陳永明，周小磊，韓立洋，林 萍，顧春雷

鹽城工學(xué)院電氣工程學(xué)院，江蘇鹽城 224051

大規(guī)?？稍偕L(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展綜述

陳永明，周小磊，韓立洋，林 萍，顧春雷

鹽城工學(xué)院電氣工程學(xué)院，江蘇鹽城 224051

在目前的可再生能源中，大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)占據(jù)主導(dǎo)地位，各個國家都投入大量的經(jīng)費來支持研發(fā)風(fēng)力發(fā)電新技術(shù)和新產(chǎn)品。文章首先介紹我國風(fēng)力發(fā)電的歷史以及研發(fā)狀況，接著論述了風(fēng)力發(fā)電機組及其發(fā)電技術(shù)相關(guān)內(nèi)容，最后對我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展前景做出了展望。

大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電；可再生能源；發(fā)電機組

風(fēng)能是具有非常大潛力的可再生能源，我國是使用風(fēng)能最早的國家之一，其中使用帆式風(fēng)車已經(jīng)有1700多年的歷史。風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)主要包括有風(fēng)輪轉(zhuǎn)子、發(fā)電機機艙、安全限速裝置、風(fēng)機機架、風(fēng)能蓄電裝置、液壓系統(tǒng)、傳動機構(gòu)等七部分構(gòu)成。目前普遍采用的風(fēng)力發(fā)電機包括同步交流發(fā)電機、異步交流發(fā)電機和直流發(fā)電機三種。采用發(fā)展風(fēng)力發(fā)電其中可以減少對石化能源的依賴，減少化學(xué)物質(zhì)的排放量可以保護我們地球的環(huán)境。隨著大規(guī)?？稍偕L(fēng)力發(fā)電技術(shù)不斷進步，在不久的將來清潔可再生風(fēng)能將會變成我們生活中不可缺少的資源。因此，國內(nèi)外許多國家都十分重視發(fā)展這一新型的可再生發(fā)電技術(shù)—風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。加快我國風(fēng)電項目建設(shè)，對于促進我國沿海地區(qū)治理大氣霧霾、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式具有重要意義[1]。

1 我國風(fēng)力發(fā)電的歷史及現(xiàn)狀

1.1 我國風(fēng)力發(fā)電的歷史

20世紀(jì)50年代，我國在現(xiàn)有的風(fēng)車技術(shù)水平上開始有摸索的研制風(fēng)力發(fā)電機組，從而初步建立對風(fēng)力發(fā)電機組的認知；60年代，我國將風(fēng)力提水機組作為重點項目來發(fā)展，并且取得非常好的效果。70年代開始，我國建立新能源研發(fā)中心，開始組織并投入大量的人力、物力和財力來研發(fā)小型風(fēng)力發(fā)電機組，并取得了較快的進展，生產(chǎn)出我國自主研發(fā)的小型風(fēng)力發(fā)電機組，并在風(fēng)力資源豐富的草原地區(qū)研發(fā)使用。但是在很長一段時間內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電機組的受到技術(shù)水平的限制，僅僅在小規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電機組上研發(fā)和使用，并沒有形成大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電的。

1.2 風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀

據(jù)中國產(chǎn)業(yè)調(diào)研網(wǎng)發(fā)布的中國風(fēng)力發(fā)電報告顯示：在2013年，我國新增的風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)容量達到1448萬千瓦，累計并網(wǎng)容量達到7715萬千瓦，與往年相比增加了23%。目前我國中央政府和地方政府部門都開始制定相關(guān)風(fēng)力發(fā)電發(fā)展計劃，通過增加風(fēng)電發(fā)電基地建設(shè)，增加風(fēng)電發(fā)電研究經(jīng)費投入等措施來促進風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。從2014年風(fēng)電發(fā)電相關(guān)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，我國在風(fēng)能利用率水平上有所提升，我國風(fēng)力發(fā)電平均利用風(fēng)能率高達92%，同比往年上升4個百分點，風(fēng)能利用率達近年來最高值。隨著我國一系列的政策落實以及對電網(wǎng)投入大量資金重新建設(shè)，風(fēng)力發(fā)電的裝機數(shù)量在未來幾年將會有大幅度的突破[2]。

2 我國風(fēng)力發(fā)電機類型

2.1 按儲能容量劃分

風(fēng)速的大小影響著發(fā)電機輸出功率的大小，風(fēng)速的穩(wěn)定性直接影響著發(fā)電機輸出功率的穩(wěn)定性。目前我國采用儲能電池通常為鉛酸蓄電池，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的儲能容量風(fēng)力發(fā)電機組被劃分為如下4種種類：容量在0.1到1千瓦之間的為小型風(fēng)力發(fā)電機組，容量在1到1000千瓦之間的為中型風(fēng)力發(fā)電機組，容量在1000到10000千瓦之間的為大型風(fēng)力發(fā)電機組，容量在10000千瓦以上被視為巨型風(fēng)力發(fā)電機組。

2.2 根據(jù)輪軸的安裝方式

現(xiàn)階段使用的風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)輪是由兩個或三個風(fēng)葉片組合而成。調(diào)向器主要控制風(fēng)力發(fā)電機中風(fēng)輪的方向，使風(fēng)輪能夠獲得最好的風(fēng)能。風(fēng)力發(fā)電機組的安全限速裝置機構(gòu)可以讓風(fēng)力發(fā)電機組安全和平穩(wěn)地運行，風(fēng)機的支撐塔基被用于將風(fēng)力發(fā)電機組提升到更高的高度，從而可以獲得更多的風(fēng)能來驅(qū)動風(fēng)力發(fā)電機組，塔基的結(jié)構(gòu)也將決定發(fā)電機組的容量和輪軸的安裝方式，目前普遍采用的安裝方式有垂直軸安裝風(fēng)力發(fā)電機和水平軸安裝的風(fēng)力發(fā)電機組。

1）水平軸式安裝的風(fēng)力發(fā)電機。水平軸式安裝的風(fēng)力發(fā)電機一般由塔基和塔基上部搭載的工作翼艙構(gòu)成。工作翼艙里一般會布置有齒輪調(diào)速系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、發(fā)電機系統(tǒng)等機構(gòu)。一般的風(fēng)機上安裝的翼片數(shù)有3到6個。水平軸式安裝的風(fēng)力發(fā)電機上安裝調(diào)向裝置是為了讓風(fēng)機上安裝的翼片最優(yōu)的迎風(fēng)角度，從而使得風(fēng)機產(chǎn)生更大的響應(yīng)容量。目前水平軸式安裝的風(fēng)力發(fā)電機技術(shù)比較成熟，許多風(fēng)電站都采用水平軸式安裝的風(fēng)力發(fā)電機來產(chǎn)生電能。

2）垂直軸式安裝的風(fēng)力發(fā)電機。20世紀(jì)30年代研制出了垂直軸式安裝的風(fēng)力發(fā)電機。垂直軸式安裝的風(fēng)力發(fā)電機可以分別利用翼型升力和空氣阻力做功來輸出電能。Darrieus 型風(fēng)機為其中一類具有典型代表性的風(fēng)力發(fā)電機，常見有Y 型、H 型、菱形等多種類型。S型風(fēng)輪是第二類風(fēng)機的典型結(jié)構(gòu)，它由兩個軸線錯開的半圓柱形組成，其主要優(yōu)點是起動時轉(zhuǎn)矩較大[3]。

2.3 按調(diào)節(jié)輸出功率的形式不同劃分

1）定槳距型。固定輪轂和槳葉而且轉(zhuǎn)速和槳距角不變的風(fēng)力發(fā)電機被稱為定槳距風(fēng)力發(fā)電機。槳距角度不能根據(jù)外界的風(fēng)速進行相應(yīng)的變化而調(diào)整，如果風(fēng)機的額定轉(zhuǎn)速低于額定外界的風(fēng)速，葉片就會失速，從而造成的輸出功率降低。目前使用的定槳距型風(fēng)力發(fā)電機的體積相對較大、功率系數(shù)較低且停止后不易啟動[4]。

2）變槳距型。目前使用的大型變槳距風(fēng)力發(fā)電機組除了進行槳距控制以外，還有根據(jù)發(fā)電機轉(zhuǎn)差率控制發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流來控制發(fā)電機轉(zhuǎn)的速度在一定范圍內(nèi)迅速響應(yīng)風(fēng)速的變化類吸收變化的風(fēng)能，讓輸出功率的曲線更加穩(wěn)定[5]。

3 結(jié)語

我國目前應(yīng)加強大規(guī)?？稍偕L(fēng)力發(fā)電核心技術(shù)的研究，改進風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)和性能，通過動態(tài)無功調(diào)節(jié)能力和主動調(diào)控的能提升大規(guī)?？稍偕L(fēng)力發(fā)電有功功率輸出，使其能夠滿足電力系統(tǒng)電網(wǎng)并聯(lián)運行要求，進而使得我國大規(guī)?？稍偕L(fēng)力發(fā)電技術(shù)達到世界領(lǐng)先水平。

[1]蔣宏春.風(fēng)力發(fā)電技術(shù)綜述[J].機械設(shè)計與制造，2010（9）：250-251.

[2]高坤，李春，高偉，等.新型海上風(fēng)力發(fā)電及其關(guān)鍵技術(shù)研究[J].能源研究與信息，2010（2）：110-116.

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[4]李國慶.變速恒頻風(fēng)力發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)分析[J].中國科技縱橫，2014（14）：207-207.

[5]侯喆瑞，張鑫，張嵩.風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)研究綜述[J].智能電網(wǎng)，2014（2）：12-14.

TM6

A

1674-6708（2015）150-0033-02

國家自然科學(xué)基金項目 (31501221)；江蘇省自然科學(xué)基金資助項目（BK20140467）；江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項目（13KJB210006）；鹽城市農(nóng)業(yè)科技指導(dǎo)性計劃項目(YKN2014009, YKN2014010)；鹽城工學(xué)人才引進項目（KJC2014007，KJC2014006）；鹽城工學(xué)院校級培育項目（XKY2013013，XKY2014056，XKY2014055），鹽城工學(xué)院實驗室開放項目聯(lián)合資助