家用小型風力發電機價格

影響風力發電機有功出力的因素

  

    

      風力發電機作為一種綠色能源有著改善能源結構、經濟環??稍偕确矫娴膬瀯?,也是未來能源電力發展的一個趨勢。但風力發電機在工作時由于受到自然環境以及本身結構的影響,其輸出功率會受到不同程度的影響。對于發電商來說均希望風力發電機在各項技術設計要求范圍內在同等條件下能最大限度的輸出功率,以最大程度的滿足經濟效益。所以在風電場運行的風力發電機機組其實際功率曲線越接近其設計理論曲線是發電商及風機商的共同期望。 


  其中風機的理論輸出功率公式如下:
  ,kw
  ,kg/m3
  ,m2
  ,m/s
  -風能利用系數,最大值為0.593,亦稱貝茲極限 


  從上述公式可知影響風力發電機輸出功率的因素主要有空氣密度、葉輪掃風面積及風速,另外如葉片表面污染程度及傳動鏈的阻尼等對風力發電機的有功輸出功率亦有一定影響。而其中風速及空氣密度屬于自然性因素,人為性無法予以改變;而葉輪掃風面積可人為性的改變。故將從以上幾個方面分析如何提高風機輸出功率。


  

1 風速對風機輸出功率的影響
  由公式可知,風機輸出功率與風速的三次方成正比,故而在風機的設計技術要求范圍內風速越大風機輸出功率將越大,而風速大小又受到其他諸多因素影響,如水平氣壓梯度(亦稱大氣壓強)、地形、地面粗糙度及地形等。風的產生是由于不同的大氣壓強差致使空氣流動產生風,海拔高度差越大那么大氣壓強差越大致使空氣流動越快也就是說風速越大。風速隨海拔高度變化的一般指數公式如下。 


  距離地面高度h處的風速,m/s
  高度為ho處的風速,m/s
  n-經驗指數,它取決于大氣穩定度和地面粗糙度,其值一般為1/2-1/8。 


  從上述公式可以看出隨著海拔高度的升高與選取參照面不同,風速相對增大,另外風速亦受到地表粗糙度、周圍地形及障礙物等因素影響。 


  因風速是自然性的形成,無法通過人為性改變。所以在風電場建設前,應通過科學的測量各項指標后確定是否滿足建設要求,同時在微觀選址時在滿足主風向時還應充分考慮地形、地面粗糙度及障礙物等因素。 


  就如云南西南部某風電場來說,其中11#機組所處的位置為全場最高,其中1#機組所處位置比11#機組相對偏低300m左右,且11#機組周圍地形相對比3#機組開闊很多即風速受地表及障礙物影響相對較小,而1#機組周圍半徑1公里左右開始均有不同程度的山頭海拔高度高于其輪轂高度,其風速受地形及障礙物的影響較大。測量兩臺機組2014年全年的平均風速對比即可看出海拔高度、地形地表及障礙物等因素對風速的影響,該兩臺機組的平均風速偏差保持在70%左右(如圖1所示)。 


  同是該風電場,而另外的18#機組與19#機組海拔高度一樣,且兩臺機組周圍地形及障礙物等基本一致即受地表影響基本一樣,該兩臺機組2014年全年平均風速的差異明顯比11#機組與1#機組的小很多,該兩臺機組的平均風速偏差保持在5%左右(如圖2所示)。 


  另機組風速是由安裝在機艙尾部的風速儀測得,所以風速儀的精度、安裝質量及接線質量等直接影響所測風速的精度。選用高精度的風速儀、定期緊固風速儀及檢查接線是否滿足技術要求可有效排除其他非正常干擾,進而提高測風精度也就能有效的改善機組輸出功率;另外在可能的情況下可定期檢測風速儀的精度是否滿足精度偏差要求。 


  2 空氣密度對風機輸出功率的影響
  由公式可知,風機輸出功率與空氣密度成正比,即空氣密度越大風機可輸出功率亦越大??諝饷芏仁艽髿鈮簭?、溫度及濕度等因素影響,即為自然性的形成故無法進行人為性改變。 


  3 葉輪面積對風機輸出功率的影響 


  3.1 機組輸出功率與葉片長度的關系 


  由公式可知,風機輸出功率與葉輪受力面積的大小成正比,而葉輪理論面積計算公式為:
  A-葉片理論受力面積,m2
  π-3.14
  r-葉輪半徑,通常采用葉片長度計算,m
  綜合可有風機輸出功率
  通過上述公式可看出機組輸出功率與葉片長度的平方成正比,所以在技術設計范圍內采用的葉片長度越長,機組的輸出功率也就越大。對于風電場的葉片選擇,可根據風電場的海拔及風況等因素選擇適當的葉片。 


  3.2 機組對風角度對機組輸出功率的影響
  上述中機組的受力面積A為理論受力面積即在葉片長度選定情況下的最大受力面積。但在風電場實際運行中由于風向是在時刻變化的,進而導致葉輪的對風角度是時刻變化的,導致葉輪的實際受力面積As是變化的。當葉輪與風向存在一定夾角時葉輪實際受力面積As如下所示
  AS-葉輪實際受力面積,單位:m2
  A-葉輪理論受力面積,單位:m2
  -葉輪對風角度,單位:°
  由上可有當其他數值一定時,機組輸出功率與對風角度存在如下余弦函數曲線關系。所以對風角度對機組輸出功率的影響是很大的(如圖3所示)。
  對于對風角度的控制,風電場可進行人為性的修正,對此可從以下幾方面著手。 


  3.2.1 采用高精度的風向儀及轉換模塊
  在設計機組時選取高精度的風向儀及轉換模塊,以保證機組能及時正確的測量風向的變化并及時準確的轉換為所需求的信號。另外在運行一定時間后風向儀的精度可能會有不同程度的降低,所以在可能的情況下應定期性的對風向儀進行精度測量以確保風向儀的精度在要求范圍內。 


  3.2.2 優化控制程序
  科學合理的控制程序能及時反映風向的變化并在控制范圍內及時準確的予以響應使機組偏航對風及時保證機組輸出功率的最大化。     


     3.2.3 風向儀的安裝
  受風電場實際狀況的影響,安裝完好的風向儀在運行一定時間后會有不同程度的松動進而不能準確反映風向的變化,所以風電場應定期檢查風向儀的安裝并加以緊固,并對風向儀進行對零調整。另須定期性的對風向儀信號線進行檢查確保各接線正常,尤其是屏蔽層是否按照技術要求接線以排除非正常信號的干擾。 


  3.2.4 不同地形下的風向角對零角微調
  針對地形相對較一致的風電場(如平原風電場),所有機組的風向角對零均是一致性的將風向儀的“S”極或“N”極正對輪轂后將風向儀一端正對輪轂保證三點一線,隨后在程序內輸入“180°”或“-180°”或則查看上述三點一線的偏差是否在要求范圍內。而對于山區性風電場由于風向的變化受地形影響較大,風向變化相對較頻繁。如云南西南部某風電場所處地形為山區,經過觀察發現有三臺機組的對風角度相對其他機組存在10°-25°的偏差,此種情況在進行該機組的風向角對零調節時可人為性的輸入10°-25°對零角度偏差,隨后進行調整前后的機組輸出功率曲線對比分析,以確定調整前后功率曲線的變化程度。 


  3.3 槳葉對零角度對機組輸出功率的影響
  上述中機組的受力面積A為理論受力面積即在葉片長度選定且機組對風角度為零的情況下的最大受力受力面積。但在風電場實際運行中由于槳葉展開非理想的展開,而是與理論的對零點存在一定的偏差角θ進而導致葉輪的實際受力面積As比理想受力面積A小。當偏差角θ越大葉輪實際受力面積As將越小,其關系可近似的表示為如下, 


  AS-葉輪實際受力面積,單位:m2
  θ-槳葉對零偏差角,單位:°
  對于槳葉偏差角θ的控制,風電場亦可進行人為性的修正,對此可從以下幾方面著手。 


  3.3.1 采用高精度的槳葉編碼器及轉換模塊
  在設計機組時選取高精度的槳葉編碼器及轉換模塊,以保證機組能及時正確的測量槳葉對零角的值并及時準確的轉換為所需求的信號。另外在運行一定時間后槳葉編碼器的精度可能會有不同程度的降低,所以在可能的情況下應定期性的對槳葉編碼器進行精度測量以確保槳葉編碼器的精度在要求范圍內。 


  3.3.2 槳葉編碼器的安裝及信號線接線檢查
  受實際狀況的影響,編碼器運行一定時間后可能會有一定程度松動以及編碼器接線虛接等現象,進而導致不能正常反饋槳葉偏差角。所以應定期性的對編碼器進行緊固,并檢查其接線是否符合技術要求以排除其他因素影響;另外應定期性的進行人為手動變槳查看槳葉是否能正常對零,否則重新對槳葉對零。 


  3.3.3 優化控制程序
  科學合理的控制程序能及時反映槳葉角的變化并在控制范圍內及時準確的予以響應使機組變槳使葉片完全展開保證機組功率最大化輸出。 


  綜合以上可有如下風機實際輸出功率的一般公式為
  如云南西南部某風電場于2014年6月左右發現1#、3#、13#、17#及23#機組的功率曲線明顯低于其他機組;經綜合分析后,于2014年7月末左右對該五臺機組的風向儀、風速儀及槳葉編碼器進行重新緊固及對零調整。其中1#及13#機組調整后功率曲線增幅比較明顯(調整前時間段為2014.1.1-2014.7.31,調整后的時間段為2014.8.1-2014.12.31)(如圖4、5所示)。 


  4 葉片污染對機組輸出功率的影響
  在風電場實際運行一定時間后,由于葉片長時間在空氣中旋轉,空氣中的各種污染物將會吸附在葉片表面形成一層薄的附著層,增大葉片表面的粗糙度及翼型粗糙度,進而影響氣流的流動性而過早的形成渦流,勢必會降低和損失功率輸出。由于清洗葉片表面污染物是一項受氣候因素影響較大且費時施工較難的工作,即使清洗后在較短時間內亦會在葉片表面形成污染物。所以清洗葉片的投入可能會得不償失。 


  另外葉片表面的大面積脫漆及裂紋嚴重加大了葉片表面的粗糙度,嚴重影響葉片表面氣流的流動性,更為嚴重會造成嚴重的事故。所以風電場應定期性的檢查葉片表面脫漆狀況及是否存在裂紋等缺陷。一旦發現應及時解決,以保證葉片表面氣流的流動性及預防嚴重事故的發生。 


  5 傳動鏈阻尼對機組輸出功率的影響
  任何機械傳動均存在阻尼,存在阻尼必然會導致傳動能量的損耗。葉輪吸收風能后需經過一定的傳動機構而帶動發電機發電,同理機組傳動鏈必然存在不同程度的阻尼,所以葉輪吸收的動能經過傳動鏈后必然會有一定程度的損耗,傳遞至發電機的動能必然下降,也就導致發電機的轉速不能達到理想的狀況也就直接影響機組功率的輸出。提高傳動鏈各部件的加工精度及裝配精度,同時定期性的檢查并加注合格的潤滑脂以減少傳動鏈阻尼,也就能有效的降低傳動鏈的阻尼而降低動能的損耗,使發電機的轉速越趨近于理想狀況,即能有效提高機組的功率輸出。 


  6 結論
  通過風電場機組的綜合運行分析,影響風力發電機組輸出功率的主要因素有風速、空氣密度、葉片長度、機組對風角度及槳葉展開角度偏差等因素,而其中風速及空氣密度完全取決于自然因素是人為無法改變的。而葉片長度、機組對風角度及槳葉展開角度偏差因素是可以通過人為性改變的,尤其是機組對風角度及槳葉展開角度偏差。在風電場實際運行過程中細致的觀察分析和定期檢查機組對風角度和槳葉展開角度偏差對提高機組的功率輸出具有較大的幫助。所以無論是機組廠商還是業主方均應在風機運行中加強對機組的各項對比分析,找出機組運行中存在的缺陷,及時分析缺陷及時解決問題,從而有效的提高風力發電機的有功輸出。

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