風能轉換系統

風能轉換系統是將風能轉變成機械能並加以利用的一整套設備。一般包括風輪、傳動裝置、控制裝置、貯能裝置和利用裝置。風輪又稱轉子，由葉片和轉子軸組成，其功能是把風能轉變成機械能。而風能利用裝置就是利用風能轉化的機械能工作的設備，如發電機、水泵、壓氣機、熱泵等。

基本介紹

• 中文名：風能轉換系統
• 外文名：wind energy conversion system
• 實質：將風能變機械能並加以利用的設備
• 組成：風輪、傳動裝置、控制裝置等
• 能量變化：風能轉變為機械能
• 相關概念：新概念型風能轉換系統

風能轉換系統概述

風能轉換系統(WECS)是將風能轉化為電能，其主要部件是風力發電機。風力發電機通過多傳動比齒輪箱連線到發電機，在WECS中通常使用感應式發電機。風力發電機組的主要組成部分有機塔、轉子和機艙，機艙內有傳動裝置和發電機，轉子可能有兩個或兩個以上的葉片。風力發電機通過槳葉捕集風的動能，然後通過齒輪箱把能量傳遞到感應發電機側。風力發電機驅動發電機軸產生電力。齒輪箱的作用是將風力發電機較慢的轉速轉換成感應發電機側較高的轉速。利用監測計量、控制和保護技術，將發電機輸出的電壓和頻率維持在規定的範圍內。風力發電機為水平軸結構或垂直軸結構。在20世紀90年代中期之前，WECS的商用風力發電機的平均容量為300kW，而近期，已開發出容量高達5MW的風力發電機並安裝套用。

風能轉換系統的種類

一般說來，幾乎任何一種能在氣流中產生不對稱力的物理構形，都能作為風能收集裝置產生旋轉、平移或擺動等機械運動效果，進而發出可用機械功。各類裝置的生命力主要受成本和收益兩者權衡結果的限制。以旋轉運動為特徵的風能轉換系統，根據其風能收集裝置的結構形式及其空間布置，一般統分為水平軸設計和垂直軸設計兩大類。以風輪作為風能收集裝置的常規風能轉換系統，按風輪轉軸相對於氣流方向的布置可分為水平軸型(轉軸平行於氣流)、側風式水平軸型(轉軸平行於地面、垂直乾氣流)和垂直軸型(轉軸同時垂直於地面和氣流)。從廣義上講，風能轉換系統還包括那些利用風能產生平移運動的裝置，例如風帆船和我國古代發明之一的加帆手推車都屬此類。無論何種風能轉換系統，不外乎由風能收集裝置、控融機構、傳動和支承部件等組成。近代風能轉換系統則還包括發電、蓄能等輔助系統。

2．3．1水平軸風力機
水平軸風能轉換系統的旋轉軸為平行於地面的水平軸，和空氣來流方向也接近平行，大多數商業化風力機都屬於這一類型。水平軸風能轉換系統有許多顯著的優點，例如，低切人風速以及易於過載時切出保護等。通常，水平軸風能轉換系統具有相對較高的功率係數。然而，需要把水平軸風能轉換系統的發電機和齒輪箱置於塔架上方，使其設計更加複雜與昂貴。水平軸風能轉換系統的另外一個缺點是需要使用尾翼或者偏航系統來使風力機對風。根據葉片數目的多少，水平軸風能轉換系統可以進一步分為單葉片、雙葉片、三葉片以及多葉片類型，如圖1所示。單葉片機組由於節省葉片材料，成本較低，風阻損失也最小。但是，必須在輪轂的對面增加相應的配重，以平衡葉片。單葉片設計由於平衡性以及人們視覺認可性的問題套用不是很廣泛。雙葉片機組也有類似的平衡缺陷，但是嚴重程度比單葉片機組要輕。目前，大多數商業化的風力發電機組都是三葉片機組。由於其空氣動力荷載相對一致，三葉片機組更穩定。多葉片機組(6葉片、8葉片、12葉片、18葉片甚至更多)也有套用。

垂直軸設計

由圖2可見，垂直軸風能轉換系統的旋轉軸垂直於地面，和空氣來流方向也接近垂直。垂直軸風力機可以接受各個方向的風，因此不需要複雜的偏航裝置。這類系統的發電機和齒輪箱也可以置於地面上，由此，塔架設計更加簡單經濟。此外，垂直軸風力機的維護工作可以在地面進行。當採用同步發電機時，這類風力機不需要變槳控制系統。

垂直軸風能轉換系統

垂直軸風能轉換系統的主要缺點是不能自起動，一旦停止，需要額外系統施加推力來起動它。當葉輪旋轉一周時，葉片不得不經過一些空氣動力死區，因此導致系統效率不高。如果控制不當，葉片可能會超速危險運行導致系統損壞。而且，需要使用張緊的拉索來固定塔架結構，這在實際套用上存在困難。下面討論一些主要的垂直
軸設計形式的特點。

風能轉換系統的效率影響因素

對任何風能項目而言，為了項目的有效規劃和成功實施，了解風能轉換系統在預期場址的性能是其中的關鍵。影響一個風能轉換系統輸出功率的主要因素有：

①風場盛行風頻譜的強度及其對風力機的可利用性；

②葉輪將風中能量轉換為機械軸功的空氣動力效率；

③將能量調節、傳輸和升壓到預期形式的電效率。因此，評估一個風能轉換系統的性能是相當複雜的一個流程。

新概念型風能轉換系統

新概念型風能轉換系統(innovative wind energy conversion system)區別於傳統的水平軸風力機和垂直軸風力機的風能轉換系統。它的特點是通過較小的風輪掃掠面積來收集較多的風能，以提高有效的風功率密度。目前概念型風能轉換系統尚處在研究階段，主要有可變幾何型直葉片垂直軸風力機、環量控制型直葉片垂直軸風力機、擴壓型風能裝置、擴壓一引射型風能裝置、旋風型風能裝置等。

(1)風力機的變槳距調節

變距調節方式是通過改變葉片迎風面與縱向旋轉軸的夾角，從而影響葉片的受力和阻力，限制大風時風機輸出功率的增加，保持輸出功率恆定。採用變距調節方式，風機功率輸出曲線平滑。在額定風速以下時，控制器將葉片攻角置於0°附近，不做變化，近似等同於定槳距調節。在額定風速以上時，變槳距控制結構發生作用，調節葉片攻角，將輸出功率控制在額定值附近。變槳距風力機的啟動速度較定槳距風力機低，停機時傳遞衝擊應力相對緩和。正常工作時，主要是採用功率控制，在實際套用中，功率與風速的立方成正比。較小的風速變化會造成較大的風能變化。由於變槳距調節風力機受到的衝擊較之其他風力機要小得多，可減少材料使用率，降低整體重量。且變距調節型風力機在低風速時，可使槳葉保持良好的攻角，比失速調節型風力機有更好的能量輸出，因此比較適合於平均風速較低的地區安裝。變距調節的另外一個優點是：當風速達到一定值時，失速型風力機必須停機，而變距型風力機可以逐步變化到一個槳葉無負載的全翼展開模式位置，避免停機，增加風力機發電量。

(2)變速恆頻風力發電機

變速恆頻風力發電機常採用交流勵磁雙饋型發電機，它的結構類似繞線型感應電機，只是轉子繞組上加有滑環和電刷，這樣一來，轉子的轉速與勵磁的頻率有關，從而，使得雙饋型發電機的內部電磁關係既不同於異步發電機又不同於同步發電機，但它卻具有異步機和同步機的某些特性。交流勵磁雙饋變速恆頻風力發電機不僅可以通過控制交流勵磁的幅值、相位、頻率來實現變速。阻頻．還可以實現有功、無功功率控制，對電網而言還能起無功補償的作用。交流勵磁變速恆頻雙饋發電機系統有如下優點：需要變頻控制的功率僅是電機額定容量的一部分，使變頻裝置體積減小，成本降低，投資減少。調節勵磁電流幅值，可調節發出的無功功率；調節勵磁電流相位，可調節發出的有功功率。套用矢量控制可實現有功、無功功率的獨立調節。