什么是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定輸出功率

　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定輸出功率是配合特定的額定風(fēng)速設(shè)而定的。 由于能量與風(fēng)速的立方成正比，因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率會隨風(fēng)速變化會很大。同樣構(gòu)造和風(fēng)輪直徑的風(fēng)電機(jī)可以配以不同大小的發(fā)電機(jī)。因此兩座同樣構(gòu)造和風(fēng)輪直徑的風(fēng)電機(jī)可能有相當(dāng)不同的額定輸出功率值，這取決于它的設(shè)計是配合強(qiáng)風(fēng)地帶（配較大型發(fā)電機(jī)）或弱風(fēng)地帶（配較小型發(fā)電機(jī) ）。

典型風(fēng)力發(fā)電機(jī)各部件介紹

　　我們以目前使用*為廣 泛的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例關(guān)于其結(jié)構(gòu)作一 介紹 ,它主要由葉輪，調(diào)速或限速裝置，偏航系統(tǒng)，傳動機(jī)構(gòu)，發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，塔架等組成：葉輪：
 

　　風(fēng)力機(jī)區(qū)別于其他機(jī)械的*主要特征就是葉輪。葉輪一般由 2～3 個葉片和輪轂所組成 ,其功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能．除小型風(fēng)力機(jī)的葉片部分采用木質(zhì)材料外, 中、大型風(fēng)力機(jī)的葉片都采用玻璃纖維或高強(qiáng)度復(fù)合材料制成。風(fēng)力機(jī)葉片都要裝在輪轂上。輪轂是葉輪的樞紐,也是葉片根部與主軸的連接件。所有從葉片傳來的力 , 都通過輪轂傳遞到傳動系統(tǒng), 再傳到風(fēng)力機(jī)驅(qū)動的對象。同時輪轂也是控制葉片槳距(使葉片作俯仰轉(zhuǎn)動 )的所在。輪轂的作用是連接葉片和低速軸，要求能承受大的，復(fù)雜的載荷。中小型風(fēng)機(jī)常采用剛性連接，兆瓦級風(fēng)力機(jī)常采用蹺蹺板連接方式。

調(diào)速或限速裝置：

　　在很多情況下 , 要求風(fēng)力機(jī)不論風(fēng)速如何變化轉(zhuǎn)速總保持恒定或不超過某一限定值 ,為此目的而采用了調(diào)速或限速裝置。當(dāng)風(fēng)速過高時 , 這些裝置還用來限制功率 , 并減小作用在葉片上的力。調(diào)速或限速裝置有各種各樣的類型 ,但從原理上來看大致有三類: 一類是使 葉輪偏離主風(fēng)向, 另一類是利用氣動阻力, 第三類是改變?nèi)~片的槳距角。

偏航系統(tǒng)：

　　為了讓葉輪能自然地對準(zhǔn)風(fēng)向, 通常風(fēng)機(jī)都會采用調(diào)向裝置 , 對大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 而言,一般采用的是電動機(jī)驅(qū)動的風(fēng)向跟蹤系統(tǒng)。整個偏航系統(tǒng)由電動機(jī)及減速機(jī)構(gòu)、偏航調(diào)節(jié)系統(tǒng)和扭纜保護(hù)裝置等部分組成。偏航調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括風(fēng)向標(biāo)和偏航系統(tǒng)調(diào)節(jié)軟件。 風(fēng)向標(biāo)對應(yīng)每一個風(fēng)向都有一個相應(yīng)的脈沖輸 出 信號,通過偏航系統(tǒng)軟件確定其 偏 航方向和偏航角度,然后將偏航信號放大傳送給電動機(jī), 通過減速機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動風(fēng)力機(jī)平臺 ,直到對準(zhǔn)風(fēng)向為止。
 

　　風(fēng)力發(fā)電包含了由風(fēng)能到機(jī)械能和由機(jī)械能到電能兩個能量轉(zhuǎn)換過程，發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)承擔(dān)了后一種能量轉(zhuǎn)換任務(wù)。恒速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)一般來說比較簡單，所采用的發(fā)電機(jī)主要有兩種，即同步發(fā)電機(jī)和鼠籠型感應(yīng)發(fā)電機(jī)。變速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是20世紀(jì)70年代中期以后逐漸發(fā)展起來的一種新型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其主要優(yōu)點在于葉輪以變速運(yùn)行，可以在很寬的風(fēng)速范圍內(nèi)保持近乎恒定的*佳葉尖速比，從而提高了風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行效率，從風(fēng)中獲取的能量可以比恒速風(fēng)力機(jī)高得多。此外，這種風(fēng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上和實用中還有很多的優(yōu)越性。利用電力電子學(xué)是實現(xiàn)變速運(yùn)行*佳化的*好方法之一，雖然與恒速恒頻系統(tǒng)相比可能使風(fēng)電轉(zhuǎn)換裝置的電氣部分變得較為復(fù)雜和昂貴，但電氣部分的成本在中、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中所占比例不大，因而發(fā)展中、大型變速恒頻風(fēng)電機(jī)組受到很多國家的重視。

（恒速）同步發(fā)電機(jī)：

　　（恒速）同步發(fā)電機(jī)的優(yōu)先是勵磁系統(tǒng)可控制發(fā)電機(jī)的電壓和無功功率，發(fā)電機(jī)效率高。同步電機(jī)要通過同步設(shè)備的整步操作達(dá)到準(zhǔn)同步并網(wǎng)（并網(wǎng)困難），由于風(fēng)速變化大，以及同步發(fā)電機(jī)要求轉(zhuǎn)速恒定，風(fēng)力機(jī)必需裝有良好的變槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。

　　（恒速）異步發(fā)電機(jī)：異步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，堅固，造價低，異步發(fā)電機(jī)投入系統(tǒng)運(yùn)行時，由于是靠轉(zhuǎn)差率來調(diào)節(jié)負(fù)荷，因此對機(jī)組的調(diào)節(jié)精度要求不高，不需要同步設(shè)備的整步操作，只要轉(zhuǎn)速接近同步速時就可并網(wǎng)，且并網(wǎng)后不會產(chǎn)生振蕩和失步。缺點是并網(wǎng)時沖擊電流幅值大，不能產(chǎn)生無功功率。

塔架：

　　風(fēng)力機(jī)的塔架除了要支撐風(fēng)力機(jī)的重量 , 還要承受吹向風(fēng)力機(jī)和塔架的風(fēng)壓, 以及風(fēng)力機(jī)運(yùn)行中的動載荷。它的剛度和風(fēng)力機(jī)的振動有密切關(guān)系。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的塔架主要可分 為管柱型和桁架型兩類, 管柱型塔架可從*簡單的木桿, 一直到大型鋼管和混凝土管柱。 小型風(fēng)力機(jī)塔桿為了增加 抗 彎矩的能力 , 可以用拉 線 來加強(qiáng)。中、大型塔桿為了運(yùn)輸 方便,可以將鋼管分成幾段 。 一般圓柱形塔架對風(fēng)的阻力較小,特別是對于下風(fēng)向風(fēng)力機(jī),產(chǎn)生紊流的影響要比桁架式塔架小。桁架式塔架常用于中小型風(fēng)力機(jī)上, 其優(yōu)點是造價不高, 運(yùn)輸也方便。但這種塔架會使下風(fēng)向風(fēng)力機(jī)的葉片產(chǎn)生很大的紊流。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理

　　現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用空氣動力學(xué)原理，就像飛機(jī)的機(jī)翼一樣。風(fēng)并非 推 動葉輪葉片，而是吹過葉片形成葉片正反面的壓差，這種壓差會產(chǎn)生升力，令葉輪旋轉(zhuǎn)并不斷橫切風(fēng)流。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉輪并不能提取風(fēng)的所有功率。根據(jù)Betz 定律，理論上風(fēng)電機(jī)能夠提取的*大功率，是風(fēng)的功率的 59.6% 。大多數(shù)風(fēng)電機(jī)只能提取風(fēng)的功率的40%或者更少。

　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要包含三部分∶葉輪、機(jī)艙和塔架。大型與電網(wǎng)接駁的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的*常見的結(jié)構(gòu)，是橫軸式三葉片葉輪，并安裝在直立管狀塔桿上。葉輪葉片由復(fù)合材料制造。不像小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，大型風(fēng)電機(jī)的葉輪轉(zhuǎn)動相當(dāng)慢。比較簡單的風(fēng)力發(fā)電機(jī)是采用固定速度的。通常采用兩個不同的速度- 在弱風(fēng)下用低速和在強(qiáng)風(fēng)下用高速。這些定速風(fēng)電機(jī)的感應(yīng)式異步發(fā)電機(jī)能夠直接發(fā)產(chǎn)生電網(wǎng)頻率的交流電 。比較新型的設(shè)計一般是可變速的（比如Vestas公司的V52-850千瓦風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為每分鐘 14 轉(zhuǎn)到每分鐘 31.4轉(zhuǎn)）。利用 可變速操作，葉輪的空氣動力效率可以得到改善，從而提取更多的能量，而且在弱風(fēng)情況下噪音更低。因此，變速的風(fēng)電機(jī)設(shè)計比起定速風(fēng)電機(jī)，越來越受歡迎。

　　機(jī)艙上安裝的感測器探測風(fēng)向，透過轉(zhuǎn)向機(jī)械裝置令機(jī)艙和葉輪自動轉(zhuǎn)向，面向來風(fēng)。葉輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動通過齒輪變速箱傳送到機(jī)艙內(nèi)的發(fā)電機(jī)（如果沒有齒輪變速箱則直接傳送到發(fā)電機(jī)）。在風(fēng)電工業(yè)中，配有變速箱的風(fēng)力發(fā)電機(jī)是很普遍的。不過，為風(fēng)電機(jī)而設(shè) 計的多極 直接驅(qū)動式發(fā)電機(jī)，也有顯著的發(fā)展。設(shè)於塔底的變壓器（或者有些設(shè)於機(jī)艙內(nèi)） 可提升發(fā)電機(jī)的電壓到配電網(wǎng)電壓（香港的情況為11千伏） 。

　　所有風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率輸出是隨著風(fēng)力而變的。強(qiáng)風(fēng)下*常見的兩種限制功率輸出的方法（從而限制葉輪所承受壓力）是失速調(diào)節(jié)和斜角調(diào)節(jié)。使用失速調(diào)節(jié)的風(fēng)電機(jī)，超過額定風(fēng)速的強(qiáng)風(fēng)會導(dǎo)致通過葉片的氣流產(chǎn)生擾流，令葉輪失速。當(dāng)風(fēng)力過強(qiáng)時，葉片尾部制動裝置會動作，令葉輪剎車。使用斜角調(diào)節(jié)的風(fēng)電機(jī)，每片葉片能夠以縱向為軸而旋轉(zhuǎn)，葉片角度隨著風(fēng)速不同而轉(zhuǎn)變，從而改變?nèi)~輪的空氣動力性能。當(dāng)風(fēng)力過強(qiáng)時，葉片轉(zhuǎn)動至迎氣邊緣面向來風(fēng)，從而令葉輪剎車。葉片中嵌入了避雷條，當(dāng)葉片遭到雷擊時，可將閃電中的電流引導(dǎo)到地下去。

我國現(xiàn)階段主要風(fēng)力發(fā)電機(jī)型的發(fā)電過程