08七月2025第四章

風能及其利用1第一節

風能概述一、風的形成與特征1、風的形成風是地球上的一種自然現象，風形成的原因有兩個，即地球的轉動及地球表面受太陽輻射程度的差別。在氣象學上，把垂直方向的大氣運動稱為氣流，水平方向的大氣運動則稱為風，風的形成就是空氣流動的結果。2、氣壓可以定義為：在一個給定區域內，空氣分子在該區域施加壓力的大小。一般而言，某個區域里空氣分子越多，這個區域的氣壓就越大。相應來說，風是氣壓梯度力作用的結果。而氣壓的變化，有些是風暴引起的，有些是地表受熱不均引起的，有些則是在一定的水平區域上大氣分子被迫從氣壓相對較高的地帶流向氣壓較低的地帶引起的。3、季風、海陸風、山谷風雖然形成風的直接原因是水平氣壓梯度力。但實際上我們每天看到的風是一種十分復雜的現象，形成原因除了上述作用力外，還受大氣環流、地形及水域等不同因素的綜合影響，其表現形式多種多樣，如季風、地方性的海陸風及山谷風等。（1）季風理論上，風應沿水平氣壓梯度方向吹，即垂直于等壓線從高壓向低壓吹，但是，由于地球的自轉產生使空氣水平運動發生偏向的力，稱之為地轉偏向力，這種力使北半球氣流向右偏轉，南半球向左偏轉，所以地球大氣運動除受氣壓梯度力外，還受地球自轉偏向力的影響。大氣的真實運動是由這兩個力的合力推動。實際上，地面風不僅受這兩個力的支配，而且在很大程度上受海洋、地形的影響。山隘和海峽能改變氣流運動的方向，還能使風速增大；而丘陵、山地的摩擦會使風速減小；孤立山峰則因海拔高使風速增大。因此，風向和風速的時空分布較為復雜。如海陸差異對氣流運動的影響，在冬季，大陸比海洋冷，大陸氣壓比海洋高，風從大陸吹向海洋；夏季則相反，大陸比海洋熱，風從海洋吹向大陸。這種隨季節轉換的風，稱為季風。（2）海陸風海陸風的形成與季風相同，也是由大陸與海洋之間的溫度差異的轉變引起的。不過海陸風的范圍小，以日為周期，勢力也薄弱。由于海陸物理屬性的差異，造成海陸受熱不均，白天陸地上增溫較海洋快，空氣上升，而海洋上空氣溫度相對較低，使風從海洋吹向大陸，稱為海風。夜間環流的方向正好相反，使風從大陸吹向海洋，稱為陸風。海陸風的強度在海岸最大，隨著離岸的距離而減弱，一般影響距離在20～50km左右。海風的風速比陸風大，在典型的情況下，風速可達4～7m/s。而陸風一般僅2m/s左右。海陸風最強烈的地區，發生在溫度日變化最大及晝夜海陸溫度最高的地區。低緯度日照強，所以海陸風較為明顯，尤以夏季為甚。（3）山谷風山谷風的形成原理跟海陸風是類似的。白天，山坡接受太陽光熱較多，空氣增溫較多；而山谷上空，同高度上的空氣因離地較遠，增溫較少。于是山坡上的暖空氣不斷上升，并從山坡上空流向谷底上空，谷底的空氣則沿山坡向山頂補充，這樣便在山坡與山谷之間形成一個熱力環流。下層風由谷底吹向山坡，稱為谷風。到了夜間，山坡上的空氣受山坡輻射冷卻影響，空氣降溫較多；而谷底上空，同高度的空氣因離地面較遠，降溫較少。于是山坡上的冷空氣因密度大，順山坡流入谷底，谷底的空氣匯合上升，并從上面向山頂上空流去，形成與白天相反的熱力環流。下層風由山坡吹向谷底，稱為山風。山風和谷風又總稱為山谷風，山谷風的風速一般較弱，谷風比山風大一些，谷風一般為2～4m/s，有時可達6～7m/s。谷風通過山隘時，風速加大。山風一般僅為1～2m／s。但在峽谷中，風力還能增大一些。4、風的特征風向和風速是兩個描述風的重要參數。（1）風向：指風吹來的方向，如果是從北方吹來的風就稱為北風。（2）風速：表示氣流移動的速度，即單位時間空氣流動所經過的距離。5、風的測量（1）風的測量：包括風向測量和風速測量。自動測風系統主要由五部分組成。包括傳感器、主機、數據存儲裝置、電源、安全與保護裝置。①傳感器分風速傳感器、風向傳感器、溫度傳感器（即溫度計）、氣壓傳感器。輸出信號為數字或模擬信號。②主機利用微處理器對傳感器發送的信號進行采集、計算和存儲，由數據記錄裝置、數據讀取裝置、微處理器、就地顯示裝置組成。③由于測風系統安裝在野外，因此數據存儲裝置（數據存儲盒）應有足夠的存儲容量，而且為了野外操作方便采用可插接形式。系統工作一定時間后，將已存有數據的存儲盒從主機上替換下來，進行風能資源數據分析處理。④測風系統電源一般采用電池供電。為了提高系統工作的可靠性，應配備一套或兩套備用電源，如太陽能光電板等。主電源和備用電源互為備用，當某一個出現故障時可自動切換。對有固定電源地段（如地方電網），可利用其為主電源，但也應配備有一套備用電源。⑤由于系統長期工作在野外，輸入信號可能會受到各種干擾。設備會隨時遭受破壞，如惡劣的冰雪天氣會影響傳感器的信號、雷電天氣干擾使傳輸信號出現誤差，甚至毀壞設備。因此，一般在傳感器輸入信號和主機之間增設保護和隔離裝置，從而提高系統運行的可靠性。另外，測風設備應遠離居住區，并在離地面一定高度區內采取措施進行保護以防人為破壞。主機箱應嚴格密封，以防止沙塵進入。總之，測風系統設備應具有較高的性能和精度、防止自然災害和人為破壞，保證數據安全準確。（2）風向測量①風向標：是測量風向的最通用的裝置，有單翼型、雙翼型和流線型等。風向標一般是由尾翼、指向桿、平衡錘、旋轉主軸4部分組成的首尾不對稱的平衡裝置。其重心在支撐軸的軸心上，整個風向標可以繞垂直軸自由擺動。在風的動壓力作用下取得指向風的來向的一個平衡位置，即為風向的指示。傳送和指示風向標所在方位的方法很多，有電觸點盤、環形電位器、自整角機和光電碼盤4種類型，其中最常用的是碼盤。風向標一般安裝在離地10m的高度上。標式風向傳感器②風向表示：風向一般用16個方位表示，即北東北（NNE）、東北（NE）、東東北（ENE）、東（E）、東東南（ESE）、東南（SE）、南東南（SSE）、南（S）、南西南（SSW）、西南（SW）、西西南（WSW）、西（W）、西西北（WNW）、西北（NW）、北西北（NNW）、北（N）。靜風記“C”。也可以用角度來表示，以正北為基準，順時針方向旋轉，東風為90°，南風為180°，西風為270°，北風為360°。風向16方位圖（3）風速測量根據工作原理的不同，風速計可以分為：旋轉式風速計、壓力式風速計、散熱式風速計、聲學風速計。①旋轉式風速計它的感應部分是一個固定在轉軸上的感應風的組件，常用的有風杯和螺旋槳葉片兩種類型。其中風杯型最常用，其優點是與風向無關。當風吹過時，由于凹面與凸面所受的風壓力不相等，使風杯受到扭力作用而開始旋轉，并且轉速與風速成一定的關系。②壓力式風速計壓力式風速計有一個雙聯皮托管，一個管口迎著氣流的來向，感應氣流的全壓力（p0），另一個管口背著氣流的來向，感應的壓力為（p）。因為有抽吸作用，所以比靜壓力稍低些。兩個管子接收到的全壓力與靜壓力之差為：旋轉杯型風速計v

﹣風速，單位為m/s；ρ﹣空氣密度，單位為kg/m3；c﹣修正系數。③散熱式風速計一個被加熱物體的散熱速率與周圍空氣的流速有關，利用這種特性可以測量風速。主要適用于測量小風速。④聲學風速計（超聲波風速計）利用聲波在大氣中傳播速度與風速間的函數關系來測量風速。超聲波風速計6、風玫瑰圖為了表示某個地區在某一時間內的風頻、風速等情況，就需要一種更科學、更直觀的統計方式，通常使用的是風玫瑰圖。風玫瑰圖包括：風向玫瑰圖、風速玫瑰圖、風頻風速玫瑰圖等。a)風向頻率玫瑰圖b)c)風頻、風速玫瑰圖7、風能密度（1）在t時間內，以速度v垂直流過截面A的氣流所具有的動能為：E﹣風能，單位J（焦耳）ρ

﹣空氣密度，單位kg/m3v﹣氣流速度，單位m/sA﹣面積，單位m2（2）風功率PW（3）風功率密度pW，單位W/m2（瓦/平米）二、風能資源及其分布1、我國風能資源及其分布（1）東南沿海及其島嶼地區風能豐富帶（2）三北（東北、華北和西北）地區風能較豐富帶（3）內陸局部風能豐富區（4）海上風能豐富區請自行閱讀教材P61~P62頁，想一想思考題1：風能資源的總量取決于哪些因素？思考題2：海上風能與陸上風能相比較，具有哪些優勢？2、世界風能資源及其分布世界上的風能資源十分豐富，根據相關資料統計，每年來自外層空間的輻射能約為1.5×1018kW·h，其中的2.5％即3.8×1016kW·h的能量被大氣吸收，產生大約4.3×1012kW·h的風能。三、風能的利用風能利用的形式主要是將大氣運動時所產生的動能轉化為其他形式的能量。風能的利用主要是以風能做動力和風力發電兩種形式，其中又以風力發電為主。以風能做動力就是利用風來直接帶動各種機械裝置。風能的利用主要包括風力發電、風力提水、風力致熱及風帆助航。思考題4-1、海上風能與陸上風能相比較，具有哪些優勢？4-2、風能利用的主要形式有哪些？08七月2025第四章

風能及其利用2第二節

風力提水技術一、風力提水現狀目前我國生產運行中的風力提水機約3000臺，主要分布在東南沿海制鹽，江蘇、河北農田灌排，三北人畜飲水及小型草場灌溉等。我國的常用風力提水機按其使用技術指標可分為低揚程大流量型、中揚程大流量型、高揚程小流量型。1、低揚程大流量風力提水機組低揚程大流量風力提水機組是由低速或中速風力機與鋼管鏈式水車或螺旋泵相匹配形成的一類提水機組。它可以提取河水、海水等地表水，用于鹽場制鹽、農田排水、灌溉和水產養殖等作業。機組揚程為0.5～3m，流量可達50～100m3／h。風力提水機的風輪直徑為5～7m，風輪軸的動力通過兩對錐齒輪傳遞給水車或螺旋泵，從而帶動水車或水泵提水。這類風力機的風輪能夠自動迎風，一般采用側翼--﹣配重調速機構進行自動調速。2、中揚程大流量風力提水機組中揚程大流量風力提水機組是由高速槳葉匹配容積式水泵組成的提水機組。這類風力提水機組的風輪直徑為5～6m，揚程為10～20m，流量為15～25m3／h。這類風力提水機用于提取地下水，進行農田灌溉或人工草場的灌溉。這種機組中的風力機一般均為流線型升力槳葉風力機，性能先進、適用性強，但造價高于傳統式風車。3、高揚程小流量風力提水機組高揚程小流量風力提水機組是由低速多葉片立軸風力機與活塞水泵相匹配組成的。這類機組的風輪直徑一般為2～6m，揚程為20～100m，流量為0.5～5m3／h，主要用于提取深井地下水。這類機組主要在我國西北部、北部草原牧區為人畜提供清潔飲用水或為小面積草場提供灌溉用水。這類提水機是通過曲柄連桿機構把風輪軸的旋轉運動變為活塞泵的往復直線運動進行提水作業的。風輪的對風一般都是通過尾翼來自動調整的，并采用風輪偏置﹣尾翼掛接軸傾斜方法進行自動調速。

三種風力提水機的性能指標二、發展風力提水業的前景1、進一步擴大灌溉面積是糧食增產的重要突破口。2、在中低產田的改良中，澇、漬鹽堿地占有較大的比重，這些土地的改良措施主要是排水。3、在畜牧業生產中，開展灌溉人工草場和高產飼草料地是克服草原畜牧業脆弱性，抵御自然災害發生，促進畜牧業穩產、高產的根本途徑。機組揚程流量風輪直徑低揚程大流量0.5～3m50～100m3/h5～7m中揚程大流量10～20m15～25m3/h5～6m高揚程小流量20～100m0.5～5m3/h2～6m第三節

風力制熱技術風力致熱是將風機輸出軸的機械能直接轉化為熱能的技術，風力致熱的能量利用率高，對風質要求低，對風況變化的適應性強，蓄能問題也便于解決。另外，風力致熱裝置的結構比較簡單，且容易滿足風力機對負荷的最佳匹配要求。因此，隨著社會發展對熱能需求的增長，將風力致熱技術應用于生活采暖及農業生產等，具有廣闊的發展前景。根據熱力學定律，由高品位能量到低品位能量的轉換，其理論效率可達100％。理想風力機的轉換效率約為60％，實際應用的風力機效率一般僅為理想風力機效率的70％。通常，風力機提水時的效率只有16％左右，發電時的轉換效率為30％，而風力致熱的轉換效率則可以達到40％。風力致熱主要有液體攪拌致熱、液體擠壓致熱、固體摩擦致熱和渦電流法致熱四種方式，其中研究較多的是液體攪拌致熱和液體擠壓致熱。1、液體攪拌致熱液體攪拌致熱是在風輪的轉軸上連接一個攪拌轉子，轉子上裝有葉片，將攪拌轉子置于裝滿液體的攪拌罐內，罐的內壁為定子，也裝有葉片。當風輪帶動轉子葉片轉動時，轉子攪拌液體，液體在轉子葉片、定子葉片及容器壁之間做渦流運動，并不斷撞擊、摩擦，將機械能轉換為熱能，提高了液體的溫度，從而得到所需的熱能。攪拌致熱裝置容易制造、無易磨損件，對載熱介質無嚴格要求。在整個工作過程中，將投入的能量全部轉換為熱能，能很好地與風力機輸出功率特性相匹配，功率系數大。2、液體擠壓致熱液體擠壓致熱是利用液壓泵和阻尼孔來進行致熱，風力機輸出軸驅動液壓泵旋轉，使液壓油從狹小的阻尼孔高速噴出，高速噴出的油與尾流管中的低速油相沖擊。油液高速通過阻尼孔時，由于分子間的互相沖擊和摩擦而加速分子的運動，油液的動能變成熱能，油溫上升。由于是液體間的沖擊和摩擦，故不會因磨損、燒損等問題損壞致熱裝置，因此，液體擠壓致熱的可靠性較高。3、致熱工質的選擇致熱工質是風力致熱器設計的重要組成部分，關系到風力致熱器的體積和系統的致熱效率。液體攪拌致熱依靠液體的撞擊摩擦將機械能轉換為熱能。牛頓內摩擦定律揭示：由于流體的粘滯性，在相互滑動的各層之間會產生流體的內摩擦力，由它們把運動傳遞到各相鄰的流體層，使流動較快的層減速，而流動較慢的層加速，形成按一定規律變化的流速分布。風力致熱器在風速過低、過大和無風的情況下都不能工作，風速小的時候還有可能出現致熱功率不足等問題。第四節

風力發電一、風力發電發展簡史風力發電是在大量利用風力提水的基礎上產生的，最早起源于丹麥。早在1890年，丹麥政府就制定了一項風力發電計劃，經過18年的努力，制造出首批72臺單機功率為5～25kW的風力發電機，又經過十年的努力，發展到120臺。時至今日，丹麥已成為世界上生產風力發電設備的大國。我國是世界上利用風能最早的國家之一。用帆式風車提水已有1700多年的歷史，在農業灌溉和鹽池提水中起到過重要的作用。從20世紀70年代開始，在國家有關部門的領導和協調下，我國開始小型風力發電機的研制，并取得了明顯進展，實現了小型機組的國產化，且在內蒙古等地區得到較廣泛的應用。隨著科學技術水平的進一步提高，風力發電將更有競爭力，其清潔和安全性更符合綠色社會可持續發展的政策。二、風力發電的原理及系統組成1、風力發電的原理風力發電是利用風力帶動風車葉片旋轉，再通過增速機將旋轉的速度提升，來促使發電機發電。即把風的動能→機械動能→電力動能。依據目前的風車技術，大約3m/s的微風速度（微風的程度）便可以開始發電。典型的風力發電系統是由風能資源、風力發電機組、控制裝置、蓄能裝置、備用電源、電能用戶組成。其中風力風電機組是整個系統的核心部分，按照其收集風能的結構形式及在空間的布置，可分為水平軸風力發電機和垂直軸風力發電機，其中前者應用遠多于后者，小型風力發電系統效率很高，基本結構如圖示。其工作原理是：風輪在風力作用下旋轉，將風的動能轉化為機械能，發電機在風輪軸的帶動下旋轉發電。1-－風輪（集風裝置）；2－傳動裝置；3－塔架；4－調向器（尾翼）；5－限速調速裝置；6－發電機2、風力發電系統的組成（1）風輪（集風裝置）集風裝置的作用是將流動空氣具有的動能轉變為風輪旋轉的機械能。一般由2～3個葉片和輪轂組成。小型風力機的葉片通常采用優質木材加工制成，表面涂上保護漆，其根部與輪轂相接處使用良好的金屬接頭并用螺栓擰緊，采用玻璃纖維或其他復合材料蒙皮的風力機則效果更好。總的說來，除部分小型風力機的葉片采用木質材料外，中、大型風力機的葉片今后都傾向于采用玻璃纖維或高強度的復合材料。輪轂是風輪的樞紐，也是葉片根部與主軸的連接件，風力機葉片都要裝在輪轂上，所有從葉片傳來的力，都通過輪轂傳遞到傳動系統，再傳到風力機驅動的對象。同時輪轂也是控制葉片槳距（使葉片做俯仰轉動）的所在，因此在設計中應保證足夠的強度，并力求結構簡單化，在可能條件下（如采用葉片失速控制），葉片采用定槳距結構，也就是將葉片固定在輪轂上（無俯仰轉動），這樣不但能簡化結構設計，提高壽命，而且能有效地降低成本。（2）發電機目前風能利用中有三種風力發電機，即直流發電機、同步交流發電機和異步交流發電機。小功率風力發電機多采用同步或異步交流發電機，因為風量的不穩定性，故其輸出的是電壓變化的交流電，須經過整流裝置轉換成直流電，再對蓄電池充電，使風力發電機產生的電能變成化學能，然后用有保護電路功能的逆變電源把蓄電池里的化學能轉變成交流220V市電，才能保證穩定使用。（3）調向器（偏航系統）調向器的作用是盡量使風力發電機的風輪隨時都迎著風向，最大限度地獲得風能，一般采用尾翼控制風輪的迎風朝向。常用的調向器主要有以下三種：①尾舵：主要用于小型風力發電機，它的優點是能夠自主地對準風向，不需要特殊控制。由于尾舵調向裝置結構笨重，因此很少應用于中型以上的風力機②側風輪在機艙的側面安裝一個小風輪，其旋轉軸與風輪主軸垂直，如果主風輪沒有對準風向，則側風輪會被風吹動，從而產生偏向力，并通過蝸輪蝸桿機構使主風輪轉到對準風向為止。③風向跟蹤系統為了達到更好的對風效果，對于大型風力發電機組，一般采用電動機驅動的風向跟蹤系統。整個偏航系統由電動機、減速機構、偏航調節系統和扭纜保護裝置等部分組成，偏航調節系統包括風向標和偏航系統調節軟件。風向標的主要作用是對應每一個風向都有一個相應的脈沖輸出信號，并通過偏航系統軟件確定其偏航方向和偏航角度，然后將偏航信號放大傳送給電動機，通過減速機構轉動風力機平臺，直到對準風向為止。如果機艙在同一方向偏航超過3圈以上時，則扭纜保護裝置開始動作，執行解纜，直到機艙回到位置時解纜停止。（4）限速安全裝置安裝限速安全裝置是為了保證風力發電機安全運行。風輪轉速過高或發電機超負荷都會危及風力發電機安全運行。限速安全裝置能保證風輪的轉速在一定的風速范圍內運行。除了限速裝置外，風力發電機還設有專門的制動裝置，在風速過高時可以使風輪停轉，保證特大風速下風力發電機的安全。限速裝置有各種各樣的類型，但從原理上來看大致有以下三類：使風輪偏離風向超速保護、利用氣動阻力制動、改變葉片的槳距角調速。①偏離風向超速保護對于小型風力機，為了簡化結構，其葉片一般是固定在輪轂上。在遇上超過設計風速的強風時，為了避免風輪超速轉動甚至葉片被吹毀，常采用使風輪水平或垂直旋轉的辦法，以便偏離風向，從而達到超速保護的目的。這種裝置的關鍵是把風輪軸設計成偏離軸心一個水平或垂直的距離，從而產生一個偏心距。同時安裝一副彈簧，一端系在與風輪構成一體的偏轉體上，一端固定在機座底盤或尾桿上，并預調彈簧力，使在設計風速內風輪偏轉力矩小于或等于彈簧力矩。當風速超過設計風速時，風輪偏轉力矩大于彈簧力矩，使風輪向偏心距一側水平或垂直旋轉，直到風輪受力力矩與彈簧力矩相平衡，風速恢復到設計風速以內時，風輪偏轉力矩小于彈簧力矩，使風輪向軸側水平或垂直旋轉，恢復到設計的繞軸心運轉狀態。極限狀態下，如在遇到強風時，可使風輪轉到與風向相平行，以達到停轉，保護風力機不被吹毀。②利用氣動阻力制動該裝置將減速板鉸接在葉片端部，與彈簧相連。在正常情況下，減速板保持在與風輪軸同心的位置，當風輪超速時，減速板因所受的離心力對鉸接軸的力矩大于彈簧張力的力矩，從而繞軸轉動成為擾流器，增加風輪阻力，起到減速作用。當風速降低后它們又回到原來位置。③變槳距調速采用變槳距方式除了可以控制轉速外，還可以減小轉子和驅動鏈中各部件的壓力，并允許風力機在很大的風速下運行，因而應用相當廣泛。在中小型風力機中，采用離心調速方式比較普遍，即利用槳葉或安裝在風輪上的重錘所受的離心力來進行控制。當風輪轉速增加時，旋轉配重或槳葉的離心力隨之增加并壓縮彈簧，使葉片的槳距角改變，從而使受到的風力減小，以降低轉速。當離心力等于彈簧張力時，即達到平衡位置。（5）塔架風力機的塔架是風力發電系統重要的基礎平臺，除了要支撐風力機的重量，還要承受吹向風力機和塔架的風壓以及風力機運行中的動載荷，應滿足很高的剛度要求。它的剛度和風力機在轉動過程中由于振動產生的動載荷有密切關系。如果說塔架對小型風力機影響還不太明顯的話，對大、中型風力機的影響就不容忽視了。水平軸風力發電機的塔架主要可分為管柱型和桁架型兩類。管柱型塔架可從最簡單的木桿，一直到大型鋼管和混凝土管柱。小型風力機塔桿為了增加抗彎矩的能力，可以用拉線來加強；中、大型塔桿為了運輸方便，可以將鋼管分成幾段。一般來說，管柱型塔架對風的阻力較小，特別是對于下風向風力機，產生紊流的影響要比桁架型塔架小。桁架型塔架常用于中、小型風力機上，其優點是造價不高，運輸也方便，但這種塔架會使下風向風力機的葉片產生很大的紊流。（6）蓄電池蓄電池是發電系統中一個非常重要的部件，多采用汽車用鉛酸蓄電池、近年來國內有些廠家也開發出了適用于風能、太陽能應用的專用鉛酸蓄電池。另外，還可以選用鎘鎳堿性蓄電池的，但其價格較貴。（7）控制器風力發電機控制器的功能是控制和顯示風力發電機對蓄電池的充電，以保證蓄電池不至于過充電和過放電，保證蓄電池的正常使用和整個系統的可靠工作。目前，風力發電機控制器一般都附帶一個耗能負載，它的作用是在蓄電池已充滿且外部負荷很小時來吸納風力發電機發出的電能。（8）逆變器逆變器是把直流電（12V、24V、36V和48V）變成220V交流電的裝置，因為目前市場上很多用電器是采用220V供電的，因此這一裝置在很多應用場合是必需的。思考題4-3、簡述風力發電系統中調向器的作用及常用類型？08七月2025第四章

風能及其利用3三、風力發電的運行方式風力發電的運行方式可分為獨立運行、并網運行、風電場、風力﹣柴油發電系統聯合運行、風力發電﹣太陽電池發電聯合運行、風力﹣生物質能﹣柴油聯合發電系統等。1、獨立運行亦稱為獨立運行風力發電機，是應用在無電網地區的風力發電機，一般功率較小。通常是由一臺小型風力發電機向一戶或幾戶提供電力，用蓄電池蓄能，以保證無風時的用電。3～5kW以下的風力發電機多采用這種運行方式，可供邊遠農村、牧區、海島、氣象臺站、導航燈塔、電視差轉臺及邊防哨所等電網達不到的地區利用。2、并網運行是指風電機組與電網相聯，向電網輸送有功功率，同時吸收或者發出無功功率的風力發電系統。并網運行是為了克服風的隨機性帶來的蓄能問題而采取的最穩妥易行的運行方式，也是風力發電的主要發展方向。10kW以上直至兆瓦級的風力發電機均可以采用這種運行方式。3、風電場該運行方式是在風能資源豐富的地區按一定的排列規則成群安裝風力發電機組，組成集群，少的3～5臺，多的可達幾十臺、幾百臺，甚至數千上萬臺。風電場內風力發電機組的單機容量為幾十千瓦至幾百千瓦，也有達到兆瓦以上的。風電場一般選在較大盆地的風力進出口或較大海洋湖泊的風力進出口等，具體體現在高山環繞盆地（或海洋或湖泊）的峽谷低處，或有貫穿環山巖溶巖洞處，這樣就可獲得較大的風力。一般需要達到兩個要求：一是場址的風能資源比較豐富，年平均風速在6m/s以上，年平均有效風功率密度大于200W/m2，年有效風速累積時間（3～25m/s）不小于5000h；二是場地面積需達到一定的規模，以便有足夠的場地布置風力發電機。風電場大規模利用風能，其發出的電能全部經變電設備送往大電網。4、風力﹣柴油發電系統聯合運行該系統由風力發電機組、柴油發電機組、蓄能裝置、控制系統、用戶負荷及耗能負荷等組成。各發電、供電系統既能單獨工作，又能聯合工作，互相不沖突。采用風力﹣柴油發電系統可以實現穩定持續的供電。這種系統有兩種不同的運行方式：①風力發電機與柴油發電機交替運行；②風力發電機與柴油發電機并聯運行。5、風力發電﹣太陽能電池發電聯合運行該系統是一種互補的新能源發電系統，風力發電機可以和太陽能電池組成聯合供電系統。風能、太陽能都具有能量密度低、穩定性差的弱點，并受地理分布、季節變化及晝夜變化等因素的影響。我國屬于季風氣候區，冬季、春季風力強，但太陽輻射弱，夏季、秋季風力弱，但太陽輻射強，兩者能量變化趨勢相反，因而可以組成能量互補系統，并給出比較穩定的電能輸出。這種運行方式利用了自然能源的互補特性，增加了供電的可靠性。6、風力﹣生物質能﹣柴油聯合發電系統該系統是在風力﹣柴油發電系統基礎上增加了更多功能的聯合系統，在有生物質能的地方，將柴油發電系統直接接入沼氣、天然氣或生物柴油等可燃氣體或液體，就可以使柴油發電機工作并發電。四、風力發電設備風力發電機組由兩部分組成：一部分是為發電提供原動力的風力機，也稱為風輪機；另一部分是將其轉換為電能的發電機。1、風力機的分類風力機主要利用氣動升力帶動風輪。氣動升力是由飛行器的機翼產生的一種力，機翼翼型特點使運動的氣流在機翼上表面形成低壓區，在機翼下表面形成高壓區，從而產生向上的合力，并垂直于氣流方向。在產生升力的同時也產生阻力，風速也會有所下降。升力總是推動葉片繞中心軸轉動。國內外風力機的結構形式繁多，從不同的角度可有多種分類方法。（1）按葉片工作原理分：升力型風力機（啟動轉矩小，轉速高）和阻力型風力機（啟動轉矩大，轉速低）。（2）按風力機的用途分：風力發電機、風力提水機、風力鍘草機、風力脫谷機等。（3）按風輪葉片的葉尖線速度與吹來風速之比大小分：高速風力機（比值大于3）和低速風力機（比值小于3）。也有把比值為2～5的稱為中速風力機。（4）按風機容量大小分：小型（100kW以下）、中型（100～1000kW）、大型（1000kW以上）。我國則分成微型（1kW以下）、小型（1～10kW）、中型（10～100kW）和大型（100kW以上）4種。也有的將1000kW以上的風機稱為巨型風力機。（5）按風輪葉片數量分：單葉片、雙葉片、三葉片、四葉片及多葉片式風力機。（6）按風輪軸與地面的相對位置分：水平軸風力機、垂直軸（立軸）風力機。水平軸風力機風輪的旋轉軸與風向平行；垂直軸風力機風輪的旋轉軸垂直于地面或氣流方向。因為葉片工作原理不同，水平軸和垂直軸風力機又可細分為升力型水平軸風力機、阻力型水平軸風力機、升力型垂直軸風力機和阻力型垂直軸風力機。2、垂直軸風力機（1）槳葉式風力機（2）薩布紐斯式風力機（3）達里厄型風力機（4）旋轉渦輪式風力機（5）費來納式風力機（6）費特.肖奈達式風力機3、水平軸風力機（1）螺旋槳式風力機（2）荷蘭式風力機（3）多翼式風力機（4）帆翼式風力機（5）渦輪式風力機（6）多風輪式風力機請自行閱讀教材P69~P71頁，想一想思考題1：將達里厄型風力機和薩布紐斯式風力機組合在一起使用有什么優點？思考題2：風力機與發電機有哪兩種連接方式？多葉片風力機單葉片風力機垂直軸風力機旋轉渦輪風力機五、發電機的選擇和分類1、異步交流發電機（1）按結構不同分類：籠型、繞線轉子。①在定槳距并網型風力發電系統中，一般采用籠型異步發電機。籠型異步發電機定子由鐵心和定子繞組組成。轉子采用籠型結構，轉子鐵心由硅鋼片疊成，呈圓筒形，槽中嵌入金屬（鋁或銅）導條。在鐵心兩端用鋁或銅端環將導條短接。轉子不需要外加勵磁，沒有集電環和電刷。籠型異步發電機剖面②繞線轉子異步發電機的定子與籠型異步發電機相同，轉子繞組電流通過集電環和電刷流入流出。異步發電機定子繞組為三相繞組，可采用星形或三角形聯結，當定子的三相繞組接到三相電壓時，可以產生固定速度的旋轉磁場。發電機轉子的轉速略高于旋轉磁場的同步轉速，并且恒速運行時，發電機運行在發電狀態。因風力機的轉速較低，在風力機和發電機之間需經增速齒輪箱傳動來提高轉速以達到適合異步發電機運轉的轉速。一般與電網并聯運行的異步發電機為4極或6極發電機，當電網頻率為50Hz時，發電機轉子的轉速必須高于1500r/min或1000r/min，才能運行在發電狀態，向電網輸送電能。三相繞線轉子異步發電機繞組接線（2）并網方式：直接并網、降壓并網、通過晶閘管軟并網①

直接并網風力異步發電機直接并網的條件有