风力涡轮机是一种采用风能做动力的涡轮机。美国马萨诸塞州威尔布拉汉的某航空航天研究机构已经研发了一种风力涡轮机,其发电时的成本仅为常规涡轮机的一半。
技术原理
通常情况下,当风通过涡轮机,几乎有一半的空气被迫停留在叶片周围,而不是通过它们,这些风中的能量就丢失了。传统的风力涡轮机最多只能利用59.3%的风能,这个值被称为贝兹极限(Betzlimit)。
风力涡轮机,借鉴
喷气发动机技术的设计克服了存在于传统风力涡轮机的一个基本缺陷。风力涡轮机的叶片周围罩上遮蔽物,引导空气通过叶片并使其加速,这增加了电力产量。
风力涡轮机就像
喷气发动机的进气口。当空气进入时,首先会遇到一套固定的叶片,被称为定子,它能把空气引导进一套可转动的叶片——转子。空气推动转子并出现在另一边,此时空气流动的速度比在涡轮机外流动的速度更慢。遮蔽物做成合适的形状,以便其引导在外面相对流动较快的空气进入转子后面的区域。快速流动的空气加速缓慢移动的空气,使涡轮机叶片后的区域变成低气压,以吸纳更多的空气通过它们。
主要特点
遮蔽风力涡轮机叶片的主意并不是新的,早期的设计都太大以至于无法付诸实践,或者性能不好,部分原因是因为叶片必须排列地非常紧密来对准风向在30或40之间。新的叶片更小,在工作时偏离风向的角度能够达到150~200。
发展状况
丹麦的Poulla Cour教授是风力发电研究的先驱者,1891年他在丹麦的Askov成立了风力发电研究所并安装了试验用的4叶片风力发电机。到1910年,丹麦已建成100座5~25kW的风力发电站。但从19世纪末到20世纪初期实现的风力发电均为小容量直流发电。
1931年,在前苏联的Balaclave建成世界上第一座中型风力发电机,其容量为100kW。1957年,丹麦成功制造了风轮直径24m,额定功率200kW的Gedser(盖瑟)风力发电机组,其为三叶片、上风向、采用定桨距风轮失速调节限制机组的功率、带有电动机械偏航、采用异步发电机。1983年,美国波音公司研制的MOD-5b型风力发电机组(额定功率3.2MW、风轮直径98m)投入运行。到1990年末,世界上已有多个生产兆瓦级风力发电机组的制造商。起源于丹麦的定桨距失速控制方式因结构简单、性能可靠,曾在相当长的时间内占据主导地位,但随着风力发电机组趋向大型化和兆瓦级机组的商业化,全桨叶变距控制成为发展趋势。
2001年以来,全球每年风电装机容量增长速度为20%~30%,风力发电已成为世界上增长速度最快的清洁能源。到2008年底,全球风电装机容量已达1.20亿kW,前3位的国家分别是美国、德国、西班牙。
中国的风电发展主要集中在2003年以后。近年来,显示出前所未有的发展势头。到2008年底,风电机组总装机容量达1215.3万kW,位列全球第4。中国国内风电制造技术发展呈现的主要特点为:兆瓦级风电机组已成为主流机型;变桨距、变速恒频技术得到广泛采用;双馈异步发电技术仍占主流;直驱型风电机组发展迅速。
2023年,风力涡轮机五大生产商中有四家是中国公司,比前一年的两家有所增加。金风科技保持了领先地位,而远景能源则取代了维斯塔斯成为第二大生产商。通用电气和西门子歌美飒被挤出了前五名。2023年中国约占全球陆上和海上风电增量的三分之二,而美国的风电装机量降至2017年以来的最低水平。中国风力涡轮机装机成本大幅下降至每瓦略高于2元人民币,仅为美国同等产品的五分之一。
社会评价
麻省理工学院机械工程学的科学家表示,这样的设计可能会增加一倍或两倍的涡轮机功率输出,这是可信的。增长功率中的一部分只不过来自于用遮蔽物引导空气进入涡轮机。
但是斯科拉夫奥诺斯指出,这也有助于利用涡轮机周围的风来加速空气流动,因为风力涡轮机产生的电力与风力速度的三次方成正比。关键问题是,新的涡轮机是否可以维持足够低的成本来建造。