小型風力發電機介紹

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一、小型風力發電機的使用條件

小型風力發電機一般應在風力資源較豐富的地區使用。即年平均風速在3m／s以上，全年3-20m／s有效風速累計時數3000h以上；全年3-20m／s平均有效風能密度lOOW／m2以上。在選擇使用風力發電機時，要做到心中有數，避免盲目性，這樣才能充分地利用當地的風力資源，最大限度地發揮風力發電機的效率，取得較高的經濟效益。
　　應該指出的是，在風力資源豐富地區，最好選擇風機額定設計風速與當地最佳設計風速相吻合的風力發電機。如能做到這一點無論是從風力機的選擇上，還是利用風力資源的經濟意義上都有重要的意義。風洞試驗證明，風輪的轉換功率與風速的立方成正比，也就是說，風速對功率影響最大。例如，在當地最佳設計風速為6m／s的地區，安裝一臺額定設計風速為8m／s的風力發電機，結果其年額定輸出功率只達到原設計輸出功率的42％，也就是說，風力發電機額定輸出功率較設計值降低了58%。若選用的風力發電機額定設計風速越高，那么其額定功率輸出的效果就越加不理想。但也必須指出，風力發電機額定設計風速偏低，其風輪直徑、電機相對要增大，整機造價相應也就加大．從制造和產品的經濟意義上考慮都是不合算的。

二、小型風力發電執使用的一般要求

目前，小型風力發電機都采用蓄電池貯能，家用電器的用電都由蓄電池提供。所以，用電時總的原則是，蓄電池放電后能及時由風力發電機給以補充。也就是說，蓄電池充入的電量和用電器所需消耗的電量要大致相等(一般以日計算)。下面舉一例說明這一問題：某地區使用了一臺風力發電機，額定風速輸出功率為IOOW,假設，該地區某日相當于額定風速的風力吹刮時數連續為4h，則該風機日輸出并貯存到蓄電池里的能量為400Wh?？紤]到鉛蓄電池的轉換效率為70%，則用戶用電器實際可利用的能量280Wh。如果該用戶使用的電器有：
　　(1)15W燈泡兩只，使用4h，耗能為120Wh；
　　(2)35W電視機一臺，使用3h，耗能為105Wh；
　　(3)15W收錄機一臺，使用4h，耗能為60Wh。
　　以上總耗能為285Wh。
　　這樣，用電器日總耗能比風力發電機所能提供的能量超出了5Wh，也就是出現了所謂的“入不付出”用電；這種入不付出的用電，將會使蓄電池處在虧電的狀態下工作。如果經常長時間地這么用電，將會使蓄電池嚴重虧電而損壞，縮短其使用壽命。
上例，是假定風力發電機在額定風速狀擊下的用電情況，而實際上，由于風的多變性，間歇性，風既有大小的不同(風速)又有吹刮時間長短的不同(風頻)。所以，在使用用電器時要做到風況好時可適當多用電，風況差時少用電。這就需要用戶在使用時認真總結經驗。
　　另外，有條件的地區和用戶可備一臺千瓦級的柴油發電機組，當風況差的時候給蓄電池補充充電，做到蓄電池不間斷地供電。

三、小型風力發電機的合理配套

小型風力發電機發出的電能首先經過蓄電池貯存起來，然后再由蓄電池向用電器供電。所以，必須認真科學地考慮，風力發電機功率與蓄電池容量的合理匹配和靜風期貯能等問
題。目前，小型風力發電機與蓄電池容量一般都是按照輸入和輸出相等，或輸入大于輸出的原則進行匹配的。即：100W風力發電機匹配120Ah蓄電池(60Ah2塊)；200W風力發電機匹配120-180Ah蓄電池(60或90Ah2塊)；300W風力發電機匹配240Ah蓄電(120Ah2塊)；750W風力發電機匹配240Ah蓄電池(120Ah2塊)；1000W風力發電機匹配360Ah蓄電池（120Ah3塊）。
　　實踐證明：如果匹配的蓄電池容量不符合風力發電機發出能量的要求，將會產生下列問題：
　?。ǎ保┬铍姵厝萘窟^大時，風力發電機發出的能量不能保證及時地給蓄電池充足電，致使蓄電池經常處于虧電狀態?？s短蓄電池使用壽命。另外，蓄電池容量大，價格和使用費用隨之增大，給經濟上也造成不必要的浪費。
　?。ǎ玻┬铍姵厝萘窟^小時，會使蓄電池經常處于過充電狀態。如因充足電而停止風力發電機的工作會嚴重影響風機工作效率。蓄電池長期過充電將會使蓄電池早期損壞，縮短使用壽命。
　　另外，小型風力發電機的合理匹配，用電器的套配也是一項可忽視的內容。在選配用電器時也應按照蓄電池與風力發電機的匹配原則進行。即選配的用電器耗用的能量要與風力發電機輸出的能量相匹配。但應指出的是，匹配指標所強調是“能量”，不要混淆為功率。在選用用電器時，還必須注意電壓制的要求，目前，小型風力發電機配電箱上配有12V、24V和電視機專用插座，用戶使用時，要針對用電器所要求的電壓值選用相應的插座，電視機應專門插在電視機插座上。
　　如果使用的是交流用電設備，則必須備置能夠滿足其功率要求的“逆變器”將蓄電池的直流電轉變成電壓為220V，頻率為50Hz的交流電才能使用。

四、小型風力發電機安裝場址的選擇

小型風力發電機安裝場址的選擇非常重要。性能很高的風力發電機，假如沒有風，它也不會工作，而性能稍差一些的風力發電機，如果安裝場址選擇得好，也會使它充分發揮作用。關于小型風力發電機的選址條件包含著非常復雜的因素，美國等一些國家，特為此出版了有關風力機場址選擇的專著。原則上，在一年之中極強風及紊流少的地點應算最好，但有時很難選出這樣的地點。

場址選擇原則
1.場址應選擇風能豐富區前面己介紹，風力發電機安裝地點的年平 均風速越大越好，其大體上數字是：年平均風速3m／s以上，3-20m／s有效風速累計時效3000h以上，全年3一20m／s平均有效風能密度100W／m2以上。只要能滿足第一個條件，小型風力發電機在經濟上便可認為是合算的。
2.場址應具有較穩定的盛行風向。盛行風向是指出現頻率最高的風向，氣象上風向一般用16個方位表示(圖4-1)。

每個方位箭頭的長度和數字是該風向的平均風速，并可形象地繪制出風玫瑰（圖4-2）。

從風玫瑰圖中看出，盛行風向為西南風（平均風速11.7m／s）、南西南風(平均風11.5m／s)和東北風(平均風速5．9m／s)。我國是季風較強的國家，不同季節盛行風向還要變化。選址對希望盛行風向較穩定，便于考慮地形的有利影響。
3．風機高度范圍內“風切變”要小(風剪切要小) “風切變”是指短距離內風速、風向的較大變化。圖4-3所示為

平頂山脊頂的風切變，圖中的影區說明因氣流分離使風速下降，分離區上部為強切變區。風機如安在此影區，葉片將在不等速風中旋轉，葉片受載不均勻，降低性能，縮短風機使用壽命。所以風機應避開此強切變區，安在迎風坡上，或提高塔架。
　 應考慮氣象因素的影響

1） 紊流。所謂紊流是指氣流速度的急劇變化，包括風向的變化。通常這兩種因素混在一起出現。紊流能影響風力發電機功率的輸出，同時使整個裝置振動，損壞風機。小型紊流多數是因地面障礙物的影響而產生的，因此在安裝風力發電機時，必須躲開這種地區。

2） 極強風。海上風速可達30m／s以上，內陸有時也大于20m／s時稱為極強風。風力發電機的安裝場址當然要選擇風速大的地方，但在易出現極強風的地區使用風機，要求機組具有足夠的強度，一旦遇有極強風，風力發電機便成為被襲擊的對象

（3）結冰和粘雪。在山地和海陸交界處設置的風力發電機，容易結冰和粘雪。葉片一旦結了冰，其重量分布便會發生變化，同時翼形的改變，又會引起激烈的振動，甚至發生破壞。
（4）雷。因為風力發電機在沒有障礙物的平坦地區安裝得較高，所以經常發生雷擊事故，為此風機最好增設防雷裝置。
（5）鹽霧損害。在距海岸線10-15km以內的地區安裝風力發電機，必須采取防鹽霧損害的措施。因為鹽霧能腐蝕葉片等金屬部分，并且會破壞裝置內部的絕緣體。

(6) 塵砂。在塵砂多的地區，風力發電機葉片壽命明顯縮短。其防護的方法，通常是防止槳葉前緣的損傷，對前緣表面進行處理?？墒菈m砂有時也能侵入機械內部，使軸承和齒輪機構等機械零件受到破壞。在工廠區，空氣中浮游著的有害氣體，也會腐蝕風力機的金屬部分，應加以注意。

二，平坦地形的場址選擇
　　 根據能同時表示風向和風速關系的風玫瑰圖，如果在風向最多的上風側沒有障礙物，一般都可以認為這個地點為平地。所謂在平地上安裝風力發電機的情況，應考慮以下兩個條件： 
　?。?/span>1）以設置地點為中心，在半徑為1km的圓內，應沒有障礙物。

（2）假使有障礙物時，風力機的高度應為障礙物最高處高度的三倍以上，這個關系如圖4-4所示。此條件極為嚴格，但對小型風力發電機可以放寬些(例如也可以把半徑定為400m)。

三，山脊或山頂地形的場址選擇
　　山脊和山頂有自然的高塔作用，并且氣流隨著靠近山脊，由于風洞效應，氣流近似為流線而得到加速，能量也隨之增大。如圖4-5a所示?？墒?，風向和山脊構成的方向對風的加速有很大的影響，主風向和山脊構成的方向成直角的情況最理想。否則，隨地形風的加速作用逐漸變小。
　　圖4-5b表示了在理想山脊上風速的分布情況。風速通常在山脊的根部減到相當小，隨著往山頂移動而逐漸增大，到山頂最大。因而，安裝風力發電機時，如不是在山脊的中點以上，便不會得到增大風速的效果?？墒?，若山脊的后面正是風向引起紊流的地方

物上面或附近地形的場址選擇
　　雖然人們都希望把風力發電機安裝在平坦開闊地方的塔架上，但在住宅附近、城市中心及其周圍，有時，不得建在建筑物的上面。在這種情況下，必須了解建筑物對氣流有什么影響，使輸出功率發生什么變化。圖4-6反映了建筑物對氣流的影響，氣流在建筑物的后面會形成小的紊流，而在建筑物的周圍形成馬蹄形的氣流。在建筑物的上風側設置風力機時，至少也要保持具有建筑物高度2倍的間距；在下風側設置時，至少要離開建筑物高度10倍以上的間距；在建筑物上面設置時，風機高度必須使建筑物高度的2倍以上，如圖4-7所示。