18新利最新登入风力发电的工作原理

最简单的风能涡轮机包括三个关键部分:

• 转子叶片——叶片基本上是系统的帆;在其最简单的形式,他们充当障碍风(更现代的叶片设计超越障碍的方法)。当风力叶片移动时,它已经把一些精力转子。
  

• 轴——风力涡轮机轴与转子的中心。当转子转动时,轴旋转。通过这种方式,其机械转子转移,轴转动能量,进入一个发电机的另一端。

• 发电机——最基本的,发电机是一个相当简单的装置。它使用的属性电磁感应生产电电压-电荷的不同。电压本质上是电压力——这是移动的力电、或电流,从一个点到另一个地方。所以产生电压实际上是产生电流。一个简单的生成器由磁铁和一个导体。售票员通常是一个线圈。在发电机内部,永磁体的轴连接到一个装配包围线的线圈。在电磁感应,如果你有一个导体包围磁铁,和其中的一个部件是旋转相对于其他,引起电压的导体。当转子旋转的轴,轴旋转的磁铁,产生电压线圈的线。电压驱动电流(通常是交流或交流电源)通过电线分布。(见18新利最新登入电磁铁的工作原理了解更多关于电磁感应,明白了18新利最新登入水电站是如何工作的了解更多关于涡轮机驱动发电机。)

现在我们看了一个简化的系统,我们将继续现代技术你今天看到风力农场和农村后院。稍微复杂一点,但基本原则都是一样的。

当你谈论现代风力涡轮机,你看两个主要设计:水平轴和种。种风力涡轮机(VAWTs)是非常罕见的。目前唯一一个在商业生产Darrieus涡轮机,它看起来就像一个打蛋器。

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

VAWT,轴是安装在一个垂直轴,垂直于地面。VAWTs总是与风,与水平轴同行不同,所以没有必要调整时,风向的变化;但VAWT不能开始所有本身——它需要提振其电气系统开始。而不是塔,它通常使用长绳的支持,所以转子海拔较低。由于地面干扰,低海拔意味着慢风比hawt VAWTs通常是低效率的。在上行,所有设备在地面上,方便安装和维修;但这意味着更大的涡轮机的足迹,在农业领域是一个巨大的负面。

Darrieus-design VAWT

VAWTs可能用于小型涡轮和泵水在农村地区,但所有商业化生产,发电的风力涡轮机水平轴风力发电机(hawt)。

照片礼貌GNU;摄影师:工具包康涅狄格州 风电场在加州

正如其名称所暗示,HAWT轴水平安装,与地面平行。hawt需要不断使自己与风用偏航调整机制。偏航系统通常由电动马达和变速箱,移动整个转子向左或向右的细微变化。涡轮的电子控制器读取的位置风标设备(机械或电子)和调整转子的位置捕获最大风能。hawt使用塔提升涡轮组件的最佳高度风速(所以叶片可以清除地面)和占用非常小的地面空间,因为几乎所有的组件都是260英尺(80米)。

大型HAWT组件:

• 转子叶片——捕获风能的能量并将其转换为轴的旋转能量
• 轴——旋转能量转移到发电机
• 飞机的引擎机舱——拥有的套管齿轮箱(增加速度之间的轴和发电机转子中心),发电机{使用轴的转动能量发电使用电磁),电子控制单元(监控系统、关闭汽轮机的故障和控制偏航机制),偏航控制器(移动转子结合风的方向)刹车(停止旋转的轴功率过载或系统故障的情况下)。
• 塔——支持转子和发动机舱和电梯全部设置更高的海拔,叶片可以安全地清除地面
• 电气设备——把电力从发电机通过塔和控制许多安全元素的涡轮机

从开始到结束,风力发电的过程,和交付电力需要它的人——看起来像这样:

与传统的荷兰风车的设计主要依靠风的力量推动叶片运动,现代涡轮使用更复杂的空气动力学原则来捕获风能的能量最有效。风力涡轮机转子的两个主要空气动力学的力量在起作用电梯,它垂直于风的方向流动;和拖,它平行于风的方向流动。

涡轮叶片的形状很像飞机翅膀,他们使用一个翼型设计。在机翼,一个叶片表面有点圆,而另一个是相对平坦。电梯是一个非常复杂的现象,事实上可能需要完全掌握的数学或物理博士学位。但在电梯的一个简化的解释,当风速圆形,顺风的叶片,它必须结束的更快达到在旅行时间见风叶片平坦,逆风的叶片(面临的方向的风)。因为更快移动大气中的空气会上涨,顺风,曲面最终低压口袋上面。低压区吸叶片顺风的方向,影响被称为“电梯”。On the upwind side of the blade, the wind is moving slower and creating an area of higher pressure that pushes on the blade, trying to slow it down. Like in the design of an airplane wing, a high lift-to-drag ratio is essential in designing an efficient turbine blade. Turbine blades are twisted so they can always present an angle that takes advantage of the ideal lift-to-drag force ratio. See18新利最新登入飞机是如何工作的更多地了解升力,阻力和机翼的空气动力。

空气动力学并不是唯一的设计考虑在创建一个有效的风力涡轮机。大小重要,涡轮叶片的时间越长(因此大转子的直径),更多的能量从风力涡轮机可以捕获和总装机容量就越大。一般来说,增加转子直径产生能量输出增加到了原来的4倍。在某些情况下,然而,在lowe18新利最新登入r-wind-speed区域,最终一个较小直径的转子可以比一个较大的转子产生更多的能量,因为与一个较小的设置,需要更少的风能小发电机旋转,所以涡轮可以满负荷运转几乎所有的时间。塔的高度生产能力,是一个主要因素。涡轮越高,更多的能量,它能够捕捉,因为风速随着海拔增加而增加,地面摩擦和地面物体打断风的流动。科学家估计风速增加12%,海拔翻一番。

计算数量的权力从风力涡轮机可以生成,您需要知道风力涡轮机的网站速度和轮机额定功率。大多数大型涡轮机产生的最大功率风速大约15米/秒(33英里/小时)。考虑稳定的风速,转子的直径,确定涡轮机能产生多少能量。18新利最新登入记住,作为一个转子直径的增加,塔的高度增加,这意味着更多更快的风。

在33英里每小时,大多数大型涡轮机产生额定功率能力,和45英里(20米/秒),大多数大型发电机关闭。有很多安全系统可以关掉涡轮机如果风速威胁到结构,包括一个非常简单的振动传感器用于一些涡轮机,基本上由一个金属球链,准备在一个微小的基座。如果涡轮开始振动超过一定阈值,球脱落基座,拉链式和触发关闭。

最常见的涡轮是激活安全系统“制动”系统,这是由阈上风速引起的。这些设置使用一个电控系统,本质上踩下刹车时当风速过高,然后“释放刹车”风回来时低于45英里。现代大型涡轮设计使用几种不同类型的刹车系统:

• 音调控制——涡轮的电子控制器监测汽轮机的功率输出。在风速45英里/小时,输出功率会过高,此时控制器告诉叶片改变他们的球场,这样他们成为不结盟的佳人。这减缓了叶片的旋转。Pitch-controlled系统需要刀片的安装角度可调(转子)。
• 被动失速控制——转子的叶片安装在一个固定的角度,但设计的叶片本身将刹车一旦风变得太快。叶片的角度,这样风超过一定速度会导致动荡的逆风侧刀片,导致停滞。简单地说,空气动力失速发生在叶片的角度面对迎面而来的风变得非常陡峭,它开始消除提升的力量,减少叶片的速度。
• 主动失速控制——叶片在pitchable这种类型的电控系统,如叶片变桨距机构。主动失速系统读取输出功率的变桨距机构,而是投球的叶片与风失准,这球他们生产停滞。

(见Petester的基本空气动力学为一个很好的例子来说明电梯和。)

在全球范围内,至少50000风力涡轮机生产每年500亿千瓦时(度)。在下一节中,我们将研究风力资源的可用性和电力风力涡轮机可以生产多少。18新利最新登入

目前在全球范围内,风力发电机产生的电能作为八大核电站。不仅包括发电涡轮机,但也为个人家庭或小型涡轮机发电企业(有时与光伏太阳能)一起使用。一个小小的10-kW-capacity涡轮机每年可以产生高达16000千瓦时,和一个典型的美国家庭每年消耗约10000千瓦时。

一个典型的大型风力涡轮机可以产生1.8兆瓦的电力,或每年520万千瓦时,在理想条件下,足以供应近600户家庭。不过,核能和煤炭发电厂可以发电比风力涡轮机可以便宜。为什么使用风能吗?使用风力发电最大的两个原因是最明显的:风力发电清洁,它是可再生。它不像二氧化碳和氮氧化物有害气体释放到大气中煤炭的方式(见18新利最新登入全球变暖是如何工作的),我们在没有风很快耗尽的危险。还有与风力发电相关的独立,任何一个国家可以产生它在家里,没有外国的支持。和一个风力涡轮机可以为偏远地区提供电力,不是由中央电网。

但也有一些缺点,太。风力发电机不能总是运行在100%的力量和许多其他类型的发电厂,因为风速波动。风力涡轮机可以吵了如果你住接近风电场,危害鸟类和蝙蝠,在硬邦邦的沙漠地区水土流失的风险如果你挖掘地面安装涡轮机。也,因为风是一个相对可靠的能源,风电运营商植物与少量的备份系统可靠,不可再生能源风速减弱的时候。一些人认为使用洁净能源来支持清洁能源的生产抵消收益,但风能行业声称不洁净的能量的数量必须保持稳定的电力供应在风系太小了打败风力发电的好处。

潜在的缺点不谈,美国很多风力发电机安装,总计超过9000年的2006兆瓦的发电能力。领域的能力产生250亿千瓦时的电力,这听起来很多,但实际上是不到1%的发电每年在这个国家。截至2005年,美国发电分解如下:

• 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

目前在美国总发电领域的每年3.6万亿千瓦时。风有潜力产生远远超过1%的电力。据美国风能协会,估计美国风能潜力是大约每年10.8万亿千瓦时,约等于的能量200亿桶石油(每年当前全球石油供应)。使风能可行的在一个给定的区域,它需要最低风速9英里(3米/秒)对小型涡轮机和13英里(6米/秒)对于大型涡轮机。这些风速是常见的在美国,尽管大多数是被开发。

当涉及到风力涡轮机、位置就是一切。知道有多少风面积18新利最新登入,速度和那些速度持续多久是至关重要的决定因素在建设一个高效的风力发电场。风的动能指数增长速度成比例增加,所以一个小风速的增加实际上是大量增加力量的潜力。一般的经验法则是,在一倍的风速是今天的八倍力量的潜力。所以,从理论上来说,涡轮26英里的区域平均风速会产生8倍电力比一个建立风速平均13英里。“理论上”是因为在实际情况中,有一个限制多少能量从风力涡轮机可以提取。18新利最新登入它叫做贝茨限制,约为59%。但小风速的增加会导致显著增加功率输出。

照片礼貌通用电气公司
Raheenleagh风电场

在大多数其它电力生产领域,当谈到捕获风能,有大量效率。组织大型涡轮机,调用风力发电场或风力发电厂,是最有效率的使用风能的能力。最常见的储能容量700千瓦风力涡轮机和1.8 MW,它们组合在一起来获得最大的电能的风力资源可用。他们通常间隔的距离在农村地区风速高、占用空间小的hawt意味着农业使用的土地几乎不受影响。风电场容量范围从几兆瓦数百兆瓦。世界上最大的风能工厂Raheenleagh风电场位于爱尔兰海岸。满负荷(目前部分操作能力),将有200个涡轮机,额定功率520兆瓦和总成本近6亿美元。

风能发电厂的成本大幅下降在过去二十年里由于技术和设计的进步涡轮机生产和安装。在1980年代早期,风力发电成本大约30美分每千瓦时。2006年,风力发电成本3到5美分每千瓦时,风尤其丰富。越高风速随时间在给定的涡轮机,涡轮机产生的电力成本越低。平均来说,风力发电的成本大约是4到10美分每千瓦时在美国。

许多大型能源公司提供“绿色定价”项目,让客户花更多的钱每千瓦时用风能代替能源从“系统力量,”这是池的发电量,可再生和不可再生。如果您选择购买风能和你住在一般风电场附近,你在家里使用的电力可能是大风;更多时候,你支付更高的价格来支持风能的成本,但你在家里使用的电力仍然来自系统的权力。在国家能源市场管制,消费者可以购买“绿色电力”直接从可再生能源提供者,在这种情况下,他们使用电力在家里确实来自风能和其他可再生能源。

为自己的需要实现一个小型风力发电机系统是一种保证您使用清洁能源和可再生能源。住宅或商业涡轮机设置成本从5000美元到80000美元。大规模的设置成本多很多。一个1.8兆瓦汽轮机安装可以运行多达150万美元,不包括土地,输电线路与风力发电系统和其他基础设施成本。总的来说,风力发电领域的成本每千瓦1000美元的能力,所以七1.8 mw风力发电机组成的风电场运行约1260万美元。“还债的时候了”一个大型风力涡轮机,所花费的时间产生足够的电力来弥补能源消耗构建和安装涡轮机,大约是三到八个月,根据美国风能协会。

政府鼓励大型和小型生产商为风电系统的经济可行性。几可再生能源系统的当前的经济激励计划包括:

• 生产税收抵免:基本上,风力发电机,通常企业接收(截至2005年12月)每千瓦时1.8美分的风能生产批发分布在第一个10年风力农场已经启动并运行。

• 净计量——在此系统中,个人和企业生产可再生能源可以获得学分每千瓦时超出了他们自己的需要。当有人比他需要产生更多的电力,他向后运行功率计,将多余的电力电网。他收到信用他发送到电网的电力,这算是付款向任何电力时,他将从电网涡轮不能为家里或业务提供足够的电力。(许多大型能源企业不太关心这个设置,因为他们本质上是采购单个生产者的风力发电在零售价格而不是批发价格,他们会支付风电场)。

• 可再生能源学分——许多州现在已经为电力公司可再生能源配额,即这些公司必须购买一定比例的电力来自可再生能源。如果有人用自己的涡轮住在一个国家有一个“绿色信贷计划,”他接受每兆瓦时的交易额度,一年可再生能源的生产。他可以出售这些额度大,传统能源企业满足他们的州或联邦可再生能源配额。

• 安装税收抵免:联邦政府和一些州提供税收抵免建立可再生能源系统的成本。马里兰州,例如,提供企业或地主的信贷成本的25%购买和安装风力涡轮机系统能源供应的建筑是否满足特定的整体“绿色标准”。

照片礼貌NREL(左)和图像时 住宅风力涡轮机(左)和可使用的风力涡轮机

而风能仍由政府补贴,目前有竞争能力的产品,从某种程度上讲,可以站在自己的作为一个可行的电力来源。巴特尔太平洋西北实验室,美国能源部科技实验室,估计风电能够提供20%的美国的电力仅根据风力资源。美国风能协会将这个理论100%。无论估计是正确的,美国可能不会很快看到这些百分比。美国风能协会预计,到2020年,风将提供所有美国6%的电力。尽管美国拥有世界上最大的风力发电基地安装绝对功率,百分比涨幅,落后于其他发达国家。英国在2010年风力发电10%的既定目标。德国目前8%的电力来自风能、和西班牙为6%。丹麦,世界领导人在清洁能源消费,超过20%的电力来自风能。

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