風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與功率半導(dǎo)體器件及控制系統(tǒng)

　　通過(guò)風(fēng)能獲得太陽(yáng)的能量并非新鮮事物，但當(dāng)今的功率半導(dǎo)體器件與控制系統(tǒng)卻使這種能源更加適用。　　
       在現(xiàn)有的太陽(yáng)能利用技術(shù)中，風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)成為大規(guī)模“綠色電能”生產(chǎn)的先鋒。
　　今天，美國(guó)政府和歐洲各國(guó)政府都在大力支持可持續(xù)能源的生產(chǎn)。2003年，美國(guó)的風(fēng)力發(fā)電廠裝機(jī)總值達(dá) 16 億美元，預(yù)計(jì)到 2020 年，還將再增 10 萬(wàn) MW 的裝機(jī)容量，可滿足美國(guó)電力需求的 6%。美國(guó)還將在 Majave 沙漠的 Tehachapi 建立世界上最大的地面風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)。但 2002 年的數(shù)據(jù)顯示，全球 90% 的新增容量還是在歐洲。
　　可變的能量輸入是對(duì)設(shè)計(jì)師的挑戰(zhàn)
　　先驅(qū)者們?cè)诙啻蟪潭壬辖鉀Q了困擾今天設(shè)計(jì)師的諸多問(wèn)題，對(duì)此作出正確的估計(jì)是有益的。在這些問(wèn)題中，最大的要數(shù)能量供給的可變性。普通的蒸汽渦輪機(jī)發(fā)電廠都用四個(gè)重要的機(jī)制來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的速度和電力輸出：產(chǎn)生蒸汽的初級(jí)能耗速率；向渦輪機(jī)輸送蒸汽的速率；發(fā)電機(jī)的電激勵(lì)水平；轉(zhuǎn)子負(fù)載角的變化。這樣的發(fā) 
電機(jī)是同步發(fā)電機(jī)，其中轉(zhuǎn)子與電網(wǎng)頻率的整倍數(shù)同步并以這一整倍數(shù)頻率旋轉(zhuǎn)。改變轉(zhuǎn)子相對(duì)于零相位差“空載”位置的角度，就可以增加或減少送至電網(wǎng)或從電網(wǎng)獲得的電能，從而分別使發(fā)電機(jī)或電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。在典型的發(fā)電機(jī)運(yùn)行中，轉(zhuǎn)子超前電網(wǎng)約 30°。由于電力輸出直接耦合到電網(wǎng)，強(qiáng)大的電網(wǎng)條件提供的發(fā)電機(jī)軸轉(zhuǎn)矩可控制其速度，保持恒定的電網(wǎng)頻率。
　　那么，風(fēng)力能產(chǎn)生多少功率呢？理論表明，空氣密度已知時(shí)，可用的每平方米瓦特能量值隨氣流的三次方變化。因此，轉(zhuǎn)子性能對(duì)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的每個(gè)方面都是至關(guān)重要的。至關(guān)重要的參數(shù)之一就是葉尖速度比，亦即輪葉葉尖速度與自由流動(dòng)空氣流速度之比。這一參數(shù)描述了轉(zhuǎn)子的功率系數(shù)，1919 年德國(guó)物理學(xué)家 Albert Betz 認(rèn)為該系數(shù)不可能超過(guò) 0.593。在實(shí)踐中，典型的轉(zhuǎn)子功率系數(shù)在葉尖速度比為 7 時(shí)很少超過(guò) 0.4（圖 1）。如果轉(zhuǎn)子速度固定不變，效率損失忽略不計(jì)，你就可用以下公式計(jì)算風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的功率輸出：
　　功率=Cp×r/2×V3W×A
　　式中，CP 為轉(zhuǎn)子的功率系數(shù)，r為空氣的密度（單位為kg/m3），vw 為風(fēng)速(單位是m/s)，A 是轉(zhuǎn)子掃過(guò)的區(qū)域面積（單位為m3）。所以，依據(jù)轉(zhuǎn)子掃過(guò)的面積以及每小時(shí)千瓦的發(fā)電量來(lái)考慮風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)是有益的。設(shè)計(jì)師的任務(wù)是以成批生產(chǎn)的合理價(jià)格，找到轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與發(fā)電機(jī)原理的最佳組合，從而實(shí)現(xiàn)最大的總功率系數(shù)。