汪旭旭，劉毅，江娜，段延芳

(三峽大學(xué)，湖北 宜昌 443000)

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展綜述

汪旭旭，劉毅，江娜，段延芳

(三峽大學(xué)，湖北 宜昌 443000)

風(fēng)力發(fā)電作為可再生能源之一，各大機(jī)構(gòu)、高校等均投入大量人力、資金、技術(shù)研發(fā)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)及產(chǎn)業(yè)。首先介紹了風(fēng)能及風(fēng)能利用歷史，較詳細(xì)的綜述了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及風(fēng)力發(fā)電機(jī)類型等內(nèi)容，并對(duì)當(dāng)前我國(guó)風(fēng)力發(fā)電面臨的難點(diǎn)進(jìn)行了分析，最后展望了風(fēng)力發(fā)電的前景，能夠?yàn)橄嚓P(guān)風(fēng)力發(fā)電的研究提供一定依據(jù)。

風(fēng)能;風(fēng)力發(fā)電;發(fā)電機(jī);發(fā)電系統(tǒng)

1 引言

從能源的分布和利用來(lái)看，隨著不可再生能源的逐漸枯竭，水力發(fā)電容量有限，核能發(fā)電存在諸多不安全因素，那么尋求新形勢(shì)的發(fā)電方式將是擺在當(dāng)今電力行業(yè)面前的首要難題。風(fēng)能發(fā)電在目前的可再生能源中，起步早，發(fā)展較成熟，產(chǎn)業(yè)化較好，并有望成為火電、水電之后的第三大發(fā)電電源［1］。利用風(fēng)能發(fā)電將在我國(guó)的新能源發(fā)電領(lǐng)域占據(jù)很重要的位置。本文較全面地介紹了風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及風(fēng)力電機(jī)型式，分析了風(fēng)力發(fā)電發(fā)展面臨的技術(shù)難點(diǎn)，并展望了風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展前景。

2 風(fēng)力發(fā)電概況

2.1 風(fēng)能概述［2，3］

由空氣運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量稱之為風(fēng)能。單位面積上單位時(shí)間通過(guò)的風(fēng)能稱為風(fēng)能密度。我國(guó)風(fēng)能資源豐富，可開發(fā)的裝機(jī)容量2.53億千瓦，居于世界首位，與可開發(fā)的水電裝機(jī)容量的量級(jí)基本相同，主要分布在新疆、內(nèi)蒙古以及沿海一帶。

風(fēng)能發(fā)電的優(yōu)缺點(diǎn)主要為:有安全可靠、節(jié)約資源、無(wú)污染、建設(shè)周期短、安裝靈活、運(yùn)行簡(jiǎn)單、占地少、環(huán)境要求低、發(fā)電方式多種多樣的優(yōu)點(diǎn)，但也存在頻率控制技術(shù)困難、對(duì)電網(wǎng)沖擊大、波形不標(biāo)準(zhǔn)、電力設(shè)備大而運(yùn)輸難等缺點(diǎn)。

2.2 風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展歷史［3］

人類數(shù)千年前就已經(jīng)在利用風(fēng)能。最早的利用方式是帆船。后又利用其提水、碾米等。雖然風(fēng)能利用歷史悠久，但是風(fēng)力發(fā)電卻只有一百多年的歷史。

丹麥人于19世紀(jì)末發(fā)明了第一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，并得到很好的推廣，到1930年小容量的風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)基本成熟。20世紀(jì)30年代至60年代，美國(guó)、丹麥等歐美國(guó)家開始研發(fā)大、中型發(fā)電機(jī)組。70年代至80年代，各國(guó)開始研制1000kW以上的發(fā)電機(jī)組，但均未能獲得正常運(yùn)行。丹麥在90年代利用大小兩種風(fēng)機(jī)研制出現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)的雛形。

3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及風(fēng)力電機(jī)型式

3.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的類型

3.1.1 按發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式劃分

(1)恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)［4，5］

目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用最多的異步發(fā)電機(jī)基本上是恒速恒頻型式的，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其基本原理為:由控制系統(tǒng)對(duì)風(fēng)速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)平均風(fēng)速大于起動(dòng)風(fēng)速時(shí)，控制系統(tǒng)開始啟動(dòng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行發(fā)電。這種發(fā)電方式具有性能可靠、控制技術(shù)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但風(fēng)能資源利用率較低。

圖1 恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為了增大風(fēng)能利用率，一般采用大小兩套配合發(fā)電，風(fēng)速低時(shí)小容量風(fēng)機(jī)可以進(jìn)行發(fā)電，風(fēng)速大時(shí)均能并網(wǎng)發(fā)電。

(2)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)［6］

不干涉風(fēng)車的轉(zhuǎn)速，讓其隨風(fēng)速的變化而變化，再通過(guò)其他方式來(lái)調(diào)頻的方法稱為變速恒頻風(fēng)力發(fā)電。風(fēng)機(jī)和電機(jī)的轉(zhuǎn)速有很大的變化范圍，當(dāng)風(fēng)速改變時(shí)，實(shí)時(shí)的調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，最大限度的對(duì)風(fēng)能進(jìn)行利用，優(yōu)化了機(jī)組的運(yùn)行條件，系統(tǒng)的發(fā)電效率也大大地提高了。目前國(guó)內(nèi)外主流的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)如建成或者在建的機(jī)組均采用這種方式。這種發(fā)電系統(tǒng)方式較多，僅僅列舉其中幾種形式，如圖2～4所示。

圖2 籠形一步異步電機(jī)變速恒頻系統(tǒng)

圖3 無(wú)齒輪箱變速恒頻系統(tǒng)

圖4 無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)變速恒頻系統(tǒng)

3.1.2 按變換器技術(shù)劃分

(1)交 － 交系統(tǒng)［7，8］

相對(duì)于交－直－交系統(tǒng)，交－交交換系統(tǒng)沒(méi)有中間的直流環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的交－交系統(tǒng)由三套可逆整流電路組成，是一種四象限交換器，能夠和電源之間進(jìn)行能量交換。這種交換系統(tǒng)工作可靠性好，效率較高。但由于含有較大的諧波電流，且在運(yùn)行中交換器要吸收大量的無(wú)功，因而功率因數(shù)也較低;其次由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致元件的數(shù)量較大，在風(fēng)力發(fā)電的系統(tǒng)中應(yīng)用有限。

(2)交 － 直 － 交系統(tǒng)［9，10］

交－直－交系統(tǒng)采用電壓源型通用變頻器，輸入側(cè)并不控制電流而直接整流得到直流電壓，輸出側(cè)則對(duì)直流電壓調(diào)壓調(diào)頻來(lái)達(dá)到負(fù)荷要求。由于輸入電流是非正弦波形電流，功率因數(shù)較低，對(duì)電網(wǎng)造成諧波影響。相對(duì)于交－交交換系統(tǒng)，該系統(tǒng)不具備四象限特性，設(shè)備較多且龐雜，造價(jià)高容易損壞，導(dǎo)致系統(tǒng)的可靠性較差。

(3)混合系統(tǒng)

將電壓型和電流型兩個(gè)變換系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行，稱之為混合式交換系統(tǒng)。這種系統(tǒng)一共含有4個(gè)可控變換器。該系統(tǒng)主變換器為電流源變換器，副變換器為電壓源變換器。具有控制方式靈活，輸出電能質(zhì)量高，便于實(shí)現(xiàn)電機(jī)矢量調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn);但該類型變換器所需的功率器件數(shù)量多，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致硬件成本過(guò)高，且控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)困難［11］。

3.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的類型

3.2.1 按發(fā)電容量劃分

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量劃分一般為:小型機(jī)組范圍為0.1～1000W，中型機(jī)組范圍為1～1000kW，大型機(jī)組范圍為1～10MW，巨型機(jī)組范圍一般在10MW以上，也成為特大機(jī)組。

3.2.2 按風(fēng)輪軸的安裝方式劃分

(1)垂直式風(fēng)力發(fā)電機(jī)［12］

按風(fēng)輪軸的安裝方式，可以將風(fēng)力發(fā)電機(jī)分為垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)和水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)出現(xiàn)于20世紀(jì)30年代，比水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)要晚。垂直式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的能量驅(qū)動(dòng)鏈?zhǔn)浅纱怪狈较虻?，主要包含兩種類型:第一類就是利用空氣阻力做功，第二類就是利用翼型的升力做功。第一類代表型風(fēng)力發(fā)電機(jī)為S型風(fēng)輪，由兩個(gè)軸線錯(cuò)開的半圓柱形組成，起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩較大是其主要優(yōu)點(diǎn)。Darrieus型風(fēng)力機(jī)是第二類風(fēng)機(jī)的典型結(jié)構(gòu)，常見有菱形、Y型、Φ型、H型等多種類型，其中一些的結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 各種形式的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)

(2)水平式風(fēng)力發(fā)電機(jī)［13］

目前應(yīng)用最廣且技術(shù)最純熟的風(fēng)力機(jī)是水平軸風(fēng)力機(jī)。水平軸風(fēng)力機(jī)包括塔身和塔身頂端的翼艙。在翼艙里安裝有發(fā)電機(jī)、變速箱和轉(zhuǎn)子等。其風(fēng)輪葉片數(shù)一般為2～3葉，葉片形狀一般為翼形，該風(fēng)輪啟動(dòng)力矩較大，風(fēng)能利用系數(shù)高。為了使風(fēng)機(jī)的頁(yè)面(掃風(fēng)面)能夠處于最佳迎風(fēng)位置，一般在水平式風(fēng)力發(fā)電機(jī)上還需安裝調(diào)向裝置。

3.2.3 按輸出功率調(diào)節(jié)形式不同劃分

(1)變槳距型［14－15］

變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)是在定槳距風(fēng)力機(jī)上發(fā)展過(guò)來(lái)的。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片與輪轂不再是剛性連接，此時(shí)采用的是聯(lián)軸器或是推動(dòng)軸承連接，目的是為了根據(jù)風(fēng)速的大小變化來(lái)控制槳距角，保證功率輸出在額定值附近。大型變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組除了進(jìn)行槳距控制以外，還通過(guò)控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流來(lái)控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率，使得發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)能夠快速響應(yīng)風(fēng)速的變化，以吸收瞬變的風(fēng)能，使輸出功率曲線更加平穩(wěn)。

(2)定槳距型［16］

定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的槳距角和轉(zhuǎn)速都是不變的，而且其槳葉和輪轂是固定的，采用葉尖擾流器實(shí)現(xiàn)槳葉的制動(dòng)，再結(jié)合槳葉自身的氣動(dòng)特性實(shí)現(xiàn)定槳距風(fēng)力機(jī)的調(diào)速功能。槳距角和轉(zhuǎn)速的固定不變性導(dǎo)致了槳距角不能隨風(fēng)速的變化而變化，一旦風(fēng)速高于額定風(fēng)速，槳葉就會(huì)失速而引起輸出功率隨之下降。利用自身氣動(dòng)性和葉尖擾流器實(shí)現(xiàn)控制性能，能夠簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、增加可靠性，但又存在其部件較大，功率系數(shù)較低且不易啟動(dòng)的缺點(diǎn)。

4 風(fēng)力發(fā)電發(fā)展面臨的技術(shù)難點(diǎn)［17－19］

4.1 設(shè)計(jì)方案的中國(guó)化

雖然風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已經(jīng)活躍了近百年，但是占據(jù)世界主流風(fēng)力發(fā)電機(jī)市場(chǎng)的仍然是歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家。國(guó)內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)廠基本采用引進(jìn)先進(jìn)國(guó)外技術(shù)，所以在確定設(shè)計(jì)方案的時(shí)候，基本沿用的是國(guó)外保留的方式，雖充分保留了國(guó)際先進(jìn)水平，但是沒(méi)有注意到與現(xiàn)實(shí)中國(guó)的發(fā)展水平以及具體的國(guó)內(nèi)運(yùn)行環(huán)境。

首先我國(guó)的工業(yè)發(fā)展水平在體系上和國(guó)外有一定差異和距離，甚至有些行業(yè)還存在代差。其次，國(guó)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、運(yùn)行的環(huán)境和國(guó)內(nèi)的環(huán)境存在很大差異。我國(guó)風(fēng)力資源豐富及開發(fā)較好的地區(qū)在北方地區(qū)，這里風(fēng)沙大、溫度低，環(huán)境條件苛刻，遠(yuǎn)低于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的自主開發(fā)

由于在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)上的相對(duì)落后，致使國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)受到國(guó)外技術(shù)的制約。在關(guān)鍵技術(shù)上和產(chǎn)品研發(fā)上依賴國(guó)外技術(shù)，產(chǎn)品費(fèi)用較大，風(fēng)力發(fā)電的成本較高，不利于我國(guó)風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的推廣發(fā)展。所以，研究和設(shè)計(jì)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是國(guó)內(nèi)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。

4．3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的載荷準(zhǔn)確計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般露置大氣環(huán)境之中，而自然環(huán)境的各個(gè)要素如氣溫、風(fēng)速、雨雪等，其隨機(jī)性差異很大，往往造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)的受力情況比較復(fù)雜，各種氣象條件下的應(yīng)力控制點(diǎn)也各不相同。由此看來(lái)，準(zhǔn)確計(jì)算不同運(yùn)行工況下的風(fēng)力機(jī)各部件的載荷特性，可以優(yōu)化產(chǎn)品的性能，提高風(fēng)力電機(jī)的可靠性、安全性，同時(shí)根據(jù)各部位應(yīng)力分布情況，采取只針對(duì)應(yīng)力薄弱環(huán)節(jié)加強(qiáng)的措施，能夠減少材料浪費(fèi)和降低成本。

5 結(jié)論

我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，相關(guān)法規(guī)如《可再生能源法》的頒布，更加促進(jìn)了風(fēng)電的推廣。同時(shí)國(guó)家也出臺(tái)了一系列政策來(lái)扶持風(fēng)電產(chǎn)業(yè)?？傮w來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)的環(huán)境給風(fēng)電的發(fā)展提供了有利的成長(zhǎng)空間。這是當(dāng)前我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的機(jī)遇。

但是我國(guó)風(fēng)力發(fā)電依然處于初級(jí)層次，與國(guó)外在技術(shù)層面、市場(chǎng)規(guī)模、建設(shè)等方面相比，還是存在相當(dāng)大的差距。

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Summary of W ind Power Technology Development

WANG Xu-xu，LIU Yi，JIANGNa，DUAN Yan-fang
(China Three Gorges University，Yichang，443000，China)

As one of the renewable energy，major institutions，colleges and universities have put substantialmanpower，capital，and techniques into the research and development of wind power technology and industry．Firstly，this paper introduces the history ofwind energy and wind energy utilization，and then has explicitly overview of wind power systems and type ofwind turbines．It also analyzes the current difficulties for China＇s wind power generation．Finally it gives an outlook for wind power，intending to provide a basis for the relevant research on wind power．

wind energy;wind power;wind turbines;power generation systems

TM614

B

1004－289X(2013)03－0016－04

2013－05－06

汪旭旭(1988－)，男，三峽大學(xué)與新能源學(xué)院，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姎夤こ?

劉毅(1980－)，男，漢族，安徽省岳西縣人，助理工程師，三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院2011級(jí)工程碩士研究生。主要研究方向?yàn)檩旊娋€路施工技術(shù)。