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小型風力發(fā)電機入門
歷史
在美國相當長的時間里，風能一直是一個重要的能量來源。機械風車是兩個“高科技”的發(fā)明之一（另一個是帶刺的鐵絲網），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800萬的機械風車已安裝在美國，有些風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)一些農家已經使用200-3000瓦風力發(fā)電機來供應電燈、收音機和廚房用具等。
在70年代末和80年代初，風能作為一種可以解決能源危機的辦法，再次受到關注。作為用戶和農民的期待，小型風力發(fā)電機以各種電力生產可再生能源的替代品，成為最符合成本效益的技術，其成本也在減小。在1976-1985年之間，稅收抵免和良好的聯合條例（PURPA），使人們把4500多個小型、1-25萬千瓦的風力系統(tǒng)安裝到個人家庭里。另外1000個風力系統(tǒng)在同一時期也被安裝在各種遠程應用上。小型風力發(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“市場調節(jié)” ，在生產小型風力發(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是一個有吸引力的技術，但成本因素是考慮的問題之一。那些在家庭、事業(yè)、或遠程設施等方面有需要的用戶，功率超過100-200瓦的小型風力發(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的費用較低的原因。不過，由于該系統(tǒng)規(guī)模較大，這個“經驗規(guī)則”推翻了自己。在300瓦特風力發(fā)電機組的成本下跌至2.50美元/瓦特時（1.50美元/瓦特在西南空氣風能事件中） ，而光電成本仍然為6.00美元/瓦特 。1500瓦特風力系統(tǒng)的成本下降到2.00美元/瓦特，一個10000瓦特的風力發(fā)電機的成本（不包括電子產品）下跌至1.50美元/瓦特 。光伏和風能在監(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的用戶，小型風力發(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，風力發(fā)電機已不再昂貴。
可靠性
在過去，可靠性是小型風力發(fā)電機組產品的“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計。今天的產品，在先進的技術上超過了早先的技術，可靠性也大致增加了。小型發(fā)電機，現在可運作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，擔保可使用5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。
風能
風能是地球表面受熱不均勻所產生的太陽能的一種形式。最好的風能資源在海岸沿線、山上、北部各州，但是在大多數地區(qū)都能發(fā)現這種可用的風力資源。作為一個動力源，風能比太陽能較難預測，但通常它在一天內能供應更多的時間。風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向的地方，你就能比你的鄰居接收到更好的風能資源，反過來說，如果你的位置是溝壑或背風面的山，你的風能資源利用就要大大降低。在這種情況下，與太陽能相比，應該更周密的考慮風能。
風能是遵循季節(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)，以擴展他們的風能系統(tǒng)。
風力發(fā)電機
大部分風力發(fā)電機是水平軸螺旋槳式系統(tǒng)。垂直軸系統(tǒng)，如S -轉子式薩沃紐斯型系統(tǒng)，已被證明是很昂貴的。橫向軸風力發(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。螺旋槳將獲取的風能轉換成旋轉運動，以驅動發(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)電機通常是為風力發(fā)電機組專門設計的。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。主機是風力發(fā)電機的重要結構之一，它包括用來連接旋轉（通過這點，可以改變風向）的風力發(fā)電機和固定接線線路的“滑環(huán)”。尾部排列的轉子可以是防護超速的一部分。
風力發(fā)電機產品的開發(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計的技術層次決定的。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，這給經常工作在太陽能組件的經銷商和顧客上了一課。
塔架
一個風力發(fā)電機必須能夠高效率地運行。湍流是最接近地面的。此外，風速隨高度的增加而增加。經驗之談，你應該根據每個風力發(fā)電機的特點為風力發(fā)電機安裝一個適合的塔架。為了讓風輪在地面上較高的風速帶中運行，需要用塔架把風輪支撐起來。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構。電話線的連接桿結構也可用于規(guī)模較小的風力發(fā)電機。塔架，尤其是拉線塔，可鉸接適當的裝備上，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置，而有些則是最好交由受過訓練的專業(yè)人員做。不論選擇什么樣的塔架，目的是使風輪獲得較大風速，同時還必須考慮成本。塔架通常是有風力發(fā)電機的制造商所提供的，以確保適當的適應性。
遠程系統(tǒng)設備
作為遠程系統(tǒng)設備，系統(tǒng)平衡設備被小型風力發(fā)電機組所使用著。大部分風力發(fā)電機組需要對電池充電儲存方面進行設計，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。該調節(jié)器是專門為特定發(fā)電機設計的。光伏調節(jié)器一般不適合小型風力發(fā)電機組的使用，因為設計他們不是來處理和發(fā)現發(fā)電機的電壓和電流的變化的。調節(jié)器的生產通常與直流源中心有關系，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)和風能系統(tǒng)的混合動力系統(tǒng)通過把單獨的監(jiān)管機構連接到直流源中心，但沒有特別的管制措施。小型風力發(fā)電機的一般經驗規(guī)則是蓄電池至少應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。風力發(fā)電機組的蓄電是由整流換向逆變器和感應發(fā)電機相互協(xié)調的。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，蓄電池作為風力發(fā)電機組的一個負面的負荷。經過200000000小時的相互運作，我們現在知道小互聯風力發(fā)電機是安全可靠，也不會干預用戶的任何設備，其成功地運作也不需要任何特別的安全設備。
在20世紀80年代初，到稅收抵免的時候全國各地數以百計的用戶安裝了4-12千瓦的風力發(fā)電機組，現在每月電費為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，平均風速每小時10英里或風速更高的地區(qū)（能源部2級） ，且有較大的土地使用權（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，有些風力發(fā)電機是過去30年或更早時間設計的，所以投入的資金可以收回。
效果
一個風力發(fā)電機的額定功率不是比較一個產品和下一個產品的好的因素。這是因為制造商可以根據風速來自由選擇發(fā)電機的額定速度。如果額定風速不一樣，那么兩個產品相比較是有誤導之嫌的。幸運的是，美國風能協(xié)會已經通過了一個評價能源生產性能的標準方法。遵循AWEA標準的制造商將提供在各年度平均風速時每年的能源輸出（AEO）的資料。每年能源輸出的數據就像環(huán)保局為你的車估計氣體英里數一樣，他們讓你公平的比較產品，但他們不告訴你實際你要做些什么（“你們的表現可能有所不同”）。
能源部門已為美國編制了風力資源地圖。這些地圖顯示的PC資源意味著平均風速可能會在一定幅度內浮動。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。風力資源是指一個標準風速傳感器的高度為33英尺（ 10米） ，因此你在使用制造商所提供的AEO資料之前，必須通過平均風速校準風塔的高度。風力發(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測。
作為一個風能經驗法則，當遠程應用超過每小時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）時應考慮你的平均風速。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能資源地圖可以清楚地準確地計算出預期的風力發(fā)電機的效果。在復雜地形時，該位置上的判斷也必須用這種效果預測來調整平均風速。在大多數情況下，安裝一個小型風力發(fā)電機組是沒有必要記錄監(jiān)測到的同一風速的。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力調查的。制造商和設備商能夠幫助你理清這些問題。
如何使用風力發(fā)電機
安裝一個風力發(fā)電機比安裝太陽能電池板復雜，但他們仍然是你的能源替代體系中相對容易弄的。發(fā)電機需要安裝在一個風的流量不受阻礙的領域（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)電機產生的振動可能被轉移至建設的框架。安裝在屋頂的發(fā)電機經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。
當安裝的風力發(fā)電機的控制系統(tǒng)和線路時，了解風力發(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。風力發(fā)電機不能產生直流電，所以有被稱為“整流器”的裝置來把發(fā)電機的輸出電流轉換成直流。
一些發(fā)電機有一種整流內置設計，盡管在大多數情況下，被供應的整流器是作為一個獨立的組成部分，但它必須安裝在風力發(fā)電機和蓄電池之間。整流器是一個完整的風力發(fā)電機組的控制單元。
負載轉移：太陽能電池板是“被動式”的電力生產者。即使太陽照著，他們也只有當需要由電池充電時才產生電力。風力發(fā)電機是“積極”的電力生產者。只要有風，不管電池是否需要充電他們都會產生電流。為了避免破壞風力發(fā)電機組，所有的電力生產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力發(fā)電機發(fā)電。如果電池完全充電后，發(fā)電機的產生的電量必須要“轉移”到另一種電力負載。
負載分流充電控制器調節(jié)風力發(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，任何由風力發(fā)電機所產生的多余電力都會被轉移到候補的負載中。 一些風力發(fā)電機有充電控制功能，用來轉移多余的電流。不過大多數發(fā)電機系統(tǒng)的充電控制器是一個外部設備。