浅谈风能发电设计

分类：电力论文发表 时间：2012-07-27 11:23 关注：(1)

　　摘要：中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，能源利用以煤炭为主。但是，能为人类所用的石化资源是有限的，随着人口的增长和经济的发展，能源供需矛盾加剧，如果不趁早调整能源结构，势必形成对数亿年来地球积累的生物石化遗产更大规模的挖掘、消耗，由此将导致有限的石化能源趋于枯竭，人类生态环境质量下降的恶性循环，不利于经济、能源、环境的协调发展。近年来, 资源的短缺和环境的日趋恶化使世界各国开始重视开发和利用可再生、且无污染的风能资源。本文阐述了风能发电设计，供以参考。

　　关键词：风能设计 发电设备

　　风力发电近几年发展如此之快，是因为它有许多优点：1.设备简单，投资少，成本低，风力发电机的整个设备成本不足功率相当的火力发电，水力发电和核电站成本的1/4，在二、三年内就可以收回全产投资;2.节省燃料和运输费用。在风力资源丰富的地区，风力是取之不尽，用之不竭的，可就地建立风力发电站，就地用电，这样就可以节省大量的输电设备和能源。许多燃料是十分重要的化学原料，把它白白的燃掉是十分可惜的。我国资源并不十分丰富，充分利用风力资源意义就更重大了;3.利用风力可以减少对大气的污染，保护我们人类赖以生存的自然环境。化学燃料不断向大气中排放对生物有害物质，严重的威胁人们健康，而风力能源则没有任何影响人类健康的有害物质。

　　一 风的产生与特性

　　风是地球外表大气层由于太阳的热辐射而引起的空气流动;大气压差是风产生的根本原因。它的特性：周期性，多样性，复杂性。

　　二 风的能量与测量

　　1.产生能量的基本要素： 风具有一定的质量和速度。

　　2.风能的一些主要特性参数：如风能、风能密度、风速与风级、风向与风频以及风的测量等。

　　2.1风能：空气运动产生的动能称为“风能”。

　　2.2风能密度：单位时间内通过单位截面积的风能。

　　2.3风速与风级：风速就是空气在单位时间内移动的距离，国际上的单位是米/秒(m/s)或千米/小时(km/h)。分13级

　　2.4风向与风频：通常把风吹来的地平方向定为风的方向，即风向。风频是指风向的频率，即在一定时间内某风向出现的次数占各风向出现总次数的百分比，

　　2.5风的测量：风的测量仪器主要有风向器、杯形风速器和三杯轻便风向风速表等。

　　三 风力资源

　　据理论计算，太阳辐射到地球的热能中约有2%被转变成风能，全球大气中总的风能量约为10 14MW，其中蕴藏的可被开发利用的风能约有3.5×10 9MW，这比世界上可利用的水能大10倍。

　　3.1世界风力资源分布

　　根据世界能源理事会的有关资料，地球表面有27%的地区年平均风速高于5m/s(距地而10m高)。如将这些地方用作风力发电场，则每km2的风力发电能力最大值可达8Mw，总装机容量可达24x1013w。

　　据分析，实际上陆地面积中风力大于5m/s 的地区，其中仅4%有可能安装风力发电机组。

　　3.2风能的利用

　　按照不同的需要，风能可以被转化成其他不同形式的能量，如机械能、电能、热能等，以实现提水灌溉、发电、供热、风帆助航等功能。21世纪风能利用的主要领域是风力发电。

　　四 风力发电设备

　　4.1组成：风力发电机组包括两大部分;一部分是风力机，由它将风能转换为机械能;另一部分是发电机，由它将机械能转换为电能。

　　4.1.1分类：

　　4.1.2根据它收集风能的结构形式及在空间的布置，可分为水平轴式或垂直轴式。

　　4.1.3从塔架位置上，分为上风式和下风式;

　　4.1.4还可以按桨叶数量，分为单叶片、双叶片、三叶片、四叶片和多叶片式。

　　4.1.5从桨叶和形式上分，有螺旋桨式、H型、S型等;

　　4.1.6按桨叶的工作原理分，则有升力型和阻力型的区别。

　　4.1.7以风力机的容量分，则有微型(1kW以下)、小型(1—10kW)、中型(10—100kW)和大型(100kw以上)机。

　　4.2水平轴力风机

　　4.2.1特点：风力机的风轮轴与地面呈水平状态，称水平轴风力机。

　　4.2.2组成：它一般内风轮增速器、调速器、调向装置、发电机和塔架等部件组成，大中型风力机还有自动控制系统。

　　4.2.3应用：这种风力机的功率从几十千瓦到数兆瓦，是日前最具有灾际开发价值的风力机。

　　4.2.4类型：有传统风车、低速风力机及高速风力机等3大类型。

　　4.2.5风力机的主要技术指标参数：风轮直径，通常风力机的功率越大，直径越大;叶片数目，高速发电用风力机为2—4片，低速风力机大干4片;叶片材料，现代常采用高强度低密度的复合材料;风能利用系数，一般为0.15—0.5之间;启动风速，一般为3—5m/s;停机风速，通常为15—35m/s;输出功率，现代风力机一般为几百干瓦—几兆瓦;发电机，分为直流发电机和交流发电机;另外还有塔架高度等等。

　　4.3垂直轴风力机

　　4.3.1特点：凡风轮转轴与地面呈垂直状态的风力机叫垂直抽风力机。

　　形式有：如s型、H型、Ф型等。

　　4.3.2应用：虽然目前垂直轴风力机尚未大量商品化，但是它有许多特点，如不需大型塔架、发电机可安装在地面上、维修方便及叶片制造简便等，研究日趋增多，各种形式不断出现。各种形式的垂直轴风力机。

　　五 风力发电系统及装置

　　5.1风力发电机组的系统组成

　　风力发电系统是将风能转换为电能的机械、电气及共控制设备的组合。

　　通常包括风轮、发电机、变速器(小、微容量及特殊类型的也有不包括变速器的)及有关控制器和储能装置。

　　5.2调向机构

　　作用：用来调整风力机的风轮叶片旋转平而与空气流动方向相对位置的机构。因为当风轮叶片旋转平面与气流方向垂直时，也即是迎着风向时，风力机从流动的空气中获取的能量最大，因而风力机的输出功率最大，所以调向机构又称为迎风机构(国外通称偏航系统)。

　　类型：小型水平轴风力机常用的调向机构有尾舵和尾车;风电场中并网运行的中大型风力机则采用由伺服电动机。

　　5.3发电机

　　微型及容量在10kW以下的小型风力发电机组，采用永磁式或自励式交流发电机，经整流后向负载供电及向蓄电池充电;

　　容量在l00kw以上的并网运行的风力发电机组，则应用同步发电机或异步发电机。

　　5.4升速齿轮箱

　　作用：是将风力机轴上的低速旋转输入转变为高速旋转输出，以便与发电机运转所需要的转速相匹配。

　　5.5塔架

　　5.6控制系统

　　5.6.1组成：100kw以上的中型风力发电机组及1Mw以上的大型风力发电机组皆配有由微机或可编程控制器(PLC)组成的控制系统来实现控制、自检和显示功能。

　　5.6.2风力发电特点及优势:它是一种安全可靠的发电方式，随着大型机组的技术成熟和产品商品化的进程，风力发电成本降低。风力发电不消耗资源、不污染环境，具有广阔的发展前景，建设周期一般很短，一台风机的运输安装时间不超过三个月，万千瓦级风电场建设期不到一年，而且安装一台可投产一台;装机规模灵活，可根据资金多少来确定，为筹集资金带来便利;运行简单，可完全做到无人值守;实际占地少，机组与监控、变电等建筑仅占风电场约1%的土地，其余场地仍可供农、牧、渔使用;对土地要求低，在山丘、海边、河堤、荒漠等地形条件下均可建设，在发电方式上还有多样化的特点，既可联网运行，也可和柴油发电机等级成互补系统或独立运行，这对于解决边远无电地区的用电问题提供了现实可能性。

　　六 结语

　　目前，中国市场最热的可再生能源，比如风能、太阳能等产业。风能资源则更具有可再生、永不枯竭、无污染等特点，综合社会效益高。而且，风电技术开发最成熟、成本最低廉。根据“十一五”国家风电发展规划，2010年全国风电装机容量达到500万千瓦，2020年全国风电装机容量达到3000万千瓦。而2006年底，全国已建成和在建的约91个风电场，装机总容量仅260万千瓦。可见，风机市场前景诱人，发展空间广阔。