風力發電原理

風力發電機 最 初 出 現 在 十 九 世 紀 末 自 二 十 世 紀 八 十 年 代 起 , 這 項 技 術 不 斷 發 展 並 日 漸 成 熟 , 適 合 工 業 應 用 。 近 二 三 十 年 , 典 型 的 風 力 發 電 機 的 風 輪 直 徑 不 斷 增 大 , 而 額 定 功 率 也 不 斷 提 升 。

 

在 二 十 一 世 紀 00 年 代 初 , 風 力 發 電 機 最 具 經 濟 效 益 的 額 定 輸 出 功 率 範 圍 在 600 千 瓦 至 750 千 瓦 之 間 , 而 風 輪 直 徑 則 在 40 米 至 47 米 之 間 。 當 時 所 有 制 造 商 都 有 生 產 這 類 風 力 發 電 機 。 新 一 代 的 兆 瓦 級 風 力 發 電 機 是 以 這 類 機 種 作 為 基 礎 發 展 出 來 的 。

 

二 零 零 七 年 初 , 有 一 些 制 造 商 開 始 生 產 額 定 功 率 為 幾 兆 瓦 而 風 輪 直 徑 達 到 約 90 米 的 風 力 發 電 機 ( 例 如 Vestas V90 3.0 兆 瓦 風 電 機 , Nordex N90 2.5 兆 瓦 風 電 機 等 等 ) , 甚 至 有 些 直 徑 達 100 米 ( 如 GE 3.6 兆 瓦 風 電 機 ) 。 這 些 大 型 風 力 發 電 機 主 要 市 場 是 歐 洲 。 在 歐 洲 , 適 合 風 電 的 地 段 日 漸 減 少 , 因 此 有 逼 切 性 安 裝 發 電 能 力 盡 量 高 的 風 力 發 電 機 。

 

另 一 類 更 大 型 的 為 海 上 應 用 而 設 計 的 風 力 發 電 機 , 已 經 完 成 設 計 並 制 成 原 型 機 。 例 如 RE Power 公 司 設 計 的 風 力 發 電 機 風 輪 直 徑 達 126 米 , 功 率 達 5 兆 瓦 。

 

1.風 的 功 率

風 的 能 量 指 的 是 風 的 動 能 。 特 定 質 量 的 空 氣 的 動 能 可 以 用 下 列 公 式 計 算 。

能 量 = 1/2 X 質 量 X ( 速 度 )^2

吹 過 特 定 面 積 的 風 的 的 功 率 可 以 用 下 列 公 式 計 算 。

功 率 = 1/2 X 空 氣 密 度 X 面 積 X ( 速 度 )^3

其 中 ,

功 率 單 位 為 瓦 特 ;
空 氣 密 度 單 位 為 千 克 / 立 方 米 ;
面 積 指 氣 流 橫 截 面 積 , 單 位 為 平 方 米 ;
速 度 單 位 為 米 / 秒 。

 

在 海 平 面 高 度 和 攝 氏 15 度 的 條 件 下 , 乾 空 氣 密 度 為 1.225 千 克 / 立 方 米 。 空 氣 密 度 隨 氣 壓 和 溫 度 而 變 。 隨 著 高 度 的 升 高 , 空 氣 密 度 也 會 下 降 。

 

於 上 述 公 式 中 可 以 看 出 , 風 的 功 率 與 速 度 的 三 次 方 〔 立 方 〕 成 正 比 , 並 與 風 輪 掃 掠 面 積 成 正 比 。 不 過 實 際 上 , 風 輪 只 能 提 取 風 的 能 量 中 的 一 部 分 , 而 非 全 部 。

 

2.風 力 發 電 機 的 工 作 原 理

現 代 風 力 發 電 機 采 用 空 氣 動 力 學 原 理 , 就 像 飛 機 的 機 翼 一 樣 。 風 並 非 " 推 " 動 風 輪 葉 片 , 而 是 吹 過 葉 片 形 成 葉 片 正 反 面 的 壓 差 , 這 種 壓 差 會 產 生 升 力 , 令 風 輪 旋 轉 並 不 斷 橫 切 風 流 。

 

風 力 發 電 機 的 風 輪 並 不 能 提 取 風 的 所 有 功 率 。 根 據 Betz 定 律 , 理 論 上 風 電 機 能 夠 提 取 的 最 大 功 率 , 是 風 的 功 率 的 59.6% 。 大 多 數 風 電 機 只 能 提 取 風 的 功 率 的 40% 或 者 更 少 。

 

風 力 發 電 機 主 要 包 含 三 部 分 ∶ 風 輪 、 機 艙 和 塔 杆 。 大 型 與 電 網 接 駁 的 風 力 發 電 機 的 最 常 見 的 結 構 , 是 橫 軸 式 三 葉 片 風 輪 , 並 安 裝 在 直 立 管 狀 塔 杆 上 。

 

風 輪 葉 片 由 複 合 材 料 制 造 。 不 像 小 型 風 力 發 電 機 , 大 型 風 電 機 的 風 輪 轉 動 相 當 慢 。 比 較 簡 單 的 風 力 發 電 機 是 采 用 固 定 速 度 的 。 通 常 采 用 兩 個 不 同 的 速 度 - 在 弱 風 下 用 低 速 和 在 強 風 下 用 高 速 。 這 些 定 速 風 電 機 的 感 應 式 異 步 發 電 機 能 夠 直 接 發 產 生 電 網 頻 率 的 交 流 電 。

 

比 較 新 型 的 設 計 一 般 是 可 變 速 的 ( 比 如 Vestas 公 司 的 V52-850 千 瓦 風 電 機 轉 速 為 每 分 鐘 14 轉 到 每 分 鐘 31.4 轉 ) 。 利 用 可 變 速 操 作 , 風 輪 的 空 氣 動 力 效 率 可 以 得 到 改 善 , 從 而 提 取 更 多 的 能 量 , 而 且 在 弱 風 情 況 下 噪 音 更 低 。 因 此 , 變 速 的 風 電 機 設 計 比 起 定 速 風 電 機 , 越 來 越 受 歡 迎 。機 艙 上 安 裝 的 感 測 器 探 測 風 向 , 透 過 轉 向 機 械 裝 置 令 機 艙 和 風 輪 自 動 轉 向 , 面 向 來 風 。

 

風 輪 的 旋 轉 運 動 通 過 齒 輪 變 速 箱 傳 送 到 機 艙 內 的 發 電 機 ( 如 果 沒 有 齒 輪 變 速 箱 則 直 接 傳 送 到 發 電 機 ) 。 在 風 電 工 業 中 , 配 有 變 速 箱 的 風 力 發 電 機 是 很 普 遍 的 。 不 過 , 為 風 電 機 而 設 計 的 多 極 直 接 驅 動 式 發 電 機 , 也 有 顯 著 的 發 展 。設 於 塔 底 的 變 壓 器 ( 或 者 有 些 設 於 機 艙 內 ) 可 提 升 發 電 機 的 電 壓 到 配 電 網 電 壓 ( 香 港 的 情 況 為 11 千 伏 ) 。

 

所 有 風 力 發 電 機 的 功 率 輸 出 是 隨 著 風 力 而 變 的 。 強 風 下 最 常 見 的 兩 種 限 制 功 率 輸 出 的 方 法 ( 從 而 限 制 風 輪 所 承 受 壓 力 ) 是 失 速 調 節 和 斜 角 調 節 。 使 用 失 速 調 節 的 風 電 機 , 超 過 額 定 風 速 的 強 風 會 導 致 通 過 業 片 的 氣 流 產 生 擾 流 , 令 風 輪 失 速 。 當 風 力 過 強 時 , 業 片 尾 部 制 動 裝 置 會 動 作 , 令 風 輪 剎 車 。 使 用 斜 角 調 節 的 風 電 機 , 每 片 葉 片 能 夠 以 縱 向 為 軸 而 旋 轉 , 葉 片 角 度 隨 著 風 速 不 同 而 轉 變 , 從 而 改 變 風 輪 的 空 氣 動 力 性 能 。 當 風 力 過 強 時 , 葉 片 轉 動 至 迎 氣 邊 緣 面 向 來 風 , 從 而 令 風 輪 剎 車 。

 

3.風 力 發 電 機 的 功 率 曲 線

在 風 速 很 低 的 時 候 , 風 電 機 風 輪 會 保 持 不 動 。 當 到 達 切 入 風 速 時 ( 通 常 每 秒 3 到 4 米 ) , 風 輪 開 始 旋 轉 並 牽 引 發 電 機 開 始 發 電 。 隨 著 風 力 越 來 越 強 , 輸 出 功 率 會 增 加 。 當 風 速 達 到 額 定 風 速 時 , 風 電 機 會 輸 出 其 額 定 功 率 。 之 後 輸 出 功 率 會 保 留 大 致 不 變 。 當 風 速 進 一 步 增 加 , 達 到 切 出 風 速 的 時 候 , 風 電 機 會 剎 車 , 不 再 輸 出 功 率 , 為 免 受 損 。

為 特 定 地 點 選 取 合 適 的 風 力 發 電 機 , 一 般 方 法 是 采 用 風 電 機 的 功 率 曲 線 和 該 地 點 的 風 力 資 料 以 進 行 產 電 量 估 算 。 。 ( 在 大 型 風 力 發 電 機 - 資 源 潛 力 部 分 有 更 多 相 關 資 訊 )

 

4.風 力 發 電 機 的 額 定 輸 出 功 率

風 力 發 電 機 的 額 定 輸 出 功 率 是 配 合 特 定 的 額 定 風 速 設 而 定 的 。 由 於 能 量 與 風 速 的 立 方 成 正 比 , 因 此 , 風 力 發 電 機 的 功 率 會 隨 風 速 變 化 會 很 大 。

 

同 樣 構 造 和 風 輪 直 徑 的 風 電 機 可 以 配 以 不 同 大 小 的 發 電 機 。 因 此 兩 座 同 樣 構 造 和 風 輪 直 徑 的 風 電 機 可 能 有 相 當 不 同 的 額 定 輸 出 功 率 值 , 這 取 決 於 它 的 設 計 是 配 合 強 風 地 帶 ( 配 較 大 型 發 電 機 ) 或 弱 風 地 帶 ( 配 較 小 型 發 電 機 ) 。

 

5.風 力 發 電 機 的 主 要 種 類

橫 軸 風 力 發 電 機 和 豎 軸 風 力 發 電 機

根 據 葉 片 固 定 軸 的 方 位 , 風 力 發 電 機 可 以 分 為 橫 軸 和 豎 軸 兩 類 。 橫 軸 式 風 電 機 工 作 時 轉 軸 方 向 與 風 向 一 致 , 豎 軸 式 風 電 機 轉 軸 方 向 與 風 向 成 直 角 。橫 軸 式 風 電 機 通 常 需 要 不 停 地 變 向 以 保 持 與 風 向 一 致 。 而 豎 軸 式 風 電 機 則 不 必 如 此 , 因 為 它 可 以 收 集 不 同 來 向 的 風 能 。逆 風 風 電 機 是 一 種 風 輪 面 向 來 風 的 橫 軸 式 風 電 機 。 而 對 於 順 風 風 電 機 , 來 風 是 從 風 輪 的 背 後 吹 來 。 大 多 數 的 風 力 發 電 機 是 逆 風 式 的 。

單 葉 片 、 雙 葉 片 和 三 葉 片 風 力 發 電 機

葉 片 的 數 目 由 很 多 因 素 決 定 , 其 中 包 括 空 氣 動 力 效 率 、 複 雜 度 、 成 本 、 噪 音 、 美 學 要 求 等 等 。 大 型 風 力 發 電 機 可 由 1 、 2 或 者 3 片 葉 片 構 成 。葉 片 較 少 的 風 力 發 電 機 通 常 需 要 更 高 的 轉 速 以 提 取 風 中 的 能 量 , 因 此 噪 音 比 較 大 。 而 如 果 葉 片 太 多 , 它 們 之 間 會 相 互 作 用 而 降 低 系 統 效 率 。 目 前 3 葉 片 風 電 機 是 主 流 。 從 美 學 角 度 上 看 , 3 葉 片 的 風 電 機 看 上 去 較 為 平 衡 和 美 觀 。

 

6.岸 上 風 電 場

岸 上 風 電 系 統 可 以 是 僅 有 一 台 風 電 機 , 或 者 由 多 台 風 電 機 器 線 性 排 列 或 方 陣 排 列 形 成 風 電 場 。風 電 場 的 風 力 發 電 機 相 互 之 間 需 要 有 足 夠 的 距 離 , 以 免 造 成 過 強 的 湍 流 相 互 影 響 , 或 由 於 " 尾 流 效 應 " 而 嚴 重 減 低 後 排 風 電 機 的 功 率 輸 出 。為 了 配 合 運 送 大 型 設 備 ( 特 別 是 葉 片 ) 到 安 裝 現 場 , 須 要 建 設 道 路 。 另 外 亦 須 要 建 設 輸 電 線 , 把 風 電 場 的 輸 出 連 接 到 電 網 接 入 點 。

 

7.世 界 各 地 的 風 力 發 電 裝 置

到 2005 年 底 , 世 界 總 風 力 發 電 裝 機 容 量 達 58 千 兆 瓦 。 德 國 、 西 班 牙 、 美 國 、 印 度 和 丹 麥 是 以 風 力 發 電 裝 機 容 量 來 算 前 幾 名 的 國 家 。 在 丹 麥 , 風 能 發 電 提 供 該 國 總 用 電 量 的 20 % 。 香 港 第 一 台 大 型 風 力 發 電 機 是 由 香 港 電 燈 集 團 於 2005 年 末 安 裝 在 南 丫 島 上 , 並 於 2006 年 二 月 正 式 啟 用 。 該 機 額 定 輸 出 功 率 為 800 千 瓦 。

 

風 能 是 可 再 生 能 源 發 展 中 最 快 的 部 分 。 由 1995 年 到 2005 年 之 間 的 年 增 長 率 為 28.5 % 。 根 據 德 國 風 能 會 ( DEWI ) 的 估 計 , 風 能 發 電 的 年 增 長 率 將 保 持 高 增 長 率 , 在 2012 年 或 之 前 全 球 風 力 發 電 裝 機 容 量 可 能 達 到 150 千 兆 瓦 。

 

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