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风力发电机原理

《可再生能源与可持续发展》作业

题 目：风力发电机原理

班 级：08机制4班
姓 名：毛羽西
学 号：0822405
教 师：李永国

2011年 11 月
第 7 页
目 录

1 风力发电机概述 2
2 水平轴涡轮发电机 2
2.1 水平轴涡轮机结构 3
2.2 水平轴涡轮机叶片 4
2.3 发电机 5
2.4 制动系统 6
3 风力发电前景展望 7
结论 7
参考文献： 7

风力发电机原理
1 风力发电机概述
风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。 风力发电正在世界上形成一股热潮，为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。
风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；我国也在西部地区大力提倡。小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统：风力发电机＋充电器＋数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。
风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。
风力发电机的基本工作原理比较简单，风轮在风力的作用下旋转，将风的动能转变为风轮轴的机械能，风轮轴带动发电机旋转发电。其中风能转化装置称为风力机。风力机的核心部分为叶轮的设计，随着空气动力学的飞速发展，叶轮设计已经取得了巨大的进步。[1]

2 水平轴涡轮发电机
正如其名字的含义，水平轴风力涡轮机的转轴是水平安装的，与地面平行。水平轴风力涡轮机需要使用偏航调整装置时刻根据风向进行调整。偏航系统通常包括电机和变速箱，用于缓慢左右移动整个转子。涡轮机的电子控制器读取风向标设备（机械或电子风向标）的位置，并调整转子位置以尽量捕获最大的风能。水平轴风力涡轮机使用塔架将涡轮机组件上升到最适合风速的高度（这样叶片便不会碰到地面），并且占用非常少的地面空间，因为几乎所有组件都在高达80米的空中。

2.1 水平轴涡轮机结构

大型水平轴风力涡轮机组件：
转子叶片——捕获风能并将其转换为转轴的转动能
转轴——将转动能转移到发电机内
发动机箱——一个箱子，其中包含：
变速箱——用于增加转子中心和发电机之间的转轴速度
发电机——利用转轴的转动能，通过电磁性发电
电子控制装置（未显示）——监视系统，用于在出现故障时关闭涡轮和控制偏航装置。
偏航控制器（未显示）——移动转子使其与风向保持一致
制动装置——在出现电力超载或系统故障时停止转轴旋转。
塔架——支撑转子和发动机箱，并将整个装置上升到更高位置，使叶片不会碰到地面。
电力设备——从发电机向下通过塔架输送电流，还可控制涡轮机的多个安全部件

2.2 水平轴涡轮机叶片

涡轮叶片的形状非常像飞机翅膀——它们使用了机翼设计。在机翼中，叶片的一面略有弧度，而另一面则相对较平。上升是非常复杂的现象，实际上可能只有数学或物理学博士才能完全领会。不过我们可以这样来简单解释上升现象：当风沿着顺风的叶片弧面经过时，它必须加快速度才能及时到达叶片末端，以追上从叶片逆风的较平面上（也就是面朝风吹来的方向）经过的风。由于移动速度较快的空气将在大气中上升，顺风的弧面上将出现低压团。低压区域向顺风方向吸引叶片，此称为“上升”效应。在叶片的逆风面，风速较慢，产生推动叶片的较高压力区域，使其减速。和机翼设计类似，高升阻比对于设计高效涡轮叶片至关重要。涡轮叶片呈螺旋状，这样便始终可呈现出利用理想升阻力比的角度。有关上升力、阻力和机翼空气动力学的更多信息，请参见飞机如何飞上蓝天。
空气动力学不是制造高效风力涡轮机的唯一设计考虑。尺寸也很重要——涡轮叶片越长（因此转子直径越大），涡轮可从风中捕获的能量越多，发电容量也就越大。通常，将转子直径加倍，可将能量输出提高至原来的四倍。但是，在某些情况下，如在风速较低的地区，直径较小的转子可以比直径较大的转子产生更多能量，因为较小的装置用于转动较小发电机的风能较少，因此涡轮机可以几乎一直以满功率运行。塔架高度也是影响发电容量的一个主要因素。涡轮越高，所能捕获的能量越多，因为风速随高度提升而增加——地面摩擦和地面物体会阻碍风的流动。科学家估计高度每上升一倍，风速增加12%。
要计算涡轮机实际从风中产生的能量多少，您需要知道涡轮机所在地点的风速和涡轮机功率。多数大型涡轮机在风速约15米/秒(33mph)的情况下可产生最大能量。考虑到在风速稳定的情况下，转子直径决定涡轮机可产生的能量多少。请记住，随着转子直径增加，塔架高度也会增加，这意味着将接触到速度更快的风。
转子大小和最大输出功率
转子直径（米）
输出功率 (kW)
10
25
17
100
27
225
33
300
40
500
44
600
48
750
54
1000
64
1500
72
2000
80
2500
资料来源：丹麦风电行业协会、美国风能协会
2.3 发电机
国内目前装机的电机一般分为二类， 在现代风力发电机上，最大电力输出通常为500至1500千瓦。
异步型
（1）笼型异步发电机；功率为600/125kW 750kW 800kW 1250180kW
风力发电机
定子向电网输送不同功率的50Hz交流电;
（2）绕线式双馈异步发电机；功率为1500kW
定子向电网输送50Hz交流电，转子由变频器控制，向电网间接输送 有功或无功功率。
同步型
（1）永磁同步发电机；功率为750kW 1200kW 1500kW 由永磁体产生磁场,定子输出经全功率整流逆变后向电网输送50Hz交流电
（2）电励磁同步发电机;由外接到转子上的直流电流产生磁场,定子输出经全功率整流逆变后向电网输送50Hz交流电
异步电机
电机的转速（转子转速）小于旋转磁场的转速，从而叫为异步电机。它和感应电机基本上是相同的。s=(ns-n)/ns。s为转差率， ns为磁场转速，n为转子转速。
当三相异步电机接入三相交流电源时，三相定子绕组流过三相对称电流产生的三相磁动势（定子旋转磁动势）并产生旋转磁场。该旋转磁场与转子导体有相对切割运动,根据电磁感应原理,转子导体产生感应电动势并产生感应电流。根据电磁力定律，载流的转子导体在磁场中受到电磁力作用，形成电磁转矩，驱动转子旋转，当电动机轴上带机械负载时，便向外输出机械能。
同步电机
和感应电机一样是一种常用的交流电机。特点是：稳态运行时，转子的转速和电网频率之间有不变的关系n=ns=60f/p，ns称为同步转速。若电网的频率不变，则稳态时同步电机的转速恒为常数而与负载的大小无关。同步电机分为同步发电机和同步电动机。现代发电厂中的交流机以同步电机为主。
励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。
三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。
原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。
由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三 相 对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。[2]
2.4 制动系统
在风速为33mph（约15米/秒）的情况下，多数大型涡轮机能够达到其额定功率，在45mph（20米/秒）下，多数大型涡轮机关闭。有许多可在风速威胁结构时关闭涡轮机的安全系统，其中包括一种部分涡轮机所用的非常简单的振动传感器，这类传感器的基本组成是一个位于小底座上的与链条相连的金属球。如果涡轮机的振动开始超过某个阈值，球将从底座上落下，拉动链条并触发关闭。
涡轮机中最常用的敏感性安全系统可能是受超过阈值的风速触发的“制动”系统。这些装置使用电源控制系统，当风速过高时启动制动装置，当风速下降低于45mph（20米/秒）时“松开制动装置”。现代大型涡轮机设计使用多种不同类型的制动系统：
角度控制——涡轮机的电子控制器监视涡轮的功率输出。当风速高于45mph（20米/秒）时，输出功率将过高，此时控制器通知叶片改变角度，使叶片与风向不一致。这样做可以减慢叶片的转动。角度控制系统要求（转子上的）叶片安装角度是可调整的。
被动停止控制——叶片以固定角度安装在转子上，但设计使得叶片中的扭曲角度可在风速过高时对叶片进行制动。叶片具有一个特殊的角度，可在风速超过某一值时导致叶片的逆风面产生湍流，从而使叶片停止转动。简单来说，当面对风向的叶片角度过陡，以至于开始消除上升力，从而降低叶片速度时，空气动力学作用将停止。
主动停止控制——这种功率控制系统的叶片可以调整角度，类似角度控制系统中的叶片。主动停止系统按照角度控制系统的方式读取功率输出，但不是调整叶片角度使其与风向不一致，而是调整角度使它们停止转动。

3 风力发电前景展望
随着世界经济的发展，风能市场也迅速发展起来。2010年底，全球风电总装机容量达199,520兆瓦，发电量超过4099亿千瓦时，占世界电力总发电量的1.92%。传统市场发展缓慢，新兴市场却蓬勃向上。中国风电2010年新增装机容量达到18,928兆瓦，占全球新增装机容量48%，超过美国，成为世界第一大风电市场。
“十一五”期间，中国的并网风电得到迅速发展。2007年以来，中国风电产业规模延续暴发式增长态势。内蒙古、新疆、辽宁、山东、广东等地风能资源丰富，风电产业发展较快。2010年10000兆瓦的发展目标在2008年就已达到，《可再生能源中长期规划》中2020年30000兆瓦的风电装机目标也在2010年提前实现。
中国正处在风电能源市场潜力巨大。发展风能等清洁可再生能源是人类的必然选择。中国有很好的风电条件。同时，发展风电等清洁能源需要政策、资金和技术等多方面支持，相信中国风电产业会发展很快。

结论
风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。风力发电机将风能转换为机械功的动力机械，水平轴涡轮机叶片利用了空气动力学原理，空气流过叶片时获得升力，使得叶片旋转，叶片长度越长可获得越大动能。发电机主要使用同步型和异步型两种，将动能转化为电能。发电机内设制动系统，限制叶片的转速。
风力发电作为一种新型清洁能源利用方式，相对较为成熟，效率高，使用范围广，在我国有广阔的应用前景。
参考文献：
［1］ 李滨波、段向阳.风力发电机原理及风力发电机技术.湖北电力，2007（12）：31-6
［2］ 邓星钟.机电传动控制.华中科技大学出版社，2007（7）