小型風力發電機發電能力的研究

翟曉霞

（大唐新疆清潔能源有限公司，新疆 烏魯木齊830000）

1 概述

由于化石燃料資源有限，并且這些資源容易引起環境問題，如空氣污染和溫室效應等，因此通過可再生能源滿足能源需求就顯得非常重要。風能既是一種本地資源，又清潔、環保，因此通過風能滿足能源需求的重要性日益凸顯[1-3]。同時，就使用率和技術而言，風能是發展最快的可再生能源之一。而風力發電機能否高效應用的重要因素是有無一定強度的風的存在，風力發電機產生的電能多少也取決于單位時間內風速[4-5]。

根據發出功率不同，風力發電機可以分為大功率風機（>1MW）、中功率風機（40kW-1MW）和小功率風機（<40kW），大功率風力發電機直接用于并網發電，而小功率風力發電機則用于產生本地使用的電能，風速對風力發電能力和運行特性有影響。通常，大型渦輪機開始以3-4m/s 的風速旋轉，并以約15m/s的風速達到最大功率。如果小功率風力發電機需要旋轉，風速至少要達到2m/s，小型風力發電機可用于滿足房屋、農舍、遠離電網和船只的居民點等。此外，小型風力發電機可能有助于支持電網電力并減少對電網的依賴。

在應用中通常使用兩種類型的風力發電機，即水平軸風力發電機（HAWT）和垂直軸風力發電機（VAWT）。HAWT 通常用于發電，用于發電的風力發電機的尺寸和類型各不相同，通常分類為小型風力發電機（SWT）和大型風力發電機（LWT）。LWT安裝在風電場中，產生的能量供應到電網，STW 是針對個人使用的系統。通常選擇小型風力發電機供本地使用，如果小型風力發電機產生的電力少于100kw，通常會獨立于電網安裝。小型風力發電機需要的風速較低，成本也低，易于維護。為了確定和提高風力發電機的效率，已經進行了各種數值和風洞模擬研究。然而，這些研究通常針對大型風力發電機，而關于小型風力發電機應用的研究很少。在小型風輪機相關的研究中，以低風速增加能源產量的研究已成為重要課題。

本研究中，根據新疆某地平均風速數據，研究了小型風力發電機的發電能力影響因素。另外，為了觀察渦輪機安裝高度對風速的影響，計算了不同安裝高度下的風速，并觀察了這些值對設計的小型風力發電機的發電能力的影響。

2 部件及方法

2.1 風力發電機

風力發電機主要由葉片、塔架、機體、軸、偏航和變槳機構、齒輪箱、發電機、控制單元等部分組成。HAWT 和VAWT 這兩種風力發電機用于從風能中產生電能。這兩個渦輪之間的區別在于葉片的形狀和效率。根據不同情況選擇合適類型的風力發電機應用在不同的風速和領域。HAWT 是大型風電場中最常用的風力發電機，VAWT 更適合本地應用，基本形狀如圖1 所示。在HAWT 中，葉片垂直于風向，旋轉軸平行于風向。轉子葉片數量越少，轉子旋轉得越快，這類渦輪機的效率約為45%，如今，HAWT 的技術不斷發展，已廣泛用于電能生產中。VAWT 中渦輪軸垂直于的風向，這些渦輪機的效率約為35%，這類風力發電機的功率系數小于0.15，因此，它們不是用于發電的首選。

圖1 風機類型

在HAWT 中，發電機將葉片的機械能轉換為定子和轉子之間的電能，主軸承載葉片，葉片將風能轉換為機械能。機艙是一種安全裝置，包括風輪機中的所有發電組件，包括齒輪箱、傳動系統、制動器組件和發電機。風力發電機塔架等示意圖如圖2所示。

圖2 風力發電機主要部件圖

大型風力發電機在極低的風速下，風葉不會旋轉。但是，只要風速增加，風力發電機就會開始旋轉并發電。當渦輪機開始旋轉并發電時，其切入速度約為3m/s 和4m/s 之間，當風速超過切入速度時，輸出功率迅速增加，如圖3 所示。輸出功率在發電機的速度12m/s 和17m/s 之間的某值時會達到極值。在小型風力發電機中，該速度較低。

圖3 輸出功率與風速之間關系

2.2 小型風力發電機及發電能力

由于風是運動中的氣流，因此它具有動能。借助風力發電機可以將風能機械轉換為電能。因此，通過轉子葉片將風能轉換成機械能主要取決于空氣密度、轉子葉片掃過的區域大小和進氣速度。因此，風功率大小為：

其中，ν 是風速（m/s），ρ 是空氣密度（km/m3），S 是風正常通過的面積（m2）。實際上P1只有一部分是有效的，因此，可以通過以下等式推導出從風中獲得的最大功率：

其中，Kp是功率系數。理論上，最大值為0.59。 但是實際的風力發電機的功率系數比0.59 小得多。功率系數的最大理論值實際上在0.4 到0.45 之間，通過使用（2）中給出的瞬時功率表達式，一天中的總發電量可以寫成如下：

其中，Ph為一個小時的發電功率。

此外，公式（3）可用于估算不同高度的風速：

其中νd為目標風速，νr為參考風速，hd為目標高度，hr為參考高度，α 為風切變系數。

3 結果

根據確定尺寸的風力發電機的平均月風速，國內新疆某地的日發電量如圖4 所示。根據這些結果可知，該地區4 月和5 月風速高，發電量多，8 月和9 月風速低，發電量減少。

圖4 不同月份平均日發電能力

此外，對新疆某地進行了2019 年海拔10m 高的風速測量，其中5 月的平均風速最高，9 月的平均風速最低。測量得出的最大風速值如圖5 所示。

圖5 5 月和9 月單日最高風速

風力發電機的發電量取決于圖6 中給出的2019 年5 月和9 月獲得的最大風速。

圖6 5 月和9 月單日發電能力

由于獲得的功率隨風速的三次方而變化，因此，較小的速度增加會導致大量的功率增加，這表明了風速在發電中的重要性。風速隨（3）中給出的渦輪高度而變化。在這項研究中，風速是在海拔10 米處測量的，在這種情況下，如果風力發電機位于不同的高度，則渦輪機的輸出功率將根據風速而變化。為此，在用（3）確定安裝在高度為25m，40m 和60m 的渦輪機的估計速度之后，已計算出這些速度的每月發電能力?？梢钥闯?，風速隨著渦輪機安裝高度的增加而顯著增加。因此，將從風力發電機產生的電能將增加。

圖7 不同高度的發電能力

4 結論

在本研究中，通過對新疆某風力較小的地區估算該地區的小型風力發電機發電能力。根據2019 年5 月和9 月在10 m 高度處測得的風速，確定了每月發電量的變化，并觀察到每天最多可產生的功率大小。據觀察，在春季月份，該發電量更高。如果改變風力發電機的安裝高度，則可以看出發電量增加了，這些規律可以作為影響發電能力的因素。因此，本研究將能夠通過小型風力發電機的發電為經濟發展和防止環境污染做出貢獻。