风力发电

风力发电本报讯(记者李莹)近年来，随着用电负荷迅速增长，环境影响特别是减排二氧化碳的压力越来越大，作为清洁的可再生能源，风电开发前景广阔。湖北是一个“缺煤、少油、乏气”的内陆省份，但风能资源较为丰富。据测算，全省已经发现和测度的可利用风能资源，预计可装机50万千瓦以上。现在的风力发电装置，多沿用国外技术，其风力发动机的叶片均为曲面，我市市民胡永生通过近30年的研究与实验发现，风力发电机的叶片的迎风面若改为平面，背面仍为传统的流线型曲面，其风能利用率能提高100%以上（本报曾连续报道），如今胡永生再次来到本报，将其毕生研究的成果无偿公布于众，希望能有更多关心环保，关心我国风力发电的人士进行探讨。将风力发电机的发电量提高100%以上的探索(摘要)风力发电机组主要利用气动升力的风轮（摘自风力发电第二章），现代风能行业的叶片迎风面都是设计成曲面，背面为弧度更大的曲面。科技创新后的风电领域的相关理论：将风能转变成机械能是叶片的功能，叶片的形状是获取风能效率的第一个关键环节。我们发明的叶片形状是迎风面为平面，背面呈流线型的曲面。其空气动力学概念及分析如下：1.叶片翼型的几何形状与空气动力学特性，迎风面为平面的叶片的剖面形状如图2-5-1所示，空气动力使风轮产生轴向的推力和使风轮旋转的旋转力。迎风面为平面的叶片得到的空气动力（风力）直接转换成了旋转的旋转力；同时也能得到相应的气动升力（根据伯诺里方程式的原理）。2.迎风面为平面的叶片（机翼）当其攻角升至200左右时，其叶片（机翼）不会失速。3.迎风面为平面的叶片组装成的风轮获取的旋转力是直接的风力的分析如下:1〉根据牛顿第三定律，叶片得到了风力。2〉风吹过风轮叶片上的力会分解成平行于风向的推力和垂直于风向的旋转力。4.迎风面为平面的叶片组装成的风轮获取相应的气动升力（根据伯诺里方程式的原理）的分析探讨：风吹过叶片（翼型）的上表面和下表面，因其下表面是平面，较之现代风力机风轮叶片通过的速度相应小一些。用伯诺里方程式分析，其得到的气动升力相应比“现代风力机风轮叶片”大一些。从翼型空气动力学的理论分析比较上可以得知：迎风面为平面的叶片所得到的风力是现代风力机风轮叶片得到的风力的两倍以上。这就给“将风力发电机的发电量提高100%以上”探索到了理论根据。2000W超低速垂直轴风力发电机组技术参数:额定转数60r/min额定功率2000W最大功率3000W输出相数三相交流材质球墨铸铁,永磁钕铁硼叶片组件参数风轮直径3.18m叶片数量8片叶片高度2.44m叶片材质不锈钢控制器参数类型风光互补额定电压48V额定功率2000W工作方式连续，智能显示方式液晶显示参数蓄电池电压，充电电流，状态显示保护类型防雷保护、反接保护、太阳能反充保护、蓄电池开路保护、过风速和过电压刹车保护逆变器参数额定输出功率2000W蓄电池额定电压48V过压点68V过压恢复点66V输出波形纯正弦波波形失真率≤3%输出频率50Hz过载能力150%1分钟输出电压220Vac逆变效率92%市电切换可选显示参数蓄电池电压，输出电压，状态参数保护类型防雷保护、反接保护、过压保护、欠压保护、过载保护、短路保护、过热保护独立塔架参数高度8m类型150mm钢管电线8.5m*3根垂直轴风力发电机组工作状态:启动风速:2m/s工作风速:3~25m/公司地址：河南省三门峡市黄河东路传真/电话：[phone]联系人：刘先生13523985744网站：等南非瓦尔理工大学创新中心主任扬·约斯特教授发明了一种新型结构的垂直轴风力发电机。约斯特称，与一般垂直轴风力发电机不同，他的新型设计使叶片在强风中持续旋转，可以截获更多的能量，此项发明将会使风机发电能力大大提高，从而大大降低风力发电的成本。水平轴风力发电机将有可能逐渐被垂直轴风力发电机取代。5等分的直径系数：0.5878图1风速与截风面积风能与风功率风功率与风压一团质量为m的空气以速度v运动，它所具有的动能（1）设一个垂直于风向的平面，面积为S，见图1单位时间通过该平面的空气质量m为ρ是空气密度标准状态下ρ=1.2928kg/m3，考虑到气温等因素本处计算取ρ=1.2kg/m3，代入（1）式得到风功率P：（2）可见同样面积下风功率的增加是按风速增加的三次方倍增加，例如，对于1平方米风速为5米时的风功率为75W，当风速为10米时的风功率为600W。空气在1秒时间里通过单位面积的动能也称为“风能密度”，在此风能密度“风压”就是垂直于气流方向的平面所受到的风的压力，在计算风力机载荷时需要参考。风压以单位面积上的风的动压来表示：（3）可见风压的增加是按风速增加的二次方倍增加。根据国家标准，把风力发电机组的分为5级，按年平均风速10m/s、8.5m/s、7.5m/s、6m/s四种风速和特殊设计风速一个（本处设为13m/s），我们再增加停机风速20m/s和起动风速3m/s共七个风速来计算单位面积（每平方米）的风功率与风压，计算所得数据填于下表：表1风速、风功率、风压对照表风力发电机的效率上表的风功率是速度为v的空气经过平面S后速度减为0所产生的功率，这是理想的情况，事实上空气经过平面S后并没有消失还得流走，速度不可能为0，所以说风只可能把一部分能量传给平面S。在风力机中风通过风轮扫掠面积时把一部分动能传给风力机，把风轮接受的风的动能与通过风轮扫掠面积的全部风的动能的比值称为风能利用系数，根据贝茨理论，风力机的最大风能利用系数是59%，风能利用系数是衡量风力机性能的主要指标。而实际的风力机是达不到这个理想数据的，各种形式的风轮接受风力的风能利用系数是不同的，阻力型风力机的风能利用系数较低，升力型风力机的风能利用系数较高。风力发电机组除了风轮的风能利用系数外，还有机械传动系统效率、发电机效率等，这些效率的乘积就是风力发电机的全效率。在表2中列出了各种形式的风力发电机的全效率：表2风力发电机的全效率表风力发电机的扫风面积风轮旋转扫过的面积在垂直于风向的投影面积是风力机截留风能的面积，称为风力机的扫掠面积，图2是一个三叶片水平轴风力机的扫掠面积示意图图2水平轴风力机的扫风面积图3是一个四叶片的H型升力垂直轴风力发电机的扫掠面积示意图。图3垂直轴风力机的扫风面积根据前面两表可由所需发电功率估算出风力机所需的扫风面积，例如200W的升力型垂直轴风力发电机工作风速为6m/s，全效率按25%计算所需扫风面积约为6.2m2,如果工作风速为10m/s则所需扫风面积约为1.4m2即可；例如10kW的升力型垂直轴风力发电机工作风速为10m/s，全效率按30%计算所需扫风面积约为56m2,如果工作风速为13m/s则所需扫风面积约为25m2即可。按高风速设计的风力机体积小成本相对低些，但必须用在高风速环境，例如把一台设计风速为10m/s的风力机放在风速为6m/s的环境工作，其功率会下降80%；按风速6m/s设计的风力机风轮会很大，虽在6m/s时运行很好，但遇大风易超速损坏电机，为抗强风时需增加结构强度使成本大大增加。风力机的工作风速范围选择要适当，既要在较宽的风速范围内高效安全的发电又要有足够的抗强风能力，首先要确定风力机的额定风速，在“风轮尺寸与额定风速”一节中将讨论如何确定额定风速。风轮尺寸与额定风速为了确定风轮的尺寸首先要确定风力机的额定风速，在国家标准GB/T13981一92《风力机设计通用要求》中6.1.1条规定对风力发电机组的切入风速与额定风速有规定：风力发电机组的切入风速与额定风速表这是早些年的规定，近些年常用年平均风速来确定额定风速（有关年平均风速见相关词语定义），根据国外的统计资料，在降低制造成本的前提下以年平均风速来计算额定风速，对于可变桨风力机的额定风速为年平均风速的1.67至1.77倍；对于失速型风力机的额定风速为年平均风速的2倍以上。按此计算出的额定风速比上表的数值要高，针对大型水平轴风力机或许更合适些。我们觉得对于风速变化不太大的环境与具有良好安全性能的可变桨风力机可适当减小这个比例，以降低成本。但许多微型小型风力机既不能变桨又无自动安全保护功能，为适应宽的风速变化范围在大风时不烧毁发电机，不得不把额定风速定得比较高，额定风速为年平均风速的2倍以上。多以13m/s或更高作为额定风速。额定风速13m/s的风力发电机在风速为6m/s运行时，其功率仅为额定功率的10%，对于大部分时间工作在6m/s风速下确实是浪费。我国内地平原地区年平均风速较低，若大风很少的话可降低额定风速，但要有一定的防护措施以防万一。靠沿海地区平均风速高一些，但沿海地区会有强台风，必须加强风力机的抗强风能力。风力机的其它性能要求除了额定风速外，风力机还有切出风速、停机风速、安全风速等风速指标以及发电机组的工作范围，在国家标准都有规定，下面附上GB/T19068.1-2003《离网型风力发电机组技术条件》部分有关内容：3.3性能要求3.3.1机组的切人风速和额定风速应符合GB/T13981-1992中6.1.1的规定。3.3.2机组在额定工况下，其输出应不小于额定功率。3.3.3机组的切出风速应不小于17m/s,3.3.4机组的停机风速应不小于18m/s,3.3.5机组的安全风速应不小于50m/s,3.3.6机组的最大工作转速应符合以下要求:额定功率小于或等于1kW，应不大于额定转速的150%;额定功率大于1kW，应不大于额定转速的125%.3.3.7机组的安全防护系统应保证机组运行时不超过最大工作转速，且在停机风速下能自动或人工停机。3.3.8机组在所允许的工作转速范围内，其最大输出功率应不大于1.5倍的额定功率。风轮计算实例下面我们试举一个例子，计算一个能在年平均风速（6m/s）下必须输出500W的垂直轴风力发电机组的风轮扫掠面积与发电机的额定功率，这是一个三叶片的H型升力型垂直轴风力发电机的风轮（见下图）升力型垂直轴风力机扫掠面积设定风力发电机的全效率为30%，则风功率P为1665W,根据风轮扫掠面积S为下面来确定该风力机的额定功率以选择发电机的额定功率，首先确定额定风速为13m/s，计算出通过风力机的总功率，风力机的效率按35%计算出风力机的额定功率为5906W,选择额定功率为5kW的发电机较合适。这只是概念设计，是理想的数据，实际上风力机在不同风速时的叶尖速比也不同，在高风速与低风速时效率都会低。信息详细内容：简单说上面结果是：额定功率为5kW的风力发电机组，风轮扫掠面积约13平方米，在年平均风速（6m/s）下的发电功率为500W。实际上的发电功率还会小些，因为发电机在低速运行时的效率较低。不过还是有很多时候风力会大于平均风速，发电机会输出1kW或2kW以上的电力。切入风速的大小也被称为最小发电风速，按国家标准GB/T13981-1992中6.1.1条中规定小型风力机的切入风速是3.5m/s。有些厂商为了追求能在微风时也能发电，在结构与风叶设计上下功夫也能做到在1m/s风速时发出电来，这样的风力机很轻巧灵活；但要使该风力机在切出风速17m/s时也能正常工作还要能抗安全风速，必须结实牢固，电机还要能适应很大的速度变化范围，这又要在结构与风叶设计上下功夫，系统也会复杂，势必增加成本，是否经济合算要慎重考虑。我们觉得还是选3m/s左右较合适。相关术语定义切入风速风力机对额定负载开始有功率输出时的最小风速。额定风速设计与制造部门给出的使机组达到规定输出功率的最低风速。切出风速由于调节器作用，使风力机对额定负载停止功率输出时的风速。停车风速控制系统使风力机风轮停止转动的最小风速。安全风速风力机在人工或自动保护时不致破坏的最大允许风速。额定转速空气在标准状态下，对应于机组额定风速时的风轮转速。额定功率空气在标准状态下，对应于机组额定风速时的输出功率值。平均风速给定时间内瞬时风速的平均值，给定时间从几秒到数年不等。年平均风速按照年平均的定义确定的平均风速。通常以年平均风速来衡量所在地区的风能大小。年平均风速的测量方法年平均风速就是全年逐小时风速的平均值，测量方法为观测高度距离地面10m，采用自动记录风速