风力机介绍

风力机介绍

本期专栏简单介绍一下(复杂了我也不懂)风力机整体结构和原理,以及目前风力发电机的种类,以看图的形式为主介绍风力机(毕竟空气动力学什么的完全不懂,大家看明白了就好)。

首先想到风力发电,我们看一下小时候大家都折过的…大风车,以及荷兰的标志…风车磨坊

河南(划掉),荷兰风车,和郁金香齐名的标志

当然了,我们现在能见到的风力机,大多数都是这个样子的...

高高的杆塔和三根尖尖的叶片,这是我们常见的风机(如果你家在荒郊野外或三北地区)

所以当然会有同学问:这么尖尖的叶片会漏风么,你看那又宽又粗的叶片会不会更有效啊,这里就和风能实度的概念有关了,为什么尖尖叶片不仅体积小(所以便宜),而且效率很高,可以看这里:为什么风力发电机的扇叶那么窄?不会很多风能被漏掉?总的来说,目前的叶片设计从经济性到实用性考虑的都非常全面,三根尖尖的叶片不仅漂亮,而且功能强大(和你的小米手机一样)

那常见的风力发电机内部的结构又是什么样子呢,可以参考下面这张图:

内部结构透视图 1:叶片;2:整流罩;3:轮毂;4:主轴承座;5:主轴;6:变速齿轮箱;7:主控制柜;8:发电机;9:风速风向仪;10:机舱底盘及偏航电机

应该比各位想象中还是...复杂不少的,毕竟这风机整体控制比较麻烦,轮毂结构上有改变叶片转动角度的桨距角调节电机;电机通过齿轮变速箱和主轴连接(非直驱结构);底盘上还有偏航调节电机,当风向改变时调整机舱方向对风;尾巴上那个是风速风向仪。

当然还有另外一种结构(虽然在外表上看不出太大差别),就是没有齿轮箱的直驱结构,像下面这个样子:

直驱型风机内部透视图 1:叶片;2:轮毂;3:变桨系统;4:发电机;5:测风系统;6:偏航系统;7:底座;8:主轴承;9:散热系统;10:提升机

相比较于上面的非直驱方案,最大的特点就是没有了传动增速齿轮箱的存在,从而使得传动可靠性得到了有效提高。此方案采用的是永磁同步电机方案,通过较多的极对数实现了机械转速较低下(多达90极或以上),但同时电机尺寸也会增大;与变桨非直驱的双馈方案相比,其并网变流器容量和发电机一样,而双馈励磁变流器容量仅为发电机额定容量1/3左右,造成变流器上升(两种方案互有优劣,后面有空做相对详细介绍)

现在暂时抛开风力发电机复杂的电气和传动机械系统,我们看看将风能转化为机械能的风力机除了这种三根细叶片的造型,还可以长成什么样子...

首先是对于常见的小型风机,很多采取多叶片的方案,包括四叶片或者更多,像这样:

小型风机往往工作在低风速下,采取更多叶片方案可以在更低风速下启动

但无论叶片多少,这种风轮垂直于风向的水平轴方向的风机都不可避免需要面对一个问题——对风,也就是风向变化时需要改变风机水平角度,才能获得最大风能(也是上面大型机组偏航系统的作用)。于是乎表示不屑工程师做了下面这种结构的风机:

达里厄(Darrieus)风力发电机,1931年由法国工程师G.J.M.Darrieus发明,垂直轴风力机的代表

这种绕着垂直安装轴做转圈圈运动的就是垂直轴风力机,按照原理还可以将其分为升力型和阻力型两种,而根据形状也有φ型,△型,H型等多种。除开无需对风的优点外,垂直轴风机叶尖速比低从而具有较小的噪音;而其帅气又科幻的外表自然吸引一众颜粉...当然,这么帅气的外表依旧不常见,必然是因为它存在比较致命的几个问题:一是风能利用率相对较低,很多在理想情况下达不到40%;另外其启动性能差,上图的达里厄风机甚至完全没有启动能力。所以目前这种风机采用的较少,但大家可能有机会看到H型小型垂直轴风机。

随着风能开发利用力度不断增大,为了捕获更多风能,目前风力发电机轮毂高度也不断上升,从60m到80m再到100甚至往上。越来越高的杆塔不仅贵而且安装麻烦,于是乎有人想到了另一个方法——把风机安装在气球上飞上去,岂不美哉?于是乎大家看到题图中动画超能陆战队中出现的大鲤鱼风机,其概念就借鉴自Altaeros能源设计的高空风机方案:

Altaeros设计的高空漂浮风机(Buoyant Airborne Turbine,BAT,非常有中国互联网特色的名字),公司是麻省理工和哈佛校友成立的(有钱人就是会玩)

通过外壳的氦气气球这个大甜甜圈就可以飞上天发电了,高空风能能量密度更大使得风力机尺寸可以减小,同时不需要杆塔(我觉得这个可以当成风筝到处放着玩,哪里风大放哪里)。当然这个目前处于试验性质的方案也有很多问题还需要解决,但其商业化未来被大家看好。

上面介绍的无论是垂直轴还是大气球,说白了还是要涡轮桨转起来的方案。但唐僧说了:转起来就有可能打到人,打不到人的话打到飞的小鸟也不好,所以有人就提出来了不用转的风机,他们长这样:

Vortex Bladeless方案,风机外形设计和国内娱乐圈发展方向一致——长得帅是关键

这种酷炫吊炸天方案的原理来自卡门涡街(是的你一定没听过),大名鼎鼎的冯卡门(钱学森老师)发现了该现象并加以研究,同时这个现象造成一起惨案大家一定有所耳闻:塔科马吊桥坍塌事故:[原创] 诡异的卡门涡街与离奇的塔科马吊桥灾难(2/2),由卡门涡街和桥梁结构本身固有频率耦合共振造成了这起事故。同样的,利用卡门涡街现象来让锥体能尽可能产生最大值振荡,就可以实现无叶片发电,省去了叶片节省成本、不伤害飞鸟、占地面积小以及...长得帅的优势,让这种方案也得到了很大的关注度。当然,这种试验性质的方案究竟是否真的更环境友好并在商业上成功,还有待进一步观察~

以上简单介绍了几种风力机,因为本人连空气动力学都没看过所以全部内容都是网上搜搜找找看到的,请各位看官多多指点~

最后欢迎大家留言,收藏以及关注~

发布于 2018-04-01

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    介绍内容包含风力资源的分布,风力发电技术现状及并网影响。不定期更新,争取多带来一点干货,也欢迎各位交流指教~