介紹風能發電及其發電機的相關知識

1 風能利用概述
　　風是地球表面上的大氣受到太陽輻射而引起的部份空氣的流動，因而風能也是太陽能的一種表現形式。地球近地層每年風能總量約為1.3×1015W，可以利用的風能量至少為1012W，約十倍于地球上可以利用的水力能源總量。我國的年風能總儲量估計為 1．6×1012W。如果世界風能的1/100用于發電，則可達世界總發電量的（8～9）％，而實際上由于風力的隨機性和風速變化多端，它的利用效率較低，在風能的實際利用上仍存在很多技術困難。
　　盡管如此，風能作為再生能源，取之不盡，用之不竭，不存在燃料運輸，灰渣處理和環境污染問題。由于它是自然能源，在常規能源緊張和生態環境遭受污染的時代，它的價值正在被重新認識，一些經濟發達國家在70年代后期先后制定了發展規劃，并投入了相當數量的開發資金。
　　我國風能的利用，已有2000多年的悠久歷史，主要是用于風力提水和船舶上，但是發展很慢。50年代中期開始研制了小型現代風力提水機和發電裝置。60年代，一些風力機開始投入小批量生產。70年代末，我國風能利用研究進入了一個新的發展階段，主要是小型風力發電機和風力提水機。1982年5月我國正式成立了全國性的風能專業委員會。1985年我國成立了“全國風力機械標準化技術委員會”，該委員會制訂了一系列有關風力發電機和風力提水機的相關標準。這樣，“六五”、“七五”、“八五”期間在風能的利用、開發、風力發電方面有了很大的發展。90年代，我國從小型風力發電機組（國際規定10kW以下）的廣泛應用走向大型風力發電機組的開發、引進、創新之路。目前我國小型風力發電機組的研究、制造已積累了相當豐富的經驗，技術上已日趨成熟，形成了我國的系列型譜，并有部份出口。大型風力發電機組已建立了十幾座大型風力田（如新疆達板、內蒙、山東榮城、廣東汕頭南澳、福建平潭等）。近年來，在國家計委主持下開展了大型風力機“先鋒”工程，小型風力機“光明”工程，這將有力推動我國風力發電事業的進一步發展。

2 風能發電原理
2.1 風能發電原理
　　風能發電的原理是利用風輪將風能轉變為機械能，風輪帶動發電機再將機械能轉變為電能。大型風力發電機組發出的電能直接并到電網上，向電網饋電；小型風力發電機一般將風力發電機組發出的電能用儲能設備儲存起來（一般用蓄電池），需要時再提供給負載（可直流供電，亦可用逆變器變換為交流供給用戶），其簡要的系統圖如圖1。

2.2 風能密度
　　不考慮風力機械的利用系數，單位面積獲得的風功率稱為風能密度，并以此表征某地風能潛力的大小

W=0.5ρv3　　(W/m2)　　(1)

推動風力機械運轉的風能功率是

P1=0.5ρv3F　　(W)　　(2)

式中：ρ—空氣質量密度（kg/m3）；
　　　v—風速(m/s)；
　　　F—風力機械葉輪掃掠的面積(m2)
　　由于實際上風力機械不可能將槳葉旋轉的風能全部轉變為軸的機械能，因而風輪的實際功率應為

P=0.5ρv3FCP　　(W)　　(3)

式中：CP—風能利用系數，即風輪所接受風的動能與通過風輪掃掠面積F全部風的動能比值。
　　以水平軸風力機械為例，理論上最大風能利用系數為0．593左右，但再考慮到風速變化和槳葉空氣動力損失等因素，風能利用系數能達到0．4就相當高了。
　　風能密度有直接計算和概率計算兩種方法。近年來各國的風能計算中，大多采用概率計算中的韋泊爾（Weibull）分布來擬合風速頻率分布方法計算風能密度。
2.3 有效風速和有效風能密度
　　風力機械要根據當地的風況確定一個風速來設計的，該風速稱為“設計風速”或“額定風速”，它與“額定功率”相對應。由于風的隨機性的不穩定，風力機械不可能始終在額定風速下運行。因此風力機械就有一個工作風速范圍，即從切入風速到切出速度，稱為工作風速，即有效風速。依此計算的風能密度稱為有效風能密度。
　　根據國標GB8974-88風力機名詞術語的定義：
　　起動風速風力機風輪由靜止開始轉動并能連續運轉的最小風速；
　　切入風速風力機對額定負載開始有功率輸出時的最小風速；
　　切出風速由于調節器的作用使風力機對額定負載停止功率輸出的風速；
　　工作風速風力機對額定負載有功率輸出的風速范圍，一般為3～20m／s。
　　從定義上可以看出，低于起動風速，風力機不能運行，而高于切出風速，風力機如繼續在高風速下運行，將會嚴重損壞風力機，甚至造成人身事故，這尤其要引起人們的重視。

3 我國的風能資源
　　由于我國地形復雜，風的地區性差異很大，有必要將我國的風能資源的大體分布列出，以便于人們了解哪些地區有開發利用風能的潛力。
　　一般風能資源的潛力和特征用有效風能密度和可利用年積累小時數兩個指標表示，根據有關氣象資料，我國可利用風能地區有三個，即風能豐富區、較豐富區、可利用區，列表如下：

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