18新利最新登入风能的工作原理

最简单的风力涡轮机由三个关键部分组成:

• 转子叶片-叶片基本上是系统的帆;它们最简单的形式是充当挡风屏障(更现代的叶片设计超越了屏障方法)。当风迫使叶片移动时，它已经将部分能量转移到转子上。
  

• 轴-风力涡轮机轴与转子中心连接。当转子旋转时，轴也随之旋转。通过这种方式，转子将其机械转动能量传递给轴，轴进入另一端的发电机。

• 发电机从最基本的角度来说，发电机是一个非常简单的设备。它利用了电磁感应产生电压——电荷的不同。电压本质上是电的压力——它是将电或电流从一点移动到另一点的力。所以产生电压实际上就是产生电流。一台简单的发电机由磁铁和导体组成。导体通常是一根线圈。在发电机内部，轴连接到环绕线圈的永磁体组件。在电磁感应中，如果你有一个导体被磁铁包围，其中一个部分相对于另一个旋转，它就会在导体中感应电压。当转子带动轴转动时，轴带动磁铁总成旋转，在线圈中产生电压。该电压驱动电流(通常是交流电或交流电)通过电源线输出进行配电。(见18新利最新登入电磁铁的工作原理要了解更多关于电磁感应的知识，请参阅18新利最新登入水力发电厂的工作原理以了解更多有关涡轮发电机的资料。)

现在我们已经看到了一个简化的系统，我们将继续在今天的风力发电场和农村后院看到的现代技术。这有点复杂，但基本原理是一样的。

当你谈论现代风力涡轮机时，你会看到两种主要的设计:水平轴和垂直轴。垂直轴风力涡轮机（VAWTs)是相当罕见的。目前唯一投入商业生产的是Darrieus涡轮，它看起来有点像打蛋器。

照片礼貌NREL(左)和Solwind有限公司 垂直轴风力涡轮机(左:Darrieus涡轮机)

在VAWT中，轴安装在垂直于地面的垂直轴上。与水平轴不同，VAWTs始终与风对齐，因此当风向改变时不需要调整;但是VAWT不能自己开始移动——它需要电力系统的推动才能启动。而不是一个塔，它通常使用家伙电线支撑，所以转子海拔较低。低海拔意味着由于地面干扰导致的风变慢，因此vawt通常比hawt效率低。在上部，所有设备都位于地面，便于安装和维修;但这意味着涡轮机的足迹更大，这在农业地区是一个很大的负面影响。

Darrieus-design VAWT

VAWTs可能用于小型涡轮机和农村地区的抽水，但所有商业生产的、公用事业规模的风力涡轮机都是如此水平轴风力涡轮机（hawt）.

照片礼貌GNU；摄影师:Kit Conn 加州风电场

顾名思义，HAWT轴是水平安装的，与地面平行。hawt需要使用偏航调整机制不断地使自己与风对齐。偏航系统通常由电动马达齿轮箱，使整个转子向左或向右小增量。涡轮机的电子控制器读取风向标装置(机械或电子)的位置，并调整转子的位置，以获取最多的可用风能。hawt使用一个塔将涡轮组件提升到风速的最佳高度(因此叶片可以清除地面)，并且占用很少的地面空间，因为几乎所有的组件都在空中高达260英尺(80米)。

大型HAWT组件:

• 转子叶片-捕捉风的能量，并将其转换为轴的旋转能量
• 轴-将旋转能量转移到发电机
• 飞机的引擎机舱-用于保存齿轮箱(增加转子轮毂与发电机之间的轴的速度)，发电机{利用轴的转动能量发电电磁)，电控单元(监控系统，故障时关闭涡轮，控制偏航机构)，偏航控制器(移动转子与风向对齐)和刹车(电力过载或系统故障时，停止轴的转动)。
• 塔-支持转子和机舱，并将整个装置提升到更高的海拔，在那里叶片可以安全地清除地面
• 电气设备-从发电机通过塔台输送电力，并控制涡轮机的许多安全元件

从开始到结束，风力发电的过程——并将电力输送给需要的人——看起来是这样的:

老式荷兰风车的设计主要依靠风力推动叶片运动，而现代涡轮机采用了更复杂的技术空气动力学最有效地捕获风能的原则。在风力涡轮机转子中起作用的两个主要气动力是电梯，与气流方向垂直;而且拖，与气流方向平行。

涡轮叶片的形状很像飞机翅膀——它们用翼型设计。在一个翼型，一个表面的叶片是有点圆，而另一个是相对平坦。升力是一个相当复杂的现象，实际上可能需要数学或物理博士才能完全掌握。但在升力的一个简化解释中，当风穿过叶片的圆形顺风面时，它必须更快地移动，以便及时到达叶片的末端，以满足穿过叶片的平坦逆风面(面向风吹的方向)的风。由于快速移动的空气倾向于在大气中上升，顺风弯曲的表面最终在其上方形成一个低压袋。低压区在顺风方向上吸入叶片，这种效果被称为“升力”。在叶片的逆风一侧，风的移动速度变慢，并形成一个较高的压力区域，推动叶片，试图使其减速。就像飞机机翼的设计一样，高升阻比在设计高效涡轮叶片时至关重要。涡轮叶片是扭曲的，因此它们可以始终呈现一个角度，以利用理想的升力-阻力比。看到18新利最新登入飞机的工作原理了解更多关于升力，阻力和翼型的空气动力学。

空气动力学不是唯一的设计考虑在创造一个有效的风力涡轮机。大小重要的是，涡轮叶片越长(因此转子的直径越大)，涡轮机就能从风力中获取更多的能量，发电能力也就越大。一般来说，转子直径增加一倍，能量输出增加四倍。然而，在某些情况下，在风速较低18新利最新登入的地区，较小直径的转子最终可以比较大的转子产生更多的能量，因为在较小的设置下，旋转较小的发电机所需的风力更少，因此涡轮机几乎可以一直满负荷运行。塔的高度也是影响生产能力的主要因素。涡轮机的高度越高，它能捕获的能量就越多，因为风速随着海拔的增加而增加——地面摩擦和地面物体会打断风的流动。科学家估计，海拔每增加一倍，风速就增加12%。

要计算涡轮机实际可以从风力中产生的功率，您需要知道涡轮机现场的风速和涡轮机额定功率。大多数大型涡轮机在风速约为每秒15米(33英里/小时)时产生最大功率。考虑到稳定的风速，转子的直径决定了涡轮机能产生多少能量。18新利最新登入请记住，随着转子直径的增加，塔的高度也会增加，这意味着更容易获得更快的风。

在时速33英里时，大多数大型涡轮机产生额定功率，而在时速45英里(每秒20米)时，大多数大型涡轮机关闭。有很多安全系统如果风速威胁到涡轮机的结构，这可以关闭涡轮机，包括一些涡轮机中使用的一个非常简单的振动传感器，它基本上是由一个金属球连接在一个链条上，稳定在一个小基座上。如果涡轮开始振动超过一定的阈值，球就会从基座上掉下来，拉住链条，触发停机。

汽轮机中最常用的安全系统可能是“制动”系统这是由高于阈值的风速引发的。这些设置使用了一个功率控制系统，当风速过高时，它会刹车，当风速低于每小时45英里时，它就会“松开刹车”。现代大型涡轮设计使用几种不同类型的制动系统:

• 音调控制-涡轮机的电子控制器监测涡轮机的功率输出。当风速超过45英里/小时时，功率输出将过高，此时控制器会告诉叶片改变它们的俯仰，使它们与风不对齐。这减慢了叶片的旋转速度。俯仰控制系统要求叶片的安装角度(转子上)是可调的。
• 被动失速控制-叶片以固定的角度安装在转子上，但设计的目的是，一旦风变得太快，叶片本身的扭转将应用刹车。叶片是有角度的，因此超过一定速度的风会在叶片的逆风一侧引起乱流，导致失速。简单地说，当叶片面对迎面而来的风的角度变得如此陡峭，以至于它开始消除升力，降低叶片的速度时，就会发生气动失速。
• 主动失速控制-这种功率控制系统中的叶片是可俯仰的，就像俯仰控制系统中的叶片一样。主动失速系统以俯仰控制系统的方式读取功率输出，但它不是使叶片偏离风向，而是使叶片产生失速。

(见Petester的基础空气动力学为了更好地解释升力和静止。)

在全球范围内，至少有5万台风力涡轮机每年产生总计500亿千瓦时(kWh)。在下一节中，我们将研究风力资源的可用性以及风力涡轮机实际可以产生多少电力。18新利最新登入

在全球范围内，风力涡轮机目前产生的电力大约相当于8个大型风力涡轮机核电站．这不仅包括公用事业规模的涡轮机，还包括为个人家庭或企业发电的小型涡轮机(有时与光伏太阳能结合使用)。一台10千瓦容量的小型涡轮机每年可发电1.6万千瓦时，而一个典型的美国家庭一年的耗电量约为1万千瓦时。

在理想情况下，一台典型的大型风力涡轮机每年可发电1.8兆瓦，或520万千瓦时，足以为近600个家庭供电。尽管如此，核电站和燃煤电厂的发电成本仍然低于风力涡轮机。那么为什么要使用风能呢?使用风能发电的两个最大的原因是最明显的:风力发电清洁，它是可再生．它不会像煤炭那样向大气中释放二氧化碳和氮氧化物等有害气体18新利最新登入全球变暖是如何发生的)，而且我们在短期内不会有耗尽风力的危险。此外，风能还具有独立性，因为任何国家都可以在没有外国支持的情况下在国内生产风能。风力涡轮机可以将电力输送到没有中央电网的偏远地区。

但也有不利的一面。风力涡轮机不能像许多其他类型的发电厂一样总是以100%的功率运行，因为风速是波动的。如果你住在风电场附近，风力涡轮机可能会有噪音，它们可能对鸟类和动物有害蝙蝠在人烟稠密的沙漠地区，如果你挖地安装涡轮机，就有土地侵蚀的风险。此外，由于风力是一种相对不可靠的能源，风力发电厂的运营商必须用少量可靠的、不可再生的能源作为系统的后备，以备风速减弱时使用。一些人认为，使用不清洁能源来支持清洁能源的生产会抵消其效益，但风能行业声称，在风力系统中维持稳定电力供应所必需的不清洁能源的数量太小，不足以抵消风力发电的效益。

撇开潜在的缺点不谈，美国已经安装了大量的风力涡轮机，2006年总发电能力超过9000兆瓦。这一容量产生了250亿千瓦时的电力，听起来很多，但实际上不到全国每年发电量的1%。截至2005年，美国的发电量是这样的:

• 煤炭: 52%
• 核: 20%
• 天然气: 16%
• 水电: 7%
• 其他(包括风能、生物质能、地热和太阳能):5%

资料来源:美国风能协会

目前，美国每年的总发电量约为3.6万亿千瓦时。风能发电的潜力远远超过1%。据美国风能协会(American Wind Energy Association)估计，美国的风能潜力约为每年10.8万亿千瓦时，大约相当于200亿桶石油(目前全球每年的石油供应量)的能量。为了使风能在特定地区可行，小型涡轮机的最低风速必须达到9英里/小时(3米/秒)，大型涡轮机最低风速必须达到13英里/小时(6米/秒)。这样的风速在美国很常见，尽管大部分都没有被利用。

说到风力涡轮机，位置就是一切。了解一个地区有多18新利最新登入少风，风速是多少，风速持续多长时间，是建造高效风电场的关键决定因素。风中的动能与风速成指数级增长，因此风速的小幅增加实际上是势能的大幅增加。一般的经验法则是，风速增加一倍，电力潜力就会增加八倍。所以从理论上讲，在平均风速为26英里每小时的地区，涡轮机实际产生的电量是平均风速为13英里每小时的地方的8倍。这是“理论上的”，因为在现实情况下，涡轮机可以从风中提取多少能量是有限的。18新利最新登入这叫做贝茨极限，大约是59%但风速的小幅增加仍然会导致电力输出的显著增加。

照片礼貌通用电气公司
raheenleah风电场

就像在电力生产的大多数其他领域一样，当涉及到从风能中获取能量时，效率就会大大提高。大型涡轮机组，称为风力发电场或者风力发电厂，是利用风能的最经济有效的方式。最常见的公用事业规模的风力涡轮机的功率在700千瓦到1.8兆瓦之间，它们被组合在一起，以获得最大限度的可用风力资源的电力。在风速大的农村地区，它们通常相距很远，而且hawt占地面积小，这意味着土地的农业使用几乎不受影响。风力发电场的发电能力从几兆瓦到数百兆瓦不等。世界上最大的风电场是位于爱尔兰海岸的raheenleah风电场。在满负荷运行时(目前正在部分运行)，它将拥有200台涡轮机，总额定功率为520mw，建造成本近6亿美元。

在过去的20年里，由于涡轮机生产和安装方面的技术和设计进步，公用事业规模的风力发电的成本已经大幅下降。在20世纪80年代早期，风力发电的成本约为每千瓦时30美分。2006年，在风力特别充足的地区，风力发电的成本仅为每千瓦时3至5美分。给定涡轮区域的风速越高，涡轮机发电的成本就越低。在美国，风力发电的平均成本约为每千瓦时4至10美分。

许多大型能源公司提供“绿色定价的项目，让客户以每千瓦时更高的价格使用风能，而不是“系统电力”。“系统电力”是该地区产生的所有电力的总和，包括可再生和不可再生电力。如果你选择购买风能，而且你住在风力发电场附近，你在家里使用的电力实际上可能是风力产生的;通常情况下，你支付的更高价格会用于支持风能的成本，但你在家中使用的电力仍然来自系统电力。在能源市场已经解除管制的州，消费者可以直接从可再生能源供应商那里购买“绿色电力”，在这种情况下，他们在家中使用的电力肯定来自风能或其他可再生能源。

为您自己的需要实施小型风力涡轮机系统是保证您使用的能源是清洁和可再生的一种方法。一个住宅或商业涡轮机的安装成本从5000美元到8万美元不等。大规模的安装成本要高得多。一台1.8兆瓦的涡轮机安装成本高达150万美元，这还不包括与风力发电系统相关的土地、输电线路和其他基础设施成本。总的来说，风力发电场每千瓦容量的成本为1,000美元，因此一个由7台1.8兆瓦涡轮机组成的风力发电场的成本约为1,260万美元。根据美国风能协会(American wind energy Association)的说法，大型风力涡轮机的“回报时间”——即产生足够的电力来弥补建造和安装涡轮机所消耗的能源所需的时间——大约是3到8个月。

政府对大型和小型生产商的激励措施有助于风力发电系统的经济可行性。目前针对可再生能源系统的经济激励计划包括:

• 生产税收抵免基本上，风力发电机，通常是企业，在风力发电场建立和运行的头10年里，每千瓦时生产的风能获得1.8美分(截至2005年12月)，用于批发销售。

• 净计量在这一体系中，生产可再生能源的个人和企业在超出自身需求的情况下，每生产1千瓦时就可获得信用。当某人生产的电力超过他的需求时，他的电表就会反向运行，将多余的电力输送到电网。他向电网发送的电力可以获得信用，当他的涡轮机不能为他的家庭或企业提供足够的电力时，这些信用可以作为他从电网中获得的电力的支付。(许多大型能源公司不太关心这种设置，因为他们基本上是以零售价购买单个生产商的风力发电，而不是以批发价支付给风力发电场。)

• 可再生能源学分-许多州现在对电力公司实行了可再生能源配额，这些公司必须从可再生能源中购买一定比例的电力。如果一个拥有自己涡轮机的人居住在一个有“绿色信用计划”的州，他就会因为一年内生产的每兆瓦时的可再生能源而获得可交易的信用。然后，他可以把这些信用卖给那些希望达到州或联邦可再生能源配额的大型传统能源公司。

• 安装税收抵免联邦政府和一些州对建立可再生能源系统的费用提供税收抵免。例如，马里兰州规定，如果供能建筑满足一定的总体“绿色标准”，企业或房东就可以获得购买和安装风力涡轮机系统成本的25%的信贷。

照片礼貌NREL(左)和图像时 住宅级风力发电机(左)和公用事业级风力发电机

虽然政府仍在补贴风能，但它目前是一种有竞争力的产品，而且在大多数情况下，它可以独立作为一种可行的能源。美国能源部科学技术实验室巴特尔太平洋西北实验室估计，仅凭风力资源，风力就能提供美国20%的电力。美国风能协会认为这个数字理论上是100%。无论哪种估计是正确的，美国可能不会很快看到这样的比例。美国风能协会预计，到2020年，风能将提供美国全部电力的6%。虽然美国是世界上装机容量最大的风电基地之一，但就发电量和百分比而言，它落后于其他发达国家。英国有一个明确的目标，到2010年风力发电达到10%。德国目前有8%的电力来自风能，西班牙为6%。丹麦是世界清洁能源消费的领导者，其20%以上的电力来自风能。

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