风力发电
二、功率特性 根据H型风力发电机的原理,风轮的转速上升速度提高较快(力矩上升速度快),它的发电功率上升速度也相应变快,发电曲线变得饱满(如下图)。在同样功率下,垂直轴风力发电机的额定风速较现有水平轴风力发电机要小,并且它在低风速运转时发电量也较大。 三、结构 由于此种设计结构采用了特殊空气洞力学原理、三角形向量法的连接方式以及直驱式结构的原理,使得风轮的受力主要集中于轮毂上,因此抗风能力较强;此种设计的特性还体现在对周围环境的影响上,运转时无噪音以及电磁干扰小等特点使得新型垂直轴风力发电机优越性非常明显。 垂直轴直线叶片永磁发电机风力发电电源系统结构图 附:现有垂直轴风力发电电源比较: 目前,生产该类型垂直轴风力发电电源系统产品最多的是日本(2002年开始研究),还有英国、加拿大等国目前也在研制中,这些国家的大部分产品在风轮设计当中采用平行连接杆,这种方式对发电机输出轴要求较高,并且结构相对复杂,现场安装程序也偏多。另外,从力学方面分析,H型垂直轴风力发电机功率越大、叶片越长、平行杆的中心点与发电机轴的中心点距离越长,抗风能力就越差,因此,MUCE采取的是三角形向量法,弥补了上述的一些缺点。 风机叶片是风力发电技术进步的关键核心 风力机部件,其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素。我国风机叶片行业的发展是伴随着风电产业及风电设备行业的发展而发展起来的。由于起步较晚,我国风机叶片最初主要是依靠进口来满足市场需求的。随着国内企业和科研院所的共同努力,我国风机叶片行业的供给能力迅速提升。 目前,我国风机叶片市场已经形成外资企业、民营企业、研究院所、上市公司等多元化的主体投资形式。外资企业主要有GE、LM、GAMESA、VESTAS等,国内企业以时代新材、中材科技、中航惠腾、中复连众为代表。截至到2008年5月,中国境内的风电机组叶片厂商共有31家。其中,已经进入批量生产阶段的公司有10家。2008年,已经批量生产的叶片公司生产能力为460万千瓦。预计2010年,这些叶片公司全部进入批量生产阶段后,综合生产能力将达到900万千瓦。
风力发电是将风能转换成电能,风能推动叶轮旋转,叶轮带动转动轴和增速机,增速机带动发电机,发电机通过输电电缆将电能输送地面控制系统和负荷。
风力发电技术是一项多学科的,可持续发展的,绿色环保的综合技术。 太阳能发电是指将太阳能转换成电能,即直接将太阳光能转换电能的发电方式,光伏发电是利用太阳电池这种半导体电子器件有效地吸收太阳光辅射能,并使之转变成电能的直接发电方式,是当今太阳光发电的主流。
风力发电存在着无风时(尤其是夏季白天长夜间短,太阳光强季节)不发电的问题,太阳能发电也存在着无阳光时(尤其是冬季白天短夜间长,北风大的季节)不发电的问题,如果能把风力发电、太阳能发电结合在一起互补发电就解决了这个问题,实现了 365 天连续供电。 风能和太阳能的利用和发展已有三千多年的历史,是一门古老而又年青的科学、实用而又和生活关系密切的科学、可再生而又能保护环境的科学、现时而又可持续发展的科学、一次投资多年受益的项目。
在众多新能源领域中,风力发电和太阳能发电的开发和利用被首当其冲优先发展,是当今国际上的一大热点,因为风电和光电的利用,不用开采、不用运输、不用排放垃圾、没有环境污染的技术,是保护我们的地球,造福子孙后代的百年大计工程。 广州尚能风力发电设备有限公司是一家致力于小型风力发电机和风光互补路灯,风光互补发电系统开发生产销售的风力发电设备公司。
尽管风力发电机多种多样,但归纳起来可分为两类:①水平轴风力发电机,风轮的旋转轴与风向平行;②垂直轴风力发电机,风轮的旋转轴垂直于地面或者气流方向。
水平轴风力发电机 水平轴风力发电机科分为升力型和阻力型两类。升力型风力发电机旋转速度快,阻力型旋转速度慢。
对于风力发电,多采用升力型水平轴风力发电机。大多数水平轴风力发电机具有对风装置,能随风向改变而转动。
对于小型风力发电机,这种对风装置采用尾舵,而对于大型的风力发电机,则利用风向传感元件以及伺服电机组成的传动机构。 风力机的风轮在塔架前面的称为上风向风力机,风轮在塔架后面的则成为下风向风机。
水平轴风力发电机的式样很多,有的具有反转叶片的风轮,有的再一个塔架上安装多个风轮,以便在输出功率一定的条件下减少塔架的成本,还有的水平轴风力发电机在风轮周围产生漩涡,集中气流,增加气流速度。 垂直轴风力发电机 垂直轴风力发电机在风向改变的时候无需 wind turbine 对风,在这点上相对于水平轴风力发电机是一大优势,它不仅使结构设计简化,而且也减少了风轮对风时的陀螺力。
利用阻力旋转的垂直轴风力发电机有几种类型,其中有利用平板和被子做成的风轮,这是一种纯阻力装置;S型风车,具有部分升力,但主要还是阻力装置。这些装置有较大的启动力矩,但尖速比低,在风轮尺寸、重量和成本一定的情况下,提供的功率输出低。
达里厄式风轮 是法国G.J.M达里厄于19世纪30年代发明的。在20世纪70年代,加拿大国家科学研究院对此进行了大量的研究,现在是水平轴风力发电机的主要竞争者。
达里厄式风轮是一种升力装置,弯曲叶片的剖面是翼型,它的启动力矩低,但尖速比可以很高,对于给定的风轮重量和成本,有较高的功率输出。现在有多种达里厄式风力发电机,如Φ型,Δ型,Y型和H型等。
这些风轮可以设计成单叶片,双叶片,三叶片或者多叶片。 双馈型发电机 随着电力电子技术的发展,双馈型感应发电机(Double-Fed Induction Generator)在风能发电中的应用越来越广。
这种技术不过分依赖于蓄电池的容量,而是从励磁系统入手,对励磁电流加以适当的控制,从而达到输出一个恒频电能的目的。双馈感应发电机在结构上类似于异步发电机,但在励磁上双馈发电机采用交流励磁。
我们知道一个脉振磁势可以分解为两个方向相反的旋转磁势,而三相绕组的适当安排可以使其中一个磁势的效果消去,这样一来就得到一个在空间旋转的磁势,这就相当于同步发电机中带有直流励磁的转子。双馈发电机的优势就在于,交流励磁的频率是可调的,这就是说旋转励磁磁动势的频率可调。
这样当原动机的转速不定时,适当调节励磁电流的频率,就可以满足输出恒频电能的目的。由于电力电子元器件的容量越来越大,所以双馈发电机组的励磁系统调节能力也越来越强,这使得双馈机的单机容量得以提高。
虽然,部分理论还在完善当中,但是双馈反应发电机的广泛应用这一趋势将越来越明显。 风力发电,不合国情国 风力发电原理图 内纷纷上马的风力发电厂大多是形象工程。
工信部副部长苗圩近日语出惊人,他认为中国风沙伴存,风电设备受风沙磨损大,上马太多风电项目不合我国国情。苗圩说,国外有风地方没有沙,比如说是海洋风。
苗圩说:中国是有风的地方就有沙,风沙对风力发电设备磨损非常厉害。现在风能发电风机应该是20年的寿命,但是如果有风沙的侵蚀寿命还到不了20年。
再过5年,寿命肯定要出问题,特别是甘肃那个千万千瓦级的风力发电站典型的形象工程。就此话题,苗圩表示,能源布局的重点,应该是供给端和使用端要做到平衡。
而现状是高级能源拉着低级能源运转。苗圩举例说,湖北本来水电是优势,三峡的电应该更多留在湖北用,这是最好的清洁能源。
但是现在却把湖北的电运到东部区,湖北再从周边买煤运到湖北,引发一连串的效应,河南就不够用了,就再到山西、山东甚至到新疆去运煤。进行全国大旅行,全国铁路货运一半用来运送煤炭。
这是多大的物流成本,多大的浪费。据报道,甘肃酒泉千万千瓦级风电基地于2008年8月全面启动,标志着中国正式步入了打造风电三峡工程阶段。
据气象部门最新风能评估结果表明,酒泉风能资源总储量为1.5亿千瓦,可开发量4000万千瓦以上,可利用面积近1万平方公里。 马格努斯效应风轮 马格努斯效应风轮,由自旋的圆柱体组成,当它在气流中工作时,产生的移动力是由于马格努斯效应引起的,其大小与风速成正比。
有的垂直轴风轮使用管道或者漩涡发生器塔,通过套管或者扩压器使水平气流变成垂直气流,以增加速度,偶写还利用太阳能或者燃烧某种燃料,是水平气流变成垂直方向的气流。 径流双轮效应风轮 径流双轮效应或叫双轮效应是一种新型风能转化方式。
首先它是一种双轮结构,相对于水平轴流式风机,它是径流式的,同已有的立轴式风机一样都是沿长轴布设桨叶的,直接利用风的推力旋转工作的,单轮立轴风轮因轴两侧桨叶同时接受风力而扭矩相反,相互抵消,输出力矩不大。设计为双轮结构并靠近安装,同步运转,就将原来的立轴力矩输出对桨叶流体。
风能是一种可再生的清洁能源。
近30年来,国际上在风能的利用方面,无论是理论研究还是应用研究都取得了重大进步。风力发电技术日臻完善,并网型风力发电机单机额定功率最大已经到5MW,叶轮直径达到126m。
截止2005年世界装机容量已达58,982MW,风力发电量占全球电量的1%。中国成为亚洲风电产业发展的主要推动者之一,其总装机容量居世界第8位,2005年新增装机容量居世界第6位。
今后,国内外风力发电技术和产业的发展速度将明显加快。 风是最常见的自然现象之一,是太阳对地球表面不均衡加热而引起的"空气流动",流动空气具有的动能称之为风能。
因此,风能是一种广义的太阳能。据世界气象组织(WMO)和中国气象局气象科学研究院分析,地球上可利用的风能资源为200亿kW,是地球上可利用水能的20倍。
中国陆地10m高度层可利用的风能为2.53亿kW,海上可利用的风能是陆地上的3倍,50m高度层可利用的风能是10m高度层的2倍,风能资源非常丰富。 风能是一种技术比较成熟、很有开发利用前景的可再生能源之一。
风能的利用方式不仅有风力发电、风力提水,而且还有风力致热、风帆助航等。因此,开发利用风能对世界各国科技工作者具有极强的魅力,从而唤起了世界众多的科学家致力于风能利用方面的研究。
在本文中,将对国内外风力发电技术的现状和发展趋势进行论述。 风力发电基本知识编辑本段 1 风能的计算公式 空气运动具有动能。
风能是指风所具有的动能。如果风力发电机叶轮的断面积为A,则当风速为V的风流经叶轮时,单位时间风传递给叶轮的风能为 (1)其中:单位时间质量流量m=ρAV(2)在实际中, (3)式中: PW-每秒空气流过风力发电机叶轮断面面积的风能,即风能功率,W; Cp-叶轮的风能利用系数; hm-齿轮箱和传动系统的机械效率,一般为0.80-0.95,直驱式风力发电机为1.0; he-发电机效率,一般为0.70-0.98; r-空气密度,kg/m3; A-风力发电机叶轮旋转一周所扫过的面积,m2; V-风速,m/s。
2 贝茨(Betz)理论 第一个关于风轮的完整理论是由德国哥廷根研究所的A·贝茨于1926年建立的。 贝茨假定风轮是理想的,也就是说没有轮毂,而叶片数是无穷多,并且对通过风轮的气流没有阻力。
因此这是一个纯粹的能量转换器。此外还进一步假设气流在整个风轮扫掠面上的气流是均匀的,气流速度的方向无论在风轮前后还是通过时都是沿着风轮轴线的。
通过分析一个放置在移动空气中的"理想"风轮得出风轮所能产生的最大功率为 (4)式中:Pmax-风轮所能产生的最大功率; -空气密度,kg/m3; A-风力发电机叶轮旋转一周所扫过的面积,m2; V-风速,m/s。 这个表达式称为贝茨公式。
其假定条件是风速与风轮轴方向一致并在整个风轮扫掠面上是均匀的。 将(4)式除以气流通过扫掠面A时风所具有的动能,可推得风力机的理论最大效率 贝兹(Betz)理论的极限值。
它说明,风力机从自然风中所能索取的能量是有限的,其功率损失部分可以解释为留在尾流中的旋转动能。 能量的转换将导致功率的下降,它随所采用的风力机和发电机的型式而异,因此,风力机的实际风能利用系数Cp<0.593[3]。
3 温度、大气压力和空气密度 通过温度计和气压计测试出实验地点的环境温度和大气压,由下式计算出空气密度。 式中:ρ-空气密度,kg/m3; h-当地大气压力,Pa; t-温度,℃。
从空气密度公式可以看出,空气密度的大小与大气压力、温度有关。 4 风力机的主要组成 1) 小型风力发电机 小型水平轴风力机主要组成部分有:风轮、发电机、塔架、调向机构、蓄能系统、逆变器等。
(1)风轮 风轮是风力机从风中吸收能量的部件,其作用是把空气流动的动能转变为风轮旋转的机械能。水平轴风力发电机的风轮是由1~3个叶片组成的。
叶片的结构形式多样,材料因风力机型号和功率大小而定,如木心外蒙玻璃钢叶片、玻璃纤维增强塑料树脂叶片等。 (2)发电机 在风力发电机中,已采用的发电机有3种,即直流发电机、同步交流发电机和异步交流发电机。
小型风力发电机多采用同步或异步交流发电机,发出的交流电通过整流装置转换成直流电。 (3)塔架 塔架用于支撑 发电机和调向机构等。
因风速随离地面的高度增加而增加,塔架越高,风轮单位面积捕捉的风能越多,但造价、安装费等也随之加大。 (4)调向机构 垂直轴风力机可接受任何方向吹来的风,因此不需要调向机构。
对于水平轴风力机,为了得到最高的风能利用效率,应用风轮的旋转面经常对准风向,需要对风装置。常用的调向机构主要有尾舵、舵轮、电动对风装置。
(5)限速机构 当风速高于风力机的设计风速时,为了防止叶片损坏,需要对风轮转速进行控制。 (6)贮能装置 贮能装置对独立运行的小型风力机是十分重要的。
其贮能方式有热能贮能、化学能贮存。 (7)逆变器 用于将直流电转换为交流电,以满足交流电气设备用电的要求。
2) 大型风力发电机 大型风力发电机组由两大部分组成:气动机械部分和电气部分。气动机械部分包括风轮、低速轴、增速齿轮箱、高速轴,其功能是驱动发电机转子,将风能转换为机械能。
电气部分包括异步发电机、电。
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