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6风力发电系统

6.1风电的历史发展

数千年来风被用作一种能源的源泉来完成推进帆船，研磨谷物，抽水和工厂供电机械等任务。世界上第一台用于发电的风力涡轮机1891年由Dane，Poul la Cour建造，特别有趣的注意到La Cour使用他的涡轮机产生的电力来电解水，在当地校舍内为照明灯生产氢气。就这一点而言，可以说他比自从他之后的时间，也就是二十一世纪许多人的愿景包括光伏和电力风力发电系统在燃料电池中通过电解制氢以产生电力提前了100年。

在美国，第一批风电系统建成于19世纪90年代后期;到20世纪30年代和40年代，数以十万计的小容量的风电系统在农村尚未用电网。 11941年，有史以来最大的风力发电系统之一在佛蒙特州的历史悠久的诺克镇上运行。设计生产1250千瓦电能通过一个175英尺直径的双刃道具，在1945年以适中的25英里每小时风速毁灭性地损坏之前该单位曾承受风速高达每小时115公里（其8吨级的一个叶片松动并被扔向距离750英尺的地方）。随着公用事业电网的扩大，随后对风电系统的兴趣下降，变得更可靠，电价下降。 20世纪70年代的石油危机，这提高了我们对能源问题的认识，加上实质性的代能源系统的财政和监管激励，刺激了对风力的兴趣。在十年左右的时间里，数十家制造商安装了数千台新风机（主要在加利福尼亚州）。尽管这些机器的表现低于预期，但税收抵免和其他举措在缩短挑选最佳技术所需的时间方面值得信任。加利福尼亚州的风热潮是短暂的，当税收抵免在20世纪80年代中期终止时，在美国安装新机器几乎完全停止了十年。由于世界上大部分的风电销售直到1985年左右都在美国，因此直到20世纪90年代初，这个市场上的突然下降实际上已经使全世界的这个行业黯然失色。

同时，风力发电机技术的发展还在继续，尤其是在2006年丹麦，德国和西班牙，而这些国家在20世纪90年代中期销售开始蓬勃发展时已经准备就绪。 如图6.1所示，全球安装风力涡轮机的容量每年增长超过25％。

在全球范围内，风力发电容量最大的国家列于图6.2。 截至2003年，世界领先的是德国，其次是西班牙，美国各国，丹麦和印度。 在美国，加利福尼亚州继续保持着大部分的装机容量，但如图6.3所示，得克萨斯州正在迅速缩小差距。太平洋西北部沿哥伦比亚河峡谷安装了大量涡轮机，风大的大平原州也出现大幅增长。

Capacity：容量 Net Additions：净增长值 Installed Capacity：安装容量

图6.1 世界范围内安装的风电容量和每年净增容量自20世纪90年代中期以来，每年增长率超过25％（来自AWEA的数据）

USA：美国 Germany：德国 Spain：西班牙 Denmark：丹麦 India：印度 Italy：意大利 Netherlands：荷兰 Other：其它

图6.2 按国家分列的2002年的总装机容量（AWEA数据）

California：加州 Texas：德克萨斯 Iowa:爱荷华州 Minnesota：明尼苏达 Washington：华盛顿 Oregon：俄勒冈 Wyoming：怀俄明 Kansas：堪萨斯

图6.3 1999年和2002年美国的风力发电装机容量

6.2风力涡轮机的类型

大多数早期的风力涡轮机被用于将谷物磨成面粉，因此被称为“风车”。因此，严格来说，将风机抽水或发电的机器是不恰当的。相反，人们正在使用更精确，但通常更笨拙的术语：“风力发电机”，“风力发电机”，“风力发电机组”，“风力发电机”（WTG）和“风能转换系统”（WECS ）都在使用中。就我们的目的而言，即使我们经常谈论显然不属于“涡轮机”的系统组件（例如，塔架，发电机等），“风力涡轮机”也足够了。

分类风力涡轮机的一种方式是涡轮机叶片围绕其旋转的轴线。 大多数是水平轴风力涡轮机（HAWT），但也有一些叶片围绕垂直轴旋转（VAWT）。 这两种类型的例子如图6.4所示。

Gear box：齿轮箱 Generator：发电机 Nacelle：发动机舱 Rotor blades：转子叶片 Tower：塔 Upwind：逆风 Downwind：顺风 Guy wires：长绳

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（VAWT）从任何方向接受风力（c）

在商业上取得成功的唯一垂直轴机器是Darrieus转子，它的发明者是法国工程师G. M. Darrieus，他在20世纪20年代首先开发了涡轮机。刀片的形状是由于在两端夹住绳索并绕着垂直轴线旋转而产生的，使其看起来与巨型打蛋器无异。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，其中包括一台500kW，直径34m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风力涡轮机。

垂直轴机器如Darrieus转子的主要优点在于，它们不需要任何种类的偏航控制来保持它们面对风。第二个优点是机舱中的重型机械（发电机，齿轮箱和其他机械部件周围的外壳）可以放置在地面上，在那里可以轻松维修。由于重型设备不在塔顶上，因此塔本身不需要像HAWT那样结构坚固。使用拉线时，塔架可以更轻，这对于位于陆地但不适用于海上设施的塔楼来说很好。Darrieus转子上的叶片在旋转时几乎总是处于纯粹的张力状态，这意味着它们可以相对较轻而且价格低廉，因为它们不必处理与水平轴机器上的叶片相关的不断挠曲。

垂直轴涡轮机存在几个缺点，其主要原因是叶片相对靠近风速较低的地面。正如我们后面将会看到的那样，随着速度立方体的增加，风中的功率也会增加，因此有相当多的动力使叶片进入更高的风速。地表附近的风不仅更慢，而且更加动荡，这增加了对VAWT的压力。最后，在低速风中，Darrieus转子的起动转矩很小，在较高的风速下，当必须控制输出功率以保护发电机时，不能像HAWT上的桨距控制叶片那样容易地使风向泄漏。

虽然几乎所有的风力涡轮机都是横轴式的，但是上风机还是下风机最好还是存在争议。顺风机具有让风本身控制偏航（左右运动）的优点，因此它相对于风向自然地正确定向。然而，它们确实存在一个问题，即塔的风影效果。每当叶片在塔后摆动时，它会遇到短暂的风缩时间，这会导致叶片弯曲。这种弯曲不仅可能导致由于疲劳导致的叶片失效，而且还增加了叶片噪声并降低了功率输出。

另一方面，逆风涡轮需要复杂的偏航控制系统来保持叶片迎风。然而，为了增加复杂性，逆风机运行更平稳，并且提供更多动力。 大多数现代风力涡轮机都是逆风式。

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，最熟悉的风力涡轮机也许是农场上经常见到的多叶风水泵。 这些机器与设计用于发电的机器完全不同。为了抽水，风车必须提供高起动转矩以克服在井中上下移动的抽油杆的重量和摩擦。他们还必须以低风速运行，以便全年提供近乎连续的抽水。 它们的多叶式设计提供了面向风的大面积转子，可实现高转矩和低转速运行。

具有许多叶片的风力涡轮机以比具有较少叶片的风力涡轮机低得多的转速运转。 随着涡轮转速的增加，由一个叶片引起的湍流影响后续叶片的效率。 随着叶片数量的减少，涡轮可以在这种干扰变得过大之前快速旋转。 而更快的旋转轴意味着发电机的体积可以更小。

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。 由于塔架干扰和风速随高度变化的影响更加均匀地从转子传递到驱动轴，因此三叶片涡轮机运行更平稳。他们也倾向于更安静。 然而，第三个叶片确实增加了涡轮的重量和成本。 在施工或刀片更换期间，三叶片转子也更难以提升到机舱。有趣的是，单叶涡轮机（配重）已经尝试过，但从未被认为值得追求。

6.3风中蕴含的能量

考虑一个质量为m的空气“包”，其速度为v，其动能为K.E.，由熟悉的关系给出：

（6.1）

由于功率是单位时间内的能量，因此以速度v通过面积A的大量空气表示的功率将是：

（6.2） 通过面积A的质量流量是空气密度rho;，速度v和横截面积A的乘积：

（6.3）

（6.3）和（6.2）的结合给了我们一个重要的关系：

（6.4）

在S.I.单位中， Pw是风中的能量（瓦特）; rho;是空气密度（kg / m3）（在15℃和1个大气压下，rho;= 1.225 kg / m3）; A是风通过的横截面面积（m2）; v =与A垂直的风速（m / s）（有效转换：1 m / s = 2.237 mph）。

式（6.4）的曲线图和数值表如图6.5所示。 注意那里显示的功率是每平方米的横截面，这个数量称为比功率或功率密度。

Windspeed：风速 Power：能量

图6.5 在15°C和1个大气压下，每平方米截面的风力功率

请注意，风中的力量随着风速的立方而增加。 这意味着，例如，风速加倍使功率增加8倍。另一种看待它的方式是，1小时20英里风速所包含的能量与8小时10英里风速所包含的能量相同，这与64小时5小时的风速（超过2.5天）所包含的能量相同。稍后会看到，大多数风力涡轮机甚至在低速风中都没有开启，（6.4）可知，失去的能量可以忽略不计。

公式（6.4）也表明风力功率与涡轮转子的扫掠面积成正比。对于传统的水平轴涡轮机，面积A显然是A=（pi;/ 4）D²，所以风力与叶片直径的平方成正比。将直径加倍可将可用功率提高四倍。 这个简单的结论有助于解释大型风力涡轮机的规模经济。 涡轮机的成本大致与叶片直径成比例地增加，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Darrieus转子的扫掠面积要稍微复杂一点。该区域的近似宽度等于最大转子的宽度，近似高度等于叶片垂直范围的高度，它们乘积的三分之二即为该区域近似的面积。

图6.6 显示Darrieus转子的近似面积

6.4塔高的影响

由于风力的功率与风速的立方成正比，风速即使适度增加对经济影响也是显着的。 让涡轮机进入更高风速的一种方法是将其安装在更高的塔上。 在距离地面最初几百米处，风速受到空气在地球表面移动时所经历的摩擦的影响。 光滑的表面，如平静的海面，阻力非常小，速度随高程的变化也不大。 另一方面，森林和建筑物等高度不规则处的地表风会大大减缓。通常用于表征地表表面粗糙度对风速影响的表达式如下：

（6.5）

其中v是高度H处的风速，v₀是高度H₀处的风速（通常为参考高度10m），alpha;是摩擦系数。

摩擦系数alpha;是风吹过的地形的函数。 表6.3给出了相当松散定义的地形类型的一些代表值。 通常情况下，对于略微开阔的地形的粗略近似，alpha;的值为1/7（“1/7”经验法则）。

虽然（6.5）中给出的幂律在美国很常用，但欧洲还有另一种常见的方法。 替代的公式是

（6.6）

表6.3 各种地形特征的摩擦系数

表6.4 用于（6.6）的粗糙度分类