小型風力發(fā)電機組動力結(jié)構(gòu)設(shè)計【家用垂直風力發(fā)電】
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小型風力發(fā)電機入門
歷史
在美國相當長的時間里,風能一直是一個重要的能量來源。機械風車是兩個“高科技”的發(fā)明之一(另一個是帶刺的鐵絲網(wǎng)),這促進了我們的西部邊界在18世紀后期的發(fā)展。自從1860年,超過800萬的機械風車已安裝在美國,有些風車已運行了超過一百年。早在1920年和1930年,整個中西部地區(qū)一些農(nóng)家已經(jīng)使用200-3000瓦風力發(fā)電機來供應(yīng)電燈、收音機和廚房用具等。
在70年代末和80年代初,風能作為一種可以解決能源危機的辦法,再次受到關(guān)注。作為用戶和農(nóng)民的期待,小型風力發(fā)電機以各種電力生產(chǎn)可再生能源的替代品,成為最符合成本效益的技術(shù),其成本也在減小。在1976-1985年之間,稅收抵免和良好的聯(lián)合條例(PURPA),使人們把4500多個小型、1-25萬千瓦的風力系統(tǒng)安裝到個人家庭里。另外1000個風力系統(tǒng)在同一時期也被安裝在各種遠程應(yīng)用上。小型風力發(fā)電機被安裝在所有的五十個州。然而,沒有一個小型風力發(fā)電機組的國有大公司致力于長期的市場發(fā)展,因此,在1985年年底,當聯(lián)合政府稅收抵免過期,石油價格下降到10美元每桶的兩個月后,大部分的小型風力發(fā)電機組行業(yè)再次消失了。有些公司認為,這幸存的“市場調(diào)節(jié)” ,在生產(chǎn)小型風力發(fā)電機組的今天,那些機器是最可靠的,其聲譽是最好的。
成本因素
在很多方面光伏技術(shù)是一個有吸引力的技術(shù),但成本因素是考慮的問題之一。那些在家庭、事業(yè)、或遠程設(shè)施等方面有需要的用戶,功率超過100-200瓦的小型風力發(fā)電機,可能是一個有吸引力的替代方式。舉例來說,在50瓦特規(guī)模水平,某小型風力發(fā)電機組的費用約為8.00美元/瓦特,相比約為光伏模塊6.00美元/瓦特。這就是為什么對于很小的負載光伏技術(shù)的費用較低的原因。不過,由于該系統(tǒng)規(guī)模較大,這個“經(jīng)驗規(guī)則”推翻了自己。在300瓦特風力發(fā)電機組的成本下跌至2.50美元/瓦特時(1.50美元/瓦特在西南空氣風能事件中) ,而光電成本仍然為6.00美元/瓦特 。1500瓦特風力系統(tǒng)的成本下降到2.00美元/瓦特,一個10000瓦特的風力發(fā)電機的成本(不包括電子產(chǎn)品)下跌至1.50美元/瓦特 。光伏和風能在監(jiān)管和控制方面的成本,基本上是相同的。出人意料的是,風力發(fā)電機的塔的成本,相當于光伏架子和追蹤系統(tǒng)的成本。因為有大量的連接,所以光伏系統(tǒng)的線路接線的成本通常較高。
對于連接到公用電網(wǎng)的用戶,小型風力發(fā)電機,通常是最好的“下一步”,畢竟其保護和效率等方面已經(jīng)有所改善。一個典型的家庭每月消耗用電800-2000千瓦時和4-10千瓦風力發(fā)電機或光伏系統(tǒng),以滿足家庭需求。在這種情況下,風力發(fā)電機已不再昂貴。
可靠性
在過去,可靠性是小型風力發(fā)電機組產(chǎn)品的“要害”。在70年代末,為了提高其可靠性,所以對小型發(fā)電機進行了良好的設(shè)計。今天的產(chǎn)品,在先進的技術(shù)上超過了早先的技術(shù),可靠性也大致增加了。小型發(fā)電機,現(xiàn)在可運作5年或更長時間,甚至在環(huán)境惡劣的地方,也不需要維修或檢查,擔??墒褂?年。這個系統(tǒng)的可靠性和運行成本與光伏系統(tǒng)是一樣的。
風能
風能是地球表面受熱不均勻所產(chǎn)生的太陽能的一種形式。最好的風能資源在海岸沿線、山上、北部各州,但是在大多數(shù)地區(qū)都能發(fā)現(xiàn)這種可用的風力資源。作為一個動力源,風能比太陽能較難預(yù)測,但通常它在一天內(nèi)能供應(yīng)更多的時間。風能資源因為受地形及其他因素的影響,使它比太陽能更方便獲得。例如,在丘陵地形,你和你的鄰居,有可能接收到完全相同的太陽能資源。但因為你居住在很好的位置上,是一個能更好的接觸到當時風向的地方,你就能比你的鄰居接收到更好的風能資源,反過來說,如果你的位置是溝壑或背風面的山,你的風能資源利用就要大大降低。在這種情況下,與太陽能相比,應(yīng)該更周密的考慮風能。
風能是遵循季節(jié)性模式的,在冬季的月份很高而在夏季的幾個月卻很低。這和太陽能剛剛相反?;谶@個原因,在混合動力系統(tǒng)中風能和太陽能系統(tǒng)協(xié)同工作。這些混合的系統(tǒng)為小型風能制造商們提供了一個更細分的市場——光伏系統(tǒng),以擴展他們的風能系統(tǒng)。
風力發(fā)電機
大部分風力發(fā)電機是水平軸螺旋槳式系統(tǒng)。垂直軸系統(tǒng),如S -轉(zhuǎn)子式薩沃紐斯型系統(tǒng),已被證明是很昂貴的。橫向軸風力發(fā)電機一般包括一個螺旋槳,一臺發(fā)電機,一個主機和一個尾舵。螺旋槳將獲取的風能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運動,以驅(qū)動發(fā)電機。螺旋槳通常由兩個或三個葉片組成。由三個葉片組成的系統(tǒng)比兩個葉片的更有效率,運行更平穩(wěn),但他們需要的成本更多。葉片通常是由木料或玻璃纖維制成,因為這些材料中有它需要的結(jié)合強度和柔韌性(他們不干擾電視信號) 。
發(fā)電機通常是為風力發(fā)電機組專門設(shè)計的。永磁交流發(fā)電機因為他們無需實地繞組而廣受歡迎。低速直接驅(qū)動發(fā)電機的一個重要特征是系統(tǒng)使用了一般尚未可靠的變速箱或帶。主機是風力發(fā)電機的重要結(jié)構(gòu)之一,它包括用來連接旋轉(zhuǎn)(通過這點,可以改變風向)的風力發(fā)電機和固定接線線路的“滑環(huán)”。尾部排列的轉(zhuǎn)子可以是防護超速的一部分。
風力發(fā)電機產(chǎn)品的開發(fā)是很困難的,而且許多早期的系統(tǒng)也不是很可靠。光伏模塊是很可靠的,因為通常它沒有任何運動部件,在以后光伏組件將越來越可靠。在一方面,一個風力發(fā)電機必須有運動部件和可靠性,一個機器的特性是由工程和設(shè)計的技術(shù)層次決定的。在另一方面,從一個系統(tǒng)到另外一個系統(tǒng),在可靠性、耐用性和期望壽命等方面上存在很大差異,這給經(jīng)常工作在太陽能組件的經(jīng)銷商和顧客上了一課。
塔架
一個風力發(fā)電機必須能夠高效率地運行。湍流是最接近地面的。此外,風速隨高度的增加而增加。經(jīng)驗之談,你應(yīng)該根據(jù)每個風力發(fā)電機的特點為風力發(fā)電機安裝一個適合的塔架。為了讓風輪在地面上較高的風速帶中運行,需要用塔架把風輪支撐起來。舉例來說,1 250瓦特發(fā)電機往往是被安裝在一個30-50英尺的塔架上,而10千瓦發(fā)電機通常會需要一個80-120英尺的塔架。我們不推薦在人們居住的小型建筑上安裝風力發(fā)電機,因為湍流、噪音和振動是一直存在的問題。
最便宜的塔架是拉線塔,例如那些常用于無線電的天線。規(guī)模較小的拉線塔往往建造成管狀。自支撐塔架一般建成格子狀或管狀,占用更少的空間,更具有吸引力,但它們也更昂貴。塔架所用材料一般是木桿或鐵管,也可以采用鋼材做成的桁架結(jié)構(gòu)。電話線的連接桿結(jié)構(gòu)也可用于規(guī)模較小的風力發(fā)電機。塔架,尤其是拉線塔,可鉸接適當?shù)难b備上,用絞車或車輛讓他們傾斜向上或向下。所有地面的工作都要做。一些塔架和發(fā)電機可以由買方很容易地設(shè)置,而有些則是最好交由受過訓(xùn)練的專業(yè)人員做。不論選擇什么樣的塔架,目的是使風輪獲得較大風速,同時還必須考慮成本。塔架通常是有風力發(fā)電機的制造商所提供的,以確保適當?shù)倪m應(yīng)性。
遠程系統(tǒng)設(shè)備
作為遠程系統(tǒng)設(shè)備,系統(tǒng)平衡設(shè)備被小型風力發(fā)電機組所使用著。大部分風力發(fā)電機組需要對電池充電儲存方面進行設(shè)計,以防止充電過度而造成不必要的損失。目前采用最多的儲能方法是利用蓄電池把電能儲存起來。該調(diào)節(jié)器是專門為特定發(fā)電機設(shè)計的。光伏調(diào)節(jié)器一般不適合小型風力發(fā)電機組的使用,因為設(shè)計他們不是來處理和發(fā)現(xiàn)發(fā)電機的電壓和電流的變化的。調(diào)節(jié)器的生產(chǎn)通常與直流源中心有關(guān)系,它也可以作為其它直流源、負載及電池的連接點。光伏系統(tǒng)和風能系統(tǒng)的混合動力系統(tǒng)通過把單獨的監(jiān)管機構(gòu)連接到直流源中心,但沒有特別的管制措施。小型風力發(fā)電機的一般經(jīng)驗規(guī)則是蓄電池至少應(yīng)為最高可再生能源的充電電流的6倍,包括任何光伏要素。
做你自己的公司
在1978年,PURPA聯(lián)合條例通過,允許你為你的房子或工作連接一個合適的可再生能源供電的發(fā)電機,以減少你對公用供電的消費。法律同意規(guī)定購買任何額外的電力,在價格上(避免成本) 通常低于電力的零售成本。在約一半的國家有“凈能量計費選項”,小系統(tǒng)是允許運行反向計量的,所以過剩的產(chǎn)量使他們得到足夠的零售費率。由于為保持特殊的手工處理客戶帳戶和凈能源帳單,過高的間接費用其實是沒必要的。這些系統(tǒng)不使用電池。風力發(fā)電機組的蓄電是由整流換向逆變器和感應(yīng)發(fā)電機相互協(xié)調(diào)的。然后其電能連接到家庭的機器面板上的專用斷路器上,就像一個大型家電。當風力發(fā)電機組沒有運行,或者它不夠提供這個屋子所需要的電力時,需要的電力由蓄電池提供。同樣,如果發(fā)電機產(chǎn)生的電能超過了房子的電能消耗,多余的電能就會即刻存到相應(yīng)的地方。實際上,作為一個非常大的電池儲備裝置,蓄電池作為風力發(fā)電機組的一個負面的負荷。經(jīng)過200000000小時的相互運作,我們現(xiàn)在知道小互聯(lián)風力發(fā)電機是安全可靠,也不會干預(yù)用戶的任何設(shè)備,其成功地運作也不需要任何特別的安全設(shè)備。
在20世紀80年代初,到稅收抵免的時候全國各地數(shù)以百計的用戶安裝了4-12千瓦的風力發(fā)電機組,現(xiàn)在每月電費為8-30美元 ,而他們的鄰居電費的范圍在100-200美元不等。當然這個問題是這些稅收抵免早已遠去的時候,大部分房主并沒有覺得一個合適的風力發(fā)電機的成本是昂貴的。舉例來說,10千瓦的發(fā)電機(對家庭用戶來說最常見的配置) ,通常的安裝費用為28000-35000美元。對于那些支付12美分/千瓦小時或更多,平均風速每小時10英里或風速更高的地區(qū)(能源部2級) ,且有較大的土地使用權(quán)(發(fā)電機大)的用戶來說,一個家用發(fā)電機肯定是值得考慮的。投資回收期一般是8-16年,有些風力發(fā)電機是過去30年或更早時間設(shè)計的,所以投入的資金可以收回。
效果
一個風力發(fā)電機的額定功率不是比較一個產(chǎn)品和下一個產(chǎn)品的好的因素。這是因為制造商可以根據(jù)風速來自由選擇發(fā)電機的額定速度。如果額定風速不一樣,那么兩個產(chǎn)品相比較是有誤導(dǎo)之嫌的。幸運的是,美國風能協(xié)會已經(jīng)通過了一個評價能源生產(chǎn)性能的標準方法。遵循AWEA標準的制造商將提供在各年度平均風速時每年的能源輸出(AEO)的資料。每年能源輸出的數(shù)據(jù)就像環(huán)保局為你的車估計氣體英里數(shù)一樣,他們讓你公平的比較產(chǎn)品,但他們不告訴你實際你要做些什么(“你們的表現(xiàn)可能有所不同”)。
能源部門已為美國編制了風力資源地圖。這些地圖顯示的PC資源意味著平均風速可能會在一定幅度內(nèi)浮動。PC越高其資源更好。這種情況可能是因為地形的影響。能源部的地圖顯示開放式的地形相當不錯,但在丘陵或山區(qū),他們必須謹慎使用。風力資源是指一個標準風速傳感器的高度為33英尺( 10米) ,因此你在使用制造商所提供的AEO資料之前,必須通過平均風速校準風塔的高度。風力發(fā)電機制造商通常可以在幾乎任何地點為他們的發(fā)電機提供電腦輔助的效果預(yù)測。
作為一個風能經(jīng)驗法則,當遠程應(yīng)用超過每小時8英里(大部分,但不是全部,第1級和所有其他級)和每小時10英里(第2級或更高)時應(yīng)考慮你的平均風速。如果你住在一個不是多丘陵的地區(qū),在你的位置上能源部風能資源地圖可以清楚地準確地計算出預(yù)期的風力發(fā)電機的效果。在復(fù)雜地形時,該位置上的判斷也必須用這種效果預(yù)測來調(diào)整平均風速。在大多數(shù)情況下,安裝一個小型風力發(fā)電機組是沒有必要記錄監(jiān)測到的同一風速的。但在某些情況下,它是值得花費300-1000美元并等待一年來做一個風力調(diào)查的。制造商和設(shè)備商能夠幫助你理清這些問題。
如何使用風力發(fā)電機
安裝一個風力發(fā)電機比安裝太陽能電池板復(fù)雜,但他們?nèi)匀皇悄愕哪茉刺娲w系中相對容易弄的。發(fā)電機需要安裝在一個風的流量不受阻礙的領(lǐng)域(附近的建筑物,樹木等)。
一些小型發(fā)電機可以安裝在你的房子的頂樓,但發(fā)電機產(chǎn)生的振動可能被轉(zhuǎn)移至建設(shè)的框架。安裝在屋頂?shù)陌l(fā)電機經(jīng)常與橡膠減振裝置配合使用,以減少振動這方面的問題。但是作為一般規(guī)則,在更高的空中你可以讓你的風力發(fā)電機組更有效地發(fā)揮,所以拉線塔是推薦的安裝系統(tǒng)。各種各樣的塔的高度和風格使得您會找到一個安裝套件,以滿足您的需要。
當安裝的風力發(fā)電機的控制系統(tǒng)和線路時,了解風力發(fā)電機和太陽能電池板這兩個的根本性分歧是很重要的:
整流器:太陽能電池板能產(chǎn)生電力所需的直流電(DC),并能在沒有造成損害的情況下直接連接到電池存儲機構(gòu)。風力發(fā)電機不能產(chǎn)生直流電,所以有被稱為“整流器”的裝置來把發(fā)電機的輸出電流轉(zhuǎn)換成直流。
一些發(fā)電機有一種整流內(nèi)置設(shè)計,盡管在大多數(shù)情況下,被供應(yīng)的整流器是作為一個獨立的組成部分,但它必須安裝在風力發(fā)電機和蓄電池之間。整流器是一個完整的風力發(fā)電機組的控制單元。
負載轉(zhuǎn)移:太陽能電池板是“被動式”的電力生產(chǎn)者。即使太陽照著,他們也只有當需要由電池充電時才產(chǎn)生電力。風力發(fā)電機是“積極”的電力生產(chǎn)者。只要有風,不管電池是否需要充電他們都會產(chǎn)生電流。為了避免破壞風力發(fā)電機組,所有的電力生產(chǎn)必須要用某種方式來解決這個問題。
當電池系統(tǒng)需要充電時,他們提供電力負載來使風力發(fā)電機發(fā)電。如果電池完全充電后,發(fā)電機的產(chǎn)生的電量必須要“轉(zhuǎn)移”到另一種電力負載。
負載分流充電控制器調(diào)節(jié)風力發(fā)電機的輸出,所以當他們需要時你的電池將充電,當這些電池完全充電后,任何由風力發(fā)電機所產(chǎn)生的多余電力都會被轉(zhuǎn)移到候補的負載中。 一些風力發(fā)電機有充電控制功能,用來轉(zhuǎn)移多余的電流。不過大多數(shù)發(fā)電機系統(tǒng)的充電控制器是一個外部設(shè)備。
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