風力發(fā)電原理是利用風力帶動風車葉片旋轉(zhuǎn),再透過增速機將旋轉(zhuǎn)的速度提升,來促使發(fā)電機發(fā)電。
把風能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苁秋L能利用中最基本的一種方式。風力發(fā)電機一般由風輪、發(fā)電機(包括傳動裝置)、調(diào)向器(尾翼)、塔架、限速安全機構(gòu)和儲能裝置等構(gòu)件組成。風力發(fā)電機的工作原理比較簡單,風輪在風力的作用下旋轉(zhuǎn),它把風的動能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L輪軸的機械能。發(fā)電機在風輪軸的帶動下旋轉(zhuǎn)發(fā)電。
風輪是集風裝置,它的作用是把流動空氣具有的動能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L輪旋轉(zhuǎn)的機械能。一般風力發(fā)電機的風輪由2個或3個葉片構(gòu)成。葉片在風的作用下,產(chǎn)生升力和阻力,設計優(yōu)良的葉片可獲得大的升力和小的阻力。風輪葉片的材料因風力發(fā)電機的型號和功率大小不同而定,如有玻璃鋼、尼龍等。我國已能制造多種類型容量不等的風輪。
在風力發(fā)電機中,已采用的發(fā)電機有3種,即直流發(fā)電機、同步交流發(fā)電機和異步交流發(fā)電機。小功率風力發(fā)電機多采用同步或異步交流發(fā)電機,發(fā)出的交流電通過整流裝置轉(zhuǎn)換成直流電。與直流發(fā)電機相比,同步發(fā)電機的優(yōu)點是效率高,而且在低風速下比直流發(fā)電機發(fā)出的電能多,能適應比較寬的風速范圍。同步發(fā)電機能自行提供磁場的電流,但成本較高。
風力發(fā)電機中調(diào)向器的功能是盡量使風力發(fā)電機的風輪隨時都迎著風向,從而能最大限度地獲取風能。除了下風式風力發(fā)電機外,一般風力發(fā)電機幾乎全部是利用尾翼來控制風輪的迎風方向的。尾翼一般都設在風輪的尾端,處在風輪的尾流區(qū)里。只有個別風力發(fā)電機的尾翼安裝在比較高的位置上,這樣可以避開風輪尾流對它的影響。尾翼的材料通常采用鍍鋅薄鋼板。
顧名思義,限速安全機構(gòu)是用來保證風力發(fā)電機運行安全的。風力發(fā)電機風輪的轉(zhuǎn)速和功率與風的大小密切相關。風輪轉(zhuǎn)速和功率隨著風速的提高而增加,風速過高會導致風輪轉(zhuǎn)速過高和發(fā)電機超負荷。風輪轉(zhuǎn)速過高和發(fā)電機超負荷都會危及風力發(fā)電機的運行安全。限速安全機構(gòu)的設置可以使風力發(fā)電機風輪的轉(zhuǎn)速在一定的風速范圍內(nèi)保持基本不變。除了限速裝置外,風力發(fā)電機一般還設有專門的制動裝置,當風速過高時,可以使風輪停轉(zhuǎn),以保證風力發(fā)電機在特大風速下的安全。
塔架是風力發(fā)電機的支撐機構(gòu),也是風力發(fā)電機的一個重要部件??紤]到便于搬遷、降低成本等因素,百瓦級風力發(fā)電機通常采用管式塔架。管式塔架以鋼管為主體,在4個方向上安置張緊索。稍大的風力發(fā)電機塔架一般采用由角鋼或圓鋼組成的桁架結(jié)構(gòu)。
風力機的輸出功率與風速的大小有關。由于自然界的風速是極不穩(wěn)定的,風力發(fā)電機的輸出功率也極不穩(wěn)定。這樣一來,風力發(fā)電機發(fā)出的電能一般是不能直接用在電器上的,先要儲存起來。目前蓄電池是風力發(fā)電機采用的最為普遍的儲能裝置,即把風力發(fā)電機發(fā)出的電能先儲存在蓄電池內(nèi),然后通過蓄電池向直流電器供電,或通過逆變器把蓄電池的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姾笤傧蚪涣麟娖鞴╇姟?紤]到成本問題,目前風力發(fā)電機用的蓄電池多為鉛酸蓄電池。風力發(fā)電機的性能特性是由風力發(fā)電機的輸出功率曲線來反映的。風力發(fā)電機的輸出功率曲線是風力發(fā)電機的輸出功率與場地風速之間的關系曲線。
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