风能与太阳能：可再生能源的深度剖析

### 风能与太阳能：可再生能源的深度剖析 #### 1. 风能转换系统 风能作为一种重要的可再生能源，其转换系统涉及多个关键组件。 ##### 1.1 风能转换效率与功率计算 风能转换为电能的总功率转换效率 $\eta_{tot}$ 可表示为： $\eta_{tot} = C_P(\lambda) \cdot \eta_{gear} \cdot \eta_{gen} \cdot \eta_{ele}$ 其中，$C_P(\lambda)$ 是功率系数，与叶尖速比 $\lambda$ 有关；$\eta_{gear}$ 是齿轮箱效率；$\eta_{gen}$ 是发电机效率；$\eta_{ele}$ 是电气传输和处理效率。 有效风力发电机功率输出 $P_{eff}$ 为： $P_{eff} = \eta_{tot} \cdot 0.5 \rho A v^3$ 这里，$\rho$ 是空气密度，$A$ 是风轮扫掠面积，$v$ 是风速。 例如，当风速为 8 m/s，风轮直径为 36 m，空气密度为 1.2 kg/m³ 时： - 输入风功率 $P_{wind}$ 计算如下： $P_{wind} = 0.5 \rho A v^3 = 0.5 \cdot 1.2 \cdot \frac{\pi}{4} \cdot 36^2 \cdot 8^3 = 312533$ W - 理论最大提取功率（贝茨极限）$P_{max}$ 为： $P_{max} = 0.59 \cdot P_{wind} = 0.59 \cdot 312533 = 184394.5$ W - 若齿轮箱、发电机和电气传输及处理效率分别为 0.85、0.96 和 0.95，则有效功率 $P_{eff}$ 为： $P_{eff} = 0.85 \cdot 0.96 \cdot 0.95 \cdot P_{max} = 142942.6$ W ##### 1.2 风力发电机组件 风力发电机系统（WTG）的关键组件包括： - **风轮**：是风力发电机最关键的元件之一。顺风和逆风风轮适用于高容量风力发电机，以较高的叶尖速比运行。叶尖速比（TSR）取决于叶片数量，二者都会影响风轮可靠性。风轮的转速需与尺寸和风速相匹配，其翼型设计对性能有重要影响。常见的高容量涡轮机风轮叶片材料有木材层压板、玻璃纤维增强塑料、碳纤维增强塑料、钢和铝。 - **齿轮箱**：用于将低速风轮的转速提高到高速发电机的转速。适当的齿轮箱维护对于降低运营成本至关重要，因为其维修或更换成本较高，且使用寿命受风力状况影响较大。 - **发电机**：将机械能转换为电能，常见的有感应发电机和同步发电机。感应发电机可靠性高、成本较低，其转速随风轮转速变化，可减轻塔架、齿轮箱和输电线路等部件的压力，因此在风能转换中应用更为广泛。同步发电机依赖于转速，定子需连接直流链路转换器系统，这增加了系统的复杂性和成本，但它能在较宽的速度范围内运行。 - **控制系统**：为了在各种风况下实现动态稳定、安全可靠的运行，需要复杂的控制系统。包括变桨控制和偏航控制： - **变桨控制**：位于轮毂内，随风速变化绕径向轴旋转，通过调节叶片的攻角，几乎能针对每个风速进行最佳调整，提高动态稳定性并增加风能捕获量。有液压和机电两种类型。 - **偏航控制**：用于在湍流环境中维持系统的动态稳定性。机舱相对于塔架旋转，由偏航系统提供动力，该系统包括偏航轴承、电机和驱动器，其类型（主动或被动）取决于风轮是顺风还是逆风类型。 - **塔架和基础**：塔架高度是影响风力发电机性能的重要参数。较高的塔架通常能获得更多的风、更大的风轮和更高的功率输出，但会增加总体成本和安装难度。基础对于风力发电机的安装至关重要，需要仔细评估结构载荷、材料、施工、岩土参数、塔架法兰尺寸和使用要求。 风力发电机组件关系流程图如下： ```mermaid graph LR A[风轮] --> B[齿轮箱] B --> C[发电机] A --> D[控制系统] D --> E[变桨控制] D --> F[偏航控制] G[塔架] --> A H[基础] --> G C --> I[电气传输] I --> J[有效功率输出] ``` #### 2. 太阳能资源 太阳能是绝大多数能源系统的最终能量来源，了解特定位置的太阳能数量和质量对于设计任何太阳能系统至关重要。 ##### 2.1 太阳能基础 - **太阳能辐射**：太阳能以电磁辐射的形式存在，波长范围约为 0.3 µm 至超过 3 µm，主要集中在可见光和近红外波段。太阳的特定发射功率为 63.11 MW/m²。太阳常数 $SC$ 是指在平均日地距离处，垂直于太阳光线的地球大气层外表面上接收到的平均太阳辐射强度，目前测量值约为 1367 ± 2 W/m²。 - **地球与太阳的相对位置**：地球自转轴相对于其绕太阳公转轨道平面倾斜 23.5°，这导致了不同季节和纬度地区的日照时间和太阳辐射量的变化。在冬至（约 12 月 22 日），北极倾斜远离太阳 23.5°，北极圈以北地区处于极夜，南极圈以南地区则处于极昼；夏至（约 6 月 22 日）情况相反。在春分（约 3 月 21 日）和秋分（约 9 月 21 日），全球各地昼夜平分。 各月第一天的日数如下表所示： | 月份 | 日数 | 月份 | 日数 | | ---- | ---- | ---- | ---- | | 1 月 | 1 | 7 月 | 182 | | 2 月 | 32 | 8 月 | 213 | | 3 月 | 60 | 9 月 | 244 | | 4 月 | 91 | 10 月 | 274 | | 5 月 | 121 | 11 月 | 305 | | 6 月 | 152 | 12 月 | 335 | ##### 2.2 太阳位置计算 - **太阳赤纬角**：太阳赤纬角 $\delta$ 表示太阳光线与地球赤道平面的夹角，其值在冬至为 -23.45°，夏至为 +23.45°。在实际应用中，可通过以下近似公式计算： $\delta = 23.45 \cdot \sin(\frac{360 \cdot (284 +