6 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 RE Power 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 = 1/2 X 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 = 1/2 X 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 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 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 ： Danish Wind Industry Association ) 　　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 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 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 刹 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 刹 车 。 　　叶 片 中 嵌 入 了 避 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 ： Vestas V52-850 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 刹 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 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 级 别 可 透 过 　　　改 变 风 力 发 电 机 的 转 速 而 改 变 ) ( 来 源 ： Vestas ) 　　为 特 定 地 点 选 取 合 适 的 风 力 发 电 机 ， 一 般 方 法 是 采 用 风 电 机 的 功 率 曲 线 和 该 地 点 的 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 的 额 定 输 出 功 率 　　风 力 发 电 机 的 额 定 输 出 功 率 是 配 合 特 定 的 额 定 风 速 设 而 定 的 。 由 於 能 量 与 风 速 的 立 方 成 正 比 ， 因 此 ， 风 力 发 电 机 的 功 率 会 随 风 速 变 化 会 很 大 。 　　同 样 构 造 和 风 轮 直 径 的 风 电 机 可 以 配 以 不 同 大 小 的 发 电 机 。 因 此 两 座 同 样 构 造 和 风 轮 直 径 的 风 电 机 可 能 有 相 当 不 同 的 额 定 输 出 功 率 值 ， 这 取 决 於 它 的 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 的 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 的 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 的 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 的 横 轴 式 风 电 机 。 而 对 於 顺 风 风 电 机 ， 来 风 是 从 风 轮 的 背 後 吹 来 。 大 多 数 的 风 力 发 电 机 是 逆 风 式 的 。 　　单 叶 片 、 双 叶 片 和 三 叶 片 风 力 发 电 机 　　叶 片 的 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 的 风 力 发 电 机 通 常 需 要 更 高 的 转 速 以 提 取 风 中 的 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 的 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 的 风 力 发 电 机 相 互 之 间 需 要 有 足 够 的 距 离 ， 以 免 造 成 过 强 的 湍 流 相 互 影 响 ， 或 由 於 " 尾 流 效 应 " 而 严 重 减 低 後 排 风 电 机 的 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 的 输 出 连 接 到 电 网 接 入 点 。 　　7) 世 界 各 地 的 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 的 国 家 。 在 丹 麦 ， 风 能 发 电 提 供 该 国 总 用 电 量 的 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 。