小型风力发电机介绍

2019-04-08 17:21:14 福日太阳能

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一、小型风力发电机的使用条件

小型风力发电机一般应在风力资源较丰富的地区使用。即年平均风速在3ms以上,全年3-20ms有效风速累计时数3000h以上;全年3-20ms平均有效风能密度lOOWm2以上。在选择使用风力发电机时,要做到心中有数,避免盲目性,这样才能充分地利用当地的风力资源,最大限度地发挥风力发电机的效率,取得较高的经济效益。
  应该指出的是,在风力资源丰富地区,最好选择风机额定设计风速与当地最佳设计风速相吻合的风力发电机。如能做到这一点无论是从风力机的选择上,还是利用风力资源的经济意义上都有重要的意义。风洞试验证明,风轮的转换功率与风速的立方成正比,也就是说,风速对功率影响最大。例如,在当地最佳设计风速为6ms的地区,安装一台额定设计风速为8ms的风力发电机,结果其年额定输出功率只达到原设计输出功率的42%,也就是说,风力发电机额定输出功率较设计值降低了58%。若选用的风力发电机额定设计风速越高,那么其额定功率输出的效果就越加不理想。但也必须指出,风力发电机额定设计风速偏低,其风轮直径、电机相对要增大,整机造价相应也就加大.从制造和产品的经济意义上考虑都是不合算的。

二、小型风力发电执使用的一般要求

目前,小型风力发电机都采用蓄电池贮能,家用电器的用电都由蓄电池提供。所以,用电时总的原则是,蓄电池放电后能及时由风力发电机给以补充。也就是说,蓄电池充入的电量和用电器所需消耗的电量要大致相等(一般以日计算)。下面举一例说明这一问题:某地区使用了一台风力发电机,额定风速输出功率为IOOW,假设,该地区某日相当于额定风速的风力吹刮时数连续为4h,则该风机日输出并贮存到蓄电池里的能量为400Wh。考虑到铅蓄电池的转换效率为70%,则用户用电器实际可利用的能量280Wh。如果该用户使用的电器有:
  (1)15W灯泡两只,使用4h,耗能为120Wh
  (2)35W电视机一台,使用3h,耗能为105Wh
  (3)15W收录机一台,使用4h,耗能为60Wh
  以上总耗能为285Wh
  这样,用电器日总耗能比风力发电机所能提供的能量超出了5Wh,也就是出现了所谓的入不付出用电;这种入不付出的用电,将会使蓄电池处在亏电的状态下工作。如果经常长时间地这么用电,将会使蓄电池严重亏电而损坏,缩短其使用寿命。
上例,是假定风力发电机在额定风速状击下的用电情况,而实际上,由于风的多变性,间歇性,风既有大小的不同(风速)又有吹刮时间长短的不同(风频)。所以,在使用用电器时要做到风况好时可适当多用电,风况差时少用电。这就需要用户在使用时认真总结经验。
  另外,有条件的地区和用户可备一台千瓦级的柴油发电机组,当风况差的时候给蓄电池补充充电,做到蓄电池不间断地供电。

三、小型风力发电机的合理配套

小型风力发电机发出的电能首先经过蓄电池贮存起来,然后再由蓄电池向用电器供电。所以,必须认真科学地考虑,风力发电机功率与蓄电池容量的合理匹配和静风期贮能等问
题。目前,小型风力发电机与蓄电池容量一般都是按照输入和输出相等,或输入大于输出的原则进行匹配的。即:100W风力发电机匹配120Ah蓄电池(60Ah2)200W风力发电机匹配120-180Ah蓄电池(6090Ah2)300W风力发电机匹配240Ah蓄电(120Ah2)750W风力发电机匹配240Ah蓄电池(120Ah2)1000W风力发电机匹配360Ah蓄电池(120Ah3块)。
  实践证明:如果匹配的蓄电池容量不符合风力发电机发出能量的要求,将会产生下列问题:
  (1)蓄电池容量过大时,风力发电机发出的能量不能保证及时地给蓄电池充足电,致使蓄电池经常处于亏电状态。缩短蓄电池使用寿命。另外,蓄电池容量大,价格和使用费用随之增大,给经济上也造成不必要的浪费。
  (2)蓄电池容量过小时,会使蓄电池经常处于过充电状态。如因充足电而停止风力发电机的工作会严重影响风机工作效率。蓄电池长期过充电将会使蓄电池早期损坏,缩短使用寿命。
  另外,小型风力发电机的合理匹配,用电器的套配也是一项可忽视的内容。在选配用电器时也应按照蓄电池与风力发电机的匹配原则进行。即选配的用电器耗用的能量要与风力发电机输出的能量相匹配。但应指出的是,匹配指标所强调是能量,不要混淆为功率。在选用用电器时,还必须注意电压制的要求,目前,小型风力发电机配电箱上配有12V24V和电视机专用插座,用户使用时,要针对用电器所要求的电压值选用相应的插座,电视机应专门插在电视机插座上。
  如果使用的是交流用电设备,则必须备置能够满足其功率要求的逆变器将蓄电池的直流电转变成电压为220V,频率为50Hz的交流电才能使用。

四、小型风力发电机安装场址的选择

小型风力发电机安装场址的选择非常重要。性能很高的风力发电机,假如没有风,它也不会工作,而性能稍差一些的风力发电机,如果安装场址选择得好,也会使它充分发挥作用。关于小型风力发电机的选址条件包含着非常复杂的因素,美国等一些国家,特为此出版了有关风力机场址选择的专著。原则上,在一年之中极强风及紊流少的地点应算最好,但有时很难选出这样的地点。

场址选择原则
1.场址应选择风能丰富区前面己介绍,风力发电机安装地点的年平 均风速越大越好,其大体上数字是:年平均风速3ms以上,3-20ms有效风速累计时效3000h以上,全年320ms平均有效风能密度100Wm2以上。只要能满足第一个条件,小型风力发电机在经济上便可认为是合算的。
2.场址应具有较稳定的盛行风向。盛行风向是指出现频率最高的风向,气象上风向一般用16个方位表示(4-1)

每个方位箭头的长度和数字是该风向的平均风速,并可形象地绘制出风玫瑰(图4-2)。

从风玫瑰图中看出,盛行风向为西南风(平均风速11.7ms)、南西南风(平均风11.5ms)和东北风(平均风速59ms)。我国是季风较强的国家,不同季节盛行风向还要变化。选址对希望盛行风向较稳定,便于考虑地形的有利影响。
3.风机高度范围内风切变要小(风剪切要小) “风切变是指短距离内风速、风向的较大变化。图4-3所示为

平顶山脊顶的风切变,图中的影区说明因气流分离使风速下降,分离区上部为强切变区。风机如安在此影区,叶片将在不等速风中旋转,叶片受载不均匀,降低性能,缩短风机使用寿命。所以风机应避开此强切变区,安在迎风坡上,或提高塔架。
  应考虑气象因素的影响

1) 紊流。所谓紊流是指气流速度的急剧变化,包括风向的变化。通常这两种因素混在一起出现。紊流能影响风力发电机功率的输出,同时使整个装置振动,损坏风机。小型紊流多数是因地面障碍物的影响而产生的,因此在安装风力发电机时,必须躲开这种地区。

2) 极强风。海上风速可达30ms以上,内陆有时也大于20ms时称为极强风。风力发电机的安装场址当然要选择风速大的地方,但在易出现极强风的地区使用风机,要求机组具有足够的强度,一旦遇有极强风,风力发电机便成为被袭击的对象

(3)结冰和粘雪。在山地和海陆交界处设置的风力发电机,容易结冰和粘雪。叶片一旦结了冰,其重量分布便会发生变化,同时翼形的改变,又会引起激烈的振动,甚至发生破坏。
4)雷。因为风力发电机在没有障碍物的平坦地区安装得较高,所以经常发生雷击事故,为此风机最好增设防雷装置。
5)盐雾损害。在距海岸线10-15km以内的地区安装风力发电机,必须采取防盐雾损害的措施。因为盐雾能腐蚀叶片等金属部分,并且会破坏装置内部的绝缘体。

(6) 尘砂。在尘砂多的地区,风力发电机叶片寿命明显缩短。其防护的方法,通常是防止桨叶前缘的损伤,对前缘表面进行处理。可是尘砂有时也能侵入机械内部,使轴承和齿轮机构等机械零件受到破坏。在工厂区,空气中浮游着的有害气体,也会腐蚀风力机的金属部分,应加以注意。

二,平坦地形的场址选择
   根据能同时表示风向和风速关系的风玫瑰图,如果在风向最多的上风侧没有障碍物,一般都可以认为这个地点为平地。所谓在平地上安装风力发电机的情况,应考虑以下两个条件: 
  (1)以设置地点为中心,在半径为1km的圆内,应没有障碍物。

(2)假使有障碍物时,风力机的高度应为障碍物最高处高度的三倍以上,这个关系如图4-4所示。此条件极为严格,但对小型风力发电机可以放宽些(例如也可以把半径定为400m)

三,山脊或山顶地形的场址选择
  山脊和山顶有自然的高塔作用,并且气流随着靠近山脊,由于风洞效应,气流近似为流线而得到加速,能量也随之增大。如图4-5a所示。可是,风向和山脊构成的方向对风的加速有很大的影响,主风向和山脊构成的方向成直角的情况最理想。否则,随地形风的加速作用逐渐变小。
  图4-5b表示了在理想山脊上风速的分布情况。风速通常在山脊的根部减到相当小,随着往山顶移动而逐渐增大,到山顶最大。因而,安装风力发电机时,如不是在山脊的中点以上,便不会得到增大风速的效果。可是,若山脊的后面正是风向引起紊流的地方

物上面或附近地形的场址选择
  虽然人们都希望把风力发电机安装在平坦开阔地方的塔架上,但在住宅附近、城市中心及其周围,有时,不得建在建筑物的上面。在这种情况下,必须了解建筑物对气流有什么影响,使输出功率发生什么变化。图4-6反映了建筑物对气流的影响,气流在建筑物的后面会形成小的紊流,而在建筑物的周围形成马蹄形的气流。在建筑物的上风侧设置风力机时,至少也要保持具有建筑物高度2倍的间距;在下风侧设置时,至少要离开建筑物高度10倍以上的间距;在建筑物上面设置时,风机高度必须使建筑物高度的2倍以上,如图4-7所示。