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风力发电系统
6.1 风电的历史发展
数千年来，风已被用作动力源，用于推进帆船，磨谷物，抽水和为工厂机械提供动力等任务。用于发电的世界上第一台风力涡轮机是由Dane于1891年建造的。特别值得注意的是Dane利用其涡轮机产生的电能来电解水，为当地的煤气灯生产氢气。在这方面，我们可以说比他们的时代提前了100年，因为许多人对二十一世纪的愿景包括光伏和风力发电系统通过电解制氢以在燃料电池中产生电力。在美国，第一批风电系统建于19世纪90年代后期;到了20世纪30年代和40年代，数十万个小容量的电力系统在农村地区使用，而这些地区还没有电网供电。 1941年，有史以来最大的风力发电系统之一在佛蒙特州的Grandpa#39;s Knob投入运营。该装置设计用于从直径为175英尺的双叶片螺旋桨产生1250千瓦的功率，在1945年以25英里/小时的风速（其中一个8吨重的叶片破损）发生灾难性失败之前，经受住了高达每小时115英里的风速松散，被扔到750英尺外。随着公用电网的扩张和可靠性以及电价下降，随后对风电系统的兴趣下降。 20世纪70年代的石油冲击提高了人们对能源问题的认识，加上对替代能源系统的大量金融和监管激励，激发了人们对风能的兴趣。在十年左右的时间里，数十家制造商安装了数千台新风力涡轮机（主要在加利福尼亚州）。虽然其中许多机器的表现低于预期，但税收抵免和其他激励措施值得赞扬，以缩短整理最佳技术所需的时间。加利福尼亚州的风力繁荣是短暂的，当税收抵免在20世纪80年代中期终止时，美国新机器的安装几乎完全停止了十年。由于直到1985年左右，世界上大部分的风电销售都在美国，直到20世纪90年代初，市场的这种突然下降几乎消灭了全球的工业。与此同时，风力涡轮机技术的发展仍在继续 - 特别是在丹麦，德国和西班牙 - 这些国家在20世纪90年代中期销售开始繁荣时做好了准备。如图6.1所示，风力涡轮机的全球装机容量每年增长超过25％。在全球范围内，风电装机容量最大的国家如图6.2所示。截至2003年，世界领先者是德国，其次是西班牙，美国，丹麦和印度。在美国，加利福尼亚州的装机容量仍然最大，但如图6.3所示，德克萨斯州正在迅速缩小差距。沿太平洋西北部的哥伦比亚河峡谷安装了大量涡轮机，风力较大的大平原州也正在经历大幅增长。
Net Additions-净增加 Installed Capacity-安装容量
图6.1为全球安装的风电装机容量和年净增量
Netherlands-荷兰 India-印度 USA –美国 Germany –德国
Spain –西班牙 Denmark–丹麦 other –其它
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图6.2为2002年按国家划分的总装机容量 |
California –加州 Texas –德州 Iowa –爱荷华州 Minnesota –明尼苏达 Oregon –俄勒冈 Wyoming –怀俄明 Kansas –堪萨斯
Washington –华盛顿 Installed Capacity –安装容量
图6.3为 1999年和2002年美国的风力发电机安装容量。
6.2风力涡轮机的类型
大多数早期的风力涡轮机都被用来研磨谷物，因此得名“风车”。因此，严格来说，称一台抽水机或发电的机器有点用词不当。相反，人们使用更准确，但通常更笨拙的术语：“风力发电机”，“风力涡轮机”，“风力涡轮发电机”（WTG）和“风能转换系统”（WECS）都在使用。为了满足我们的需要，“风力涡轮机”将会受到影响，即使我们经常会谈论明显不属于“涡轮机”的系统组件（例如塔，发电机等）。对风力涡轮机进行分类的一种方法是涡轮叶片围绕其旋转的轴线。大多数是水平轴风力涡轮机（HAWT），但也有一些叶片绕垂直轴（VAWT）旋转。这两种类型的例子如图6.4所示。唯一获得商业成功的垂直轴机器是Darrieus转子，以其发明者法国工程师G. M. Darrieus命名，他在20世纪20年代首次开发了涡轮机。叶片的形状是由两端夹住绳索并围绕垂直轴旋转而形成的，使其看起来与巨型打蛋器不同。 20世纪80年代，美国桑迪亚国家实验室对这些涡轮机进行了大量开发，包括500千瓦，34米直径的机器。一家美国公司FloWind在1997年离开公司之前制造并安装了许多这样的风力涡轮机。立式轴机器的主要优点，如Darrieus转子，它们不需要任何偏航控制来保持他们面朝风。第二个优点是包含在机舱中的重型机械（发电机，齿轮箱和其他机械部件周围的壳体）可以位于地面上，在那里可以容易地维修。由于重型设备不在塔顶上，因此塔本身不需要在结构上与HAWT一样坚固。当使用拉索时，塔可以进一步减轻，这对于位于陆地上的塔而言不是用于海上设施。当它们旋转时，Darrieus转子上的叶片几乎总是处于纯张力状态，这意味着它们相对来说重量较轻。
Rotor blades –转子叶片 Generator, Gear Box –发电机齿轮箱
Upwind –逆风 Downwind –顺风的
图6.4水平轴风力涡轮机（HAWT）是逆风机（a）或顺风机（b）。 垂直轴风力涡轮机是(c)。
因为它们不必处理与水平轴机器上的叶片相关的恒定流量，所以便宜。垂直轴涡轮机有几个缺点，主要的一个是叶片相对靠近地面，风速较低。正如我们稍后将看到的那样，风速中的功率随着速度的立方而增加，因此有相当大的动力使叶片进入更高速度的更快的风速。地球表面附近的风不仅更慢而且更湍流，这增加了压力。最后，在低速风中，转子的起动转矩非常小;在较大的风中，当必须控制输出功率以保护发电机时，它们不能像在的桨距控制叶片那样容易地溢出风。虽然几乎所有风力涡轮机都是水平轴类型，但对于逆风机器还是顺风机器是否最佳仍存在一些争议。顺风机具有让风自身控制偏航（左右运动）的优点，因此它相对于风向自然地正确地定向。然而，它们确实存在问题，因为塔的风遮蔽效应。每当刀片在塔架后面摆动时，它会遇到短暂的减风时间，从而导致叶片飞出。这种情况不仅有可能因疲劳而导致叶片失效，还会增加叶片噪音并降低功率输出。另一方面，迎风涡轮机需要稍微复杂的偏航控制系统以使叶片面向风。然而，为了增加复杂性，逆风机器运行更平稳并提供更多动力。大多数现代风力涡轮机都是逆风型。风力涡轮机的另一个基本设计决定涉及旋转叶片的数量。对于大多数人来说，也许最熟悉的风力涡轮机是在农场经常出现的多叶片，水泵风车。这些机器与那些用于发电的机器截然不同。对于抽水，风车必须提供高启动扭矩，以克服在井中上下移动的抽油杆的重量和摩擦。它们还必须在低风速下运行，以便在全年提供几乎连续的水泵。它们的多面设计使大面积的转子面向风，从而实现高扭矩和低速运行。具有许多叶片的风力涡轮机以比具有较少叶片的叶片更低的旋转速度运行。随着涡轮机的转速增加，由一个叶片引起的湍流影响随后的叶片的效率。由于叶片较少，涡轮机可以在此干扰过度之前旋转得更快。更快的旋转轴意味着发电机的尺寸可以更小。大多数现代欧洲风力涡轮机有三个转子叶片，而美国机器往往只有两个。三叶片涡轮机运行更平稳，因为塔架干扰的影响和风速随高度的变化更均匀地从转子传递到驱动轴。他们也往往更安静。然而，第三叶片确实大大增加了涡轮机的重量和成本。在构造或更换叶片期间，三叶片转子也更难以提升到机舱。有趣的是注意单叶涡轮机（带有配重）已经尝试过，但从未被认为值得。
6.3风力发电
考虑质量为m的空气，其速度为V0它的动能K.E.由熟悉的关系给出：
由于功率是每单位时间的能量，因此以速度v通过区域A移动的大量空气所代表的功率将是：
Energy –能量 Time-时间
通过面积A的质量流量m是空气密度rho;，速度V和横截面积A的乘积：
结合上述两式的重要关系；
Pw是风能（瓦特）; rho;是空气密度（kg / m3）（15℃和1个大气压，rho;= 1.225千克/立方米）; A是风通过的横截面积（m2）;而 V表示垂直于横截面积的风速（有用的转换：1 m / s = 2.237 mph）。（6.4）的图和值表如图6.5所示。请注意，那里显示的功率是每平方米的横截面，这个数量称为特定的功率或功率密度。请注意，风中的力量随着风速的增加而增加。这意味着，例如，将风速加倍会使功率增加八倍。另一种观察方式是，1小时20英里每小时的风速与10英里每小时8小时所含的能量相同，稍后我们将看到大多数风力涡轮机甚至没有在低速风中打开，并且（6.4）提醒我们损失的能量可以忽略不计。公式（6.4）还表明风力与涡轮转子的扫掠面积成比例。对于传统的水平轴涡轮机，该区域A显然只是A =（pi;/ 4）D2，因此风力与叶片直径的平方成正比。 将直径加倍可将功率提高四倍。 这个简单的观察有助于解释大型风力发电机的规模经济。 涡轮机的成本大致与叶片直径成比例增加，但功率与直径平方成正比，因此更大的机器已被证明更具成本效益。 垂直轴转子的扫掠区域有点复杂。 该区域的一个近似值是它约为矩形区域的三分之二，宽度等于最大转子宽度和高度等于叶片的垂直范围，如图所示:
Windspeed –风速 Power –风能
图6.6显示转子的近似面积。
显而易见的是风速组合中的能量。考虑到功率和风之间的非线性关系，我们不能仅使用（6.4）中的平均风速来预测可用的总能量，如下例所示。
示例6.1不要使用平均风速。
比较15℃，1个大气压的能量，包含在1平方米以下的风力状况中，
A :100小时6米/秒的风速（13.4英里/小时），
B :3米/秒50小时加9小时/秒50小时的一半（即平均风速为6米/秒）
解决方案A： 在6米/秒的稳定风速下，我们所要做的就是乘以（6.4）小时的倍数：
解决方案B：以3米/秒的速度行驶50小时
以9米/秒的速度行驶50小时
827 22,326=23,152 Wh
例6.1大大说明了在（6.4）中使用平均风速的不准确性。 虽然两种风力平均风速相同，但9 m / s和3 m / s风速（平均6 m / s）的组合产生的能量比风速稳定6 m / s的能量多75％。 稍后我们将看到，在关于风速概率分布的某些常见假设下，风中的能量通常几乎是使用（6.4）中的平均风速所发现的量的两倍。
6.3.1空气密度的温度校正
当提供风电数据时，通常假设空气密度为1.225 kg / m3; 也就是说，假设空气温度为15°C（59°F）压力是1个大气压。 使用理想气体定律，我们可以很容易地确定其他条件下的空气密度。
其中P是绝对压力（atm），V是体积（m3），n是质量（mol），R是理想气体常数= 8.2056times;10-5， T是绝对温度（K），其中K =℃ 273.15。 一个压力气氛等于101.325kPa（Pa是帕斯卡的缩写，其中1Pa = 1牛顿/平方米）。 一个大气压也等于14.7磅每平方英寸（psi），因此1psi = 6.89kPa。 最后，100 kPa称为条形，100 Pa是毫巴，这是气象工作中常用的压力单位。 如果我们让M.W.代表气体的分子量（g / mol），我们可以写下以下空气密度表达式rho;：
组合（6.5）和（6.6）给出了以下表达式
M.W -气体的分子量 R –气体常数 P –绝对压力 T –绝对温度
我们所需要的只是空气的分子量。 当然，空气是分子的混合物，主要是氮（78.08％）和氧（20.95％），少量氩（0.93％），二氧化碳（0.035％），氖（0.0018％）等等。 向前。 使用组成分子量（N2 = 28.02，O2 = 32.00，Ar = 39.95，CO2 = 44.01，Ne = 20.18），我们发现空气的当量分子量为28.97（0.7808times;28.02 0.2095times;32.00 0.0093times;39.95） 0.00035times;44.01 0.000018times;20.18 = 28.97）。
实例6.2温暖空气的密度。 找出1 atm和30℃（86°F）的空气密度
解决方案：由图式6.7可知
与参考值1.225 kg / m3相比，密度下降5％; 由于功率与密度成正比，因此风力的功率也减少了5％。
表6.1为在1大气压下的干燥空气密度
表6.1显示了一系列温度下的空气密度
密度比KT是T处的密度与标准（粗体）15℃下的密度之比
Density Ratio -密度比
6.3.2空气密度的海拔校正
空气密度以及风中的功率取决于大气压力和温度。 由于气压是高度的函数，因此有一个校正因子可以帮助估算海平面以上的风力。 考虑具有横截面A的静态空气柱，如图6.7所示。 在该列中厚度为dz且密度rho;的水平空气将具有质量rho;Adz。 如果顶部的压力由于其上方空气的重量而为P（z dz），那么底部的压力P（z）将为：
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资料编号：[469]
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