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小型風(fēng)力發(fā)電機入門
歷史
在美國相當長的時間里，風(fēng)能一直是一個重要的能量來源。機械風(fēng)車是兩個“高科技”的發(fā)明之一（另一個是帶刺的鐵絲網(wǎng)），這促進了我們的西部邊界在18世紀后期的發(fā)展。自從1860年，超過800萬的機械風(fēng)車已安裝在美國，有些風(fēng)車已運行了超過一百年。早在1920年和1930年，整個中西部地區(qū)一些農(nóng)家已經(jīng)使用200-3000瓦風(fēng)力發(fā)電機來供應(yīng)電燈、收音機和廚房用具等。
在70年代末和80年代初，風(fēng)能作為一種可以解決能源危機的辦法，再次受到關(guān)注。作為用戶和農(nóng)民的期待，小型風(fēng)力發(fā)電機以各種電力生產(chǎn)可再生能源的替代品，成為最符合成本效益的技術(shù)，其成本也在減小。在1976-1985年之間，稅收抵免和良好的聯(lián)合條例（PURPA），使人們把4500多個小型、1-25萬千瓦的風(fēng)力系統(tǒng)安裝到個人家庭里。另外1000個風(fēng)力系統(tǒng)在同一時期也被安裝在各種遠程應(yīng)用上。小型風(fēng)力發(fā)電機被安裝在所有的五十個州。然而，沒有一個小型風(fēng)力發(fā)電機組的國有大公司致力于長期的市場發(fā)展，因此，在1985年年底，當聯(lián)合政府稅收抵免過期，石油價格下降到10美元每桶的兩個月后，大部分的小型風(fēng)力發(fā)電機組行業(yè)再次消失了。有些公司認為，這幸存的“市場調(diào)節(jié)” ，在生產(chǎn)小型風(fēng)力發(fā)電機組的今天，那些機器是最可靠的，其聲譽是最好的。
成本因素
在很多方面光伏技術(shù)是一個有吸引力的技術(shù)，但成本因素是考慮的問題之一。那些在家庭、事業(yè)、或遠程設(shè)施等方面有需要的用戶，功率超過100-200瓦的小型風(fēng)力發(fā)電機，可能是一個有吸引力的替代方式。舉例來說，在50瓦特規(guī)模水平，某小型風(fēng)力發(fā)電機組的費用約為8.00美元/瓦特，相比約為光伏模塊6.00美元/瓦特。這就是為什么對于很小的負載光伏技術(shù)的費用較低的原因。不過，由于該系統(tǒng)規(guī)模較大，這個“經(jīng)驗規(guī)則”推翻了自己。在300瓦特風(fēng)力發(fā)電機組的成本下跌至2.50美元/瓦特時（1.50美元/瓦特在西南空氣風(fēng)能事件中） ，而光電成本仍然為6.00美元/瓦特 。1500瓦特風(fēng)力系統(tǒng)的成本下降到2.00美元/瓦特，一個10000瓦特的風(fēng)力發(fā)電機的成本（不包括電子產(chǎn)品）下跌至1.50美元/瓦特 。光伏和風(fēng)能在監(jiān)管和控制方面的成本，基本上是相同的。出人意料的是，風(fēng)力發(fā)電機的塔的成本，相當于光伏架子和追蹤系統(tǒng)的成本。因為有大量的連接，所以光伏系統(tǒng)的線路接線的成本通常較高。
對于連接到公用電網(wǎng)的用戶，小型風(fēng)力發(fā)電機，通常是最好的“下一步”，畢竟其保護和效率等方面已經(jīng)有所改善。一個典型的家庭每月消耗用電800-2000千瓦時和4-10千瓦風(fēng)力發(fā)電機或光伏系統(tǒng)，以滿足家庭需求。在這種情況下，風(fēng)力發(fā)電機已不再昂貴。
可靠性
在過去，可靠性是小型風(fēng)力發(fā)電機組產(chǎn)品的“要害”。在70年代末，為了提高其可靠性，所以對小型發(fā)電機進行了良好的設(shè)計。今天的產(chǎn)品，在先進的技術(shù)上超過了早先的技術(shù)，可靠性也大致增加了。小型發(fā)電機，現(xiàn)在可運作5年或更長時間，甚至在環(huán)境惡劣的地方，也不需要維修或檢查，擔(dān)?？墒褂?年。這個系統(tǒng)的可靠性和運行成本與光伏系統(tǒng)是一樣的。
風(fēng)能
風(fēng)能是地球表面受熱不均勻所產(chǎn)生的太陽能的一種形式。最好的風(fēng)能資源在海岸沿線、山上、北部各州，但是在大多數(shù)地區(qū)都能發(fā)現(xiàn)這種可用的風(fēng)力資源。作為一個動力源，風(fēng)能比太陽能較難預(yù)測，但通常它在一天內(nèi)能供應(yīng)更多的時間。風(fēng)能資源因為受地形及其他因素的影響，使它比太陽能更方便獲得。例如，在丘陵地形，你和你的鄰居，有可能接收到完全相同的太陽能資源。但因為你居住在很好的位置上，是一個能更好的接觸到當時風(fēng)向的地方，你就能比你的鄰居接收到更好的風(fēng)能資源，反過來說，如果你的位置是溝壑或背風(fēng)面的山，你的風(fēng)能資源利用就要大大降低。在這種情況下，與太陽能相比，應(yīng)該更周密的考慮風(fēng)能。
風(fēng)能是遵循季節(jié)性模式的，在冬季的月份很高而在夏季的幾個月卻很低。這和太陽能剛剛相反?；谶@個原因，在混合動力系統(tǒng)中風(fēng)能和太陽能系統(tǒng)協(xié)同工作。這些混合的系統(tǒng)為小型風(fēng)能制造商們提供了一個更細分的市場——光伏系統(tǒng)，以擴展他們的風(fēng)能系統(tǒng)。
風(fēng)力發(fā)電機
大部分風(fēng)力發(fā)電機是水平軸螺旋槳式系統(tǒng)。垂直軸系統(tǒng)，如S -轉(zhuǎn)子式薩沃紐斯型系統(tǒng)，已被證明是很昂貴的。橫向軸風(fēng)力發(fā)電機一般包括一個螺旋槳，一臺發(fā)電機，一個主機和一個尾舵。螺旋槳將獲取的風(fēng)能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運動，以驅(qū)動發(fā)電機。螺旋槳通常由兩個或三個葉片組成。由三個葉片組成的系統(tǒng)比兩個葉片的更有效率，運行更平穩(wěn)，但他們需要的成本更多。葉片通常是由木料或玻璃纖維制成，因為這些材料中有它需要的結(jié)合強度和柔韌性（他們不干擾電視信號） 。
發(fā)電機通常是為風(fēng)力發(fā)電機組專門設(shè)計的。永磁交流發(fā)電機因為他們無需實地繞組而廣受歡迎。低速直接驅(qū)動發(fā)電機的一個重要特征是系統(tǒng)使用了一般尚未可靠的變速箱或帶。主機是風(fēng)力發(fā)電機的重要結(jié)構(gòu)之一，它包括用來連接旋轉(zhuǎn)（通過這點，可以改變風(fēng)向）的風(fēng)力發(fā)電機和固定接線線路的“滑環(huán)”。尾部排列的轉(zhuǎn)子可以是防護超速的一部分。
風(fēng)力發(fā)電機產(chǎn)品的開發(fā)是很困難的，而且許多早期的系統(tǒng)也不是很可靠。光伏模塊是很可靠的，因為通常它沒有任何運動部件，在以后光伏組件將越來越可靠。在一方面，一個風(fēng)力發(fā)電機必須有運動部件和可靠性，一個機器的特性是由工程和設(shè)計的技術(shù)層次決定的。在另一方面，從一個系統(tǒng)到另外一個系統(tǒng)，在可靠性、耐用性和期望壽命等方面上存在很大差異，這給經(jīng)常工作在太陽能組件的經(jīng)銷商和顧客上了一課。
塔架
一個風(fēng)力發(fā)電機必須能夠高效率地運行。湍流是最接近地面的。此外，風(fēng)速隨高度的增加而增加。經(jīng)驗之談，你應(yīng)該根據(jù)每個風(fēng)力發(fā)電機的特點為風(fēng)力發(fā)電機安裝一個適合的塔架。為了讓風(fēng)輪在地面上較高的風(fēng)速帶中運行，需要用塔架把風(fēng)輪支撐起來。舉例來說，1 250瓦特發(fā)電機往往是被安裝在一個30-50英尺的塔架上，而10千瓦發(fā)電機通常會需要一個80-120英尺的塔架。我們不推薦在人們居住的小型建筑上安裝風(fēng)力發(fā)電機，因為湍流、噪音和振動是一直存在的問題。
最便宜的塔架是拉線塔，例如那些常用于無線電的天線。規(guī)模較小的拉線塔往往建造成管狀。自支撐塔架一般建成格子狀或管狀，占用更少的空間，更具有吸引力，但它們也更昂貴。塔架所用材料一般是木桿或鐵管，也可以采用鋼材做成的桁架結(jié)構(gòu)。電話線的連接桿結(jié)構(gòu)也可用于規(guī)模較小的風(fēng)力發(fā)電機。塔架，尤其是拉線塔，可鉸接適當?shù)难b備上，用絞車或車輛讓他們傾斜向上或向下。所有地面的工作都要做。一些塔架和發(fā)電機可以由買方很容易地設(shè)置，而有些則是最好交由受過訓(xùn)練的專業(yè)人員做。不論選擇什么樣的塔架，目的是使風(fēng)輪獲得較大風(fēng)速，同時還必須考慮成本。塔架通常是有風(fēng)力發(fā)電機的制造商所提供的，以確保適當?shù)倪m應(yīng)性。
遠程系統(tǒng)設(shè)備
作為遠程系統(tǒng)設(shè)備，系統(tǒng)平衡設(shè)備被小型風(fēng)力發(fā)電機組所使用著。大部分風(fēng)力發(fā)電機組需要對電池充電儲存方面進行設(shè)計，以防止充電過度而造成不必要的損失。目前采用最多的儲能方法是利用蓄電池把電能儲存起來。該調(diào)節(jié)器是專門為特定發(fā)電機設(shè)計的。光伏調(diào)節(jié)器一般不適合小型風(fēng)力發(fā)電機組的使用，因為設(shè)計他們不是來處理和發(fā)現(xiàn)發(fā)電機的電壓和電流的變化的。調(diào)節(jié)器的生產(chǎn)通常與直流源中心有關(guān)系，它也可以作為其它直流源、負載及電池的連接點。光伏系統(tǒng)和風(fēng)能系統(tǒng)的混合動力系統(tǒng)通過把單獨的監(jiān)管機構(gòu)連接到直流源中心，但沒有特別的管制措施。小型風(fēng)力發(fā)電機的一般經(jīng)驗規(guī)則是蓄電池至少應(yīng)為最高可再生能源的充電電流的6倍，包括任何光伏要素。
做你自己的公司
在1978年，PURPA聯(lián)合條例通過，允許你為你的房子或工作連接一個合適的可再生能源供電的發(fā)電機，以減少你對公用供電的消費。法律同意規(guī)定購買任何額外的電力，在價格上（避免成本） 通常低于電力的零售成本。在約一半的國家有“凈能量計費選項”，小系統(tǒng)是允許運行反向計量的，所以過剩的產(chǎn)量使他們得到足夠的零售費率。由于為保持特殊的手工處理客戶帳戶和凈能源帳單，過高的間接費用其實是沒必要的。這些系統(tǒng)不使用電池。風(fēng)力發(fā)電機組的蓄電是由整流換向逆變器和感應(yīng)發(fā)電機相互協(xié)調(diào)的。然后其電能連接到家庭的機器面板上的專用斷路器上，就像一個大型家電。當風(fēng)力發(fā)電機組沒有運行，或者它不夠提供這個屋子所需要的電力時，需要的電力由蓄電池提供。同樣，如果發(fā)電機產(chǎn)生的電能超過了房子的電能消耗，多余的電能就會即刻存到相應(yīng)的地方。實際上，作為一個非常大的電池儲備裝置，蓄電池作為風(fēng)力發(fā)電機組的一個負面的負荷。經(jīng)過200000000小時的相互運作，我們現(xiàn)在知道小互聯(lián)風(fēng)力發(fā)電機是安全可靠，也不會干預(yù)用戶的任何設(shè)備，其成功地運作也不需要任何特別的安全設(shè)備。
在20世紀80年代初，到稅收抵免的時候全國各地數(shù)以百計的用戶安裝了4-12千瓦的風(fēng)力發(fā)電機組，現(xiàn)在每月電費為8-30美元 ，而他們的鄰居電費的范圍在100-200美元不等。當然這個問題是這些稅收抵免早已遠去的時候，大部分房主并沒有覺得一個合適的風(fēng)力發(fā)電機的成本是昂貴的。舉例來說，10千瓦的發(fā)電機（對家庭用戶來說最常見的配置） ，通常的安裝費用為28000-35000美元。對于那些支付12美分/千瓦小時或更多，平均風(fēng)速每小時10英里或風(fēng)速更高的地區(qū)（能源部2級） ，且有較大的土地使用權(quán)（發(fā)電機大）的用戶來說，一個家用發(fā)電機肯定是值得考慮的。投資回收期一般是8-16年，有些風(fēng)力發(fā)電機是過去30年或更早時間設(shè)計的，所以投入的資金可以收回。
效果
一個風(fēng)力發(fā)電機的額定功率不是比較一個產(chǎn)品和下一個產(chǎn)品的好的因素。這是因為制造商可以根據(jù)風(fēng)速來自由選擇發(fā)電機的額定速度。如果額定風(fēng)速不一樣，那么兩個產(chǎn)品相比較是有誤導(dǎo)之嫌的。幸運的是，美國風(fēng)能協(xié)會已經(jīng)通過了一個評價能源生產(chǎn)性能的標準方法。遵循AWEA標準的制造商將提供在各年度平均風(fēng)速時每年的能源輸出（AEO）的資料。每年能源輸出的數(shù)據(jù)就像環(huán)保局為你的車估計氣體英里數(shù)一樣，他們讓你公平的比較產(chǎn)品，但他們不告訴你實際你要做些什么（“你們的表現(xiàn)可能有所不同”）。
能源部門已為美國編制了風(fēng)力資源地圖。這些地圖顯示的PC資源意味著平均風(fēng)速可能會在一定幅度內(nèi)浮動。PC越高其資源更好。這種情況可能是因為地形的影響。能源部的地圖顯示開放式的地形相當不錯，但在丘陵或山區(qū)，他們必須謹慎使用。風(fēng)力資源是指一個標準風(fēng)速傳感器的高度為33英尺（ 10米） ，因此你在使用制造商所提供的AEO資料之前，必須通過平均風(fēng)速校準風(fēng)塔的高度。風(fēng)力發(fā)電機制造商通?？梢栽趲缀跞魏蔚攸c為他們的發(fā)電機提供電腦輔助的效果預(yù)測。
作為一個風(fēng)能經(jīng)驗法則，當遠程應(yīng)用超過每小時8英里（大部分，但不是全部，第1級和所有其他級）和每小時10英里（第2級或更高）時應(yīng)考慮你的平均風(fēng)速。如果你住在一個不是多丘陵的地區(qū)，在你的位置上能源部風(fēng)能資源地圖可以清楚地準確地計算出預(yù)期的風(fēng)力發(fā)電機的效果。在復(fù)雜地形時，該位置上的判斷也必須用這種效果預(yù)測來調(diào)整平均風(fēng)速。在大多數(shù)情況下，安裝一個小型風(fēng)力發(fā)電機組是沒有必要記錄監(jiān)測到的同一風(fēng)速的。但在某些情況下，它是值得花費300-1000美元并等待一年來做一個風(fēng)力調(diào)查的。制造商和設(shè)備商能夠幫助你理清這些問題。
如何使用風(fēng)力發(fā)電機
安裝一個風(fēng)力發(fā)電機比安裝太陽能電池板復(fù)雜，但他們?nèi)匀皇悄愕哪茉刺娲w系中相對容易弄的。發(fā)電機需要安裝在一個風(fēng)的流量不受阻礙的領(lǐng)域（附近的建筑物，樹木等）。
一些小型發(fā)電機可以安裝在你的房子的頂樓，但發(fā)電機產(chǎn)生的振動可能被轉(zhuǎn)移至建設(shè)的框架。安裝在屋頂?shù)陌l(fā)電機經(jīng)常與橡膠減振裝置配合使用，以減少振動這方面的問題。但是作為一般規(guī)則，在更高的空中你可以讓你的風(fēng)力發(fā)電機組更有效地發(fā)揮，所以拉線塔是推薦的安裝系統(tǒng)。各種各樣的塔的高度和風(fēng)格使得您會找到一個安裝套件，以滿足您的需要。
當安裝的風(fēng)力發(fā)電機的控制系統(tǒng)和線路時，了解風(fēng)力發(fā)電機和太陽能電池板這兩個的根本性分歧是很重要的：
整流器：太陽能電池板能產(chǎn)生電力所需的直流電（DC），并能在沒有造成損害的情況下直接連接到電池存儲機構(gòu)。風(fēng)力發(fā)電機不能產(chǎn)生直流電，所以有被稱為“整流器”的裝置來把發(fā)電機的輸出電流轉(zhuǎn)換成直流。
一些發(fā)電機有一種整流內(nèi)置設(shè)計，盡管在大多數(shù)情況下，被供應(yīng)的整流器是作為一個獨立的組成部分，但它必須安裝在風(fēng)力發(fā)電機和蓄電池之間。整流器是一個完整的風(fēng)力發(fā)電機組的控制單元。
負載轉(zhuǎn)移：太陽能電池板是“被動式”的電力生產(chǎn)者。即使太陽照著，他們也只有當需要由電池充電時才產(chǎn)生電力。風(fēng)力發(fā)電機是“積極”的電力生產(chǎn)者。只要有風(fēng)，不管電池是否需要充電他們都會產(chǎn)生電流。為了避免破壞風(fēng)力發(fā)電機組，所有的電力生產(chǎn)必須要用某種方式來解決這個問題。
當電池系統(tǒng)需要充電時，他們提供電力負載來使風(fēng)力發(fā)電機發(fā)電。如果電池完全充電后，發(fā)電機的產(chǎn)生的電量必須要“轉(zhuǎn)移”到另一種電力負載。
負載分流充電控制器調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機的輸出，所以當他們需要時你的電池將充電，當這些電池完全充電后，任何由風(fēng)力發(fā)電機所產(chǎn)生的多余電力都會被轉(zhuǎn)移到候補的負載中。 一些風(fēng)力發(fā)電機有充電控制功能，用來轉(zhuǎn)移多余的電流。不過大多數(shù)發(fā)電機系統(tǒng)的充電控制器是一個外部設(shè)備。