【科普】一文读懂，风力发电原理

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来源：机械前沿

 

1、什么是风力发电

风电是指将风能转化成电能，其全称就是风力发电。把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电。按照安装地区的不同，风力发电可分为陆上风力发电和海上风力发电。风是一种无污染无公害的能源，它不仅对环境友好，而且还可以提供大量的电力，所以各国对风能的重视程度也越来越高。

 

2、风力发电的原理

其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，大约是每秒三米的微风速度，便可以开始发电。

 

3、风力发电输出

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。

 

 

4、风力发电场

风力发电场（简称风电场），是将多台大型并网式的风力发电机安装在风能资源好的场地，按照地形和主风向排成阵列，组成机群向电网供电。按照选址可分为海上风电场、陆上风电场。

 

 

5、风电场的组成以及风电场的建造要求

风电场组成包含：风电机群、集电部分、升压变电站(陆上可能多于一级升压，海上可能有集控中心)升压变压器无功补偿装置（电容器、电抗器、静止无功补偿装置、滤波器）、风电场管理系统

风电场的建造要求：

①风能质量要高，风力发电场的场址的首要条件必须风能资源丰富。年平均风速在5m/s以上，30m高处的有效风力时数在6000h以上，有效风能密度在240w/m^2以上时才适合建设大型风电场。其实，影响风能质量的因素有年平均风速、平均风功率密度、风频分布、有效风速可利用小时数、风向稳定度等。

②风力发电场的场址盛行风向稳定。风向稳定不仅可以增大风能利用率，还可以延长风机寿命。风力发电场湍流程度要小。风是随机的，并受场地表面粗糙度和附近障碍物的影响。风场湍流的形成一般是由于风道过于粗糙、或者因障碍物而产生的风速及风向的急剧变化而引起的。它不仅会影响风力发电机的出力，还会使风力发电机产生振动和受载不均，降低风力发电机使用寿命，严重时还会造成桨叶飞出的事故。

③风力发电场址的自然灾害要少。强风、冰雹、雷暴、地震等都会对风力发电机等造成影响。

 

社会自然条件、风力发电场址的地势要较平坦，地质条件要好，以便进行土建施工。

①交通便利。要考虑拟建风电场的设备供应和主要建筑材料运输是否便利。是否利于大型吊车、平板车的施工、运输等。

②风电场应尽可能接近电网接入点。如:靠近现有的10KV和66KV变电所和线路，以减少电能损耗和送出工程的费用。尽量少占耕地，减少生态破坏。

③周围环境。风电场的建设一般会对飞禽及鸟类正常生活和迁徙有影响，为保护生态，场址应尽量避开鸟类飞行路线、候鸟及动物栖息地等，远离自然保护区、军事设施、人口密集地区等。

 

海上风电选址要求：根据国家能源局和国家海洋局联合印发的《海上风电开发建设管理暂行办法实施细则》进行实施。例如：海上风电场原则上应在离岸距离不少于10公里、滩涂宽度超过10公里时海域水深不得少于10米的海域布局。在各种海洋自然保护区、海洋特别保护区、重要渔业水域、典型海洋生态系统、河口、海湾、自然历史遗迹保护区等敏感海域，不得规划布局海上风电场等。

 

 

6、发电机结构

风力发电机是将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。广义地说，它是一以大气为工作介质的能量利用机械。 

 

基础结构有：
机舱：机舱包容着风力发电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。维护人员可以通过风力发 电机塔进入机舱。机舱左端是风力发电机转子，即转子叶片及轴。 

转子叶片：捉获风，并将风力传送到转子轴心。现代 600 千瓦风力发电机上，每个转子叶片 的测量长度大约为 20 米，而且被设计得很像飞机的机翼。 轴心：转子轴心附着在风力发电机的低速轴上。 

低速轴：风力发电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。 在现代 600 千瓦风力发电机 上，转子转速相当慢，大约为 19 至 30 转每分钟。轴中有用于液压系统的导管，来激发空气 动力闸的运行。 
齿轮箱：齿轮箱左边是低速轴，它可以将高速轴的转速提高至低速轴的 50 倍。高速轴及其机械闸：高速轴以1500转每分钟运转，并驱动发电机。它装备有紧急机械闸，用于空气动力闸失效时，或风力发电机被维修时。 

发电机：通常被称为感应电机或异步发电机。在现代风力发电机上，最大电力输出通常为500至1500千瓦。 

偏航装置：借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。通常，在风改变其方向时，风力发电机一次只会偏转几度。 

电子控制器：包含一台不断监控风力发电机状态的计算机，并控制偏航装置，为防止任何故障（即齿轮箱或发电机的过热），该控制器可以自动停止风力发电机的转动，并通过电话调制解调器来呼叫风力发电机操作员。 液压系统：用于重置风力发电机的空气动力闸。 

冷却元件：包含一个风扇，用于冷却发电机。此外，它包含一个油冷却元件，用于冷却齿轮 箱内的油。一些风力发电机具有水冷发电机。 

塔：风力发电机塔载有机舱及转子。通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速越大。现代600千瓦风汽轮机的塔高为40至60米。它可以为管状的塔，也可以是格子状的塔。管状的塔对于维修人员更为安全。因为他们可以通过内部的梯子到达塔顶。格状的塔的优点在于它比较便宜。 

风速计及风向标：用于测量风速及风向。

 

 

7、风力发电机种类

虽然风力发电机种类繁多，但是可以将其大致分成两大类：

①风轮的转动轴线与风向平行的水平轴风力发电机。 “水平轴式风机”――转动轴与地面平行，叶轮需随风向变化而调整位置。

 

②风轮的转动轴线与地面或空气流动方向垂直的垂直轴风力发电机。“垂直轴式风机”――转动轴与地面垂直，设计较简单，叶轮不必随风向改变而调整方向。

 

8、风机转一圈能发几度电

目前主流风机的单机容量从1.5兆瓦到10兆瓦不等，未来可能会更大，相对来说小容量的都在陆地上，大容量的都在海里。当然，容量越大，同等情况下发电越多。

 

以2兆瓦的风力发电机组为例：叶片长50-60米左右，以额定转速运行，转动一圈约4秒钟，叶尖速度可达280多公里/时，堪比高铁速度，叶轮转动一圈约发2.2度电。

 

9、风力发电的优缺点

优点

①清洁，环境效益好；

②可再生，永不枯竭；

③基建周期短；

④装机规模灵活。

风能永远不会枯竭，利用风能发电可以减少环境污染，降低碳排量，符合我们国家现行的低碳生活的理念，而且风电装机灵活，建造周期也短，不需要一次性投入建造完成，可以分批次，分周期建造，也利于风电企业更好的发展。

 

缺点

①噪声，视觉污染；

②占用大片土地；

③不稳定，不可控；

④成本仍然很高。

⑤影响鸟类。 

 风电场的建造需要大量的土地，并且一旦风电场建造完毕，这些土地就不可挪作他用，在一些土地匮乏的地方无疑是一种变相的浪费。而且风电场风机数量多，一些在山区，草原建造的风电场会对鸟类造成伤害，对生态有一定的影响。

 

10、为什么说风能是一种绿色能源

风能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。平均每装一台单机容量为1兆瓦的风能发电机，每年可以减排2000吨二氧化碳（相当于种植1平方英里的树木）、10吨二氧化硫、6吨二氧化氮。风能产生1兆瓦小时的电量可以减少0.8到0.9吨的温室气体，相当于煤或矿物燃料一年产生的气体量。而且风机不会危害鸟类和其它野生动物。

 

在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下，风能作为一种高效清洁的新能源有着巨大的发展潜力。

 

11、风电会致死更多鸟类吗？

全球变暖对鸟类存在致命影响。《科学》期刊上的一项研究指出，受气候变化、栖息地减少等主要原因影响，自1970年来，北美洲鸟类数量减少了约29%，相当于近30亿只。

在过去100年中，美国莫哈韦沙漠的温度上升了大约2℃，气候变暖让鸟类的种群丰富性急剧衰减。英国《皇家学会生物学分会学报》论文称，气候变化正在影响鸟类免疫系统，致使鸟类出现新的疾病。

 

风电通过取代化石燃料减缓气候变化，可以大大改善鸟类的生存环境，进而降低全球鸟类的死亡率。依据国际可再生能源署（IRENA）和国际能源署（IEA）的情境分析，全球每年至少需要新增180GW风电装机，才能实现将温升控制在相对于工业化前水平2℃以内。

 

事实上，风电不会对鸟类种群构成威胁，其利远大于弊。根据美国鱼类和野生动物服务局统计，按原因分类的北美年度鸟类死亡率由高到低排序分别是：家猫（24亿只），建筑玻璃（5.99亿只），汽车碰撞（2.15亿只），电力线碰撞（2550万只），通讯塔（660万），油坑（75万）和风力发电机（234,000）。计算可知，真正因风电导致鸟类死亡的数量只有全部的0.007%。

 

当前，风电行业也正在通过高精度光学技术与人工智能结合探测鸟类活动、改变机组叶片颜色等方式，致力于进一步降低鸟类死亡率。

 

12、海上风电具有什么优势

①海上风资源较陆上更好，离岸10千米的海上风速通常比沿岸高20%，同时海上很少有静风期

②海上风电不占用宝贵的土地资源，不扰民

③海上风电单机装机容量更大，扫风面积更大，风资源利用更充分

④沿海地区电力需求量大，有助加速沿海地区的能源转型