小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動(dòng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【家用垂直風(fēng)力發(fā)電】

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在70年代末和80年代初，風(fēng)能作為一種可以解決能源危機(jī)的辦法，再次受到關(guān)注。作為用戶(hù)和農(nóng)民的期待，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)以各種電力生產(chǎn)可再生能源的替代品，成為最符合成本效益的技術(shù)，其成本也在減小。在1976-1985年之間，稅收抵免和良好的聯(lián)合條例（PURPA），使人們把4500多個(gè)小型、1-25萬(wàn)千瓦的風(fēng)力系統(tǒng)安裝到個(gè)人家庭里。另外1000個(gè)風(fēng)力系統(tǒng)在同一時(shí)期也被安裝在各種遠(yuǎn)程應(yīng)用上。小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)被安裝在所有的五十個(gè)州。然而，沒(méi)有一個(gè)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的國(guó)有大公司致力于長(zhǎng)期的市場(chǎng)發(fā)展，因此，在1985年年底，當(dāng)聯(lián)合政府稅收抵免過(guò)期，石油價(jià)格下降到10美元每桶的兩個(gè)月后，大部分的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組行業(yè)再次消失了。有些公司認(rèn)為，這幸存的“市場(chǎng)調(diào)節(jié)” ，在生產(chǎn)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的今天，那些機(jī)器是最可靠的，其聲譽(yù)是最好的。 成本因素 在很多方面光伏技術(shù)是一個(gè)有吸引力的技術(shù)，但成本因素是考慮的問(wèn)題之一。那些在家庭、事業(yè)、或遠(yuǎn)程設(shè)施等方面有需要的用戶(hù)，功率超過(guò)100-200瓦的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，可能是一個(gè)有吸引力的替代方式。舉例來(lái)說(shuō)，在50瓦特規(guī)模水平，某小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的費(fèi)用約為8.00美元/瓦特，相比約為光伏模塊6.00美元/瓦特。這就是為什么對(duì)于很小的負(fù)載光伏技術(shù)的費(fèi)用較低的原因。不過(guò)，由于該系統(tǒng)規(guī)模較大，這個(gè)“經(jīng)驗(yàn)規(guī)則”推翻了自己。在300瓦特風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的成本下跌至2.50美元/瓦特時(shí)（1.50美元/瓦特在西南空氣風(fēng)能事件中） ，而光電成本仍然為6.00美元/瓦特 。1500瓦特風(fēng)力系統(tǒng)的成本下降到2.00美元/瓦特，一個(gè)10000瓦特的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的成本（不包括電子產(chǎn)品）下跌至1.50美元/瓦特 。光伏和風(fēng)能在監(jiān)管和控制方面的成本，基本上是相同的。出人意料的是，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的塔的成本，相當(dāng)于光伏架子和追蹤系統(tǒng)的成本。因?yàn)橛写罅康倪B接，所以光伏系統(tǒng)的線路接線的成本通常較高。 對(duì)于連接到公用電網(wǎng)的用戶(hù)，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，通常是最好的“下一步”，畢竟其保護(hù)和效率等方面已經(jīng)有所改善。一個(gè)典型的家庭每月消耗用電800-2000千瓦時(shí)和4-10千瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)或光伏系統(tǒng)，以滿(mǎn)足家庭需求。在這種情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)已不再昂貴。 可靠性 在過(guò)去，可靠性是小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)品的“要害”。在70年代末，為了提高其可靠性，所以對(duì)小型發(fā)電機(jī)進(jìn)行了良好的設(shè)計(jì)。今天的產(chǎn)品，在先進(jìn)的技術(shù)上超過(guò)了早先的技術(shù)，可靠性也大致增加了。小型發(fā)電機(jī)，現(xiàn)在可運(yùn)作5年或更長(zhǎng)時(shí)間，甚至在環(huán)境惡劣的地方，也不需要維修或檢查，擔(dān)?？墒褂?年。這個(gè)系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)行成本與光伏系統(tǒng)是一樣的。 風(fēng)能 風(fēng)能是地球表面受熱不均勻所產(chǎn)生的太陽(yáng)能的一種形式。最好的風(fēng)能資源在海岸沿線、山上、北部各州，但是在大多數(shù)地區(qū)都能發(fā)現(xiàn)這種可用的風(fēng)力資源。作為一個(gè)動(dòng)力源，風(fēng)能比太陽(yáng)能較難預(yù)測(cè)，但通常它在一天內(nèi)能供應(yīng)更多的時(shí)間。風(fēng)能資源因?yàn)槭艿匦渭捌渌蛩氐挠绊?，使它比太?yáng)能更方便獲得。例如，在丘陵地形，你和你的鄰居，有可能接收到完全相同的太陽(yáng)能資源。但因?yàn)槟憔幼≡诤芎玫奈恢蒙希且粋€(gè)能更好的接觸到當(dāng)時(shí)風(fēng)向的地方，你就能比你的鄰居接收到更好的風(fēng)能資源，反過(guò)來(lái)說(shuō)，如果你的位置是溝壑或背風(fēng)面的山，你的風(fēng)能資源利用就要大大降低。在這種情況下，與太陽(yáng)能相比，應(yīng)該更周密的考慮風(fēng)能。 風(fēng)能是遵循季節(jié)性模式的，在冬季的月份很高而在夏季的幾個(gè)月卻很低。這和太陽(yáng)能剛剛相反?；谶@個(gè)原因，在混合動(dòng)力系統(tǒng)中風(fēng)能和太陽(yáng)能系統(tǒng)協(xié)同工作。這些混合的系統(tǒng)為小型風(fēng)能制造商們提供了一個(gè)更細(xì)分的市場(chǎng)——光伏系統(tǒng)，以擴(kuò)展他們的風(fēng)能系統(tǒng)。 風(fēng)力發(fā)電機(jī) 大部分風(fēng)力發(fā)電機(jī)是水平軸螺旋槳式系統(tǒng)。垂直軸系統(tǒng)，如S -轉(zhuǎn)子式薩沃紐斯型系統(tǒng)，已被證明是很昂貴的。橫向軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般包括一個(gè)螺旋槳，一臺(tái)發(fā)電機(jī)，一個(gè)主機(jī)和一個(gè)尾舵。螺旋槳將獲取的風(fēng)能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。螺旋槳通常由兩個(gè)或三個(gè)葉片組成。由三個(gè)葉片組成的系統(tǒng)比兩個(gè)葉片的更有效率，運(yùn)行更平穩(wěn)，但他們需要的成本更多。葉片通常是由木料或玻璃纖維制成，因?yàn)檫@些材料中有它需要的結(jié)合強(qiáng)度和柔韌性（他們不干擾電視信號(hào)） 。 發(fā)電機(jī)通常是為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的。永磁交流發(fā)電機(jī)因?yàn)樗麄儫o(wú)需實(shí)地繞組而廣受歡迎。低速直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的一個(gè)重要特征是系統(tǒng)使用了一般尚未可靠的變速箱或帶。主機(jī)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重要結(jié)構(gòu)之一，它包括用來(lái)連接旋轉(zhuǎn)（通過(guò)這點(diǎn)，可以改變風(fēng)向）的風(fēng)力發(fā)電機(jī)和固定接線線路的“滑環(huán)”。尾部排列的轉(zhuǎn)子可以是防護(hù)超速的一部分。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)是很困難的，而且許多早期的系統(tǒng)也不是很可靠。光伏模塊是很可靠的，因?yàn)橥ǔＫ鼪](méi)有任何運(yùn)動(dòng)部件，在以后光伏組件將越來(lái)越可靠。在一方面，一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)必須有運(yùn)動(dòng)部件和可靠性，一個(gè)機(jī)器的特性是由工程和設(shè)計(jì)的技術(shù)層次決定的。在另一方面，從一個(gè)系統(tǒng)到另外一個(gè)系統(tǒng)，在可靠性、耐用性和期望壽命等方面上存在很大差異，這給經(jīng)常工作在太陽(yáng)能組件的經(jīng)銷(xiāo)商和顧客上了一課。 塔架 一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)必須能夠高效率地運(yùn)行。湍流是最接近地面的。此外，風(fēng)速隨高度的增加而增加。經(jīng)驗(yàn)之談，你應(yīng)該根據(jù)每個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)為風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝一個(gè)適合的塔架。為了讓風(fēng)輪在地面上較高的風(fēng)速帶中運(yùn)行，需要用塔架把風(fēng)輪支撐起來(lái)。舉例來(lái)說(shuō)，1 250瓦特發(fā)電機(jī)往往是被安裝在一個(gè)30-50英尺的塔架上，而10千瓦發(fā)電機(jī)通常會(huì)需要一個(gè)80-120英尺的塔架。我們不推薦在人們居住的小型建筑上安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)，因?yàn)橥牧?、噪音和振?dòng)是一直存在的問(wèn)題。 最便宜的塔架是拉線塔，例如那些常用于無(wú)線電的天線。規(guī)模較小的拉線塔往往建造成管狀。自支撐塔架一般建成格子狀或管狀，占用更少的空間，更具有吸引力，但它們也更昂貴。塔架所用材料一般是木桿或鐵管，也可以采用鋼材做成的桁架結(jié)構(gòu)。電話線的連接桿結(jié)構(gòu)也可用于規(guī)模較小的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。塔架，尤其是拉線塔，可鉸接適當(dāng)?shù)难b備上，用絞車(chē)或車(chē)輛讓他們傾斜向上或向下。所有地面的工作都要做。一些塔架和發(fā)電機(jī)可以由買(mǎi)方很容易地設(shè)置，而有些則是最好交由受過(guò)訓(xùn)練的專(zhuān)業(yè)人員做。不論選擇什么樣的塔架，目的是使風(fēng)輪獲得較大風(fēng)速，同時(shí)還必須考慮成本。塔架通常是有風(fēng)力發(fā)電機(jī)的制造商所提供的，以確保適當(dāng)?shù)倪m應(yīng)性。 遠(yuǎn)程系統(tǒng)設(shè)備 作為遠(yuǎn)程系統(tǒng)設(shè)備，系統(tǒng)平衡設(shè)備被小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所使用著。大部分風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要對(duì)電池充電儲(chǔ)存方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，以防止充電過(guò)度而造成不必要的損失。目前采用最多的儲(chǔ)能方法是利用蓄電池把電能儲(chǔ)存起來(lái)。該調(diào)節(jié)器是專(zhuān)門(mén)為特定發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的。光伏調(diào)節(jié)器一般不適合小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的使用，因?yàn)樵O(shè)計(jì)他們不是來(lái)處理和發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的電壓和電流的變化的。調(diào)節(jié)器的生產(chǎn)通常與直流源中心有關(guān)系，它也可以作為其它直流源、負(fù)載及電池的連接點(diǎn)。光伏系統(tǒng)和風(fēng)能系統(tǒng)的混合動(dòng)力系統(tǒng)通過(guò)把單獨(dú)的監(jiān)管機(jī)構(gòu)連接到直流源中心，但沒(méi)有特別的管制措施。小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的一般經(jīng)驗(yàn)規(guī)則是蓄電池至少應(yīng)為最高可再生能源的充電電流的6倍，包括任何光伏要素。 做你自己的公司 在1978年，PURPA聯(lián)合條例通過(guò)，允許你為你的房子或工作連接一個(gè)合適的可再生能源供電的發(fā)電機(jī)，以減少你對(duì)公用供電的消費(fèi)。法律同意規(guī)定購(gòu)買(mǎi)任何額外的電力，在價(jià)格上（避免成本） 通常低于電力的零售成本。在約一半的國(guó)家有“凈能量計(jì)費(fèi)選項(xiàng)”，小系統(tǒng)是允許運(yùn)行反向計(jì)量的，所以過(guò)剩的產(chǎn)量使他們得到足夠的零售費(fèi)率。由于為保持特殊的手工處理客戶(hù)帳戶(hù)和凈能源帳單，過(guò)高的間接費(fèi)用其實(shí)是沒(méi)必要的。這些系統(tǒng)不使用電池。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的蓄電是由整流換向逆變器和感應(yīng)發(fā)電機(jī)相互協(xié)調(diào)的。然后其電能連接到家庭的機(jī)器面板上的專(zhuān)用斷路器上，就像一個(gè)大型家電。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組沒(méi)有運(yùn)行，或者它不夠提供這個(gè)屋子所需要的電力時(shí)，需要的電力由蓄電池提供。同樣，如果發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能超過(guò)了房子的電能消耗，多余的電能就會(huì)即刻存到相應(yīng)的地方。實(shí)際上，作為一個(gè)非常大的電池儲(chǔ)備裝置，蓄電池作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的一個(gè)負(fù)面的負(fù)荷。經(jīng)過(guò)200000000小時(shí)的相互運(yùn)作，我們現(xiàn)在知道小互聯(lián)風(fēng)力發(fā)電機(jī)是安全可靠，也不會(huì)干預(yù)用戶(hù)的任何設(shè)備，其成功地運(yùn)作也不需要任何特別的安全設(shè)備。 在20世紀(jì)80年代初，到稅收抵免的時(shí)候全國(guó)各地?cái)?shù)以百計(jì)的用戶(hù)安裝了4-12千瓦的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，現(xiàn)在每月電費(fèi)為8-30美元 ，而他們的鄰居電費(fèi)的范圍在100-200美元不等。當(dāng)然這個(gè)問(wèn)題是這些稅收抵免早已遠(yuǎn)去的時(shí)候，大部分房主并沒(méi)有覺(jué)得一個(gè)合適的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的成本是昂貴的。舉例來(lái)說(shuō)，10千瓦的發(fā)電機(jī)（對(duì)家庭用戶(hù)來(lái)說(shuō)最常見(jiàn)的配置） ，通常的安裝費(fèi)用為28000-35000美元。對(duì)于那些支付12美分/千瓦小時(shí)或更多，平均風(fēng)速每小時(shí)10英里或風(fēng)速更高的地區(qū)（能源部2級(jí)） ，且有較大的土地使用權(quán)（發(fā)電機(jī)大）的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，一個(gè)家用發(fā)電機(jī)肯定是值得考慮的。投資回收期一般是8-16年，有些風(fēng)力發(fā)電機(jī)是過(guò)去30年或更早時(shí)間設(shè)計(jì)的，所以投入的資金可以收回。 效果 一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定功率不是比較一個(gè)產(chǎn)品和下一個(gè)產(chǎn)品的好的因素。這是因?yàn)橹圃焐炭梢愿鶕?jù)風(fēng)速來(lái)自由選擇發(fā)電機(jī)的額定速度。如果額定風(fēng)速不一樣，那么兩個(gè)產(chǎn)品相比較是有誤導(dǎo)之嫌的。幸運(yùn)的是，美國(guó)風(fēng)能協(xié)會(huì)已經(jīng)通過(guò)了一個(gè)評(píng)價(jià)能源生產(chǎn)性能的標(biāo)準(zhǔn)方法。遵循AWEA標(biāo)準(zhǔn)的制造商將提供在各年度平均風(fēng)速時(shí)每年的能源輸出（AEO）的資料。每年能源輸出的數(shù)據(jù)就像環(huán)保局為你的車(chē)估計(jì)氣體英里數(shù)一樣，他們讓你公平的比較產(chǎn)品，但他們不告訴你實(shí)際你要做些什么（“你們的表現(xiàn)可能有所不同”）。 能源部門(mén)已為美國(guó)編制了風(fēng)力資源地圖。這些地圖顯示的PC資源意味著平均風(fēng)速可能會(huì)在一定幅度內(nèi)浮動(dòng)。PC越高其資源更好。這種情況可能是因?yàn)榈匦蔚挠绊?。能源部的地圖顯示開(kāi)放式的地形相當(dāng)不錯(cuò)，但在丘陵或山區(qū)，他們必須謹(jǐn)慎使用。風(fēng)力資源是指一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速傳感器的高度為33英尺（ 10米） ，因此你在使用制造商所提供的AEO資料之前，必須通過(guò)平均風(fēng)速校準(zhǔn)風(fēng)塔的高度。風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造商通?？梢栽趲缀跞魏蔚攸c(diǎn)為他們的發(fā)電機(jī)提供電腦輔助的效果預(yù)測(cè)。 作為一個(gè)風(fēng)能經(jīng)驗(yàn)法則，當(dāng)遠(yuǎn)程應(yīng)用超過(guò)每小時(shí)8英里（大部分，但不是全部，第1級(jí)和所有其他級(jí)）和每小時(shí)10英里（第2級(jí)或更高）時(shí)應(yīng)考慮你的平均風(fēng)速。如果你住在一個(gè)不是多丘陵的地區(qū)，在你的位置上能源部風(fēng)能資源地圖可以清楚地準(zhǔn)確地計(jì)算出預(yù)期的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效果。在復(fù)雜地形時(shí)，該位置上的判斷也必須用這種效果預(yù)測(cè)來(lái)調(diào)整平均風(fēng)速。在大多數(shù)情況下，安裝一個(gè)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是沒(méi)有必要記錄監(jiān)測(cè)到的同一風(fēng)速的。但在某些情況下，它是值得花費(fèi)300-1000美元并等待一年來(lái)做一個(gè)風(fēng)力調(diào)查的。制造商和設(shè)備商能夠幫助你理清這些問(wèn)題。 如何使用風(fēng)力發(fā)電機(jī) 安裝一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)比安裝太陽(yáng)能電池板復(fù)雜，但他們?nèi)匀皇悄愕哪茉刺娲w系中相對(duì)容易弄的。發(fā)電機(jī)需要安裝在一個(gè)風(fēng)的流量不受阻礙的領(lǐng)域（附近的建筑物，樹(shù)木等）。 一些小型發(fā)電機(jī)可以安裝在你的房子的頂樓，但發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)可能被轉(zhuǎn)移至建設(shè)的框架。安裝在屋頂?shù)陌l(fā)電機(jī)經(jīng)常與橡膠減振裝置配合使用，以減少振動(dòng)這方面的問(wèn)題。但是作為一般規(guī)則，在更高的空中你可以讓你的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組更有效地發(fā)揮，所以拉線塔是推薦的安裝系統(tǒng)。各種各樣的塔的高度和風(fēng)格使得您會(huì)找到一個(gè)安裝套件，以滿(mǎn)足您的需要。 當(dāng)安裝的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)和線路時(shí)，了解風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能電池板這兩個(gè)的根本性分歧是很重要的： 整流器：太陽(yáng)能電池板能產(chǎn)生電力所需的直流電（DC），并能在沒(méi)有造成損害的情況下直接連接到電池存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)不能產(chǎn)生直流電，所以有被稱(chēng)為“整流器”的裝置來(lái)把發(fā)電機(jī)的輸出電流轉(zhuǎn)換成直流。 一些發(fā)電機(jī)有一種整流內(nèi)置設(shè)計(jì)，盡管在大多數(shù)情況下，被供應(yīng)的整流器是作為一個(gè)獨(dú)立的組成部分，但它必須安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)和蓄電池之間。整流器是一個(gè)完整的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制單元。 負(fù)載轉(zhuǎn)移：太陽(yáng)能電池板是“被動(dòng)式”的電力生產(chǎn)者。即使太陽(yáng)照著，他們也只有當(dāng)需要由電池充電時(shí)才產(chǎn)生電力。風(fēng)力發(fā)電機(jī)是“積極”的電力生產(chǎn)者。只要有風(fēng)，不管電池是否需要充電他們都會(huì)產(chǎn)生電流。為了避免破壞風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，所有的電力生產(chǎn)必須要用某種方式來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。 當(dāng)電池系統(tǒng)需要充電時(shí)，他們提供電力負(fù)載來(lái)使風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電。如果電池完全充電后，發(fā)電機(jī)的產(chǎn)生的電量必須要“轉(zhuǎn)移”到另一種電力負(fù)載。 負(fù)載分流充電控制器調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出，所以當(dāng)他們需要時(shí)你的電池將充電，當(dāng)這些電池完全充電后，任何由風(fēng)力發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的多余電力都會(huì)被轉(zhuǎn)移到候補(bǔ)的負(fù)載中。 一些風(fēng)力發(fā)電機(jī)有充電控制功能，用來(lái)轉(zhuǎn)移多余的電流。不過(guò)大多數(shù)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的充電控制器是一個(gè)外部設(shè)備。