风力

风力发电

风是太阳能的一种形式。风是由太阳对大气的不均匀加热、地球表面的不规则性和地球的自转引起的。风流模式会受到地球地形、水体和植被的影响。风能是空气在运动中的动能。可以收集这种风能。风能是将这种风能转化为有用的能源形式，例如使用风力涡轮机的电力、使用风车的机械能、通过风泵抽水或排水以及作为推进船舶的帆。风能是一种可再生能源或非常规能源。这是一种清洁无污染的能源。它在世界许多地方大量供应。它在发电过程中不会产生任何温室气体。

可从风中获得的经济可提取的总能量非常高。德国马克斯普朗克研究所的 Axel Kleidon 对有多少风能进行了“自上而下”的计算，首先是通过在大气中产生温差来驱动风的入射太阳辐射。他得出的结论是，可以提取 18 TW 到 68 TW（太瓦，即一万亿瓦）之间的某处。 Cristina Archer 和 Mark Z. Jacobson 根据风速的实际测量结果提出了“自下而上”的估计。根据这一估计，在陆地和海上 100 米的高度有 1700 TW 的风力发电可用。从这个可用功率中，可以以实用且具有成本竞争力的方式提取 72 到 170 TW。他们后来估计它是 80 TW。然而，哈佛大学的研究估计，大型风电场的平均容量为 1 瓦/平方米，而大型风电场的容量为 2 至 10 兆瓦/平方公里，这表明这些对全球风能资源总量的估计值太高了 4 倍左右。

风力发电是在风力涡轮机的帮助下进行的。每个风力涡轮机都与发电机（交流发电机）耦合。简单地说，风力涡轮机是风扇的反面。风力涡轮机不像风扇那样使用电力来发电，而是利用风来发电。风转动叶片，叶片旋转连接到发电机的轴来发电。许多涡轮机连接在一起以获得所需的输出。这种由大量风力涡轮机组成的组件称为风电场。风电场通常建在风速足以带动涡轮叶片移动的地方。

风能发电

风能发电的使用正在以非常快的速度增长。风力发电使用风力涡轮机来收集移动空气的能量并将该能量转化为电能。风能发电的原理如下。

在时间 t 期间流过假想区域 A 的总风能由以下等式给出

在哪里？是空气的密度，v 是风速，Avt 是通过 A 的空气体积（被认为垂直于风向），Avt?因此是质量 m 单位时间内通过。请注意，½ ?v ² 是单位体积内运动空气的动能。

功率是单位时间的能量，因此入射到 A 上的风力（例如，等于风力涡轮机的转子面积）为：

从上面的等式可以推导出以下内容。

• 功率与空气密度成正比？随着空气密度的增加，涡轮机的功率也会增加。
• 功率与涡轮叶片的扫掠面积成正比。如果叶片长度增加，扫过区域的半径也会相应增加，从而增加涡轮功率。
• 风能也随风速而变化，在露天气流中，风能与风速 (v) 的三次方成正比。当风速增加一倍时，可用功率增加八倍。因此，用于电网电力的风力涡轮机需要在较高风速下特别高效。

风力涡轮机

在风力发电厂中，风力涡轮机利用动能，呈现在风中旋转交流发电机（发电机）的原动机来发电。当足够大的风吹到涡轮机的叶片上时，它们就会旋转。叶片与转子耦合。所以当叶片移动时，转子也会移动。在风力涡轮机中，变桨系统控制转子的速度。转子连接到低速轴。该低速轴通过齿轮系统连接到发电机的高速轴。齿轮系统将发电机轴的转速提高到普通发电机的正常转速。这种高速发电机发电。

风力涡轮机还包括一个控制器，何时启动或停止机器。通常，风力涡轮机在一定风速范围内运行。当风速超过下限时，涡轮机启动，当风速达到上限时，涡轮机自动停止，也称为生存风速。所有的风力涡轮机都是针对这个最大风速（生存风速）设计的

风力涡轮机有一个风速计，它可以确定风速并向控制器发送常规信息，以确定风速是否高。制动器在紧急情况下以机械、电动或液压方式停止转子。风力涡轮机还包含风向标、偏航驱动器和偏航电机。它们的作用是测量风向，并在风向改变时调整风力涡轮机以保持在风前。

风力发电机一般有两种。水平轴风力涡轮机（HAWT）和垂直轴风力涡轮机（VAWT）。横轴分为迎风和顺风，纵轴分为阻力和升力。

在 HAWT 逆风涡轮机中，涡轮机和交流发电机的轴都水平对齐，涡轮机叶片放置在涡轮机的前部，这意味着空气在塔架之前撞击涡轮机叶片。在HAWT顺风涡轮机的情况下，转子和发电机的轴也水平放置，但涡轮叶片放置在涡轮机之后，这意味着风在叶片之前撞击塔架。

如果我们观察基于 VAWT 阻力的涡轮机，发电机轴垂直放置，叶片向上定位，涡轮机通常安装在地面或小塔上。在 VAWT 升力涡轮机的情况下，发电机轴垂直放置，叶片位置向上。大多数大型现代风力涡轮机都是水平轴涡轮机，因为它们的效率很高。由于叶片始终垂直于风移动，并通过整个旋转获得动力。涡轮机有以下主要部件。

• 将风中的能量转换为旋转轴能量的叶片或转子
• 传动系统，包括变速箱和发电机
• 支撑转子和传动系统的塔
• 平衡设备包括控制器、电缆、地面支持设备和互连设备。

风力涡轮机的部件如图1所示

图 1 风力涡轮机的组件

风电场是位于同一地点的一组风力涡轮机，用于发电。大型风电场可能由分布在扩展区域的数百个单独的风力涡轮机组成，但涡轮机之间的土地可用于农业或其他目的。风电场也可能位于海上。

几乎所有的大型风力涡轮机通常具有相同的设计，包括一个水平轴风力涡轮机，该风力涡轮机具有一个带有三个叶片的迎风转子，连接到一个高大的管状塔顶上的机舱。在风电场中，各个涡轮机与中压（约 33 kV）、电力收集系统和通信网络相互连接。在变电站，这种中压电流通过变压器升高电压，以连接到高压电力传输系统。

风力涡轮机的设计规范通常基于功率曲线和保证可用性。典型的工作温度范围为 20 到 40 摄氏度。在极端气候和炎热天气的地区，需要使用版本。风力涡轮机可以根据 IEC 61400 标准进行设计和验证。

HAWT 的空气动力学有点复杂。叶片处的气流与远离涡轮的气流不同。转子表面的空气动力学表现出在其他空气动力学领域中很少见的现象。 1919 年，物理学家阿尔伯特·贝茨 (Albert Betz) 表明，对于理想的风能提取机器，质量和能量守恒定律的基本定律允许捕获不超过 59.3% 的风动能。现代涡轮机接近这个 Betz 定律极限，可以达到这个理论极限的 60% 到 70%

风力涡轮机通常设计为在宽风速范围内产生最大功率。所有风力涡轮机通常设计为最大风速。风力发电机有以下三种运行模式。

• 低于额定风速运行
• 在额定风速附近运行（通常在铭牌容量下）
• 高于额定风速运行

如果超过额定风速，则必须限制功率。这是以不同的方式完成的。控制系统涉及三个基本要素，包括测量过程变量的传感器、操纵能量捕获和组件加载的执行器，以及根据传感器收集的信息协调执行器的控制算法。

风电的其他问题

• 由于风速不是恒定的，因此风电场的年发电量永远不会像发电机铭牌额定值乘以一年总小时数的总和那样多。一年中的实际生产力与该理论最大值的比率称为工厂负荷系数 (PLF)。实现的典型 PLF 为 15 % 至 40 %。由于风力涡轮机设计的改进，在有利的地点实现了较高范围的 PLF 值。
• 风电几乎不会出现重大技术故障，因为单个风力涡轮机的故障对整体功率几乎没有任何影响，因此分布式风电具有高度的可靠性和可预测性。
• 尽管与化石燃料发电厂相比，风力发电厂对环境的影响相对较小，但人们对转子叶片产生的噪音、美学（视觉）影响以及飞入转子造成鸟类死亡等问题存在一些担忧.
• 使用风作为能源的主要挑战是它是间歇性的，因为在需要电力的时候风并不总是会吹。风不能被储存（尽管风能产生的电可以储存，如果使用电池的话），并且不是所有的风都可以被利用来满足电力需求的时间。此外，良好的风电场通常位于远离电力需求地区的偏远地区。
• 风能资源开发是为了与土地的其他用途竞争，而这些替代用途可能比发电更受重视。但是，风力涡轮机可以安装在也用于放牧甚至农业的土地上。






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