小型风力发电机[1]
怎样利用风力来发电呢?
我们把风的动能转变成机械能,再把机械能转化为电能,这就是风力发电。风力发电所需要的装置,称作风力发电机组。这种风力发电机组,大体上可分风轮(包括尾舵)、发电机和铁塔三部分。(大型风力发电站基本上没有尾舵,一般只有小型(包括家用型)才会拥有尾舵)
风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件,它由两只(或更多只)螺旋桨形的叶轮组成。当风吹向浆叶时,桨叶上产生气动力驱动风轮转动。桨叶的材料要求强度高、重量轻,目前多用玻璃钢或其它复合材料(如碳纤维)来制造。(现在还有一些垂直风轮,s型旋转叶片等,其作用也与常规螺旋桨型叶片相同) 由于风轮的转速比较低,而且风力的大小和方向经常变化着,这又使转速不稳定;所以,在带动发电机之前,还必须附加一个把转速提高到发电机额定转速的齿轮变速箱,再加一个调速机构使转速保持稳定,然后再联接到发电机上。为保持风轮始终对准风向以获得最大的功率,还需在风轮的后面装一个类似风向标的尾舵。
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。
通常人们认为,风力发电的功率完全由风力发电机的功率决定,总想选购大一点的风力发电机,而这是不正确的。目前的风力发电机只是给电瓶充电,而由电瓶把电能贮存起来,人们最终使用电功率的大小与电瓶大小有更密切的关系。功率的大小更主要取决于风量的大小,而不仅是机头功率的大小。在内地,小的风力发电机会比大的更合适。因为它更容易被小风量带动而发电,持续不断的小风,会比一时狂风更能供给较大的能量。当无风时人们还可以正常使用风力带来的电能,也就是说一台200W风力发电机也可以通过大电瓶与逆变器的配合使用,获得500W甚至1000W乃至更大的功率出。
小型风力发电机介绍
一,小型风力发电机的使用条件
小型风力发电机一般应在风力资源较丰富的地区使用。即年平均风速在3m/s以上,全年3-20m/s有效风速累计时数3000h以上;全年3-20m/s平均有效风能密度lOOW/m2以上。在选择使用风力发电机时,要做到心中有数,避免盲目性,这样才能充分地利用当地的风力资源,最大限度地发挥风力发电机的效率,取得较高的经济效益。
应该指出的是,在风力资源丰富地区,最好选择风机额定设计风速与当地最佳设计风速相吻合的风力发电机。如能做到这一点无论是从风力机的选择上,还是利用风力资源的经济意义上都有重要的意义。风洞试验证明,风轮的转换功率与风速的立方成正比,也就是说,风速对功率影响最大。例如,在当地最佳设计风速为6m/s的地区,安装一台额定设计风速为8m/s的风力发电机,结果其年额定输出功率只达到原设计输出功率的42%,也就是说,风力发电机额定输出功率较设计值降低了58%。若选用的风力发电机额定设计风速越高,那么其额定功率输出的效果就越加不理想。但也必须指出,风力发电机额定设计风速偏低,其风轮直径、电机相对要增大,整机造价相应也就加大.从制造和产品的经济意义上考虑都是不合算的。
二,小型风力发电执使用的一般要求
目前,小型风力发电机都采用蓄电池贮能,家用电器的用电都由蓄电池提供。所以,用电时总的原则是,蓄电池放电后能及时由风力发电机给以补充。也就是说,蓄电池充入的电量和用电器所需消耗的电量要大致相等(一般以日计算)。下面举一例说明这一问题:某地区使用了一台风力发电机,额定风速输出功率为IOOW,假设,该地区某日相当于额定风速的风力吹刮时数连续为4h,则该风机日输出并贮存到蓄电池里的能量为400Wh。考虑到铅蓄电池的转换效率为70%,则用户用电器实际可利用的能量280Wh。如果该用户使用的电器有:
(1)15W灯泡两只,使用4h,耗能为120Wh;
(Z)35W电视机一台,使用3h,耗能为105Wh;
(3)15W收录机一台,使用4h,耗能为60Wh。
以上总耗能为285Wh。
这样,用电器日总耗能比风力发电机所能提供的能量超出了5Wh,也就是出现了所谓的“入不付出”用电;这种入不付出的用电,将会使蓄电池处在亏电的状态下工作。如果经常长时间地这么用电,将会使蓄电池严重亏电而损坏,缩短其使用寿命。
上例,是假定风力发电机在额定风速状击下的用电情况,而实际上,由于风的多变性,间歇性,风既有大小的不同(风速)又有吹刮时间长短的不同(风频)。所以,在使用用电器时要做到风况好时可适当多用电,风况差时少用电。这就需要用户在使用时认真总结经验。
另外,有条件的地区和用户可备一台千瓦级的柴油发电机组,当风况差的时候给蓄电池补充充电,做到蓄电池不间断地供电。
三,小型风力发电机的合理配套
小型风力发电机发出的电能首先经过蓄电池贮存起来,然后再由蓄电池向用电器供电。所以,必须认真科学地考虑,风力发电机功率与蓄电池容量的合理匹配和静风期贮能等问
题。目前,小型风力发电机与蓄电池容量一般都是按照输入和输出相等,或输入大于输出的原则进行匹配的。即:100W风力发电机匹配120Ah蓄电池(60Ah2块);200W风力发电机匹配120-180Ah蓄电池(60或90Ah2块);300W风力发电机匹配240Ah蓄电(120Ah2块);750W风力发电机匹配240Ah蓄电池(120Ah2块);1000W风力发电机匹配360Ah蓄电池(120Ah3块)。
实践证明:如果匹配的蓄电池容量不符合风力发电机发出能量的要求,将会产生下列问题:
(1)蓄电池容量过大时,风力发电机发出的能量不能保证及时地给蓄电池充足电,致使蓄电池经常处于亏电状态。缩短蓄电池使用寿命。另外,蓄电池容量大,价格和使用费用随之增大,给经济上也造成不必要的浪费。
(2)蓄电池容量过小时,会使蓄电池经常处于过充电状态。如因充足电而停止风力发电机的工作会严重影响风机工作效率。蓄电池长期过充电将会使蓄电池早期损坏,缩短使用寿命。
另外,小型风力发电机的合理匹配,用电器的套配也是一项可忽视的内容。在选配用电器时也应按照蓄电池与风力发电机的匹配原则进行。即选配的用电器耗用的能量要与风力发电机输出的能量相匹配。但应指出的是,匹配指标所强调是“能量”,不要混淆为功率。在选用用电器时,还必须注意电压制的要求,目前,小型风力发电机配电箱上配有12V、24V和电视机专用插座,用户使用时,要针对用电器所要求的电压值选用相应的插座,电视机应专门插在电视机插座上。
如果使用的是交流用电设备,则必须备置能够满足其功率要求的“逆变器”将蓄电池的直流电转变成电压为220V,频率为50Hz的交流电才能使用。
第二节 小型风力发电机安装场址的选择
小型风力发电机安装场址的选择非常重要。性能很高的风力发电机,假如没有风,它也不会工作,而性能稍差一些的风力发电机,如果安装场址选择得好,也会使它充分发挥作用。关于小型风力发电机的选址条件包含着非常复杂的因素,美国等一些国家,特为此出版了有关风力机场址选择的专著。原则上,在一年之中极强风及紊流少的地点应算最好,但有时很难选出这样的地点。
一、场址选择原则
1.场址应选择风能丰富区前面己介绍,风力发电机安装地点的年平 均风速越大越好,其大体上
数字是:年平 均风速3m/s以上,3-20m/s有效风速累计时效3000h以上,全年3一20m/s平均有效风能密度100W/m2以上。只要能满足第一个条件,小型风力发电机在经济上便可认为是合算的。
2.场址应具有较稳定的盛行风向。盛行风向是指出现频率最高的风向,气象上风向一般用16个方位表示(图4-1)。每个方位箭头的长度和数字是该风向的平均风速,并可形象地绘制出风玫瑰(图4-2)。 从风玫瑰图中看出,盛行风向为西南风(平均风速11.7m/s)、南西南风(平均风11.5m/s)和东北风(平均风速5.9m/s)。我国是季风较强的国家,不同季节盛行风向还要变化。选址对希望盛行风向较稳定,便于考虑地形的有利影响。
3.风机高度范围内“风切变”要小(风剪切要小) “风切变”是指短距离内风速、风向的较大变化。图4-3所示为平顶山脊顶的风切变,图中的影区说明因气流分离使风速下降,分离区上部为强切变区。风机如安在此影区,叶片将在不等速风中旋转,叶片受载不均匀,
图4-1 风向的16个方位图
图4-2 风玫瑰图
降低性能,缩短风机使用寿命。所以风机应避开此强切变区,安在迎风坡上,或提高塔架。
4.应考虑气象因素的影响
(1) 紊流。所谓紊流是指气流速度的急剧变化,包括风向的变化。通
常这两种因素混在一起出现。紊流能影响风力发电机功率的输出,同时使整个装置振动,损坏风机。小型紊流多数是因地面障碍物的影响而产生的,因此在安装风力发电机时,必须躲开这种地区。
(2) 极强风。海上风速可达30m/s以上,内陆有时也大于20m/s时称为极强风。风力发电机的安装场址当然要选择风速大
图4-3 平顶山脊顶的风场变
的地方,但在易出现极强风的地区使用风机,要求机组具有足够的强度,一旦遇有极强风,风力发电机便成为被袭击的对象。
(3)结冰和粘雪。在山地和海陆交界处设置的风力发电机,容易结冰和粘雪。叶片一旦结了冰,其重量分布便会发生变化,同时翼形的改变,又会引起激烈的振动,甚至发生破坏。
(4)雷。因为风力发电机在没有障碍物的平坦地区安装得较高,所以经常发生雷击事故,为此风机最好增设防雷装置。
(5)盐雾损害。在距海岸线10-15km以内的地区安装风力发电机,必须采取防盐雾损害的措施。因为盐雾能腐蚀叶片等金属部分,并且会破坏装置内部的绝缘体。
(6)尘砂。在尘砂多的地区,风力发电机叶片寿命明显缩短。其防护的方法,通常是防止桨叶前缘的损伤,对前缘表面进行处理。可是尘砂有时也能侵入机械内部,使轴承和齿轮机构等机械零件受到破坏。在工厂区,空气中浮游着的有害气体,也会腐蚀风力机的金属部分,应加以注意。
二,平坦地形的场址选择
根据能同时表示风向和风速关系的风玫瑰图,如果在风向最多的上风侧没有障碍物,一般都可以认为这个地点为平地。所谓在平地上安装风力发电机的情况,应考虑以下两个条件:
(1)以设置地点为中心,在半径为1km的圆内,应没有障碍物。
(2)假使有障碍物时,风力机的高度应为障碍物最高处高度的三倍以上,这个关系如图4-4所示。此条件极为严格,但对小型风力发电机可以放宽些(例如也可以把半径定为400m)。
三,山脊或山顶地形的场址选择
山脊和山顶有自然的高塔作用,并且气流随着靠近山脊,由于风洞效应,气流近似为流线而得到加速,能量也随之增大。如图4-5a所示。可是,风向和山脊构成的方向对风的加速有很大的影响,主风向和山脊构成的方向成直角的情况最理想。否则,随地形风的加速作用逐渐变小。
图4-5b表示了在理想山脊上风速的分布情况。风速通常在山脊的根部减到相当小,随着往山顶移动而逐渐增大,到山顶最大。因而,安装风力发电机时,如不是在山脊的中点以上,便不会得到增大风速的效果。可是,若山脊的后面正是风向引起紊流的地方(图4-
图4-4 在平地上安装风力发电机
图4-5 风在山脊和和山顶的加速效应
5a),则最为理想的地方应彼凳巧蕉ァ?/FONT>
四,建筑物上面或附近地形的场址选择
虽然人们都希望把风力发电机安装在平坦开阔地方的塔架上,但在住宅附近、城市中心及其周围,有时,不得建在建筑物的上面。在这种情况下,必须了解建筑物对气流有什么影响,使输出功率发生什么变化。图4-6反映了建筑物对气流的影响,气流在建筑物的后面会形成小的紊流,而在建筑物的周围形成马蹄形的气流。在建筑物的上风侧设置风力机时,至少也要保持具有建筑物高度2倍的间距;在下风侧设置时,至少要离开建筑物高度10倍以上的间距;在建筑物上面设置时,风机高度必须使建筑物高度的2倍以上,如图4-7所示。
图4-6 建筑物周围的气流 图4-7 在建筑物上安装风机的要求
第三节 小型风力发电机的安装
一.安装准备
(1)安装小型风力发电机装箱清单对准备安装的风力机逐一进行清点验收,清点验收合格后可进行下步工作。
(2)安装前仔细阅读小型风力发电机使用说明书,熟悉图纸,掌握有关安装尺寸和全部技术要求。
(3)千瓦以上风机的安装应聘请生产厂方技术人员或有关技术人员予以指导。必要时成立安装小组,一切安装、施工活动,由安装组长统一指挥。
(4)按使用说明书的要求准备安装器材和必要的物资(如水泥、杉本、牵引绳等)
(5)安装时应严格按照使用说明书的要求和程序进行。
安装完后要组织验收,经全面检查,认为符合安装要求和标准后,才能进行试运转,并投入使用。 二,安装工作技术规程
小型风力发电机的安装分百瓦级风机和千瓦级风机的安装。百瓦级风机因结构小巧,重量也轻,一般3-5人便能竖起。千瓦级风机因结构重量较大,安装时需用起吊滑轮和绞盘。为使安装工作安全地顺利进行,特制定以下技术规程。
(1)安装塔架所使用的杉木,质地要结实。绳索的强度要符合要求,安全系数一定要大,其长度要有适当的余量。起吊操作时要规定信号,做到统一指挥。
(2)风力发电机主要零部件的安装(如起吊零部件等)要听从统一指挥。操作人员不准站在塔身下或正在举升的零部件下面,以防意外。
(3)在上塔架顶部安装时,操作人员必须系好安全带或加装其他保护装置。另外,不
许手中或身上携带工具或零部件,以免不慎落下打伤人或造成损坏,塔架上部操作人员所使用的工具和零件,应统一用绳索吊上。
(4)安装风力发电机的工作,只能在风速不超过4m/s(三级风)的情况下进行,以保证操作安全。
(5)用绞盘起吊时,应一圈挨一圈地均匀地盘绕,否则外圈绳索容易从内圈滑下,致使吊件突然下落。起重绳绕在绕盘上时,也不要使绳做纵向扭曲,因为绳子扭曲后,一是通过滑轮时不容易通过,二是会降低其抗拉强度。
(6)安装风轮时,必须事先用绳索将风轮叶.片牢固地绑在塔身上,以免风轮被风吹动旋转而碰伤安装操作人员。
(7)风力发电机安装好并检查无误后,可进行试运转。试运转前,塔架上的人员必须下来并离开塔架,以免风向变化时,风轮旋转或发生意外事故。
三,百瓦级小型风力发电机的安装
百瓦级小型风力发电机安装一般包括:立柱拉索式支架的安装、回转体的安装、尾翼和手刹车的安装、机头的安装、竖立风机、电器连接等内容。
1.立柱拉索式支架的安装 具体安装步骤如下:
第一步,立柱本身的安装。考虑到便于运输,立柱制造时一般都设置三节。其连接方法一种是45°角插接,另一种是法兰盘对接。安装时打开包装箱,如是45°角的插接杆,将插头处涂上防腐油,逐个插好,如是法兰盘对接杆,将每组杆法兰盘对准上好螺栓,放好弹簧垫拧紧即可。
第二步,选择风机安装的中心位置。IOOW和200W风机只将风机底座放在中心位置上,并用两个铁钎将底座钉牢即可.300W和750W风机底座的安装必须挖地基并浇灌混凝土,基础坑尺寸为0.4×0.4×0.5;混凝土比例为水泥:砂子:石子=1:2:3。底座螺栓应高于底座上平面30-35mm,螺扣要予以保护。灌注后凝固24h方可进行安装。
图4-8 四根拉索定及底座与立柱连接示意图 图4-9 力柱用木桩顶起
第四步,有手刹车的机型,此时应将手刹车部件(如绞轮、钢丝绳等)安装好,钢丝绳由中立柱长孔处穿入立柱中心并从上立柱端穿出固定好。
2.回转体的安装 回转体的安装步骤如下:
(1)带有外滑环和手刹车机型回转体的安装:
第一步,将立柱上端的光轴位置涂上黄油脂,并将压力轴承放在顶端轴承座内涂好油。
第二步,将外滑环套接在回转体长套的下端止口处,并用螺钉固定好,然后将上好外滑环的回转体的长套从下口套入上立柱的光轴上,套接时同时将刹车钢丝绳也穿入回转体长套里,并从上端中心孔取出固定好。此时注意压力轴承的位置,保证使压力轴承在立柱的上端轴承座与回转体上端轴承盖上的轴承座相吻合,使压力轴承压接在两轴承座中间并运转自如,如图4-10所示。
图4-10 回转体的安装
不带外滑环和手刹车机型回转体的安装:
第一步,同上。
第二步,将输电线(防水胶线)穿入回转体中心孔(导线穿孔),然后把回转体套在上立柱的光轴上。根据机型不同,有的回转体上装有限位螺丝或限位弯板,其作用示防止回转体在立柱上窜动。安装时注意防止限位螺丝钉拧紧,应保证限位的同时,能够在立柱光轴上灵活转动。
3.尾翼和手刹车的安装 尾翼出厂时,尾翼板和尾翼杆已经作为一个整体连接在一起,安装时应检查一下其各连接部位的螺丝钉是否紧固。检查好后,将尾翼杆前端长轴套放入回转体尾翼连接耳内,对准销孔并插入尾翼销轴,销轴下部穿好开口销,使其转动灵活,如图4-11所示。
手刹车的安装。在立柱拉索式支架安装的第四步已经完成了手刹车下部绞轮的安装,此时主要是上部的安装,即将刹车绳从回转体上端引出。一种机型(如FD2-100型)在回转体上平面用压夹固定一个较长的弯形弹簧运动轨道,弹簧轨道固定好后,再将手刹车钢丝绳从弹簧里穿过去与尾翼杆上的连接螺丝钉相连接,如图4·11a所示,另一种机型(FD2.1-0.2/8型)在回转体出口处和上平面右边角处安装二组瓷套作为钢丝绳的运动轨道,然后再将手刹车钢丝绳从瓷套里穿过去与尾翼杆上的连接螺钉相连接,如图4-llb所示。另外,小型风机刹车机构还有一种为抱闸摩擦式刹车,如FD1.5-100型风机为此种刹车,安装时主要是保证刹车带与刹车毂的间隙,并在竖机后检查并保证刹车动作灵活。
4.机头的安装 机头的安装内容有发电机的安装和风轮的安装。
(1)发电机的安装。发电机在出厂时已经是装配好的整体,安装时只需把发电机放在回转体上平面上对准四个螺栓孔,上好螺栓加弹簧垫圈拧紧,并把发电机引出线插头与外滑环引出接线插座对接牢固,外滑环弓1出线与输电线(防水胶线)插接好。如没有外滑环的机型须将发电机的引出线与输电线.(防水胶线)按正负极连接好即可。
(2)风轮的安装。小型风力发电机风轮一般分两类,二类是定桨距风轮,另一类是变桨距风轮。
定桨距风轮的安装:如果风轮为两片分开的叶片,安装时只把两叶片桨杆轴部插入轮毂上的安装孔中,对准键槽孔,放好弹簧垫,拧紧螺母即可,如FDl.5-100型风机。但要注意两片分开的叶片出厂时都是选配好的,安装时不可与其他风叶混淆,以防破坏风轮平衡。
如果两个叶片为整体式或安装好的总成件,安装时只需把风轮轴孔套在发电机轴
上,然后放好弹簧垫,拧紧螺母即可。一般电机轴都带有1:10锥度,所以不会装错,如FD2-100型风机为整体叶片。
如果是三叶片风轮,风抡出厂时,叶片和前、后夹片为散件包装,三个叶片都是选配好的,每个叶片根部(柄部)有三个螺栓孔,安装时只需与前后夹板相应的三孔对准螺栓并放好弹簧垫拧紧。风轮夹板(轮毂)设有1,10的锥套,套在发电机轴上,放好弹簧垫,用螺母拧紧即可。
变桨距风轮:目前使用的变桨距风轮出厂时均为装配好的整体。在安装时不要拆卸,只需把风轮的锥形轴套套在发电机轴上,上好弹簧垫,拧紧螺母即可。注意变桨距风轮在安装时应检查叶片是否有卡滞现象,方法是分别扭动两只叶片,如果叶片活动平稳即符合要求。
5.竖立风机 以上内容全部安装完毕,应做一次认真的检查:看固定部位是否拧紧、转动部位是否灵活、刹车杆件和各连接部位是否可靠。输电线(防水胶线)正负极是否接好,做好标记。目前,制造厂将输电线接全部采用插接的方式连接,只要插进去,正负极就不会搞错。以上全部无误后,即可立机,立机的方法和步骤如下:
(1)100W,200W机型立机,只要两人拉牵引绳(四根拉索的其中一根),另外两个人,一人在下扛机身,另一个人用双手举机身,这样四人共同协作,便能很顺利地将风机立起,如图4-12所示。
(2)300W,750W机型立机,三根拉索上部与风机上立柱连接好,下边先将两根拉索与地锚连接固定,另一根作牵引绳,牵引时可用人拉(4-5人),也可用小型拖拉机拉,然后再用4-5人支撑机身。边牵引边扶立,直至立起为止。
图4-12 竖立100W.200W风机示意图
风机立起后,调整拉索紧线器,使风机立柱保持铅直位置,并使每根拉索均处于拉紧状态。
6.电器的连接
(1)发电机输电线连接:输电线用压夹固定在立柱上,固定好之后,从立柱底部将输电线架起并引进用户家中。
(2)输电线与配电箱插接:配电箱一般都设有发电机输电线插座,连接时,将输电线插头插入配电盘上的发电机输电线插座里即可。
(3)蓄电池的连接:蓄电池的连接应严格遵守发电机的电压制。小型风力发电机的电机有的设计为28V,有的则为42V和110V。每台风机有两块电池为一组,也有三块以上为一组。连接时应按照使用说明书的要求进行。蓄电池一般为串联连接,如100W和200W风机,大多为28V 电压制。两块60AH的蓄电池应串联连接,如图4-13所示。
(4)用电器的连接:目前小型风力发电机的用电器主要有灯泡、电视机、收录机.小型冰箱和洗衣机等。一般风机配电箱上都设有直流12V、24V和交流220V电压制插座,在使用用电器时应严格按照用电器所要求的电压制选用配电箱上的相应插座,不能插错。
风是一种潜力很大的新能源,人们也许还记得,十八世纪初,横扫英法两国的一次狂暴大风,吹毁了四百座风力磨坊、八百座房屋、一百座教堂、四百多条帆船,并有数千人受到伤害,二十五万株大树连根拔起。仅就拔树一事而论,风在数秒钟内就发出了一千万马力(即750万千瓦;一马力等于0.75千瓦)的功率!有人估计过,地球上可用来发电的风力资源约有100亿千瓦,几乎是现在全世界水力发电量的10倍。目前全世界每年燃烧煤所获得的能量,只有风力在一年内所提供能量的三分之一。因此,国内外都很重视利用风力来发电,开发新能源。 利用风力发电的尝试,早在本世纪初就已经开始了。三十年代,丹麦、瑞典、苏联和美国应用航空工业的旋翼技术,成功地研制了一些小型风力发电装置。这种小型风力发电机,广泛在多风的海岛和偏僻的乡村使用,它所获得的电力成本比小型内燃机的发电成本低得多。不过,当时的发电量较低,大都在5千瓦以下。
目前,据了解,国外已生产出15,40,45,100,225千瓦的风力发电机了。1978年1月,美国在新墨西哥州的克莱顿镇建成的200千瓦风力发电机,其叶片直径为38米,发电量足够60户居民用电。而1978年初夏,在丹麦日德兰半岛西海岸投入运行的风力发电装置,其发电量则达2000千瓦,风车高57米,所发电量的75%送入电网,其余供给附近的一所学校用。
1979年上半年,美国在北卡罗来纳州的蓝岭山,又建成了一座世界上最大的发电用的风车。这个风车有十层楼高,风车钢叶片的直径60米;叶片安装在一个塔型建筑物上,因此风车可自由转动并从任何一个方向获得电力;风力时速在38公里以上时,发电能力也可达2000千瓦。由于这个丘陵地区的平均风力时速只有29公里,因此风车不能全部运动。据估计,即使全年只有一半时间运转,它就能够满足北卡罗来纳州七个县1%到2%的用电需要。 怎样利用风力来发电呢?
我们把风的动能转变成机械能,再把机械能转化为电能,这就是风力发电。风力发电所需要的装置,称作风力发电机组。这种风力发电机组,大体上可分风轮(包括尾舵)、发电机和铁塔三部分。(大型风力发电站基本上没有尾舵,一般只有小型(包括家用型)才会拥有尾舵)
风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件,它由两只(或更多只)螺旋桨形的叶轮组成。当风吹向浆叶时,桨叶上产生气动力驱动风轮转动。桨叶的材料要求强度高、重量轻,目前多用玻璃钢或其它复合材料(如碳纤维)来制造。(现在还有一些垂直风轮,s型旋转叶片等,其作用也与常规螺旋桨型叶片相同)
由于风轮的转速比较低,而且风力的大小和方向经常变化着,这又使转速不稳定;所以,在带动发电机之前,还必须附加一个把转速提高到发电机额定转速的齿轮变速箱,再加一个调速机构使转速保持稳定,然后再联接到发电机上。为保持风轮始终对准风向以获得最大的功率,还需在风轮的后面装一个类似风向标的尾舵。
铁塔是支承风轮、尾舵和发电机的构架。它一般修建得比较高,为的是获得较大的和较均匀的风力,又要有足够的强度。铁塔高度视地面障碍物对风速影响的情况,以及风轮的直径大小而定,一般在6-20米范围内。
发电机的作用,是把由风轮得到的恒定转速,通过升速传递给发电机构均匀运转,因而把机械能转变为电能。
多大的风力才可以发电呢?
一般说来,3级风就有利用的价值。但从经济合理的角度出发,风速大于每秒4米才适宜于发电。据测定,一台55千瓦的风力发电机组,当风速每秒为9.5米时,机组的输出功率为55千瓦;当风速每秒8米时,功率为38千瓦;风速每秒为6米时,只有16千瓦;而风速为每秒5米时,仅为9.5千瓦。可见风力愈大,经济效益也愈大。
在我国,现在已有不少成功的中、小型风力发电装置在运转。
我国的风力资源极为丰富,绝大多数地区的平均风速都在每秒3米以上,特别是东北、西北、西南高原和沿海岛屿,平均风速更大;有的地方,一年三分之一以上的时间都是大风
天。在这些地区,发展风力发电是很有前途的。
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风力发电的原理
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,因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。
通常人们认为,风力发电的功率完全由风力发电机的功率决定,总想选购大一点的风力发电机,而这是不正确的。目前的风力发电机只是给电瓶充电,而由电瓶把电能贮存起来,人们最终使用电功率的大小与电瓶大小有更密切的关系。功率的大小更主要取决于风量的大小,而不仅是机头功率的大小。在内地,小的风力发电机会比大的更合适。因为它更容易被小风量带动而发电,持续不断的小风,会比一时狂风更能供给较大的能量。当无风时人们还可以正常使用风力带来的电能,也就是说一台200W风力发电机也可以通过大电瓶与逆变器的配合使用,获得500W甚至1000W乃至更大的功率出。
使用风力发电机,就是源源不断地把风能变成我们家庭使用的标准市电,其节约的程度是明显的,一个家庭一年的用电只需20元电瓶液的代价。而现在的风力发电机比几年前的性能有很大改进,以前只是在少数边远地区使用,风力发电机接一个15W的灯泡直接用电,一明一暗并会经常损坏灯泡。而现在由于技术进步,采用先进的充电器、逆变器,风力发电成为有一定科技含量的小系统,并能在一定条件下代替正常的市电。山区可以借此系统做一个常年不花钱的路灯;高速公路可用它做夜晚的路标灯;山区的孩子可以在日光灯下晚自习;城市小高层楼顶也可用风力电机,这不但节约而且是真正绿色电源。家庭用风力发电机,不但可以防止停电,而且还能增加生活情趣。在旅游景区、边防、学校、部队乃至落后的山区,风力发电机正在成为人们的采购热点。无线电爱好者可用自己的技术在风力发电方面为山区人民服务,使人们看电视及照明用电与城市同步,也能使自己劳动致富。
随着电力电子技术的发展,双馈型感应发电机(Double-Fed Induction Generator)在风能发电中的应用越来越广。这种技术不过分依赖于蓄电池的容量,而是从励磁系统入手,对励磁电流加以适当的控制,从而达到输出一个恒频电能的目的。双馈感应发电机在结构上类似于异步发电机,但在励磁上双馈发电机采用交流励磁。我们知道一个脉振磁势可以分解为两个方向相反的旋转磁势,而三相绕组的适当安排可以使其中一个磁势的效果消去,这样一来就得到一个在空间旋转的磁势,这就相当于同步发电机中带有直流励磁的转子。双馈发电机的优势就在于,交流励磁的频率是可调的,这就是说旋转励磁磁动势的频率可调。这样当原动机的转速不定时,适当调节励磁电流的频率,就可以满足输出恒频电能的目的。由于电力电子元器件的容量越来越大,所以双馈发电机组的励磁系统调节能力也越来越强,这使得双馈机的单机容量得以提高。虽然,部分理论还在完善当中,但是双馈反应发电机的广泛应用这一趋势将越来越明显。
风力发电,不合国情国内纷纷上马的风力发电厂大多是形象工程。工信部副部长苗圩近日语出惊人,他认为中国风沙伴存,风电设备受风沙磨损大,上马太多风电项目不合我国国
情。苗圩说,国外有风地方没有沙,比如说是海洋风。苗圩说:中国是有风的地方就有沙,风沙对风力发电设备磨损非常厉害。现在风能发电风机应该是20年的寿命,但是如果有风沙的侵蚀寿命还到不了20年。再过5年,寿命肯定要出问题,特别是甘肃那个千万千瓦级的风力发电站典型的形象工程。就此话题,苗圩表示,能源布局的重点,应该是供给端和使用端要做到平衡。而现状是高级能源拉着低级能源运转。苗圩举例说,湖北本来水电是优势,三峡的电应该更多留在湖北用,这是最好的清洁能源。但是现在却把湖北的电运到东部区,湖北再从周边买煤运到湖北,引发一连串的效应,河南就不够用了,就再到山西、山东甚至到新疆去运煤。进行全国大旅行,全国铁路货运一半用来运送煤炭。这是多大的物流成本,多大的浪费。据报道,甘肃酒泉千万千瓦级风电基地于2008年8月全面启动,标志着中国正式步入了打造风电三峡工程阶段。据气象部门最新风能评估结果表明,酒泉风能资源总储量为
1.5亿千瓦,可开发量4000万千瓦以上,可利用面积近1万平方公里。
我国风能资源
一、概况
我国风能资源丰富,可开发利用的风能储量约10亿kW,其中,陆地上风能储量约2.53亿kW(陆地上离地10m高度资料计算),海上可开发和利用的风能储量约7.5亿kW,共计10亿kW。而2003年底全国电力装机约5.67亿kW。
风是没有公害的能源之一。而且它取之不尽,用之不竭。对于缺水、缺燃料和交通不便的沿海岛屿、草原牧区、山区和高原地带,因地制宜地利用风力发电,非常适合,大有可为。 风力发电行业我国自主知识产权产品的介绍:
上世纪九十年代,我国的独立电源系统主要采用水平轴风力发电机和太阳能光伏系统来供应电力,主要应用于通信基站、边防哨所、海岛部队等特殊场合,主要是面向部队的一套后勤保障系统。
经过一定时间的应用后,发现诸多问题。如台风期间的设备损坏严重;噪音大,影响人员正常休息;对通信设备的干扰,使得某些设备无法正常运转。这些问题的发生使得部队正常通讯受到了影响。
2001年,为了解决这些问题,召集相关单位展开讨论,作为部队通信产品配套厂家的上海模斯电子设备有限公司也受到了邀请。会后,经过一定时间的调研和研究,MUCE公司提出承担此项科研攻关的重任,得到了部队领导的同意,并下达指示,必须尽快拿出技术方案并作出样机。
在西军电、西交大、上复旦、上同济等高校一批专家的配合下,上海模斯电子设备有限公司在不到一年的时间里,就成功研制出了世界上第一台新型(H型)垂直轴风力发电机,并装机试验成功,获得了基础数据和实际经验。(这也成为了全球首台新型垂直轴风力发电机诞生日)在后续的一年里,MUCE对产品进行无数次改进和测试,2002年底产品通过了各项测试,并达到了各项设计要求。
2002年底至今,MUCE先后在部队安装了60多套垂直轴风力发电机和风光互补系统,为稳定国防,做出了不朽的贡献!
由深圳诚远公司生产的风光互补路灯供电系统是综合利用太阳能和风能的一种新兴的道路照明系统。单独的太阳能或风能供暖系统,由于受时间和地域的约束,很难全天候利用太阳能和风能资源。而太阳能与风能在时间上和地域上都有很强的互补性,白天光照强时风小,夜间光照弱时,风能由于地表温差变化大而增强,太阳能和风能在时间上的互补性是风光互补路灯供电系统在资源利用上的最佳匹配。该系统节能环保、可再生、取之不尽、用之不竭,必将成为今后替代其它道路照明系统成为主流。系统工作时,太阳能集热器收集太阳辐射能量发电(白天),通过专用线路传入电力控制系统,蓄存、派发。风力发电机全天候使用风能,将风能转化成电能,再通过控制器整流,给蓄电池组充电。
新型风能转化方式——径流双轮效应
径流双轮效应或叫双轮效应是一种新型风能转化方式。
首先它是一种双轮结构,相对于水平轴流式风机,它是径流式的,同已有的立轴式风机一样都是沿长轴布设桨叶的,直接利用风的推力旋转工作的,单轮立轴风轮因轴两侧桨叶同时接受风力而扭矩相反,相互抵消,输出力矩不大。设计为双轮结构并靠近安装,同步运转,就将原来的立轴力矩输出对桨叶流体力学形状的依赖进而改变为双轮间的利用转动产生涡流力的利用,两轮相互借力,相互推动;而对吹向两轮间的逆向风流可以互相遮挡,进而又依次轮流将其分拨于两轮的外侧,使两轮外侧获得有叠加的风流,因此使双轮的外缘线速度可以高于风速,双轮结构的这种互相助力,主动利用风力的特点产生了“双轮效应”。
相比有些单轮式结构风机中采用外加的遮挡法、活动式变桨矩等被动式减少叶轮回转复位阻力的设计,体现了积极利用风力的特点。因此这一发明的不仅具有实用作用,促进风力利用的研究和发展,而且具有新的流体力学方面的意义。它开辟了风能发展的新空间,是一项带有基础性质的发明,这种双轮风机具有的设计简捷,易于制造加工,转数较低,重心下降,安全性好,运行成本低,维护容易,无噪音污染等明显特点,可以广泛普及推广,适应中国节能减排需求,大有市场前景。
风能市场概况
风能作为一种清洁的可再生能源,越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大,全球的风能约为2.74×109MW,其中可利用的风能为2×107MW,比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。中国风能储量很大、分布面广,仅陆地上的风能储量就有约2.53亿千瓦。
随着全球经济的发展,风能市场也迅速发展起来。自2004年以来,全球风力发电能力翻了一番,2006年至2007年间,全球风能发电装机容量扩大27%。2007年已有9万兆瓦,这一数字到2010年将是16万兆瓦。预计未来20-25年内,世界风能市场每年将递增25%。随着技术进步和环保事业的发展,风能发电在商业上将完全可以与燃煤发电竞争。
“十五”期间,中国的并网风电得到迅速发展。2006年,中国风电累计装机容量已经达到260万千瓦,成为继欧洲、美国和印度之后发展风力发电的主要市场之一。2007年我国风电产业规模延续暴发式增长态势,截至2007年底全国累计装机约600万千瓦。2008年8月,中国风电装机总量已经达到700万千瓦,占中国发电总装机容量的1%,位居世界第五,这也意味着中国已进入可再生能源大国行列。
2008年以来,国内风电建设的热潮达到了白热化的程度。到2008年底,风电规模就可能达到1000万千瓦,到2010年累计装机容量可达2000万千瓦。
中国风力等新能源发电行业的发展前景十分广阔,预计未来很长一段时间都将保持高速发展,同时盈利能力也将随着技术的逐渐成熟稳步提升。2009年该行业的利润总额将保持高速增长,经过2009年的高速增长,预计2010、2011年增速会稍有回落,但增长速度也将达到60%以上。
风电发展到目前阶段,其性价比正在形成与煤电、水电的竞争优势。风电的优势在于:能力每增加一倍,成本就下降15%,近几年世界风电增长一直保持在30%以上。随着中国风电装机的国产化和发电的规模化,风电成本可望再降。因此风电开始成为越来越多投资者的逐金之地。
风力发电的前景
中国新能源战略开始把大力发展风力发电设为重点。按照国家规划,未来15年,全国风力发电装机容量将达到2000万至3000万千瓦。以每千瓦装机容量设备投资7000元计算,未来风电设备市场将高达1400亿元至2100亿元。
新型便携式高效小型风力发电机
天力高新能源集团制造便携式高效微型风力发电机的隆重上市,填补了业内在这方面的空白;将风力发电机从兆瓦级向便携式垂直延伸,其功率最小缩到了5W,重量缩小到了1KG!广
泛适用于军事活动、教育科研、野外探险、旅游业、风光互补路灯、庭院灯、景观灯等领域!备受各届人士关注!...
中国知名风电企业
风力发电整机制造机构名称
力德风力发电(江西)有限责任公司
国电联合动力技术有限公司
河北雷沃电力设备有限公司
河北保定天威风电科技有限公司
维斯塔斯风力技术公司
新疆金风科技发展公司
四川风瑞能源
GAMESA
GE能源集团
华锐风电科技股份有限公司
浙江华仪风能开发有限公司
苏司兰能源有限公司
江西麦德风能设备股份有限公司
常州轨道车辆牵引传动工程技术研究中心
上海电气风电设备有限公司
中国南车株洲电力机车研究所风电事业部
湖南湘电风能有限公司
中船重工(重庆)海装风电设备有限公司
Repower
浙江运达风力发电工程有限公司
上海万德风力发电有限公司
佛山市东兴风盈风电设备制造有限公司
潍坊中云机器有限公司
东方汽轮机有限责任公司
保定惠德风电工程有限公司
哈尔滨哈电风电设备公司
北京北重汽轮电机有限责任公司
沈阳华创风能有限公司
西安维德风电设备有限公司
中小型风力发电机组(含并网/离网型)
机构名称
南通紫琅风力发电机有限公司
广州红鹰能源科技公司
扬州神州风力发电有限公司
嘉兴市安华风电设备有限公司
上海思源致远绿色能源有限公司
宁波风神风电科技有限公司
深圳风发科技发展有限公司
广州中科恒源能源科技有限公司
宁夏风霸机电有限公司
上海林慧新能源科技有限公司
西安大益风电科技有限公司
机构名称 重庆国际复合材料有限公司 艾尔姆玻璃纤维制品(天津)有限公司 上海玻璃钢研究院 江苏九鼎新材料股份有限公司 南京先进复合材料制品有限公司 上海越科复合材料有限公司 中国兵器工业集团第五三科技研究院 威海市碳素渔竿厂 金陵帝斯曼树脂有限公司 中航(保定)惠腾风电设备有限公司 保定天威风电叶片有限公司 浙江联洋复合材料有限公司 常熟市卡柏(Core Board)复合材料有限公司 北京恒吉星工贸有限责任公司 风力发电机 机构名称 湘潭电机股份有限公司 南车电机股份有限公司 西安捷力电力电子有限公司 兰州电机有限责任公司 东方电机股份有限公司 上海电气集团 盾安电气 力德风力发电(江西)有限责任公司 齿轮箱/回转支承 机构名称 南京高速齿轮制造有限公司 德国GAT传动技术有限公司 洛阳精联机械基础件有限公司 徐州罗特艾德回转支承股份有限公司 舍弗勒中国有限公司 马鞍山方圆回转支承股份有限公司 浙江通力减速机有限公司 变桨系统 机构名称 桂林星辰电力电子有限公司 德国GAT传动技术有限公司 路斯特绿能电气系统(上海)有限公司 电控系统及变流器 机构名称 Mita-Teknik公司 德国GAT传动技术有限公司
洛阳精联机械基础件有限公司 艾黙生网络能源有限公司 南京环力重工机械有限公司 奔联电子技术有限公司 Elspec中国代表处 北京科诺伟业能源科技有限公司 北京东土科技股份有限公司 阿尔斯通机电(上海)有限公司 大连威科特自控系统有限公司 胜业电器有限公司 研祥智能科技股份有限公司 南京冠亚电源设备有限公司 中电电气集团有限公司 艾黙生网络能源有限公司 北京欧买特数字科技有限公司 北京清能华福风电技术有限公司 刹车系统及联轴器 机构名称 安特制动系统(天津)有限公司 德国GAT传动技术有限公司 上海晟达传动设备有限公司 开天传动技术上海有限公司 洛阳精联机械基础件有限公司 焦作瑞塞尔盘式制动器有限公司 沈阳临瑞风力发电成套设备有限责任公司 汉中海利液压控制有限公司 贺德克液压技术(上海)有限公司 意大利阿托斯上海有限公司 伊顿流体动力上海有限公司 邵阳维克液压有限责任公司 贺尔碧格(无锡)自动化技术有限公司 上海敏泰科技有限公司 塔架组件(塔筒/升降机) 机构名称 河北洁绿风电设备有限公司 上海泰胜电力工程机械有限公司 北京欧亚新科技发展有限公司 常州轨道车辆牵引传动工程技术研究中心 无锡罗尼威尔机械设备有限公司 宁夏银光钢构件制造有限公司 北京盛汇恒科贸有限责任公司 河北宁强公司 哈尔滨红光锅炉集团公司 3S lift
机构名称 克鲁勃润滑剂(上海)有限公司 埃尔夫润滑油(广州)投资有限公司 埃克森美孚(中国)投资有限公司 天津摩通润滑技术有限公司 林肯工业有限公司 四川国润贸易有限公司 中国兵器工业集团第五三研究所 中国石油化工股份有限公司润滑油分公司 特变电工(德阳)电缆股份有限公司 美国百通电线电缆公司 上海蓝科电气有限公司 精密轴承/高强度螺栓 机构名称 浙江迪特高强度螺栓有限公司 舍弗勒(中国)有限公司 北京戴乐克工业锁具有限公司 洛阳LYC轴承有限公司 陕西海丰石油机械制造有限公司 米迪菲五金工具(上海)有限公司 上海申光高强度螺栓有限公司 优必胜轴承公司成都办事处 宁波市镇海盛大高强度紧固件厂 韩国(株)平山大连代表处 轮毂/铸锻件/法兰/压铸件毛坯及加工 机构名称 江苏华东风能 上海长京金属制作有限公司 江阴方圆环锻法兰有限公司 山西省定襄金瑞高压环件有限公司 无锡大昶重型环件有限公司 江阴华西法兰管件厂 杭州申达铸造有限公司 无锡宝露锻造有限公司 定襄县闫氏锻业有限公司 山西襄龙风电设备制造有限公司 江苏国光重型机械有限公司 中国一汽铸造有限公司铸造研究所 河南宏宇特铸股份有限公司 无锡卓越铸造有限公司 上海嘉颉进出口有限公司 机舱罩 机构名称 秦皇岛耀华玻璃钢股份公司
江苏九鼎新材料股份有限公司 测风/防雷装置 机构名称 德和盛电气(上海)有限公司 同拓合盛北京贸易有限公司 浙江华仪风能开发有限公司 北京泛泰克斯仪器有限公司 北京巨匠动力技术有限公司 德国科瑞文工业电子有限公司北京代表处 青岛方雷降阻材料有限公司 南京菲尼克斯电气有限公司 BALLUFF(巴鲁夫) 运输/安装/维修服务及工具 机构名称 上海凯道贸易有限公司 广州市齐多工业设备有限公司(机组装配/检修维护工具) 新疆鑫风安装工程有限公司 天津通天科技有限公司 北京诺鼎工业设备有限责任公司 上海希瑞实业有限公司 德莱奇起重吊索具(昆山)有限公司 常州爱普超高压系统有限公司 北京加汇通机电技术有限公司 科尼起重机集团 美国特科阿普液压扳手公司 咨询/认证/评估/培训 机构名称 中国气象局风能太阳能资源评估中心 浩瀚国际风电中心 北京计鹏信息咨询有限公司 中国船级社产品处 机械工业第六设计研究院天津分院 英国Garrad Hassan伙伴有限公司北京代表处(GH)公司 通标标准技术服务有限公司 诺德麦康国投风电设备有限公司 黑龙江省国测风力资源评估中心 河北省电力勘察设计院 中国气象科学研究所 黑龙江省电力勘察设计院 中国福霖风能开发公司 中国水电顾问集团中南勘测设计研究院 河北省电力勘测设计研究院 苏州白鹭风电职业技术培训中心 风力发电投资商/运营管理/风场
机构名称
中国水利投资集团投资开发部
中国节能投资公司
大唐发电集团
华能集团公司
EVER E控股集团公司
美国美腾能源集团有限公司北京代表处
辽宁恒祥风力发电科技开发有限公司
中国广东核电集团公司
中国水利投资集团投资开发部
浙江华仪风能开发有限公司
世纪恒丰控股有限公司
国电龙源集团
中国水利水电建设集团公司
风电行业大专院校/科研院所及行业组织
机构名称
中国农机工业协会风能设备分会
中国资源综合利用协会可再生资源专业委员会
机械工业第六设计研究院天津分院
汕头大学能源研究所
西华大学风电技术研究所
上海玻璃钢研究所
中国气象局风能太阳能资源评估中心
沈阳工业大学风能技术研究所
全国风力机械标准化技术委员会
国家风力发电工程技术研究中心
上海图书馆上海科技情报研究所信息咨询与研究中心
重庆大学风力发电技术及装备研究所
风能发电的优缺点
优点:
1、清洁,环境效益好。
2、可再生,永不枯竭。
3、基建周期短、投资少。
4、装机规模灵活。
5、技术相对成熟。
缺点:1、噪声,视觉污染。
2、占用大片土地。
3、不稳定,不可控。
4、目前成本仍然很高。
扩展阅读:
1.风力发电原理、政策:
2.世界新能源网:
3.新能源应用解析:
4.诚远新能源动力网:
5.径流双轮式风机:
6.天力高新科技能源(集团)有限公司官方网站:
7.风力发电的前景:
8.风力发电资讯、技术
小型交流永磁风力发电机设计特点
小型风能发电及其发电机 郭继高
【摘 要】 文章分析了小型风能发电装置用交流永磁发电机设计中的特殊性,着重讨论了该发电机分数槽绕组、起动阻转矩及发电机与风力机匹配等问题。
【关键词】 风能发电 永磁风力发电机
1 引 言
人们曾使用过直流发电机、电磁式交流发电机、爪极式发电机、磁阻式发电机以及感应子式发电机等用于小型风能发电装置。随着永磁材料的技术发展,永磁材料磁能积大大提高,目前主要使用永磁发电机。该类电机不论从电气性能上,还是在安全可靠性上讲,都优于前几类发电机。由于该类发电机的应用场所与一般发电机不同,其技术要求有其特殊性,在性能上又必须与风力机有良好的匹配,因此,就该类发电机中的几个问题进行一些分析、探讨。 2 技术要求
图1为小型风能发电装置的原理图,风驱动风轮旋转,将风能转为机械能,风轮带动发电机旋转,将机械能转化为电能,整流后输出。该类发电机的设计,首先要选择发电机的型式和整流线路;确定计算的整流功率,额定功率、电压、转速等。对它的主要技术要求为:
图 1 小型风能发电装置的原理图
(1) 额定输出功率PN(W);(2) 额定输出电压(直流)UN(V);(3) 额定转速NN(r/min);(4) 发电机效率η(%);(5) 起动阻转矩TN(N.m);(6) 在65%额定转速下,发电机的空载电压应不低于额定电压;(7) 在150%额定转速下,发电机在额定电压下应能过载运行2 min;(8) 发电机在空载情况下,应能承受2倍额定转速,历时2min,转子结构应不发生损坏及有害变形;
(9) 发电机应能防雨雪,防沙及防雷。
除此之外,还应符合一般电机的绝缘、耐压、机械强度等技术要求。
技术要求中(5)、(6)、(7)、(8)是风力发电机的特殊要求,下面将分别进行分析。 3 电磁负荷的选择
近代电机制造的实践和电机长期运行的经验大致给出了设计电机的线负荷As和磁负荷Bδ的范围。当As和Bδ的乘积相同时,则As和Bδ之间的比值决定着发电机的不同参数,
力能指标和质量。当Bδ大而As小时发电机为富铁型,而当As大而Bδ小时发电机为富铜型。
电机电负荷的大小以电机绕组的电流密度j(A/mm2)及线负荷As(A/cm)来衡量,电负荷越大,铜损越大。对于小功率的风力发电机,一般为低压大电流。特别是1kW以下发电机大多采用24、36V或48V(整流后的直流),这种电机的额定电流较大。对于1至10kW的小功率发电机,也不能取过高的额定输出电压。因为该类发电机主要采用蓄电池储能,电压高,必须用更多的蓄电池,提高了整机的成本,一般客户难以接受。总之,小功率风力发电机线负荷比较高,属富铜型发电机,电机的铜损大,约占电机总损耗的70%左右,这是客观情况。此外,发电机的输出功率是随风速增加而增加的,如图2所示。发电机功率提高,发热增加,但随着风速增加,散热条件大大改善,因此,对于该类发电机不应格守一般电机选取As的标准,可选取较高As值,既需要又允许。例如一般小功率电机As为60至80A/cm;而该类发电机的As可取为100至150A/cm;而采用高效喷油冷却的航空发电机As可达 300A/cm左右。因此As的选择要综合考虑电机损耗、效率、散热和应用场合,取得一合理数值。
图 2 发电机输出特性
磁负荷Bδ的选择,可完全依照电机理论的一般原则,这里不再赘叙。
4 定 子
4.1 定子齿槽
基于该类发电机的电负荷较高,铜损大,在设计发电机时,在保证足够的机械强度及磁通密度允许的情况下,应尽量减少齿宽和轭厚,以扩大槽面积,增大定子绕组导线面积,降低铜耗,提高发电机的效率。这一点不是每个厂家都考虑到的。往往由于定子绕组导线较细,在发电机初始运行时可以达到设计要求。发电机运行2至3小时后,温升急骤上升,输出功率也迅速下降,从而使额定输出功率达不到要求。
4.2 定子绕组
小功率风力发电机的技术要求(5)中引入了发电机起动阻转矩的概念,这是因为小型风能发电装置一般转速在几十至几百转,为了减少环节,降低成本和提高可靠性,该装置的风轮直接耦合在发电机轴上。这就要求尽量减小由发电机齿槽效应产生的阻转矩,使得风轮在风速较低时(2至3m/s),能够迅速起动,尽快发电。为此,国标GB10760.1-89提出了要求,见下表。
功率 (W)[***********] 最大起动阻转矩(Nm)0.200.300.350.501.201.50
从电机的理论上讲,采用定子斜槽,转子斜极及定子分数槽绕组都可以降低齿槽效应引起的阻转矩,满足技术要求。但是实践证明分数槽绕组是降低阻转矩的最有效办法。
采用定子斜槽,工艺上比较容易实现,但效果不明显,而且如果斜槽距离太大,发电机的电气性能会受影响;采用转子斜极,将转子磁钢、磁极扭到合理的尺寸,工艺上难度较大,而效果也不明显;因此,大多采用分数槽绕组。
分数槽绕组:
每极每相槽数q=Zs/2mp=a+c/d
每极槽数 Q=Zs/2p=A+C/D
式中:Zs为定子槽数;m不绕组相数;p为发电机极对数;A、a为整数;c/d、C/D为不可约分的分数。
理论和实践证明,D越大,发电机的起动阻转矩越小[5]。此外,随着q值的增加,负序阻抗减小,漏抗降低,这是我们希望的。但是同时,过份增大q值,发电机抑制高次谐波的能力降低,又是该避免的。因此,只要满足国标规定的阻转矩大小要求,不是q值越大越好。
我们计算和实际测试了几种发电机的转矩,从中可以判定齿极配合的情况,见图3
。
图 3 阻转矩与槽数关系
5 转 子
小型风能发电装置的风轮转速每分钟为几十至几百转,其发电机转子直接耦合在风轮上。风轮转速决定了发电机为多极低速发电机;转子一般采用铁氧体和钕铁硼磁钢,切向结构;转子结构必须牢固,能经受风速急骤变化的冲击,而不发生破坏、损伤和变形。这正如技术要求(7)、(8)中明确指出的。转子的问题将专文讨论。
6 特 性
6.1 直流输出电压
该发电机输出交流电压整流后向蓄电池充电。国标规定,其整流后的电压应比标准12V蓄电池高2V,即发电机输出电压为14V,28V,42V,56V„„。但实践证明,该规定对于风力资源非常丰富的地区是可行的,而对于风力资源一般,但可以利用的地区是偏低的,有人曾在江苏内湖围网养殖地区,用输出42V(直流)的发电机接在二只串联蓄电池上(24V)效果很好,并没有出现严重问题。因此,设计发电机时,应该了解风力机使用地区的风源情况,一般应高于4V以上,以便充分利用可贵的风力资源。
6.2 输出特性
输出功率P与转速n的关系是一般发电机不要求的,而对于这类发电机是重要的。图2为DYF-600型发电机的实测特性。由于特定的要求,风力机对发电机要求在低风速时能够发电,而在额定风速以上输出特性尽量软一些。因此设计发电机时应尽量使磁路饱合些,不致因风力机的经常超速,而发电机输出功率急骤上升,造成对充电器、逆变器的过大冲击和发电机的过热,从而损坏。
6.3 风力机特性与发电机输出特性的匹配
(1)风力机起动后,要求发电机尽快发电,即在低风速范围内能捕获风能。这正如技术要求(6)所要求的,发电机的起动阻转矩尽量小些,使风力机尽早切入运转。
(2)希望发电机P=f(n)在额定点前为二次抛物线关系,以利用发电机与风力机的匹配,获取最佳风能,如图4所示。
P=f(n) 发电机输出特性;T=f(n) 风力和转矩特性
图 4 风力机特性与发电机特性匹配曲线
尚能SN-1000WL小型风力发电机介绍 http://www.sunningpower.com
SN系列风力发电机的风力涡轮由超高强度的工程塑料精密注塑成型,风轮运转平稳而宁静。该风轮的翼型经气动 力学专家精心设计而成,具有极低的起动与切入点、极高的风能利用效率并能依藉叶片 自身的气动力效应防止任何风况下飞车SN系列风力发电机采用优质高强永磁材料,发电机体积小、 重量轻而且发电效率极高。电机专家独特的电磁设计技术造就了该发电机具有极其微小 的起动阻力矩,有效保证了SN系列在微风中便能启动运行.SN系列全部采用优质铝合金 精密压铸部件与不锈钢配件,整机重量极轻。广泛适用于-30℃~60℃气温、高湿度、风 砂及盐雾等多种环境,具备极高的可靠性。SN系列风力发电机造型优美与周围环境和谐安装简便、 高效率寿命长免维护、抗大风躁音低。保证您在任何恶劣天气情况下能尽情享受清洁电 能的同时给您的带来一抹安谥美丽的风景线!
产品特点 :
高效率 微风启动 长寿命 免维护 防锈 防腐蚀 防潮 防水 防风沙
技术参数 起动风速 2(m/s) 额定风速 12(m/s)
切入风速 2.5(m/s)
额定电压 24V/48V(DCV) 额定功率 1000(W) 最大功率 1200(W) 风叶直径 1.8(m) 风叶数量 5(pcs) 安全风速 60(m/s) 整机重量 31(kg) 大风保护 泄荷及电磁制动 电机最高
额定负载 85℃
温升
工作温度 -20℃至40℃ 认 证 CE,ISO 9001
S
电机功率曲线图
风力发电机分解图
N-1000WL风力发
1 风机总成 2 叶 片 3 轮毂般 4 前罩 5 螺栓 6 平垫圈 7 防 松螺母 8 螺母 9 弹簧垫 10 法兰 11 螺栓
12 防松螺母 13 避雷针
风力发电机应用系统结构图
14 减震器
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