风力发电的原理 风力发电机叶片的设计原理是什么

【风力发电的原理 风力发电机叶片的设计原理是什么】风能很早就被人们利用来抽水、磨面等,现代,人们感兴趣的是如何利用风能来发电 。风力发电是把风的动能转为电能,由于风是地球大气层不同地方吸收太阳能差异形成的,因此,风力发电实际上是人类对太阳能的再利用 。

风力发电的原理 风力发电机叶片的设计原理是什么

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风力发电的原理,是利用风力带动风车叶片旋转,再通过齿轮变速箱将旋转的速度变速,带动发电机发电 。
风力发电装置,称为风力发电机组,结构组成大体上可分为风轮、发电机和铁塔三部分,小型发电机还有尾舵(风轮后面安装的类似风向标的结构) 。

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风轮的作用是把风的动能转化为机械能,由两只(或多只)叶轮组成,风作用于叶轮产生空气动力驱动叶轮转动,风轮与发电机联在一起 。
风力发电机由机头、转体、(尾翼)、叶片(风轮)组成 。机头(感应电机或异步发电机)的转子是永磁体,定子绕组切割磁感线产生电能,现代风力发电机,最大输出功率在500瓦至1500千瓦 。风力发电机可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机两类 。

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一般说来,三级风(约每秒三米的微风)就有利用价值,但从经济合理角度出发,风力愈大,经济效益也愈大 。由于风轮的转速低,风的大小和方向经常变化,使风轮转速不稳定,为了使发电机转速稳定,且要把转速调节到发电机的额定转速,还安装有齿轮变速箱和调速机构(相当于变速器)来维持稳定的转速 。
铁塔是支承风轮和发电机的架子,要具备足够的强度,之所以建造得比较高,是为了获得较大和较均匀的风力,铁塔的高度由地面障碍物对风速影响和风轮直径决定的 。

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为什么风轮的叶片要做得这么长呢?一般在6-20米 。
根据空气动力学原理,有以下几个原因 。
第一,叶片的长度影响扫风圆面积的大小,叶片旋转的圆面积越大,单位时间内冲击叶片的空气质量越大,风对叶片所做的功越多,叶片捕获的风能越多,发电效率或者说发电功率越大 。注意:叶片长度与发电机输出功率大小有很大关系 。
第二,发电机的叶片是一个旋转的轮轴,转动的叶片是轮子部分,转动轴是轴心,此轮轴为省力轮轴,可以看成一个变形杠杆,风对叶片产生的平均力为动力,动力臂是叶片,叶片越长,动力臂越长越省力,可以充分利用微小风力(3级的微风)发电,可以提高发电效率 。

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城市中的小型风力发电机
第三,叶片不能做得太宽、太长、太重 。叶片面积大小与叶片获得风能大小关系不大(与旋转圆面积大小有关),叶片过长、面积过大,必然增加重力,会导致支架受力过大易折断,过重,叶片惯性较大,紧急制动对风机与塔架影响较大,更影响使用寿命 。合适的长、宽、重,是通过实验和计算达到的最佳发电效率 。
制作叶片的材料要具备密度轻小、强度大、抗疲劳、能经受住暴风、暴雨等极端恶劣条件的考验,不得对电磁波产生干扰和反射,不得反射太阳光,不得产生过大噪声,耐腐蚀,抗紫外线照射,防雷性能好,叶片的弹性、旋转惯性及其振动频率都要满足整个发电系统的稳定性,叶片材料表面须光滑以减小风阻等 。随着风电产业的发展,对叶片要求越来越高 。

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风能作为一种清洁可再生能源,越来越受到世界各国的重视 。风力发电,永不枯竭,基建周期短,装机规模灵活 。有人估测,全球风能约为2.74×10^9MW,可利用风能为2×10^7MW,是地球上可利用水能总量10倍之多 。我国风能资源丰富,可开发利用的风能储量约10亿kW,其中,陆地风能储量约2.53亿kW,海上风能储量约7.5亿kW,对于缺水、缺燃料和交通不便的沿海、岛屿、草原牧区、山区和高原地带,风力发电大有可为 。