风力发电的技术综述_

Journal of Henan Science and Technology
河南科技
风能。额定风速过高， 额定功率大， 相应的设备投资就会增 加， 若实际风速大部分时间都达不到这个设定的风速， 就会造 成资金浪费， 而且额定风速高， 设备大以后， 切入风速会相应 会损失低风速风能。 提高， 切入风速是风力发电机的开机风速， 高于此风速后， 风力 产生有效 发电机能克服传动系统和发电机的自身能量损耗， 输出。 切出风速是风力发电机的停机风速， 高于此风速后， 为保 证自身安全， 发电机会停止工作。 风力发电机的输出功率与风速的基本关系如下图：
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2013． NO． 01 Journal of Henan Science and Technology
工业工程与技术
风力发电的技术综述
赵海亮
( 1． 中广核风电有限公司， 内蒙古
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郭
鑫
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锡林郭勒 011200 ; 2． 上海烟草集团北京卷烟厂动： 风能是清洁的、 无污染的可再生资源， 它取之不尽、 用之不竭。与火力发电、 核电等相比它无需燃料， 也不会对环境造 。 它是绿色能源， 是未来我们需要更好地利用的能源 将风能转化为机械能进而转化成电能的装置称为风车。风力发电的 成污染， 原理就是利用风带动风车叶片旋转， 然后通过增速机提升旋转角度作用于发电机， 从而产生电能。本文就简单介绍一下风力发电 机的相关基础技术原理。 关键词： 风力发电; 绿色能源; 贝兹理论; 叶尖速比 中图分类号： TM614 文献标志码： B 文章编号： 1003 － 5168 ( 2013 ) 02 － 0058 － 02 能源是社会发展的重要物质基础， 社会的进步和经济的 发展在很大程度上取决于能源的供应和利用 。 当前我国已经 这严重制约了国民经济的发 出现较为严重的能源短缺状况， — —风能的利用和开发必须 展。在这种情况下， 对清洁能源— 无污染的可再生资源， 它取之不 要受到重视。风能是清洁的、 尽、 用之不竭。与火力发电、 核电等相比它无需燃料， 也不会 对环境造成污染， 它是绿色能源， 是未来我们需要更好地利用 的能源。 将风能转化为机械能进而转化成电能的装置称为风车 。 风力发电的原理就是利用风带动风车叶片旋转， 然后通过增 速机提升旋转角度作用于发电机， 从而产生电能。 小型风力发电系统并不是简单地只由一个发电机头组 成， 实际上它是一套具有一定结构的运行体系： 风力发电机 + 充电器 + 数字逆变器。风力发电机由叶片、 尾翼、 转体和机头 每一部分都很重要。 叶片用来接受风力并将风能转化 组成， 成动能； 尾翼使叶片始终对着风吹来的方向以便于叶片获得 最大的风能； 转体使机头实现尾翼的转向功能； 机头的定子发 生电磁感应将机械能（ 主要是动能） 转化为电能。 下面我就简单介绍一下发电机的工作原理 。 1 风能 风能， 也就是空气的动能， 因为空气的定向流动形成风 。 设风速为 V1 ， 质量为 m 的空气在单位时间内通过垂直于气流 方向、 面积为 S 的截面的动能为： E = mV12 而 m = / t = SV1 则 E = SV13 ……………………………………………… 1 式中 L 为气流在时间 t 所通过的距离， 为空气密度， 在标 3 准状况下取值 1． 293kg / m 。 由上式可见， 气流的动能与风速 的立方成正比关系。 2 风能的利用 学过物理的都知道， 物理学中的能量转化率不可能达到 百分之百， 对于风力发电机也是一样， 风能不可能百分之百的 转化为电能， 那么风力发电机的究竟能利用多少的风能， 而什 么样的条件下风力发电机能最大限度地利用风能呢？ 2． 1 贝兹理论 贝兹理论是风力发电中关于风能利用效率的一条基本的 它由德国物理学家 Albert Betz 于 1919 年提出。 理论， 贝兹理论假定风轮是理想的， 气流通过风轮时没有阻力， 气流通过整个风轮时其掠面是均匀的， 并且气流通过风轮前 后的速度为轴向方向。 v0 表示流过风轮旋转面 S 时的风 以 v1 表示风机上游风速， v2 表示流过叶片截面后的下游风速（ 也称剩余风速） 。 速， 根据动量定理， 质量为 m 的空气， 流过风轮旋转面 S 之 在风轮上产生作用力为： 后， F v0 （ v1 － v2 ） ……………………………………… 2 风轮吸收的功率为： P = FV0 = v02 （ v1 － v2 ） …………………………………… 3 从风机上游至下游， 单位时间内气流动能的变化量为： E = V02 v12 － v02 v22 = v02 （ v12 － v22 ） ………………… 4 由风轮吸收的功率在数值上等于单位时间内气流动能的 变化量（ 实际上风轮吸收的能量就来源于气流的动能） 可得 P=E 即 V02 （ v1 － v2 ） = v02 （ v12 － v22 ） 即 v0 = （ v1 + v2 ） …………………………………………… 5 将 5 式代入 3 式中得 P = S（ v1 + v2 ） （ v12 － v22 ） ………………………………… 6 6式 当上游风力 v1 不变时， 令 dP / dv2 = 0 ， 即当 v2 = v1 时， 取得极大值， 即 P max = Sv13 ………………………………………………… 7 如果设 P0 为气流的初始动能， 则根据 1 式可得 P0 = Sv13 根据以上条件， 即当上游风力 v1 不变时， 令 P / P0 可得当 v2 = v1 时， P / P0 取得最大值， 即 P / P0 = 1 以上也就是德国物理学家 Albert Betz 得到的理想情况下， 风能转化成动能的极限比值为 16 /27 ， 约为 59． 3% ， 这也就是 。 发电机的最大理论效率 2． 2 发电机的实际输出功率 我们将风力发电机的实际风能利用系数（ 即功率系数） C p 定义为风力发电机的实际输出功率与六国风轮旋转面 S 的全 部风能之比， 即 C p = = 2P / Sv13 …………………………………………… 8 由以上推理过程我们不难看出， 实际风能利用系数 C p 总 C p 并非是一个常数， 是小于 16 /27 。另外， 它与风速、 发电机转 速、 负载以及叶片参数如叶片翼型 、 翼长等因素相关。 由 9 式可以得出， 风力发电机的实际输出功率为 P = C p Sv13 ………………………………………………… 9 而风车作用时的截面 S 为圆形， 设风车叶片半径为 Ｒ， 则 S = Ｒ2 …………………………………………………… 10 将 10 式代入 9 式得 P = C p Ｒ2 v13 ……………………………………………… 11 上式即表明了风力发电机的输出功率与各物理量的关系。 2． 3 影响贝兹理论的环境因素 2． 3． 1 对风力发电机功率影响最大的因素依次是风速
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工业工程与技术 v1 和风轮半径 Ｒ， 但其中空气密度的影响也很大 。 而根据 11 式， 这对发电场的选址和发电机风轮叶片长度的确定具有决 定性的意义。 2． 3． 2 针对某一个确定的地区， 其四季的平均风速一般 而叶片长度也不能无限的长（ 会增大其他 不会有太大的变化， 因此， 当风力发电场的位置选定时， 空气密度也 能量的损耗） ， 11 式中对风力发电机的输出功率影响最 基本确定， 那么这时， 大的就剩下了 C p 。所以如何提高发电机的输出功率就转变为 了如何提高 C p 。这就要求发电机的设计人员能设计出具有相 对来说最佳 C p 的风力机。 2． 3． 4 影响功率系数 C p 的物理量 （ 1 ） 在风机的设计过程中， 风轮转速与风速的关系通常合 — —叶尖速比， 定义为风轮叶片尖端线速度与 并为一个变量— 即 风速之比， C p = Ｒ / v1 ……………………………………………… 12 Ｒ 为风轮最大旋转半径。 式中为风轮角速度， 叶尖速比是风机的重要参数， 其取值直接影响 C p 。 另外， 桨距角也会对风力发电机的功率系数 C p 产生影响。 2． 3． 5 风力发电机功率的调节方式 任一地方的风力都是随时变化的， 而其变化是人类无法 所以设计的风力发电机必须能满足对风力适应性的 控制的， 要求。 风力发电机设计时一般都有额定风速和切入风速 、 切出 风速等几个参数。 额定风速是风力发电机达到额定功率输出时， 轮毂高度 处的设计风速， 对风力发电机的平均输出功率有决定性的作 用。额定风速偏低， 风力发电机会损失很多高于额定风速的
风速在切入风速和额定风速之间时， 一般使桨距角保持 就可以最大限度地利用风能； 风速在额定风速和 在最佳位置， 切出风速之间时， 要使电器部分不致于因过载而损坏并继续 保持在额定功率输出， 就要采用一定的调节方式 。 因此， 风能将是 21 世纪最有发展前途的绿色能源， 是当 前人类社会经济可持续发展的最主要的新动力源之一 。 而以 上即是本人对于风力发电技术中的基本原理的概述， 希望能 对大家了解风力发电技术有所帮助 。 （ 七） 云背景下的安全审计 在安全审计方面， 用户必须准确的评估出哪些资产是需 要进行保护的、 如何才能保护这些资产 。 云计算服务客户必 谁在访问自己的数据。 须要求保证可监测自己的数据， 六 结束语 在云计算的背景下， 无论是云计算服务的提供商 ． 还是云 计算服务的用户。安全问题是第一大问题 。 清醒透彻地调查 其存在的安全威胁、 有针对性的设计相应的安全控制和方案， 是云计算时代重要举措 。 云计算已经展现出了良好的前景和巨大的潜力， 涉及了 计算机服务与信息管理的很多领域 。 随着云计算相关技术的 成熟以及发展， 相信其也会像互联网上其他应用环境一样， 对 我们的生活方式具有深远的影响 。 参考文献： ［ 1］ 孙天明． 解决云计算安全问题的思考 ． 中国教育网络， 发表时间: 2011 － 12 － 19 ［ 2］ 赵粮． 云计算面临的七大安全威胁 ． 中国教育网络， 发 表时间: 2011 － 09 － 01 ［ 3］ 2008 － 12 王左利． 云计算面临三重门啊． 中国教育网络， ［ 4］ 倪红彪． 云计算背景下的信息安全探析 ． 吉林警察学 院， 文章编号: 1003 － 9767 ( 2011 ) 10 － 0063 － 02 ［ 5］ ．电 杨怡， 赖迎春． 云计算背景下的安全问题浅析［J］ 2009 ( 16 ) 脑知识与技术， 6］ ［ 徐志伟， 冯百明， 李伟． 网格计算技术． 电子工业 出版 2004 社，