風(fēng)力發(fā)電機原理

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1、風(fēng)力發(fā)電機工作原理 風(fēng)力發(fā)電機工作原理簡單的說是：風(fēng)的動能（即空氣的動能）轉(zhuǎn)化成發(fā)電機轉(zhuǎn)子的動能，轉(zhuǎn)子的動能又轉(zhuǎn)化成電能。 風(fēng)力發(fā)電機工作原理是利用風(fēng) 能 可 再 生 能 源? 的 部 分 。 由 1995 年 到 2005 年 之 間 的 年 增 長 率 為 28.5 ％ 。 根 據(jù) 德 國 風(fēng) 能 會 （ DEWI ） 的 估 計 ， 風(fēng) 能 發(fā) 電 的 年 增 長 率 將 保 持 高 增 長 率 ， 在 2012 年 或 之 前 全 球 風(fēng) 力 發(fā) 電 裝 機 容 量 可 能 達(dá) 到 150 千 兆 瓦 。 發(fā) 電 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 最 初 出 現(xiàn) 在 十 九 世 紀(jì) 末 。 自

2、 二 十 世 紀(jì) 八 十 年 代 起 ， 這 項 技 術(shù) 不 斷 發(fā) 展 并 日 漸 成 熟 ， 適 合 工 業(yè) 應(yīng) 用 。 近 二 三 十 年 ， 典 型 的 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 的 風(fēng) 輪 直 徑 不 斷 增 大 ， 而 額 定 功 率 也 不 斷 提 升 。 在 二 十 一 世 紀(jì) 00 年 代 初 ， 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 最 具 經(jīng) 濟 效 益 的 額 定 輸 出 功 率 范 圍 在 600 千 瓦 至 750 千 瓦 之 間 ， 而 風(fēng) 輪 直 徑 則 在 40 米 至 47 米 之 間 。 當(dāng) 時 所 有 制 造 商 都 有 生 產(chǎn) 這 類 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 。 新 一 代 的

3、 兆 瓦 級 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 是 以 這 類 機 種 作 為 基 礎(chǔ) 發(fā) 展 出 來 的 。 二 零 零 七 年 初 ， 有 一 些 制 造 商 開 始 生 產(chǎn) 額 定 功 率 為 幾 兆 瓦 而 風(fēng) 輪 直 徑 達(dá) 到 約 90 米 的 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 （ 例 如 Vestas V90 3.0 兆 瓦 風(fēng) 電 機 ， Nordex N90 2.5 兆 瓦 風(fēng) 電 機 等 等 ） ， 甚 至 有 些 直 徑 達(dá) 100 米 ( 如 GE 3.6 兆 瓦 風(fēng) 電 機 ) 。 這 些 大 型 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 主 要 市 場 是 歐 洲 。 在 歐 洲 ， 適 合 風(fēng) 電 的 地

4、段 日 漸 減 少 ， 因 此 有 逼 切 性 安 裝 發(fā) 電 能 力 盡 量 高 的 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 。 另 一 類 更 大 型 的 為 海 上 應(yīng) 用 而 設(shè) 計 的 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 ， 已 經(jīng) 完 成 設(shè) 計 并 制 成 原 型 機 。 例 如 RE Power 公 司 設(shè) 計 的 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 風(fēng) 輪 直 徑 達(dá) 126 米 ， 功 率 達(dá) 5 兆 瓦 。 1) 風(fēng) 的 功 率 風(fēng) 的 能 量 指 的 是 風(fēng) 的 動 能 。 特 定 質(zhì) 量 的 空 氣 的 動 能 可 以 用 下 列 公 式 計 算 。 能 量 = 1/2 X 質(zhì) 量 X ( 速 度 )^2

5、吹 過 特 定 面 積 的 風(fēng) 的 的 功 率 可 以 用 下 列 公 式 計 算 。 功 率 = 1/2 X 空 氣 密 度 X 面 積 X ( 速 度 )^3 其 中 ， 功 率 單 位 為 瓦 特 ； 空 氣 密 度 單 位 為 千 克 / 立 方 米 ； 面 積 指 氣 流 橫 截 面 積 ， 單 位 為 平 方 米 ； 速 度 單 位 為 米 / 秒 。 在 海 平 面 高 度 和 攝 氏 15 度 的 條 件 下 ， 乾 空 氣 密 度 為 1.225 千 克 / 立 方 米 。 空 氣 密 度 隨 氣 壓 和 溫 度 而 變 。 隨 著 高 度 的 升 高 ，

6、 空 氣 密 度 也 會 下 降 。 於 上 述 公 式 中 可 以 看 出 ， 風(fēng) 的 功 率 與 速 度 的 三 次 方 〔 立 方 〕 成 正 比 ， 并 與 風(fēng) 輪 掃 掠 面 積 成 正 比 。 不 過 實 際 上 ， 風(fēng) 輪 只 能 提 取 風(fēng) 的 能 量 中 的 一 部 分 ， 而 非 全 部 。 ? 2) 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 的 工 作 原 理 現(xiàn) 代 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 采 用 空 氣 動 力 學(xué) 原 理 ， 就 像 飛 機 的 機 翼 一 樣 。 風(fēng) 并 非 " 推 " 動 風(fēng) 輪 葉 片 ， 而 是 吹 過 葉 片 形 成 葉 片 正 反 面 的 壓 差 ， 這

7、 種 壓 差 會 產(chǎn) 生 升 力 ， 令 風(fēng) 輪 旋 轉(zhuǎn) 并 不 斷 橫 切 風(fēng) 流 。 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 的 風(fēng) 輪 并 不 能 提 取 風(fēng) 的 所 有 功 率 。 根 據(jù) Betz 定 律 ， 理 論 上 風(fēng) 電 機 能 夠 提 取 的 最 大 功 率 ， 是 風(fēng) 的 功 率 的 59.6% 。 大 多 數(shù) 風(fēng) 電 機 只 能 提 取 風(fēng) 的 功 率 的 40% 或 者 更 少 。 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 主 要 包 含 三 部 分 ∶ 風(fēng) 輪 、 機 艙 和 塔 桿 。 大 型 與 電 網(wǎng) 接 駁 的 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 的 最 常 見 的 結(jié)構(gòu) ， 是 橫 軸 式 三 葉 片 風(fēng) 輪

8、 ， 并 安 裝 在 直 立 管 狀 塔 桿 上 。 ( 上 圖 來 源 ： Danish Wind Industry Association ) 風(fēng) 輪 葉 片 由 復(fù) 合 材 料 制 造 。 不 像 小 型 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 ， 大 型 風(fēng) 電 機 的 風(fēng) 輪 轉(zhuǎn) 動 相 當(dāng) 慢 。 比 較 簡 單 的 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 是 采 用 固 定 速 度 的 。 通 常 采 用 兩 個 不 同 的 速 度 - 在 弱 風(fēng) 下 用 低 速 和 在 強 風(fēng) 下 用 高 速 。 這 些 定 速 風(fēng) 電 機 的 感 應(yīng) 式 異 步 發(fā) 電 機 能 夠 直 接 發(fā) 產(chǎn) 生 電 網(wǎng) 頻 率 的

9、 交 流 電 。 比 較 新 型 的 設(shè) 計 一 般 是 可 變 速 的 （ 比 如 Vestas 公 司 的 V52-850 千 瓦 風(fēng) 電 機 轉(zhuǎn) 速 為 每 分 鐘 14 轉(zhuǎn) 到 每 分 鐘 31.4 轉(zhuǎn) ） 。 利 用 可 變 速 操 作 ， 風(fēng) 輪 的 空 氣 動 力 效 率 可 以 得 到 改 善 ， 從 而 提 取 更 多 的 能 量 ， 而 且 在 弱 風(fēng) 情 況 下 噪 音 更 低 。 因 此 ， 變 速 的 風(fēng) 電 機 設(shè) 計 比 起 定 速 風(fēng) 電 機 ， 越 來 越 受 歡 迎 。 機 艙 上 安 裝 的 感 測 器 探 測 風(fēng) 向 ， 透 過 轉(zhuǎn) 向 機 械 裝

10、置 令 機 艙 和 風(fēng) 輪 自 動 轉(zhuǎn) 向 ， 面 向 來 風(fēng) 。 風(fēng) 輪 的 旋 轉(zhuǎn) 運 動 通 過 齒 輪 變 速 箱 傳 送 到 機 艙 內(nèi) 的 發(fā) 電 機 （ 如 果 沒 有 齒 輪 變 速 箱 則 直 接 傳 送 到 發(fā) 電 機 ） 。 在 風(fēng) 電 工 業(yè) 中 ， 配 有 變 速 箱 的 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 是 很 普 遍 的 。 不 過 ， 為 風(fēng) 電 機 而 設(shè) 計 的 多 極 直 接 驅(qū) 動 式 發(fā) 電 機 ， 也 有 顯 著 的 發(fā) 展 。 設(shè) 於 塔 底 的 變 壓 器 （ 或 者 有 些 設(shè) 於 機 艙 內(nèi) ） 可 提 升 發(fā) 電 機 的 電 壓 到 配 電 網(wǎng) 電

11、壓 （ 香 港 的 情 況 為 11 千 伏 ） 。 所 有 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 的 功 率 輸 出 是 隨 著 風(fēng) 力 而 變 的 。 強 風(fēng) 下 最 常 見 的 兩 種 限 制 功 率 輸 出 的 方 法 （ 從 而 限 制 風(fēng) 輪 所 承 受 壓 力 ） 是 失 速 調(diào) 節(jié) 和 斜 角 調(diào) 節(jié) 。 使 用 失 速 調(diào) 節(jié) 的 風(fēng) 電 機 ， 超 過 額 定 風(fēng) 速 的 強 風(fēng) 會 導(dǎo) 致 通 過 業(yè) 片 的 氣 流 產(chǎn) 生 擾 流 ， 令 風(fēng) 輪 失 速 。 當(dāng) 風(fēng) 力 過 強 時 ， 業(yè) 片 尾 部 制 動 裝 置 會 動 作 ， 令 風(fēng) 輪 剎 車 。 使 用 斜 角 調(diào) 節(jié) 的

12、風(fēng) 電 機 ， 每 片 葉 片 能 夠 以 縱 向 為 軸 而 旋 轉(zhuǎn) ， 葉 片 角 度 隨 著 風(fēng) 速 不 同 而 轉(zhuǎn) 變 ， 從 而 改 變 風(fēng) 輪 的 空 氣 動 力 性 能 。 當(dāng) 風(fēng) 力 過 強 時 ， 葉 片 轉(zhuǎn) 動 至 迎 氣 邊 緣 面 向 來 風(fēng) ， 從 而 令 風(fēng) 輪 剎 車 。 葉 片 中 嵌 入 了 避 雷 條 ， 當(dāng) 葉 片 遭 到 雷 擊 時 ， 可 將 閃 電 中 的 電 流 引 導(dǎo) 到 地 下 去 。 上 圖 ： Vestas V52-850 千 瓦 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 機 艙 內(nèi) 的 組 成 部 份 ( 來 源 ： Vestas ) 3) 風(fēng)

13、力 發(fā) 電 機 的 功 率 曲 線 在 風(fēng) 速 很 低 的 時 候 ， 風(fēng) 電 機 風(fēng) 輪 會 保 持 不 動 。 當(dāng) 到 達(dá) 切 入 風(fēng) 速 時 （ 通 常 每 秒 3 到 4 米 ） ， 風(fēng) 輪 開 始 旋 轉(zhuǎn) 并 牽 引 發(fā) 電 機 開 始 發(fā) 電 。 隨 著 風(fēng) 力 越 來 越 強 ， 輸 出 功 率 會 增 加 。 當(dāng) 風(fēng) 速 達(dá) 到 額 定 風(fēng) 速 時 ， 風(fēng) 電 機 會 輸 出 其 額 定 功 率 。 之 後 輸 出 功 率 會 保 留 大 致 不 變 。 當(dāng) 風(fēng) 速 進(jìn) 一 步 增 加 ， 達(dá) 到 切 出 風(fēng) 速 的 時 候 ， 風(fēng) 電 機 會 剎 車 ， 不 再 輸 出

14、功 率 ， 為 免 受 損 。 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 的 性 能 可 以 用 功 率 曲 線 來 表 達(dá) 。 功 率 曲 線 是 用 作 顯 示 在 不 同 風(fēng) 速 下 （ 切 入 風(fēng) 速 到 切 出 風(fēng) 速 ） 風(fēng) 電 機 的 輸 出 功 率 。 上 圖 ： V52-850 千 瓦 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 於 不 同 噪 音 級 別 下 的 工 作 曲 線 ( 噪 音 級 別 可 透 過 改 變 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 的 轉(zhuǎn) 速 而 改 變 ) ( 來 源 ： Vestas ) 為 特 定 地 點 選 取 合 適 的 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 ， 一 般 方 法 是 采 用 風(fēng) 電 機 的

15、 功 率 曲 線 和 該 地 點 的 風(fēng) 力 資 料 以 進(jìn) 行 產(chǎn) 電 量 估 算 。 。 （ 在 大 型 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 - 資 源 潛 力 部 分 有 更 多 相 關(guān) 資 訊 ） 4) 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 的 額 定 輸 出 功 率 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 的 額 定 輸 出 功 率 是 配 合 特 定 的 額 定 風(fēng) 速 設(shè) 而 定 的 。 由 於 能 量 與 風(fēng) 速 的 立 方 成 正 比 ， 因 此 ， 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 的 功 率 會 隨 風(fēng) 速 變 化 會 很 大 。 同 樣 構(gòu) 造 和 風(fēng) 輪 直 徑 的 風(fēng) 電 機 可 以 配 以 不 同 大 小 的 發(fā) 電 機

16、。 因 此 兩 座 同 樣 構(gòu) 造 和 風(fēng) 輪 直 徑 的 風(fēng) 電 機 可 能 有 相 當(dāng) 不 同 的 額 定 輸 出 功 率 值 ， 這 取 決 於 它 的 設(shè) 計 是 配 合 強 風(fēng) 地 帶 （ 配 較 大 型 發(fā) 電 機 ） 或 弱 風(fēng) 地 帶 （ 配 較 小 型 發(fā) 電 機 ） 。 5) 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 的 主 要 種 類 橫 軸 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 和 豎 軸 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 根 據(jù) 葉 片 固 定 軸 的 方 位 ， 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 可 以 分 為 橫 軸 和 豎 軸 兩 類 。 橫 軸 式 風(fēng) 電 機 工 作 時 轉(zhuǎn) 軸 方 向 與 風(fēng) 向 一 致 ， 豎

17、軸 式 風(fēng) 電 機 轉(zhuǎn) 軸 方 向 與 風(fēng) 向 成 直 角 。 橫 軸 式 風(fēng) 電 機 通 常 需 要 不 停 地 變 向 以 保 持 與 風(fēng) 向 一 致 。 而 豎 軸 式 風(fēng) 電 機 則 不 必 如 此 ， 因 為 它 可 以 收 集 不 同 來 向 的 風(fēng) 能 。 橫 軸 式 風(fēng) 電 機 在 世 界 上 占 主 流 位 置 。 ? 逆 風(fēng) 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 和 順 風(fēng) 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 逆 風(fēng) 風(fēng) 電 機 是 一 種 風(fēng) 輪 面 向 來 風(fēng) 的 橫 軸 式 風(fēng) 電 機 。 而 對 於 順 風(fēng) 風(fēng) 電 機 ， 來 風(fēng) 是 從 風(fēng) 輪 的 背 後 吹 來 。 大 多

18、數(shù) 的 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 是 逆 風(fēng) 式 的 。 單 葉 片 、 雙 葉 片 和 三 葉 片 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 葉 片 的 數(shù) 目 由 很 多 因 素 決 定 ， 其 中 包 括 空 氣 動 力 效 率 、 復(fù) 雜 度 、 成 本 、 噪 音 、 美 學(xué) 要 求 等 等 。 大 型 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 可 由 1 、 2 或 者 3 片 葉 片 構(gòu) 成 。 葉 片 較 少 的 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 通 常 需 要 更 高 的 轉(zhuǎn) 速 以 提 取 風(fēng) 中 的 能 量 ， 因 此 噪 音 比 較 大 。 而 如 果 葉 片 太 多 ， 它 們 之 間 會 相 互 作 用 而 降 低 系

19、統(tǒng) 效 率 。 目 前 3 葉 片 風(fēng) 電 機 是 主 流 。 從 美 學(xué) 角 度 上 看 ， 3 葉 片 的 風(fēng) 電 機 看 上 去 較 為 平 衡 和 美 觀 。 6) 岸 上 風(fēng) 電 場 岸 上 風(fēng) 電 系 統(tǒng) 可 以 是 僅 有 一 臺 風(fēng) 電 機 ， 或 者 由 多 臺 風(fēng) 電 機 器 線 性 排 列 或 方 陣 排 列 形 成 風(fēng) 電 場 。 風(fēng) 電 場 的 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 相 互 之 間 需 要 有 足 夠 的 距 離 ， 以 免 造 成 過 強 的 湍 流 相 互 影 響 ， 或 由 於 " 尾 流 效 應(yīng) " 而 嚴(yán) 重 減 低 後 排 風(fēng) 電 機 的 功 率 輸

20、 出 。 為 了 配 合 運 送 大 型 設(shè) 備 （ 特 別 是 葉 片 ） 到 安 裝 現(xiàn) 場 ， 須 要 建 設(shè) 道 路 。 另 外 亦 須 要 建 設(shè) 輸 電 線 ， 把 風(fēng) 電 場 的 輸 出 連 接 到 電 網(wǎng) 接 入 點 。 7) 世 界 各 地 的 風(fēng) 力 發(fā) 電 裝 置 到 2005 年 底 ， 世 界 總 風(fēng) 力 發(fā) 電 裝 機 容 量 達(dá) 58 千 兆 瓦 。 德 國 、 西 班 牙 、 美 國 、 印 度 和 丹 麥 是 以 風(fēng) 力 發(fā) 電 裝 機 容 量 來 算 前 幾 名 的 國 家 。 在 丹 麥 ， 風(fēng) 能 發(fā) 電 提 供 該 國 總 用 電 量 的 20 ％ 。 香 港 第 一 臺 大 型 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 是 由 香 港 電 燈 集 團(tuán) 於 2005 年 末 安 裝 在 南 丫 島 上 ， 并 於 2006 年 二 月 正 式 啟 用 。 該 機 額 定 輸 出 功 率 為 800 千 瓦 。 以上詳細(xì)的介紹了風(fēng)力發(fā)電機工作原理及相關(guān)風(fēng)力發(fā)電機知識，如果想了解更多關(guān)于風(fēng)力發(fā)電原理知識，請關(guān)注風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)其它內(nèi)容。