专栏/为什么风力发电机转得那么慢还能发电？转一圈，到底能发多少度电？2021年07月16日 08:42--浏览 ·
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--评论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。位于丹麦的V164，高达220米，上面安装有3个巨型叶片，每个叶片长达80米。一天24小时能发电26万度，足够满足数百户家庭1个月的用电量。关于这个发电量，好多人都有疑问，风机转得这么慢能发电吗，发电量真的有那么多吗？其实，风机叶片转速慢的原因很简单，这跟自身的重量以及风速有很大关系。越大型的风机，叶片越长，重量越大，转得越慢。1.5兆瓦风机叶片重约6吨，是0.75兆瓦风机叶片的1.8倍，但每分钟才转18圈，只有0.75兆瓦风机的3/4。但风速越快，风机转得越快。1.5兆瓦风机在风速达到3米每秒时，就可以通过转动齿轮提高转速，从而带动发电机发电。那么，风机叶片转速能不能随着风速的增加而无限增大呢？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。因此，每种型号的风机都有最大转速。当风速过快时，就需要后台操作电脑，停止运行风机，减少自身惯性带来的破坏和磨损。这就相当于两辆相同的汽车，一辆速度是30千米每小时，一个200千米每小时，哪个刹车更容易一个道理。所以，扇叶转动慢能更有效保护风机不受伤害。事实上，风机发电量不取决于叶片旋转的快慢。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。比如，1.5兆瓦风机在满功率发电的情况下，一小时能发1500度电。以一个三口之家在夏季高峰季平均每天用30度电计算，差不多能用50天。风力发电机结构机舱:机舱包容着风力发电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。维护人员可以通过风力发电机塔进入机舱。机舱左端是风力发电机转子，即转子叶片及轴。转子叶片:捉获风，并将风力传送到转子轴心。现代600千瓦风力发电机上，每个转子叶片的测量长度大约为20米，而且被设计得很象飞机的机翼。轴心:转子轴心附着在风力发电机的低速轴上。低速轴:风力发电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。在现代600千瓦风力发电机上，转子转速相当慢，大约为19至30转每分钟。轴中有用于液压系统的导管，来激发空气动力闸的运行。齿轮箱:齿轮箱左边是低速轴，它可以将高速轴的转速提高至低速轴的50倍。高速轴及其机械闸:高速轴以1500转每分钟运转，并驱动发电机。它装备有紧急机械闸，用于空气动力闸失效时，或风力发电机被维修时。发电机:通常被称为感应电机或异步发电机。在现代风力发电机上，最大电力输出通常为500至1500千瓦。偏航装置:借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。图中显示了风力发电机偏航。通常，在风改变其方向时，风力发电机一次只会偏转几度。电子控制器:包含一台不断监控风力发电机状态的计算机，并控制偏航装置。为防止任何故障(即齿轮箱或发电机的过热)，该控制器可以自动停止风力发电机的转动，并通过电话调制解调器来呼叫风力发电机操作员。液压系统:用于重置风力发电机的空气动力闸。电力生产；电力销售；工厂；幕墙；别墅；自建房；鱼塘；屋顶；地面光伏发电咨询；EPC工程总承包；投资；工程管理。咨询：156-2688-0095冷却元件:包含一个风扇，用于冷却发电机。此外，它包含一个油冷却元件，用于冷却齿轮箱内的油。一些风力发电机具有水冷发电机。塔:风力发电机塔载有机舱及转子。通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速越大。现代600千瓦风汽轮机的塔高为40至60米。它可以为管状的塔，也可以是格子状的塔。管状的塔对于维修人员更为安全，因为他们可以通过内部的梯子到达塔顶。格状的塔的优点在于它比较便宜。风速计及风向标:用于测量风速及风向。尾舵:常见于水平轴上风向的小型风力发电机(一般在10KW及以下)。位于回转体后方，与回转体相连。主要作用一为调节风机转向，使风机正对风向。作用二是在大风风况的情况下使风力机机头偏离风向，以达到降低转速，保护风机的作用。以1.5兆瓦的风机机组为例叶片就有35米长(相当于15层楼高)风机整体高度达到75米风车每转动一圈扫风面积可达5300平方米相当于13个标准篮球场那么大一般风速达到3m/s风车就可以旋转发电当风速达到25m/s风车为了保护自身安全会收桨停机1.5兆瓦机组的叶片每转动一圈可以产生约1.4度电它一天的发电量可以供15个家庭使用一年叶片的旋转速度比风扇慢很多平均4~5秒转一圈本文禁止转载或摘编------0}

一个热动专业的，不得不从高中电磁学开始复习，零基础学习发电机。以下内容是我的学习笔记。学习中收集的视频资料都在下面的链接中，有需要的自取。抛开复杂的公式，我利用高中物理，对同步、异步、有功、无功、励磁等概念建立了初步的认识。但这种认识是浅薄的，希望大神能够批评指正。继续努力学习吧。1. 交流电、直流电、滑环、碳刷闭合电路，切割磁感线，感应电流，灯泡发光（高中物理）。问题在于，下面这张图，如何避免导线在旋转过程中纠缠在一起？附件“交流AC直流DC发电机工作原理”视频截图答案是加上滑环（slip rings）和碳刷（carbon brushes），另外把切割磁感线的线圈中与滑环接触的部分变成“一长一短”，分别与两个滑环连接。灯泡接收到了交流电（AC，Alternating Current）。这张图高中物理书上画的很明白，只不过当初从未留心观察思考。附件“交流AC直流DC发电机工作原理”视频截图但是，有刷发电机存在一个缺点，可以形象的理解为，运行过程中，呲呲冒火星（也就是损耗高，效率低，碳刷要经常更换）。附件“无刷直流电机的工作原理”视频截图，需要注意，我没找到有刷发电机的结构视频，动图中显示的是一台有刷电动机因此，我们需要造一台无刷发电机（brushless generator）。但是问题来了，导线圆周运动切割磁感线的过程中，一直在不停的转动。如何才能不用电刷就对外输出电流呢？答案是，把导线固定，让磁铁转动。感应电流经导线直接流出，无需安装滑环和电刷。附件“三相电”至此，第一阶段学习完成。不过有一个小问题，既然导线旋转切割磁感线，产生的是交流电，那爱迪生的直流（DC，Direct Current）发电机是怎么做出来的呢？答案是，他没用滑环，用的是换向器（commutator，split rings，一个环，中间劈开两半）。用高中的右手定则比划一下就明白了，灯泡外电路感受到的是永远直流电。至于交流和直流的对比说明，这位答主解答的非常详细。附件“交流AC直流DC发电机工作原理”视频截图2. 有功功率、无功功率、电感、励磁这里是难点。我是热动专业的，电气零基础。因此，以下理解，全部基于高中三角函数知识和电路知识。如果有错误，希望大神指出。想真正学会，一定要耐心学习《电路原理》。首先，正弦交流电的数学表达式和图形如下，幅值、角频率和初相位是构成三角函数的三要素，同样也是交流电的三要素。如果我是一个白炽灯（纯电阻原件），那我看到的世界是这样的：电压和电流，同时来到了我的身边。在图形上表现为，电流和电压没有相位差。如果我是一个电容，世界变成了这个样子：电流先来到了我的身边，帮我在两个极板上积累电荷，达到一定程度后，我有了相应的电压。在图形上表现为，容抗的存在使电流领先电压。电感是什么？一个缠绕了导线的铁芯，就构成了一个电感。电感世界中，电流和电压的先后顺序，可以用下面图中变压器的工作原理来解释。左侧的交变电流，在铁心中感应出了变化的磁场；变化的磁场又在右侧线圈中产生感应电动势；右侧回路如果闭合，就会有感应电流。在图形上表现为，感抗的存在使电流落后电压。（电磁感应定律的关键，在于一个“变”字。直流电为什么不能变压，因为直流电不能感应出“变化的”磁场）附件：“变压器的工作原理”于是，现实世界中，电流和电压是有先后顺序的。这个先后顺序，就是理解无功功率的基础。还是以变压器为例，传输过来的总功率S=UI（电流乘电压）要被分为两部分，一部分Q=UIsinφ“先”用于建立磁场，另一部分P=UIcosφ才是“后续”电路实际消耗的。S，P，Q三者构成了功率三角形，其中S为视在功率，Q为无功功率，P为有功功率。cosφ即为功率因数，提高cosφ即为无功补偿。懵逼了，对不？我学到这里也懵了。但是，下面这张图又使我清醒了。前面，我们提到无刷发电机，导线固定（定子），磁铁旋转（转子）。磁铁可以是永磁铁(Permanent magnet)，也可以替换成一个“被缠绕了线圈的铁芯”。而一个缠绕了线圈的铁芯，就构成了一个电感。对一个电感通电，使“铁芯”变为“磁铁”的过程，即为“励磁”（excitation）。因此，发电机的工作，也是有先后顺序的，先励磁，后发电。励磁，对应着无功；发电，对应着有功。附件：发电机励磁第二阶段结束。还有一个小问题，之前不是说，碳刷有缺点吗，但上面的动图里，励磁系统为什么又用到碳刷了呢？这与励磁系统的形式有关，下面再讨论吧。另外，技术没有绝对的好坏。如果一项被抛弃的技术又重新回归，只能说明科学家和工程师克服了该技术原有的缺点，并且充分利用了其优点。工程设计方案优化，就是一个扬长避短的过程。3. 磁极对数磁极是啥？就是是中间旋转的那个。可以是永磁，也可以是励磁。外面的定子绕线，无论接的有多复杂，其目的，只是为了输出三相电。附件“三相电”中间旋转的，可以是1对磁极（2极，一个N，一个S），可以是2对、三对、很多对……磁极对数p与转子转速n的关系如下，其中，f为电网工频。对于我国，f为50Hz。n=60f/p 汽轮发电机，磁极对数很少，一般为1、2对，所以它的转速很高，为3000r/min或1500r/min。风机的磁极对数相当多，所以他的转速很低，每分钟十几转。汽轮发电机可以降低转速吗？转那么快干啥，多危险。答案是不行。因为锅炉产生的高温高压蒸汽，流速远高于自然界的风速，且能量大（水蒸气焓值高）。因此原动机（汽轮机）必须用高转速来适应高流速、高能量的蒸汽（汽轮机原理）。风电的原动机是风机叶轮，原动力是自然界的风，它就是想快点转，也不可能。4. 同步发电机，励磁系统以上介绍的，全是同步发电机。或者说，我们在高中阶段学的交流电原理，是按照同步发电机的原理论述的。所谓“同步”（synchronous），指的是“转子的转速n”和“对电网输出的电力的频率f”之间，存在一个明确的、锁定的关系，也即上文“3. 磁极对数”中的公式：n=60f/p 同步发电机的励磁方式主要有：（1）永磁同步发电机。转子是一块永磁铁，不需要励磁，直接发电就行了。缺点是什么？先看一下高中感应电动势的公式： e=nBS\omega sin\omega t 。如果励磁，那磁场强度B就是励磁电流I的函数 B=f(I) 。随励磁电流的变化，B的大小可调，因而感应电动势可调。然而，永磁铁的磁场强度B很难调整，因而在运行过程中调节困难。附件：发电机励磁（2）直流励磁。用“滑环”和“碳刷”将外部直流电接入转子上的励磁绕组（绕组就是线圈）进行励磁。优点是成本低，缺点是维护工作量大。因此，小型同步发电机中采用的较多。附件：发电机励磁（3）无刷励磁。为了取消滑环和碳刷，必须将电流在定子侧接通。将励磁机和同步发电机放在一根转轴上。首先，向位于励磁机定子侧的励磁绕组通入小电流三相电，励磁机电枢（电枢就是导线）随主轴转动切割磁感线，产生感应交流电；经整流器变为直流电；直流电再对同步发电机的励磁绕组励磁；最后完成对外发电。转子侧的设备都安装在同一根转轴上，没有相对运动，交流和直流线路直接与相应的设备相连即可。自己画的框图，删除了电气设备符号附件：Generator Excitation system _ Brushless generator _ types of excitation system Shunt , PMG （4）带副励磁机的无刷励磁。传统的无刷励磁还需要外界输入三相电。副励磁机的存在，可以使发电机励磁彻底摆脱外电源。所谓副励磁机（pilot exciter），就是一个小型永磁发电机。自己画的框图，删除了电气设备符号附件：Brushless alternator working at Basic Electrical Learning附件：Generator Excitation system _ Brushless generator _ types of excitation system Shunt , PMG （5）静止励磁（static excitation）。励磁功率取自发电机出口的交流电，经静止换流器整流为直流后，再通过滑环和电刷输入到发电机转子励磁绕组的励磁方式。附件：Static excitation ( alternator)5. 鼠笼异步发电机风电中常见的异步发电机有两种：双馈异步发电机（DFIG，Double-Fed Induction Generator，转子为绕线型）、鼠笼异步发电机（笼式异步发电机，SCIG，Squirrel-Cage Induction Generator，转子为鼠笼结构）那何为异步（asynchronous）呢？回顾一下高中物理，问自己这样一个问题：对于一个“被缠绕了线圈的铁芯”（也就是转子），有几种办法让它变成一块磁铁（完成励磁）？方法一：通电。也就是上述同步发电机的做法。方法二：电磁感应（Electromagnetic induction）。下图是金属探测器的工作原理，利用高中电磁感应定律就能看明白。异步发电机的转子，就是通过电磁感应的方式进行励磁。附件：3分钟带你了解金属探测器原理把图中的金属块，换成一个“被缠绕了线圈的铁芯”（也就是转子）。首先，发电机的定子与电网相连，通入50Hz的三相交变电流，感应出变化的磁场B1；其次，转子线圈中就会像上图中的金属块一样，感应出磁场B2，也即完成了对转子的励磁；最后，励磁后的转子旋转，使得定子线圈切割B2磁场的磁感线，产生感应电流，对外发电。有两个小问题：①转子电路要闭合，不然不会有感应电流；②转子铁芯不能浑然一块，而是要用彼此绝缘的、薄薄的硅钢片叠成，降低因电涡流导致的铁芯发热损失。定子铁芯同理。下图是笼式异步发电机的工作步骤。第一步，对定子通入三相交流电（来自电网），定子会形成一个等效的旋转磁场。附件：How does an Induction Motor work。注意，视频中说的是电动机，我没找到发电机的视频，但是二者原理是一致的。第二步，由于定子磁场不断旋转，因而被风机驱动的转子内的磁通量发生了变化，从而产生了感应电流，并进一步生成了感应磁场。附件：How does an Induction Motor work。这张图是“电动机”而非“发电机”的动图，不过二者结构相似。笼式异步发电机的转子形式发生了变化，由铁芯和转子导条组成。对于“发电机”，“转子的转速”应当比“定子磁场转速”快。而图中是“电动机”，“转子的转速”比“定子磁场转速”慢。第三步，定子绕组切割转子感应出的磁感线，对外发电。需要说明的是：（1）定子绕组，在启动时引入三相电，通过电磁感应的方式对转子励磁。发电状态下，通过定子绕组再对外输出电能。由于输出的也是三相电，因此定子绕组时刻会形成一个旋转的磁场。同时，这也表明，如果转子的转速与旋转磁场的转速相同（同步），则转子内磁通量不变，就不会有感应电流了。因此，二者转速必须不一致，也就是“异步”。（2）启动不一定需要外电网，也可以接电容器。（3）如果转子转速低于同步转速，则会处于电动机状态，风力发电系统经适当延时后会脱网。（4）应当深入学习，分析异步发电机的电磁转矩-转速特性曲线。（5）鼠笼式异步发电机，不能产生无功，而是要时刻消耗无功，以维持其定子磁场。6. 双馈异步发电机双馈异步发电机（DFIG），发电机定子接电网，转子接交流励磁变换器，定子转子都参与馈电（向电网送电），所以叫双馈。DFIG兼具同步和异步电机的特性，又可以叫做“交流励磁同步发电机”、“同步感应发电机”、“异步化同步发电机”。开发这款发电机的目的：实现风机的变速恒频发电。风机转速随自然界的风速不断变化，但这款发电机可以输出恒频电能，并且可实现最大风能追踪所需要的变速恒频运行。 通过高中物理，已知切割磁感线产生的感应电动势为e=nBS\omega sin\omega t 。e的频率与转子转速相关，准确的说是与转子上的磁场转速相关。以上所有的同步发电机、鼠笼异步发电机，在转子转速与转子上的磁场转速是绑定的，如果想实现恒频发电，必须配备全功率变化器。有没有办法使“转子转速”与“转子上的磁场转速”不直接相关，二者分离？答案是，对转子进行交流励磁。DFIG的三种运行状态（具体的公式在所有讲解双馈发电机的教材中均有详细论证）：（1）亚同步，电网向转子输入“转差功率”；（2）超同步，转子向电网输出“转差功率”，也就是转子也能馈电；由于转子也要输出三相电，因此转子绕线的接法要符合三相电的要求，这与以上发电机都不一样。（3）同步，励磁变换器向转子提供直流励磁，DIFG变成了同步发电机。还有一种无刷双馈异步发电机（brushless DFIG），取消了碳刷与滑环。想要取消这两样东西，那励磁就必须从定子侧开始。于是，这种BDFIG的定子侧有两组独立的绕组，一组用于励磁，一组用于发电。附件：sustainability-13-00842-v3附件：Coupling electromagnetic (FE) models to multidomain simulator to analyse eletrical drives and complex control systems}