风力发电机作业原理

沃尔夫线缆：风力发电机作业原理简略的说是：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。

风力发电机作业原理是运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％。依据德国风能会（DEWI）的估量，风能发电的年增长率将坚持高增长率，在2012年或之前全球风力发电装机容量或许抵达150千兆瓦。

发电风力发电机开端出现在十九世纪末。自二十世纪八十年代起，这项技能继续不断的开展并日渐老练，适宜工业运用。近二三十年，典型的风力发电机的风轮直径不断增大，而额外功率也不断的进步。

在二十一世纪00年代初，风力发电机最具经济效益的额外输出功率范围在600千瓦至750千瓦之间，而风轮直径则在40米至47米之间。其时一切制作商都有出产这类风力发电机。新一代的兆瓦级风力发电机是以这类机种作为基础开展出来的。

二零零七年头，有一些制作商开端出产额外功率为几兆瓦而风轮直径抵达约90米的风力发电机（例如VestasV903.0兆瓦风电机，NordexN902.5兆瓦风电机等等），乃至有些直径达100米(如GE3.6兆瓦风电机)。这些大型风力发电机首要商场是欧洲。在欧洲，适宜风电的地段日渐削减，因而有逼切性设备发电能力尽量高的风力发电机。

另一类更大型的为海上运用而规划的风力发电机，现已完结规划并制成原型机。例如REPower公司规划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能够用下列公式核算。

能量=1/2X质量X(速度)^2

吹过特定面积的风的的功率能够用下列公式核算。

功率=1/2X空气密度X面积X(速度)^3

其间，

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。

於上述公式中能够精确的看出，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，而非悉数。

2)风力发电机的作业原理

现代风力发电机选用空气动力学原理，就像飞机的机翼相同。风并非"推"动风轮叶片，而是吹过叶片构成叶片正反面的压差，这种压差会发生升力，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一切功率。依据Betz规律，理论优势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%或许更少。

风力发电机首要包含三部分∶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，并设备在直立管状塔杆上。

(上图来历：DanishWindIndustryAssociation)

风轮叶片由复合材料制作。不像小型风力发电机，大型风电机的风轮滚动适当慢。最简略的风力发电机是选用固定速度的。一般选用两个不同的速度-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发生电网频率的交流电。

比较新式的规划一般是可变速的（比方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）。运用可变速操作，风轮的空气动力功率能够取得改进，然后提取更多的能量，并且在弱风状况下噪音更低。因而，变速的风电机规划比起定速风电机，越来越受欢迎。

机舱上设备的感测器勘探风向，透过转向机械设备令机舱和风轮主动转向，面历来风。

风轮的旋转运动经过齿轮变速箱传送到机舱内的发电机（假设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遍及的。不过，为风电机而规划的多极直接驱动式发电机，也有明显的开展。

设於塔底的变压器（或许有些设於机舱内）可提高发电机的电压到配电网电压（香港的状况为11千伏）。

一切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约束功率输出的办法（然后约束风轮所接受压力）是失速调理和斜角调理。运用失速调理的风电机，超越额外风速的强风会导致经过业片的气流发生扰流，令风轮失速。当风力过强时，业片尾部制动设备会动作，令风轮剎车。运用斜角调理的风电机，每片叶片能够以纵向为轴而旋转，叶片视点随著风速不同而改动，然后改动风轮的空气动力功能。当风力过强时，叶片滚动至迎气边际面历来风，然后令风轮剎车。

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：VestasV52-850千瓦风力发电机机舱内的组成部份

(来历：Vestas)

3)风力发电机的功率曲线

在风速很低的时分，风电机风轮会坚持不动。当抵达切入风速时（一般每秒3到4米），风轮开端旋转并牵引发电机开端发电。随著风力越来越强，输出功率会添加。当风速抵达额外风速时，风电时机输出其额外功率。之後输出功率会保存大致不变。当风速进一步添加，抵达切出风速的时分，风电时机剎车，不再输出功率，为免受损。

风力发电机的功能能够用功率曲线来表达。功率曲线是用作显现在不同风速下（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等级下的作业曲线(噪音等级可透 过改动风力发电机的转速而改动)

(来历：Vestas)

为特定地址选取适宜的风力发电机，一般办法是选用风电机的功率曲线和该地址的风力材料以进行产电量预算。。（在大型风力发电机-资源潜力部分有更多相关资讯）

4)风力发电机的额外输出功率

风力发电机的额外输出功率是合作特定的额外风速设而定的。由於能量与风速的立方成正比，因而，风力发电机的功率会随风速改变会很大。

相同结构和风轮直径的风电机能够配以不同巨细的发电机。因而两座相同结构和风轮直径的风电机或许有适当不同的额外输出功率值，这取决於它的规划是合作强风地带（配较大型发电机）或弱风地带（配较小型发电机）。

5)风力发电机的首要品种

横轴风力发电机和竖轴风力发电机

依据叶片固定轴的方位，风力发电机可大致分为横轴和竖轴两类。横轴式风电机作业时转轴方向与风向共同，竖轴式风电机转轴方向与风向成直角。

横轴式风电机一般需求不停地变向以坚持与风向共同。而竖轴式风电机则不用如此，由于它能够搜集不同来向的风能。

横轴式风电机在国际上占干流方位。

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历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

叶片的数目由许多要素决议，这中心还包含空气动力功率、复杂度、本钱、噪音、美学要求等等。大型风力发电机可由1、2或许3片叶片构成。

叶片较少的风力发电机一般需求更高的转速以提取风中的能量，因而噪音比较大。而假如叶片太多，它们之间会相互作用而下降体系功率。现在3叶片风电机是干流。从美学视点上看，3叶片的风电机看上去较为平衡和漂亮。

6)岸优势电场

岸优势电体系能够是仅有一飓风电机，或许由多飓风电机器线性摆放或方阵摆放构成风电场。

风电场的风力发电机相互之间需求有满足的间隔，避免形成过强的湍流相互影响，或由於"尾流效应"而严峻减低後排风电机的功率输出。

为了合作运送大型设备（特别是叶片）到设备现场，需要建造路途。别的亦需要建造输电线，把风电场的输出连接到电网接入点。

7)国际各地的风力发电设备

到2005年底，国际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，风能发电供给该国总用电量的20％。香港第一台大型风力发电机是由香港电灯集团於2005年底 设备在南丫岛上，并於2006年二月正式启用。该机额外输出功率为800千瓦。