風力發(fā)電技術與功率半導體器件及控制系統(tǒng)

風力發(fā)電技術與功率半導體器件及控制系統(tǒng)
通過風能獲得太陽的能量并非新鮮事物，但當今的功率半導體器件與控制系統(tǒng)卻使這種能源更加適用?！　?BR>?????? 在現有的太陽能利用技術中，風力渦輪發(fā)電機成為大規(guī)?！熬G色電能”生產的先鋒。
　　今天，美國政府和歐洲各國政府都在大力支持可持續(xù)能源的生產。2003年，美國的風力發(fā)電廠裝機總值達 16 億美元，預計到 2020年，還將再增 10 萬 MW 的裝機容量，可滿足美國電力需求的 6%。美國還將在 Majave 沙漠的 Tehachapi建立世界上最大的地面風力發(fā)電場。但 2002 年的數據顯示，全球 90% 的新增容量還是在歐洲。
　　可變的能量輸入是對設計師的挑戰(zhàn)
　　先驅者們在多大程度上解決了困擾今天設計師的諸多問題，對此作出正確的估計是有益的。在這些問題中，最大的要數能量供給的可變性。普通的蒸汽渦輪機發(fā)電廠都用四個重要的機制來調節(jié)發(fā)電機的速度和電力輸出：產生蒸汽的初級能耗速率；向渦輪機輸送蒸汽的速率；發(fā)電機的電激勵水平；轉子負載角的變化。這樣的發(fā)電機是同步發(fā)電機，其中轉子與電網頻率的整倍數同步并以這一整倍數頻率旋轉。改變轉子相對于零相位差“空載”位置的角度，就可以增加或減少送至電網或從電網獲得的電能，從而分別使發(fā)電機或電動機運行。在典型的發(fā)電機運行中，轉子超前電網約30°。由于電力輸出直接耦合到電網，強大的電網條件提供的發(fā)電機軸轉矩可控制其速度，保持恒定的電網頻率。
　　那么，風力能產生多少功率呢？理論表明，空氣密度已知時，可用的每平方米瓦特能量值隨氣流的三次方變化。因此，轉子性能對風力渦輪發(fā)電機設計的每個方面都是至關重要的。至關重要的參數之一就是葉尖速度比，亦即輪葉葉尖速度與自由流動空氣流速度之比。這一參數描述了轉子的功率系數，1919 年德國物理學家 Albert Betz認為該系數不可能超過 0.593。在實踐中，典型的轉子功率系數在葉尖速度比為 7 時很少超過 0.4（圖1）。如果轉子速度固定不變，效率損失忽略不計，你就可用以下公式計算風力渦輪發(fā)電機的功率輸出：
　　功率=Cp×r/2×V3W×A
　　式中，CP 為轉子的功率系數，r為空氣的密度（單位為kg/m3），vw 為風速(單位是m/s)，A是轉子掃過的區(qū)域渺幡巍懟啤笑桅痞兀?（單位為m3）。所以，依據轉子掃過的渺幡巍懟啤笑桅痞兀?以及每小時千瓦的發(fā)電量來考慮風力渦輪發(fā)電機是有益的。設計師的任務是以成批生產的合理價格，找到轉子結構與發(fā)電機原理的最佳組合，從而實現最大的總功率系數。