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1、風(fēng)力發(fā)電原理及風(fēng)力發(fā)電的工藝流程
發(fā)電風(fēng)力發(fā)電機(jī)最初出現(xiàn)在十九世紀(jì)末。自二十世紀(jì)八十年代起，這項(xiàng)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(jī)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(jī)最具經(jīng)濟(jì)效益的額定
功率范圍在600千瓦至750千瓦之間，而風(fēng)輪直徑則在40
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(jī)。
代的兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)是以這類機(jī)種作為基礎(chǔ)發(fā)展出來
的。
生產(chǎn)額定功率為幾兆瓦
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而風(fēng)輪直徑達(dá)到約90米的風(fēng)力發(fā)電機(jī)（例如VestasV903.0兆瓦
風(fēng)電機(jī)，NordexN
2、902.5兆瓦風(fēng)電機(jī)等等），甚至有些直徑達(dá)100
米（如GE3.6兆瓦風(fēng)電機(jī)）。這些大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要市場是歐洲。在歐洲，適合風(fēng)電的地段日漸減少，因此有逼切性安裝發(fā)電能力盡量高的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
另一類更大型的為海上應(yīng)用而設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，已經(jīng)完成設(shè)計(jì)并制成原型機(jī)。例如REPower公司設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jì)算。
能量=1/2X質(zhì)量X（速度）人2
吹過特定面積的風(fēng)的的功率可以用下列公式計(jì)算。
功率=1/2X空氣密度X面積X（速度）A3
其中，
功率單位為瓦特；
空氣密度單位為
3、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?？諝饷芏入S氣壓和溫度而變。隨著高度的升高，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
次方〔立方〕
成正比，并與風(fēng)輪掃掠面積成正比。不過實(shí)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(jī)的工作原理
現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用空氣動力學(xué)原理，就像飛機(jī)的機(jī)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(jī)的風(fēng)輪并不能提取風(fēng)的所有功率。根據(jù)
4、Betz定
律，理論上風(fēng)電機(jī)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(jī)只能提取風(fēng)的功率的40%或者更少。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要包含三部分：風(fēng)輪、機(jī)艙和塔桿。大型與
電網(wǎng)接駁的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最常見的結(jié)構(gòu)，
是橫軸式三葉片風(fēng)
輪，并安裝在直立管狀塔桿上。
基座
（上圖來源：DanishWindIndustryAssociation）
風(fēng)輪葉片由復(fù)合材料制造。不像小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)
大型風(fēng)
電機(jī)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)動相當(dāng)慢。比較簡單的風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(qiáng)風(fēng)
下用高速。這些定速風(fēng)電機(jī)
5、的感應(yīng)式異步發(fā)電機(jī)能夠直接發(fā)產(chǎn)生電網(wǎng)頻率的交流電。
比較新型的設(shè)計(jì)一般是可變速的（比如Vestas公司的V52-850
千瓦風(fēng)電機(jī)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(jī)設(shè)計(jì)比起定速風(fēng)電機(jī)，越來越受歡迎。
機(jī)艙上安裝的感測器探測風(fēng)向，透過轉(zhuǎn)向機(jī)械裝置令機(jī)艙
和風(fēng)輪自動轉(zhuǎn)向，面向來風(fēng)。
風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動通過齒輪變速箱傳送到機(jī)艙內(nèi)的發(fā)電機(jī)（如果沒有齒輪變速箱則直接傳送到發(fā)電機(jī)）。在風(fēng)電工業(yè)中，配有變速箱的風(fēng)力發(fā)電機(jī)是很普遍的。不過，為風(fēng)電機(jī)而設(shè)計(jì)的多極直接驅(qū)動式發(fā)電機(jī)，也有顯
6、著的發(fā)展。
設(shè)於塔底的變壓器（或者有些設(shè)於機(jī)艙內(nèi)）可提升發(fā)電機(jī)
的電壓到配電網(wǎng)電壓（香港的情況為11千伏）。
所有風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率輸出是隨著風(fēng)力而變的。強(qiáng)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(jī)，超過額定
風(fēng)速的強(qiáng)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(qiáng)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)的風(fēng)電機(jī)，每片葉片能夠以縱向?yàn)檩S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(qiáng)時，葉片轉(zhuǎn)動至迎氣邊緣面向來風(fēng)，從而令風(fēng)輪殺IJ車。
葉片中嵌入了避雷條，
7、當(dāng)葉片遭到雷擊時，可將閃電中的
電流引 導(dǎo)到地 下去。
O超聲波風(fēng)傳總匏
?雄憾用吊車
O帶變頻器的VHF頂部
控制器
?發(fā)電機(jī)
O斜角調(diào)節(jié)液壓缸
9油/水冷卻器
。齒輪箱
物主軸
。斜角調(diào)節(jié)采統(tǒng)
?葉片輪殼
?葉片軸或
/味片
?風(fēng)輪展定系統(tǒng)
《漉壓控制單元
代扭粗臂
位機(jī)艙底座
3碟式機(jī)域制動器
偏骯齒輪
9復(fù)合型庭式偶合器
上圖：VestasV52-850千瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙內(nèi)的組成部份
（來源：Vestas）
3）風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率曲線
在風(fēng)速很低的時候，風(fēng)電機(jī)風(fēng)輪會保持不動。當(dāng)?shù)竭_(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
8、發(fā)電機(jī)開始發(fā)電。隨著風(fēng)力越來越強(qiáng)，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(jī)會輸出其額定功率。之彳奏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(jī)會剎車，不再輸出功率，為免受損。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)的輸出功率。
功率曲線V52-85OkW
6OSO40
1015
風(fēng)速（米/秒）
20
25
1000dB(A)
1Q3QdB；A)
101.0叫A)
1042叫
9、A)
102QdB伊)
上圖：V52-850千瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速而改變）
（來源：Vestas）
為特定地點(diǎn)選取合適的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，一般方法是采用風(fēng)電機(jī)的功率曲線和該地點(diǎn)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(jī)-資源潛力部分有更多相關(guān)資訊）
4）風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定輸出功率
風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)可以配以不同大小的發(fā)電機(jī)
。因此兩座同樣構(gòu)造和風(fēng)輪直徑的風(fēng)電機(jī)可能有相當(dāng)不
10、同的額定輸出功率值，這取決於它的設(shè)計(jì)是配合強(qiáng)風(fēng)地帶（配較大型發(fā)電機(jī)）或弱風(fēng)地帶（配較小型發(fā)電機(jī)）。
5）風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要種類
橫軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)和豎軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)
根據(jù)葉片固定軸的方位，風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以分為橫軸和豎軸兩類。橫軸式風(fēng)電機(jī)工作時轉(zhuǎn)軸方向與風(fēng)向一致，豎軸式風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸方向與風(fēng)向成直角。
橫軸式風(fēng)電機(jī)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(jī)則不必如此，因?yàn)樗梢允占煌瑏硐虻娘L(fēng)能
橫軸式風(fēng)電機(jī)在世界上占主流位置。
逆風(fēng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和順風(fēng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)
逆風(fēng)風(fēng)電機(jī)是一種風(fēng)輪面向來風(fēng)的橫軸式風(fēng)電機(jī)。而對於順風(fēng)風(fēng)電機(jī)，來風(fēng)是從風(fēng)輪的背彳麥吹來。大多數(shù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)是逆風(fēng)式的。
單
11、葉片、雙葉片和三葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)
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(jī)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(jī)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統(tǒng)效率。目前3葉片風(fēng)電機(jī)是主流。從美學(xué)角度
上看，3葉片的風(fēng)電機(jī)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(jī)，或者由多臺風(fēng)電機(jī)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(jī)相互之間需要有足夠的距離，以免造成過強(qiáng)的湍流相互影響，或由於"尾流效應(yīng)”而嚴(yán)重減低彳麥排風(fēng)電機(jī)的功率輸出。
12、為了配合運(yùn)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(diǎn)。
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(jī)容量達(dá)58千兆瓦。德國、
西班牙、美國、印度和丹麥?zhǔn)且燥L(fēng)力發(fā)電裝機(jī)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(jī)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(jī)額定輸出功率為
800千瓦。
風(fēng)能是可再生能源發(fā)展中最快的部分。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(jì)，
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(jī)容量可能達(dá)到150千兆瓦
風(fēng)力發(fā)電原理及風(fēng)力發(fā)電的工藝流程
