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    風力發(fā)電科普知識系列二

    2009-06-30 15:35:18  來源:

    風力發(fā)電機的功率曲線

      在風速很低的時候,風電機風輪會保持不動。當?shù)竭_切入風速時(通常每秒3到4米),風輪開始旋轉(zhuǎn)并牽引發(fā)電機開始發(fā)電。隨著風力越來越強 , 輸出功率會增加。當風速達到額定風速時,風電機會輸出其額定功率。之后輸出功率會保留大致不變。當風速進一步增加,達到切出風速的時候,風電機會剎車,不再輸出功率,為免受損。 風力發(fā)電機的性能可以用功率曲線來表達 。功率曲線是用作顯示在不同風速下(切入風速到 切出風速 ) 風電機的輸出功率。為特定地點選取合適的風力發(fā)電機,一般方法是采用風電機的功率曲線和該地點的風力資料以進行產(chǎn)電量估算。

     

    什么是風力發(fā)電機的額定輸出功率

      風力發(fā)電機的額定輸出功率是配合特定的額定風速設而定的。 由于能量與風速的立方成正比,因此,風力發(fā)電機的功率會隨風速變化會很大。同樣構造和風輪直徑的風電機可以配以不同大小的發(fā)電機。因此兩座同樣構造和風輪直徑的風電機可能有相當不同的額定輸出功率值,這取決于它的設計是配合強風地帶(配較大型發(fā)電機)或弱風地帶(配較小型發(fā)電機 )。

    典型風力發(fā)電機各部件介紹

      

     

      我們以目前使用*為廣 泛的水平軸風力發(fā)電機為例關于其結(jié)構作一 介紹 ,它主要由葉輪,調(diào)速或限速裝置,偏航系統(tǒng),傳動機構,發(fā)電機系統(tǒng),塔架等組成:葉輪:
     

     

      風力機區(qū)別于其他機械的*主要特征就是葉輪。葉輪一般由 2~3 個葉片和輪轂所組成 ,其功能是將風能轉(zhuǎn)換為機械能.除小型風力機的葉片部分采用木質(zhì)材料外, 中、大型風力機的葉片都采用玻璃纖維或高強度復合材料制成。風力機葉片都要裝在輪轂上。輪轂是葉輪的樞紐,也是葉片根部與主軸的連接件。所有從葉片傳來的力 , 都通過輪轂傳遞到傳動系統(tǒng), 再傳到風力機驅(qū)動的對象。同時輪轂也是控制葉片槳距(使葉片作俯仰轉(zhuǎn)動 )的所在。輪轂的作用是連接葉片和低速軸,要求能承受大的,復雜的載荷。中小型風機常采用剛性連接,兆瓦級風力機常采用蹺蹺板連接方式。

      

      

     

    調(diào)速或限速裝置:

      在很多情況下 , 要求風力機不論風速如何變化轉(zhuǎn)速總保持恒定或不超過某一限定值 ,為此目的而采用了調(diào)速或限速裝置。當風速過高時 , 這些裝置還用來限制功率 , 并減小作用在葉片上的力。調(diào)速或限速裝置有各種各樣的類型 ,但從原理上來看大致有三類: 一類是使 葉輪偏離主風向, 另一類是利用氣動阻力, 第三類是改變?nèi)~片的槳距角。

    偏航系統(tǒng):

      為了讓葉輪能自然地對準風向, 通常風機都會采用調(diào)向裝置 , 對大型風力發(fā)電機組 而言,一般采用的是電動機驅(qū)動的風向跟蹤系統(tǒng)。整個偏航系統(tǒng)由電動機及減速機構、偏航調(diào)節(jié)系統(tǒng)和扭纜保護裝置等部分組成。偏航調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括風向標和偏航系統(tǒng)調(diào)節(jié)軟件。 風向標對應每一個風向都有一個相應的脈沖輸 出 信號,通過偏航系統(tǒng)軟件確定其 偏 航方向和偏航角度,然后將偏航信號放大傳送給電動機, 通過減速機構轉(zhuǎn)動風力機平臺 ,直到對準風向為止。
     

     

     

     

     

     

     

      風機的傳動系統(tǒng)一般包括低速軸、高速軸、齒輪箱、聯(lián)軸節(jié)和制動器等。但不是每一種風機都必須具備所有這些環(huán)節(jié)。有些風機的輪轂直接連接到齒輪箱上 , 不需要低速傳動軸。也有一些風機設計成無齒輪箱的,葉輪直接連接到發(fā)電機。

     

      葉輪葉片產(chǎn)生的機械能由機艙里的傳動系統(tǒng)傳遞給發(fā)電機,它包括一個齒輪箱、離合器和一個能使風力機在停止運行時的緊急情況下復位的剎車系統(tǒng) 。齒輪箱用于增加葉輪轉(zhuǎn)速,從20~50 轉(zhuǎn)/分到1000~1500轉(zhuǎn)/分,后者是驅(qū)動大多數(shù)發(fā)電機所需的轉(zhuǎn)速。齒輪箱可以是一個簡單的平行軸齒輪箱,其中輸出軸是不同軸的,或者它也可以是較昂貴的一種,允許輸入、輸出軸共線,使結(jié)構更緊湊。傳動系統(tǒng)要按輸出功率和*大動態(tài)扭矩載荷來設計。由于葉輪功率輸出有波動,一些設計者試圖通過增加機械適應性和緩沖驅(qū)動來控制動態(tài)載荷,這對大型的風力發(fā)電機來說是非常重要的,因其動態(tài)載荷很大,而且感應發(fā)電機的緩沖余地比小型風力機的小。

     

      風力發(fā)電包含了由風能到機械能和由機械能到電能兩個能量轉(zhuǎn)換過程,發(fā)電機及其控制系統(tǒng)承擔了后一種能量轉(zhuǎn)換任務。恒速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)一般來說比較簡單,所采用的發(fā)電機主要有兩種,即同步發(fā)電機和鼠籠型感應發(fā)電機。變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)是20世紀70年代中期以后逐漸發(fā)展起來的一種新型風力發(fā)電系統(tǒng),其主要優(yōu)點在于葉輪以變速運行,可以在很寬的風速范圍內(nèi)保持近乎恒定的*佳葉尖速比,從而提高了風力機的運行效率,從風中獲取的能量可以比恒速風力機高得多。此外,這種風機在結(jié)構上和實用中還有很多的優(yōu)越性。利用電力電子學是實現(xiàn)變速運行*佳化的*好方法之一,雖然與恒速恒頻系統(tǒng)相比可能使風電轉(zhuǎn)換裝置的電氣部分變得較為復雜和昂貴,但電氣部分的成本在中、大型風力發(fā)電機組中所占比例不大,因而發(fā)展中、大型變速恒頻風電機組受到很多國家的重視。

    (恒速)同步發(fā)電機:

      (恒速)同步發(fā)電機的優(yōu)先是勵磁系統(tǒng)可控制發(fā)電機的電壓和無功功率,發(fā)電機效率高。同步電機要通過同步設備的整步操作達到準同步并網(wǎng)(并網(wǎng)困難),由于風速變化大,以及同步發(fā)電機要求轉(zhuǎn)速恒定,風力機必需裝有良好的變槳距調(diào)節(jié)機構。

     。ê闼伲┊惒桨l(fā)電機:異步發(fā)電機結(jié)構簡單,堅固,造價低,異步發(fā)電機投入系統(tǒng)運行時,由于是靠轉(zhuǎn)差率來調(diào)節(jié)負荷,因此對機組的調(diào)節(jié)精度要求不高,不需要同步設備的整步操作,只要轉(zhuǎn)速接近同步速時就可并網(wǎng),且并網(wǎng)后不會產(chǎn)生振蕩和失步。缺點是并網(wǎng)時沖擊電流幅值大,不能產(chǎn)生無功功率。

    塔架:

      風力機的塔架除了要支撐風力機的重量 , 還要承受吹向風力機和塔架的風壓, 以及風力機運行中的動載荷。它的剛度和風力機的振動有密切關系。水平軸風力發(fā)電機的塔架主要可分 為管柱型和桁架型兩類, 管柱型塔架可從*簡單的木桿, 一直到大型鋼管和混凝土管柱。 小型風力機塔桿為了增加 抗 彎矩的能力 , 可以用拉 線 來加強。中、大型塔桿為了運輸 方便,可以將鋼管分成幾段 。 一般圓柱形塔架對風的阻力較小,特別是對于下風向風力機,產(chǎn)生紊流的影響要比桁架式塔架小。桁架式塔架常用于中小型風力機上, 其優(yōu)點是造價不高, 運輸也方便。但這種塔架會使下風向風力機的葉片產(chǎn)生很大的紊流。

     

     

    風力發(fā)電機的工作原理

      現(xiàn)代風力發(fā)電機采用空氣動力學原理,就像飛機的機翼一樣。風并非 推 動葉輪葉片,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,令葉輪旋轉(zhuǎn)并不斷橫切風流。風力發(fā)電機的葉輪并不能提取風的所有功率。根據(jù)Betz 定律,理論上風電機能夠提取的*大功率,是風的功率的 59.6% 。大多數(shù)風電機只能提取風的功率的40%或者更少。

      風力發(fā)電機主要包含三部分∶葉輪、機艙和塔架。大型與電網(wǎng)接駁的風力發(fā)電機的*常見的結(jié)構,是橫軸式三葉片葉輪,并安裝在直立管狀塔桿上。葉輪葉片由復合材料制造。不像小型風力發(fā)電機,大型風電機的葉輪轉(zhuǎn)動相當慢。比較簡單的風力發(fā)電機是采用固定速度的。通常采用兩個不同的速度- 在弱風下用低速和在強風下用高速。這些定速風電機的感應式異步發(fā)電機能夠直接發(fā)產(chǎn)生電網(wǎng)頻率的交流電 。比較新型的設計一般是可變速的(比如Vestas公司的V52-850千瓦風電機轉(zhuǎn)速為每分鐘 14 轉(zhuǎn)到每分鐘 31.4轉(zhuǎn))。利用 可變速操作,葉輪的空氣動力效率可以得到改善,從而提取更多的能量,而且在弱風情況下噪音更低。因此,變速的風電機設計比起定速風電機,越來越受歡迎。

      機艙上安裝的感測器探測風向,透過轉(zhuǎn)向機械裝置令機艙和葉輪自動轉(zhuǎn)向,面向來風。葉輪的旋轉(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)。在風電工業(yè)中,配有變速箱的風力發(fā)電機是很普遍的。不過,為風電機而設 計的多極 直接驅(qū)動式發(fā)電機,也有顯著的發(fā)展。設於塔底的變壓器(或者有些設於機艙內(nèi)) 可提升發(fā)電機的電壓到配電網(wǎng)電壓(香港的情況為11千伏) 。

      

      所有風力發(fā)電機的功率輸出是隨著風力而變的。強風下*常見的兩種限制功率輸出的方法(從而限制葉輪所承受壓力)是失速調(diào)節(jié)和斜角調(diào)節(jié)。使用失速調(diào)節(jié)的風電機,超過額定風速的強風會導致通過葉片的氣流產(chǎn)生擾流,令葉輪失速。當風力過強時,葉片尾部制動裝置會動作,令葉輪剎車。使用斜角調(diào)節(jié)的風電機,每片葉片能夠以縱向為軸而旋轉(zhuǎn),葉片角度隨著風速不同而轉(zhuǎn)變,從而改變?nèi)~輪的空氣動力性能。當風力過強時,葉片轉(zhuǎn)動至迎氣邊緣面向來風,從而令葉輪剎車。葉片中嵌入了避雷條,當葉片遭到雷擊時,可將閃電中的電流引導到地下去。

    我國現(xiàn)階段主要風力發(fā)電機型的發(fā)電過程

     
      目前,在我國得到廣泛使用的風力發(fā)電機主要是水平軸式風力發(fā)電機,水平軸式風力發(fā)電機是目前技術*成熟、生產(chǎn)量*多的一種形式。它由葉輪、增速齒輪箱、發(fā)電機、偏航裝置、控制系統(tǒng)、塔架等部件所組成。從大的結(jié)構劃分來說,風力發(fā)電機可由葉輪和發(fā)電機兩部分構成,空氣流動的動能作用在葉輪上,將動能轉(zhuǎn)換成機械能, 從而推動葉輪旋轉(zhuǎn) 。 這樣就通過葉輪將風能轉(zhuǎn)換為機械能,低速轉(zhuǎn)動的葉輪通過傳動系統(tǒng)由增速齒輪箱增速 , 將動力傳遞給發(fā)電機,然后由高速轉(zhuǎn)動的機械能經(jīng)過電機轉(zhuǎn)變成電能。在這里齒輪箱可以將很低的葉輪轉(zhuǎn)速(600千瓦的風機通常為27轉(zhuǎn)/分)變?yōu)楹芨叩陌l(fā)電機轉(zhuǎn)速(通常為 1500轉(zhuǎn)/分) 。同時也使得發(fā)電機易于控制,實現(xiàn)穩(wěn)定的頻率和電壓輸出。

      整個機艙由高大的塔架舉起,由于風向經(jīng)常變化,為了有效地利用風能,還安裝有迎風裝置,它根據(jù)風向傳感器測得的風向信號,由控制器控制偏航電機,驅(qū)動與塔架上大齒輪嚙合的小齒輪轉(zhuǎn)動,使機艙始終對風(注:一般600千瓦的風機機艙總重20多噸),所以偏航系統(tǒng)的作用就是可以使葉輪掃掠面積總是垂直于主風向。

     

    直驅(qū)式風力發(fā)電機組的特點

      直驅(qū)式風力發(fā)電機組在我國是一種新型的產(chǎn)品,但在國外已經(jīng)發(fā)展了很長時間。目前我國在直驅(qū)式風機中系統(tǒng)的研究相對傳統(tǒng)機型較少,但開發(fā)直驅(qū)式風力發(fā)電機組也是我國日后風機制造的趨勢之一。直驅(qū)永磁風力發(fā)電機取消了沉重的增速齒輪箱,發(fā)電機軸直接連接到葉輪軸上,轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隨風速而改變,其交流電的頻率也隨之變化,經(jīng)過置于地面的大功率電力電子變換器,將頻率不定的交流電整流成直流電,再逆變成與電網(wǎng)同頻率的交流電輸出。另外一些無齒輪箱直驅(qū)風力發(fā)電機,沿用低速多極永磁發(fā)電機,并使用一臺全功率變頻器將頻率變化的風電送入電網(wǎng)。直接驅(qū)動式風力發(fā)電機組由于沒有齒輪箱,零部件數(shù)量相對傳統(tǒng)風電機組要少得多。我國主要的直驅(qū)型風力發(fā)電機組采用水平軸、三葉片、上風向、變槳距調(diào)節(jié)、直接驅(qū)動、永磁同步發(fā)電機并網(wǎng)的總體設計方案,相對于傳統(tǒng)的異步發(fā)電機組其優(yōu)點如下:

      (1)由于傳動系統(tǒng)部件的減少,提高了風力發(fā)電機組的可靠性和可利用率;

     。2)永磁發(fā)電技術及變速恒頻技術的采用提高了風電機組的效率;

     。3)機械傳動部件的減少降低了風力發(fā)電機組的噪音;

     。4)可靠性的提高降低了風力發(fā)電機組的運行維護成本;

     。5)機械傳動部件的減少降低了機械損失,提高了整機效率;

      (6)利用變速恒頻技術,可以進行無功補償;

     。7)由于減少了部件數(shù)量,使整機的生產(chǎn)周期大大縮短。

      

     
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    劉霞 女士
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