風力發電技術與功率半導體器件及控制系統

　　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卻使這種能源更加適用。　　
       在現有的太陽能利用技術中，風力渦輪發電機成為大規模“綠色電能”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能源的生產。2003年，美國的風力發電廠裝機總值達 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
　　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電廠都用四個重要的機制來調節發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；發電機的電激勵水平；轉子負載角的變化。這樣的發 
電機是同步發電機，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，從而分別使發電機或電動機運行。在典型的發電機運行中，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 是轉子掃過的區域面積（單位為m3）。所以，依據轉子掃過的面積以及每小時千瓦的發電量來考慮風力渦輪發電機是有益的。設計師的任務是以成批生產的合理價格，找到轉子結構與發電機原理的最佳組合，從而實現最大的總功率系數。