小型风力发电机发电能力的研究

翟晓霞

（大唐新疆清洁能源有限公司，新疆 乌鲁木齐830000）

1 概述

由于化石燃料资源有限，并且这些资源容易引起环境问题，如空气污染和温室效应等，因此通过可再生能源满足能源需求就显得非常重要。风能既是一种本地资源，又清洁、环保，因此通过风能满足能源需求的重要性日益凸显[1-3]。同时，就使用率和技术而言，风能是发展最快的可再生能源之一。而风力发电机能否高效应用的重要因素是有无一定强度的风的存在，风力发电机产生的电能多少也取决于单位时间内风速[4-5]。

根据发出功率不同，风力发电机可以分为大功率风机（>1MW）、中功率风机（40kW-1MW）和小功率风机（<40kW），大功率风力发电机直接用于并网发电，而小功率风力发电机则用于产生本地使用的电能，风速对风力发电能力和运行特性有影响。通常，大型涡轮机开始以3-4m/s 的风速旋转，并以约15m/s的风速达到最大功率。如果小功率风力发电机需要旋转，风速至少要达到2m/s，小型风力发电机可用于满足房屋、农舍、远离电网和船只的居民点等。此外，小型风力发电机可能有助于支持电网电力并减少对电网的依赖。

在应用中通常使用两种类型的风力发电机，即水平轴风力发电机（HAWT）和垂直轴风力发电机（VAWT）。HAWT 通常用于发电，用于发电的风力发电机的尺寸和类型各不相同，通常分类为小型风力发电机（SWT）和大型风力发电机（LWT）。LWT安装在风电场中，产生的能量供应到电网，STW 是针对个人使用的系统。通常选择小型风力发电机供本地使用，如果小型风力发电机产生的电力少于100kw，通常会独立于电网安装。小型风力发电机需要的风速较低，成本也低，易于维护。为了确定和提高风力发电机的效率，已经进行了各种数值和风洞模拟研究。然而，这些研究通常针对大型风力发电机，而关于小型风力发电机应用的研究很少。在小型风轮机相关的研究中，以低风速增加能源产量的研究已成为重要课题。

本研究中，根据新疆某地平均风速数据，研究了小型风力发电机的发电能力影响因素。另外，为了观察涡轮机安装高度对风速的影响，计算了不同安装高度下的风速，并观察了这些值对设计的小型风力发电机的发电能力的影响。

2 部件及方法

2.1 风力发电机

风力发电机主要由叶片、塔架、机体、轴、偏航和变桨机构、齿轮箱、发电机、控制单元等部分组成。HAWT 和VAWT 这两种风力发电机用于从风能中产生电能。这两个涡轮之间的区别在于叶片的形状和效率。根据不同情况选择合适类型的风力发电机应用在不同的风速和领域。HAWT 是大型风电场中最常用的风力发电机，VAWT 更适合本地应用，基本形状如图1 所示。在HAWT 中，叶片垂直于风向，旋转轴平行于风向。转子叶片数量越少，转子旋转得越快，这类涡轮机的效率约为45%，如今，HAWT 的技术不断发展，已广泛用于电能生产中。VAWT 中涡轮轴垂直于的风向，这些涡轮机的效率约为35%，这类风力发电机的功率系数小于0.15，因此，它们不是用于发电的首选。

图1 风机类型

在HAWT 中，发电机将叶片的机械能转换为定子和转子之间的电能，主轴承载叶片，叶片将风能转换为机械能。机舱是一种安全装置，包括风轮机中的所有发电组件，包括齿轮箱、传动系统、制动器组件和发电机。风力发电机塔架等示意图如图2所示。

图2 风力发电机主要部件图

大型风力发电机在极低的风速下，风叶不会旋转。但是，只要风速增加，风力发电机就会开始旋转并发电。当涡轮机开始旋转并发电时，其切入速度约为3m/s 和4m/s 之间，当风速超过切入速度时，输出功率迅速增加，如图3 所示。输出功率在发电机的速度12m/s 和17m/s 之间的某值时会达到极值。在小型风力发电机中，该速度较低。

图3 输出功率与风速之间关系

2.2 小型风力发电机及发电能力

由于风是运动中的气流，因此它具有动能。借助风力发电机可以将风能机械转换为电能。因此，通过转子叶片将风能转换成机械能主要取决于空气密度、转子叶片扫过的区域大小和进气速度。因此，风功率大小为：

其中，ν 是风速（m/s），ρ 是空气密度（km/m3），S 是风正常通过的面积（m2）。实际上P1只有一部分是有效的，因此，可以通过以下等式推导出从风中获得的最大功率：

其中，Kp是功率系数。理论上，最大值为0.59。 但是实际的风力发电机的功率系数比0.59 小得多。功率系数的最大理论值实际上在0.4 到0.45 之间，通过使用（2）中给出的瞬时功率表达式，一天中的总发电量可以写成如下：

其中，Ph为一个小时的发电功率。

此外，公式（3）可用于估算不同高度的风速：

其中νd为目标风速，νr为参考风速，hd为目标高度，hr为参考高度，α 为风切变系数。

3 结果

根据确定尺寸的风力发电机的平均月风速，国内新疆某地的日发电量如图4 所示。根据这些结果可知，该地区4 月和5 月风速高，发电量多，8 月和9 月风速低，发电量减少。

图4 不同月份平均日发电能力

此外，对新疆某地进行了2019 年海拔10m 高的风速测量，其中5 月的平均风速最高，9 月的平均风速最低。测量得出的最大风速值如图5 所示。

图5 5 月和9 月单日最高风速

风力发电机的发电量取决于图6 中给出的2019 年5 月和9 月获得的最大风速。

图6 5 月和9 月单日发电能力

由于获得的功率随风速的三次方而变化，因此，较小的速度增加会导致大量的功率增加，这表明了风速在发电中的重要性。风速随（3）中给出的涡轮高度而变化。在这项研究中，风速是在海拔10 米处测量的，在这种情况下，如果风力发电机位于不同的高度，则涡轮机的输出功率将根据风速而变化。为此，在用（3）确定安装在高度为25m，40m 和60m 的涡轮机的估计速度之后，已计算出这些速度的每月发电能力。可以看出，风速随着涡轮机安装高度的增加而显着增加。因此，将从风力发电机产生的电能将增加。

图7 不同高度的发电能力

4 结论

在本研究中，通过对新疆某风力较小的地区估算该地区的小型风力发电机发电能力。根据2019 年5 月和9 月在10 m 高度处测得的风速，确定了每月发电量的变化，并观察到每天最多可产生的功率大小。据观察，在春季月份，该发电量更高。如果改变风力发电机的安装高度，则可以看出发电量增加了，这些规律可以作为影响发电能力的因素。因此，本研究将能够通过小型风力发电机的发电为经济发展和防止环境污染做出贡献。