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家用风力发电机
摘要: 风力机通过叶轮捕获风能,将风能转换为作用在轮毂的机械转矩。而这个机械转矩进而可以用作发电机的动力矩,因此,风力发电是切实可行的。本文对国内外风力发电的发展现状进行了概述,指出了风力发电的发展趋势和研究方向,重要介绍了风力发电作为一种新型环保能源在家用领域的普及,对风力发电机的原理和结构作了细致的分析。
关键词:风力发电、可再生清洁能源、家用风力发电机
一、引言
    风车是人们最早用以转换能量的装置之一,波斯人和中国人在数千年前即己懂得使用风车,直到十二世纪时,欧洲才普遍利用风车研磨面粉和泵水.荷兰低地使用风车泵抽排水,其风车的功率可达50HP.美国则使用较小型的风车灌溉田地和驱动发电机发电. 1920年代,人门开始研究利用风车作大规模发电.1931年,在苏联的Crimean Balaclava地方建造一座100KW容量的风力发电机,此乃最早商业化的风力发电机。 
    中国是风资源丰富的国家,特别是新疆、内蒙古与沿海地区.我国风力发电在八十年代开始发展,初期大多是独立运行户用百瓦级风电机组,安装在边远,孤立无电地区供农牧民使用.近年来,大型并网风力发电机组引入我国,多台风电机组安装在风资源丰富地区组成风电场,接入地区电网供电,现在,我国并网风电机组装机总容量约为100MW。
二、环保能源  
    风电的优越性可归纳为下面五点:风力发电是一种干净的自然能源,没有常规能源(如煤电,油电)与核电会造成环境污染的问题. 风电技术日趋成熟,产品质量可靠,可用率已达95%以上,已是一种安全可靠的能源,风力发电的经济性日益提高,发电成本已接近煤电,低于油电与核电,若计及煤电的环境保护与交通运输的间接投资,则风电经济性将优于煤电. 风力发电场建设工期短,单台机组安装仅需几周,从土建、安装到投产,只需半年至一年时间,是煤电、核电无可比拟的。
    世界能源危机逐步加剧和能源结构的转变,风能作为一种可再生清洁能源,其优越性已被广泛认可。世界风力发电五强国已将风能视为与化学能、核能同等地位的能源种类。在未来几年内风力发电会有较大的发展,国内对风电各项相关技术的研究也必将有长足进步。随着风电技术的不断发展,风力机功率不断增大,为了从风中吸取更多的能量,必须将各个部分设计得足够大,这对风机的各方面性能提出了更高的要求。风力机各部分的不断增大就使风力发电机组的振动被放大,而振动是影响风力发电机组安全工作和使用寿命的重要因素之一。发电机则是风电机组振动的主要来源,所以如何降低发电机振动对整个机组造成不良的影响是非常重要的。
    风是由于太阳照射到地球时地球表面各处受热不同产生温差所引起的大气运动而形成的。到达地球的太阳能约有2%转化为风能,据估计全球风能储量约为2.74×10 Mw,其中可开发利用量约为2×10’Mw,比全球可开发利用的水能总量还要大l0倍 。
三、开发利用风能的动因
    各国开发利用风能的动因并不相同,而且随着时间的推移,开发利用风能的动因也在变化。下面将主要从经济、环境、社会和技术进步四方面来介绍风能开发利用的动因。
经济驱动力
  1.  经济最优化
    能源供应的经济最优化提供了重视开放利用的基本原理。在偏远地区,电力供应困难。与常规电网延伸和柴/汽油机发电相比,利用小型离网风力发电系统供电有成本优势。例如在内蒙古农牧区,利用小型离网风力发电系统供电,农牧户承担的成本约2元/kW•h左右。如果用电网延伸的方法,农牧户承担的成本高于8元/kW•h。在这些地区,利用汽油/柴油发电机的供电,考虑油料的运输成本,农牧户承担的成本也要高于6元/kW•h。
    化石能源资源枯竭与供应安全
    进入工业社会后,人类在飞速发展自己的文明过程中经过了多次能源危机。人们开始认识到,无限制地开采煤炭、石油、天然气等化石能源,终有资源枯竭的一天。目前石油储量约1300亿吨,年消耗量约35亿吨,预计今后25年中平均年消耗量将达50亿吨,即使加上新发现的油田,专家估计总储量也不会超过2000亿吨,石油资源在四五十年后也将枯竭。为了人类社会的可持续发展,当务之急是寻找和研究利用其它可再生的替代能源。风能作为新能源中最具工业开发潜力的可再生能源,就格外引起人们的瞩目。
一些国家要靠进口化石能源来满足本国内能源的消费。风能的开发利用可以减少对国外能源的依赖,并加强本国的能源供应安全水平,国内的化石能源价格变化较小,社会经济稳定性也因此而增强。
    促进能源产业升级
    风力发电技术属于新兴技术,风电产业是朝阳产业。风力发电技术的研发、示范到商业化发展,最终进入市场,将给整个能源产业带来新的活力,成为国民经济的一种新的经济增长点。一个国家如果开发利用风能技术早,就有可能占据风能利用的技术和市场优势。
   2. 环境驱动力
    除了人们早先认识到的烟尘、SO2 等区域性的污染外,世界上越来越多的人开始认识到CO2等温室气体的大量排放对全球气候变暖给人类社会带来的有害影响。冰山消融、海平面升高、大气环流和海洋异常导致自然灾害的频发、土地荒漠化,使“地球村”的效应更为明显,各国都认识到必须共同采取措施减缓和影响这种变化。为减缓地球变暖,1997年在日本京都召开的联合国气候变化框架缔约方第三次大会上,84国代表审议通过《京都议定书》,要求工业发达国家大幅削减CO2等温室气体排放量。这也迫使人们重视寻找其它可再生的替代能源。风能在能源转化过程中不会产生任何排放物,因此除不产生烟尘、SO2等区域性的污染外,也不会带来全球环境污染。
  3.  社会驱动力
    风能份额增加时,会创造很多直接和间接的就业机会。除了在工厂的生产和装机过程中创造就业之外,在设备维护方面也会提供就业机会。
    另外,在一些国家(如欧盟国家)中,风能开发利用已经成为热点问题,得到公众的支持。许多民众十分关注风能的发展,并将利用风能和其它可再生能源当成他们的生活方式。绿色电力的发展就是一个典型的例子,人们自愿以高于化石电力的价格购买风电和其它可再生能源电力。
  4. 技术驱动力
    随着科技的进步,空气动力学理论的不断发展、新型高强度、轻质材料的出现,计算机设计技术的广泛应用和自动控制技术的不断改进,机械、电气、电子组件制造技术的成熟,为风电技术向大功率、高效率、高可靠性和高度自动化方向发展提供了条件。
四、技术领域
    小型风力发电是先将风能转换为机械能,再转换为电能,最终将电能输送至用户。风力发电技术是一项多学科的、可持续发展的、绿色环保的综合技术,目前的发展方向是:风力发电机组重量更轻、结构更具柔性,直接驱动发电机(无齿轮箱)和变转速运行,风能利用率越来越高,单机容量越来越大。
    当前,以煤炭、石油作为主要燃料的国家,已面临严重的环境污染,加上化石燃料有限储量减少的双重危机日益加深,开发利用新能源已经成为世界能源可持续发展战略的重要组成部分,而风能又是新能源中最具开发潜力的一种能源。在不断持续的能源紧张形势下,世界上很多国家尤其是发达国家,都在寻找一种可替代常规能源、对环境无污染的可持续发展的新能源。风能、太阳能、潮汐能等新能源的开发可有效缓解能源供应紧张,其中产业化条件最为成熟的首推风力发电。因此,世界上很多国家已充分认识到风力发电在调整能源结构、缓解环境污染等方面的作用和重要性,对风力发电的开发的给予了高度重视,将风能开发列入能源优先开发计划。
    家用小型发电机主要用途在可以照明、电脑、电视、小型的电动工具及日常生活
五、目前国内外研究开发现状
我国是世界上风力资源占有率最高的国家,也是世界上最早利用风能的国家之一,据资料统计,我国10m高度层风能资源总量为3226 GW,其中陆上可开采风能总量为253 GW,加上海上风力资源,我国可利用风力资源近1000 GW。如果风力资源开发率达到60%,仅风能发电一项就可支撑我国目前的全部电力需求。
    我国利用小型风力发电起步较晚,和世界上风能发电发达国家如德国、美国、西班牙等国相比还有很大差距,风力发电是20世纪80年代才迅速发展起来的,发展初期研制的风机主要为1 kW、10 kW、55 kW、220 kW等多种小型风电机组,后期开始研制开发可充电型风电机组,并在海岛和风场广泛推广应用,目前有的风机已远销海外。至今,我国已经在河北张家口、内蒙古、山东荣城、辽宁营口、黑龙江富锦、新疆达坂城、广东南澳和海南等地建成了多个大型风力发电场,并且计划在江苏南通、灌云及盐城等地兴建GW级风电场。
2006年,中国共有风电机组6469台,其中兆瓦级机组占21.2%,2007年,这个比例跃升为38.1%,提高了16.9个百分点。
    2007年,全球风力发电的累计装机容量已达9.41万兆瓦,比上一年的7.42万兆瓦增加27%。2007年,中国风电装机为605万千瓦,提前3年实现2010年的规划目标;2001年到2007年的6年间,中国风电装机增长了14倍;仅2007年一年,中国风电装机就增加344.9万千瓦,比中国风电有史以来的累积总量还多。随着风电产业的高速发展,风电设备供不应求。
  近年来,新兴市场的风电发展迅速。在国家政策支持和能源供应紧张的背景下,中国的风电特别是风电设备制造业也迅速崛起,已经成为全球风电最为活跃的场所。2006年全球风电资金中9%投向了中国,总额达16.2亿欧元(约162.7亿元人民币)。2007年,中国风电装机容量已排名世界第五。
    中国巨大的风电市场以及廉价的劳动力成本,吸引了大量国外风电巨头纷纷在中国设厂,或采取与国内企业合资的方式,生产的产品都被贴上了中国制造的标签。中国制造的风电设备产品占据越来越大的市场份额,风机产品正在经历一个由全球制造向中国制造的转变。
六、家用小型风力发电机主要创新之处
     家用小型风力发电是将风能转化为电能的机械。风轮是风力发电机的最主要部件,有桨叶和轮毂组成。桨叶具有良好的空气动力外形,在气流作用下能产生空气动力使风轮旋转,将风能转换成机械能,再通过齿轮箱增速驱动发电机,将机械能转换成电能。在理论上,最好的风轮只能将约60%的风能转换成机械能。现代风电机组风轮的效率可达到40%以上,在风力发电机输出达到额定功率之前,其功率与风速的立方成正比,即风速增加1倍,输出公里处增加7倍,可见风力发电的效率与当地的风力关系极大。
    由于风速随时在变化,因此处在野外运行的风力发电机承受着十分复杂恶劣的交变载荷。目前风电机组的设计寿命是20年,要求能经受住60m/s的11级暴风袭击,机组的可利用率要打到95%以上。
    风力发电的运行方式主要有两类。一类是独立运行供电系统,即在电网未通达的偏远地区或者不允许并网的地区,用小型风电机组为蓄电池充电,再通过逆变器转换成交流电向终端电器供电,单机容量一般为100W~10kW,可解决小的社区用电问题。另一类是作为常规电网的电源,与电网并联运行,林网风力发电是大规模利用风能的最经济方式,机组单机容量范围在200~2500kW之间,既可以单独并网,也可以由多台,甚至成百上千台组成风力发电场,简称风电场。
    风电技术进步很快,风电机组高科技含量达,机组可靠性提高,单机容量2500kW一下的技术已经很成熟,虽然目前风力发电机成本还比较高,但随着生产批量的增大和进一步的基数改进,成本将继续下降。
    风电的突出优点是环境效益好,不排放任何有害气体和废弃物。风电场虽然占了大片土地,但是风力发电机基础使用的面积很小,不影响农田和牧场的正常生产。多风的地方往往是荒滩或者山地,建设风电场的同时也开发了旅游资源。
由于风速是随时变化的,风电的不稳定性会给电网带来一定影响,目前许多电网内都建设有调峰用的抽水蓄能电站,使风电的这个缺点可以得到克服。
    家用小型风力发电从自然环境来看,我国居于非常有利的优势地位。我国地域广阔,海岸线长、风力资源十分丰富。据统计,全国平均风能密度大约为100 W/m2,风能总量为3226 GW,其中可供开发利用的陆上风能总量大约为253 GW。在我国东南沿海及附近岛屿、内蒙和河西走廊,以及我国东北、西北、华北、海南及西青藏高原等部分地区,每年的年平均风速在3 m/s以上时间近4000 h,一些地区的年平均风速在6~7 m/s以上,对于风力发电来说,具有很大的开发价值和广阔的利用空间。按“十一五”发展规划,至2010年我国风电装机总量将突破10 GW。
六、应用的技术原理
    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,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。
    一种新型的小型风力发电机就是通过叶轮将风能转变为机械转距(风轮转动惯量),通过主轴传动链,经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后,通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网.如果超过发电机同步转速,转子也处于发电状态,通过变流器向电网馈电.
    最简单的风力发电机可由叶轮和发电机两部分构成,立在一定高度的塔干上,这是小型离网风机. 最初的风力发电机发出的电能随风变化时有时无,电压和频率不稳定,没有实际应用价值.为了解决这些问题,现代风机增加了齿轮箱、偏航系统、液压系统、刹车系统和控制系统等.
    齿轮箱可以将很低的风轮转速(1500千瓦的风机通常为12-22转/分)变为很高的发电机转速(发电机同步转速通常为1500转/分).同时也使得发电机易于控制,实现稳定的频率和电压输出.偏航系统可以使风轮扫掠面积总是垂直于主风向.要知道,1500千瓦的风机机舱总重50多吨,叶轮30吨,使这样一个系统随时对准主风向也有相当的技术难度.
    风机是有许多转动部件的,机舱在水平面旋转,随时偏航对准风向;风轮沿水平轴旋转,以便产生动力扭距.对变桨矩风机,组成风轮的叶片要围绕根部的中心轴旋转,以便适应不同的风况而变桨距.在停机时,叶片要顺桨,以便形成阻尼刹车.
早期采用液压系统用于调节叶片桨矩(同时作为阻尼、停机、刹车等状态下使用),现在电变距系统逐步取代液压变距.
    就1500千瓦风机而言,一般在4米/秒左右的风速自动启动,在13米/秒左右发出额定功率.然后,随着风速的增加,一直控制在额定功率附近发电,直到风速达到25米/秒时自动停机.
    现代风机的设计极限风速为60-70米/秒,也就是说在这么大的风速下风机也不会立即破坏.理论上的12级飓风,其风速范围也仅为32.7-36.9米/秒.
    风机的控制系统要根据风速、风向对系统加以控制,在稳定的电压和频率下运行,自动地并网和脱网;同时齿轮箱、发电机的运行温度,液压系统的油压,对出现的任何异常进行报警,必要时自动停机,属于无人值守独立发电系统单元.
五、风力发电机系统工作图

六、风力发电的展望

  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。
 
 
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