风力发电机是如何工作的?

2023-08-01 16:04:18 admin 20

我们在日常的生产活动中都离不开电,充足的电力供应是一个国家和地区经济增长的重要前提条件。在全球“石化能源”越来越缺乏,对环境的污染不断加剧的背景下,我国作为能源使用大国更是体现了大国担当的格局,在向全世界郑重宣布“碳中和”,“碳达峰”的目标下,作为新能源中的风力发电迎来了它的高光时刻。我们看见那不断转动着大大叶片的风车其实就是风力发电机,那么小伙伴们知道它的工作原理吗?

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风力发电机是将风能转换为机械功,机械功带动转子旋转,最终输出交流电的电力设备。广义地说,风能也是太阳能,所以也可以说风力发电机,是一种以太阳为热源,以大气为工作介质的热能利用发电机。风力发电机组由叶轮、机舱、塔筒等基础部件组成。

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风力发电系统结构图

它的发电原理很简单:机组利用风力带动风车叶轮旋转,将风能转化为机械能,发电机再将机械能转化为电能,然后电能通过集电线路输送到风电场升压站,升压后再输送到电网,就可以变成千家万户使用的清洁风电了。这一过程就好比我们小时候玩的手摇发电手电筒,使劲地摇几下,手电筒就会亮一会。

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很多小伙伴可能会好奇,风车叶子转一圈,能发多少度电?在一般情况下,风速只要达到3米/秒,风车就可以旋转发电。目前主流风机的单机容量从1.5兆瓦到10兆瓦不等,未来可能会更大,相对来说小容量的都在陆地上,大容量的都在海里。当然,容量越大,同等情况下发电越多。以2兆瓦的风力发电机组为例:叶片长50-60米左右,以额定转速运行,转动一圈约4秒钟,叶尖速度可达280多公里/时,堪比高铁速度,叶轮转动一圈约发2.2度电。

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那么,风力发电是不是风越大越好呢?我们根据能量守恒定律知道,风速越大提供的电能的确是越多,但当风速超过风机限定速度时,风机就要停止工作。因为如果转速过快,离心率大大增强,惯性趋势会打破风机自身的平衡,叶片就容易折断。而且事实上,发电量不取决于叶片转速。因为风力发电机机组中存在一个类似汽车变速箱的装置,比如变速箱挂到1档,那么即使叶片转速非常快(相当于油门踩到底),但通过变速箱传动到发电机装置当中仍然是较为恒定的低速,有了这么个装置,便对叶片起到了保护的作用。而在叶片恒定转速的情况下,叶片受力增加,功率就会增加,风机的叶片越大,功率越大,相应发电量就越多。

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我们知道风力发电有陆上和海上之分,那么这两者有什么差别呢?一般来说海上风电场是陆上风电场建设成本的两倍,运维费用是陆上风电场的2-4倍。这主要是由于海上施工条件差,施工难度高,再加上海上风电远离岸边,台风、风暴潮等不利海况也会对风电运维造成较大影响。虽然说海上风电场前期投入比陆上风电场大,但是大海广袤无垠,具有丰富的风能资源,海上风电发电利用小时数高、不占用土地、不消耗水资源,适宜大规模开发,发电效率普遍比陆上风电高出20%-40%。

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陆上和海上风电场

风力发电与常规发电相比,具有能源充足、不消耗燃料、无环境污染、占地面积小、工程建设周期短、发电技术成熟等优点。虽然前期投入较大,但相比水电和火电,后期维护、管理费用极低,是目前新能源领域中技术最成熟、最具规模开发条件和商业化发展的发电方式之一。当然它的缺点也很明显:受地域影响大,风力发电机只适合风力大的地方,在无风地区便不起作用。


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