上升的担忧气候变化、环境污染、发展可再生能源和能源安全增加了兴趣。188app下载地址我们看到一个无与伦比的热情、需求和可再生能源生产的增长,风能在最前列。188app下载地址风能发展在岸和离岸更大、更强大的涡轮机,创造新的需求和市场。
全球从风能发电容量不断增长自2001年以来,在2018年达到591千瓦(2017年9%的增长相比),根据全球风能理事会[1]。
Wind-Physics基本面
风来自过程由太阳能驱动的。太阳的能量产生温差驱动空气循环。热空气上升,减少当地大气压力;附近的冷空气流入该地区较低的压力;这是风的气流。
风是由全球和当地部队。全球模式是在科里奥利力的结果部分,来自地球的自转。从高到低冷却空气流动压力区域,它由科里奥利力偏转;偏转的方向取决于纬度。因此,地球的不同地区有不同的盛行风的方向。
在光谱的另一端,当地的地理特征可以有特定的效果。这样一个效果,熟悉任何人生活在海洋附近,是陆风。晚上,水温相对于土地,所以在水和空气加热上升;由此产生的低压清凉的空气来自土地出海:土地的微风。
虽然可能是一个流行的风向,这不是唯一的风向。方向和速度都是高度可变的地理位置、季节,高度,和每天的时间。理解这种变化是选址风力发电的关键,因为更高的风速意味着更高的责任周期(即。更长时间的活跃发电)。有必要详细测量风的特征,包括风频率一定的速度发生(见图1)和周围的地形如何影响气流的稳定性。
流稳定与一致的速度是重要的发电效率和结构完整性。变化导致风切变和唤醒的力量。风切变是风速的函数,从而增加与高度。因此,转子叶片上的剪切力更大时在顶部位置。
风力涡轮机的方程:风切变bet188体育官网app下注
涡轮选址和操作的一个重要考虑风切变时,叶片顶部位置。风切变是计算为:
V——风速高度H高出地面。
V裁判——参考速度。
H裁判——参考高度。
H——高度高出地面所需的速度,V。
H0——在当前的风向粗糙长度。
风力涡轮机的方程:涡轮的力量bet188体育官网app下注
中包含的能量质量,米,气流的速度v是:
质量流量的空气密度ρ通过一个横截面面积一个是:
中包含的力量流动的空气通过面积上的质量一个是:
提取叶片的直径d是:
的功率系数cp有大约0.6的理论极限;这被称为贝茨极限,它定义了最大的风的动能可以转化成动能。
创建后部队因为风减慢,通过涡轮叶片变得动荡。这就是为什么涡轮机广泛间隔,通常5到9转子直径在盛行风的方向和三到五转子直径垂直方向。
由于湍流风速也变化,这可能是由于附近的崎岖的地形,包括树木和建筑;这些可以导致风速差异很大甚至在几百码或米。这种效应称为湍流,降低效率,导致疲劳载荷。
风力发电原理
能量捕获从风能到电梯的现象——同样的现象,让鸟和飞机飞行。(涡轮叶片,在本质上,俘虏翅膀。)产生的升力随着风叶片运动的原因,因此旋转主轴。旋转发电机通过一个变速箱,将它转换成电能。升力和阻力的大小涡轮叶片上的依赖明显的风向之间的攻角和叶片的弦线。
几个不同的因素影响风力发电机的输出功率。bet188体育官网app下注在其他因素中,风速和转子直径的两个主要参数(见方程风力涡轮机)。bet188体育官网app下注
涡轮功率随叶片长度的平方。例如,增加转子直径从262英尺(80米)至394英尺(120米)允许权力从2兆瓦增加到5 MW(2.5倍)。
涡轮功率随风速的多维数据集。例如,涡轮机的网站平均风速16英里每小时会产生50%的电能比相同的涡轮机的网站平均风速14英里。
其中两个基本物理关系背后的驱动涡轮机的物理大小规模。较大的转子直径允许一个涡轮机产生更多的电力,安装成本提供更好的回报。由于风速和一致性都随高度增加,高涡轮机产生更高和更一致的电力供应。
一个给定的设计风速的运行。低于切入风速、涡轮不能发电,因为风不传递足够的能量来克服摩擦传动系统。在额定输出风速、涡轮产生峰值功率(额定功率)。断路器风速,涡轮机必须制止,以防损坏。一个典型的功率配置文件风速如图2所示。
除了操作范围,安装涡轮机有反映其实际发电能力因素。能力因素是权力的年平均生成除以额定峰值功率。例如,如果在5 MW汽轮机额定生产能力平均2 MW,那么它的利用率是40%。一般来说,更高的能力因素是首选,虽然它可能不是在经济上有利。例如,在一个多风的位置,它将有利于使用相同的大型发电机转子直径。这将会降低产能的因素,但这将导致年产量要大得多。
风力涡轮机技术
涡轮机进来几大类基于方向和动力传动系统的类型。
涡轮叶片可以面向垂直或水平轴。纵轴的一个优势是叶片不需要机械调整时,风向的变化。水平轴涡轮机也有两种通用的设计。在顺风设计,叶片从传入风脸;在逆风设计,叶片将脸转向风吹来的(参见图3)。超过90%的当前安装涡轮机的逆风类型,这个设计不创建风塔背后的阴影。
动力传动系统的齿轮箱驱动设计,齿轮箱是用来增加发电机转子的速度传播。直接传动设计,速度是直接传输到一个环形发电机。除了变速箱,组件通常是相似的;然而,在直驱发电机,发电机是更大的,因为它必须以相同的速度旋转涡轮叶片。
风力涡轮机组件经历摩擦磨损和润滑要求如下:
- 球轴承(油脂)。
- 主轴轴承(油脂)。
- 变速箱如果任何(石油)。
- 偏航驱动器(油脂)。
- 发电机轴承(油脂)。
距驱动器用于调整叶片的角度。这种调整是有两个原因:1)捕捉最大权力从风速低于额定风速输出或2)减缓刀片的安全运行风速高于额定转速。偏航驱动器移动刀片和住房组装(发动机舱)最优方向与风的关系。动画由忧思科学家联盟有助于可视化这些驱动器的作用[2]。
图4显示了一个典型的三阶段风力涡轮机变速箱。bet188体育官网app下注行星阶段(左下)传输扭矩先低速中间阶段(右下角),然后高速中间阶段(中间),驱动高速阶段feed生成器(上)。例如,这样的设计可能14 rpm转子的输入转换成1500 rpm发生器;具体的转换当然取决于齿轮传动比。不同的轴承类型中使用这些不同的组件。
一些技术应该注意的陆上和海上涡轮机之间的差异。如前所述,海上设施占全球产能的3%以上。海上施工提出了不同的挑战,最明显的是如何固定的结构。该策略根据水深不同。深度小于100英尺(30米),monopile建设使用。为过渡水域(100 - 200英尺或30 - 60米),一个情况使用“夹克”基金会。更深的水域,原型浮动平台正在进行测试。不同水深的变压器设计也是不同的,一般来说,离岸设施正从齿轮箱直接传动设计。
另一个显著差异是大小。而不需要限制噪音或适应terrain-induced动荡,设计师可以追求真正巨大的尺度。通用电气已经建立了一个离岸设计额定12 MW,明显高于2017年平均约为2.3兆瓦。它确实是一个巨大的:转子直径的金门大桥的塔,和叶片的表面积相当于七美式橄榄球场。在这个设计中,转矩直接传输到发电机。为什么要构建这样的巨头?除了提高输出功率,大涡轮机降低安装成本。安装一个12 mw汽轮机比安装6 2-MW便宜的;因此最后每兆瓦成本更低。由于这些原因,因为海上风力资源丰富,该行业正在强调海上风力发电。
总结
bet188体育官网app下注风力发电是发展最快的可再生能源,风能成本上与不可再生资源。188app下载地址发电量增长集中在5到10个州,尤其是德克萨斯州。五家公司在安装市场。通用电气领域的涡轮机制造商是拥挤的,但是可再生能源和维斯塔斯是清晰的领导人。188app下载地址正在购买越来越多的能力以外的实体公用事业、和海上设施正变得越来越有吸引力的和可行的。
在技术方面,涡轮设计侧重于优化输出功率通过关注两个关键的参数:叶片长度和平均风速。后者是影响表面地形和空间变化,定向和季节性。有效性的一个特定的安装由能力量化因素:实际年度能源产出的比例理论最大的输出。使用的基本设计,但大多数商业设施使用水平轴,upwind-facing设计。涡轮机变得更大,在物理尺寸和发电能力,以获取更稳定的风和安装成本回报最大化。
编者按
本文是基于一个研讨会Harpal辛格博士。辛格博士是一位资深科学家的科学,他从事风力涡轮机和航空相关的机械和材料科学的研究涉及摩擦学、材料特性和失效分析。bet188体育官网app下注辛格博士有超过6年的经验在摩擦学领域和金属材料。他拥有一项专利,一些同行评议的出版物,和两个最佳论文奖STLE领域的固体润滑剂。他赢得了阿克伦大学的机械工程博士学位,俄亥俄州。他的研究集中在机械,材料,和摩擦学性能的材料和涂料用于风能、汽车和航空航天应用程序。他的专业知识包括材料特性、摩擦学的测试、涂料和失效分析。
引用
- 2018年全球风能报告,全球风能理事会。可以在https://gwec.net/global-wind-report-2018/。
- “风能是如何工作的,”忧思科学家联盟。可以在www.ucsusa.org/clean-energy/renewable-energy/how-wind-energy-works。
