王雪峰

一、國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究進展

風(fēng)是人們熟悉的一種自然現(xiàn)象，它是由太陽輻射熱引起的。太陽照射到地球表面，地球表面各處受熱不同，產(chǎn)生溫差，從而引起大氣的對流運動形成風(fēng)。風(fēng)能就是大氣流動所產(chǎn)生的動能。大風(fēng)所具有的能量是很大的。風(fēng)速9-10m/s的5級風(fēng)，吹到物體表面上的力，每平方米面積上約有l(wèi)Okg。風(fēng)速20m/s的9級風(fēng)，吹到物體表面上的力，每平方米面積可達50kg左右。臺風(fēng)的風(fēng)速可達50一60m/s，它對每平方米物體表面上的壓力，可高達200kg以上。洶涌澎湃的海浪，是被風(fēng)激起的，它對海岸的沖擊力是相當(dāng)大的，有時可達每平方米20—30t的壓力，最大時甚至可達每平方米60t左右的壓力。風(fēng)不僅能量很大，而且它在自然界中所起的作用也是很大的。它可使山巖發(fā)生侵蝕，造成沙漠，形成風(fēng)海流，它還可在地面作輸送水分的工作，水汽主要是由強大的空氣流輸送的，從而影響氣候，造成雨季和旱季。據(jù)估計到達地球的太陽能中雖然只有大約2%轉(zhuǎn)化為風(fēng)能，但其總量仍是十分可觀的。全球的風(fēng)能約為2.74×109Mw，其中可利用的風(fēng)能約為2×10 7MW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍。據(jù)專家們估計，風(fēng)中含有的能量，比人類迄今為止所能控制的能量高得多。全世界每年燃燒煤炭得到的能量，還不到風(fēng)力在同一時間內(nèi)所提供給我們的能量的1%?？梢?，風(fēng)能是地球上重要的能源之一。風(fēng)能與其它能源相比，既有其明顯的優(yōu)點，又有其突出的局限性。

二、風(fēng)力發(fā)電機的構(gòu)成與分類及技術(shù)

1.風(fēng)力發(fā)電機的構(gòu)成與分類

風(fēng)力發(fā)電的原理說起來非常簡單，基本工作原理是風(fēng)輪在風(fēng)力的作用下旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)輪軸的機械能，風(fēng)輪軸帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)發(fā)電。其中風(fēng)能轉(zhuǎn)化裝置稱為風(fēng)力機。現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機采用空氣動力學(xué)原理，就像飛機的機翼一樣。風(fēng)并非”推”動風(fēng)輪葉片，而是吹過葉片形成葉片正反面的壓差，這種壓差會產(chǎn)生升力，令風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)并不斷橫切風(fēng)流，從而帶動發(fā)電機發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)輪并不能提取風(fēng)的所有功率。根據(jù)BetZ定律，理論上風(fēng)電機能夠提取的最大功率，是風(fēng)的功率的5 9.6%。大多數(shù)風(fēng)電機只能提取風(fēng)的功率的4 O%或者更少。風(fēng)力發(fā)電機按葉片固定軸的方位，可以分為橫軸和豎軸兩類;按對風(fēng)方式可分為逆風(fēng)和順風(fēng)風(fēng)力發(fā)電機;按葉片的數(shù)量可分為單葉片、雙葉片和三葉片風(fēng)力發(fā)電機等。

（1）橫軸風(fēng)力發(fā)電機和豎軸風(fēng)力發(fā)電機

橫軸式風(fēng)電機工作時轉(zhuǎn)軸方向與風(fēng)向一致，豎軸式風(fēng)電機轉(zhuǎn)軸方向與風(fēng)向成直角。橫軸式風(fēng)電機通常需要不停地變向以保持與風(fēng)向一致。而豎軸式風(fēng)電機則不必如此，因為它可以收集不同來向的風(fēng)能。橫軸式風(fēng)電機在世界上占主流位置。

（2）逆風(fēng)風(fēng)力發(fā)電機和順風(fēng)風(fēng)力發(fā)電

逆風(fēng)風(fēng)電機是一種風(fēng)輪面向來風(fēng)的橫軸式風(fēng)電機。而對于順風(fēng)風(fēng)電機，來風(fēng)是從風(fēng)輪的背后吹來。大多數(shù)的風(fēng)力發(fā)電機是逆風(fēng)式的。

（3）單葉片、雙葉片和三葉片風(fēng)力發(fā)電機

葉片的數(shù)目由很多因素決定，其中包括空氣動力效率、復(fù)雜度、成本、噪音、美學(xué)要求。

2.風(fēng)電機組調(diào)節(jié)技術(shù)

風(fēng)電機組通過不同的調(diào)節(jié)方式，以提高發(fā)電效率，目前有2種主要的風(fēng)力發(fā)電機組調(diào)節(jié)技術(shù)。

①定槳距失速調(diào)節(jié)早期的風(fēng)電機組都以定槳距失速調(diào)節(jié)技術(shù)為主，通常采用同步電機或鼠籠式異步電機，利用槳葉失速控制。在風(fēng)速超過額定值后，葉片發(fā)生失速，使發(fā)電機的轉(zhuǎn)速保持恒定，將輸出功率限制在一定范圍內(nèi)。其優(yōu)點是調(diào)節(jié)簡單、控制簡化，并能提高風(fēng)電機組的可靠性和壽命：其缺點是風(fēng)機啟動風(fēng)速較高，同時需要葉間剎車裝置，機組動態(tài)負(fù)荷較大。

②變速變槳距調(diào)節(jié)目前風(fēng)電機組以變速變槳距調(diào)節(jié)技術(shù)為主，通過調(diào)速器和變槳距控制技術(shù)，使葉輪轉(zhuǎn)速在較寬范圍內(nèi)變化，以取得風(fēng)能利用率最高。其優(yōu)點是機組啟動性能好，風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率高，提供更好的電能質(zhì)量，降低風(fēng)電機組負(fù)荷，停機方便安全：缺點是增加了變槳距裝置，造成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加了故障率。目前采用變速變槳距調(diào)節(jié)的風(fēng)電機組是世界主流技術(shù)。

三、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢

世界風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已逐漸完善，就其發(fā)展趨勢而言主要反映在小容量向大容量發(fā)展，定槳矩向變槳、變速恒頻發(fā)展，陸上風(fēng)電向海上風(fēng)電發(fā)展，結(jié)構(gòu)設(shè)計向緊湊、柔性、輕盈化發(fā)展等方面。業(yè)界關(guān)注的焦點在于5MW風(fēng)電技術(shù)，并且目前商業(yè)化的風(fēng)力機的葉輪直徑已經(jīng)超過lOOm。變槳變速設(shè)計成為主流，同時直接驅(qū)動發(fā)電機技術(shù)的創(chuàng)新變得十分引人注目。最近的一個趨勢是海上數(shù)兆瓦級的風(fēng)機的出現(xiàn)瞄川。隨著風(fēng)電的發(fā)展，風(fēng)電場規(guī)模和單機容量越來越大，陸上風(fēng)電場因受環(huán)境因素的制約（占地、運輸、吊裝、噪聲等），人們很自然把目光放到海上風(fēng)電場。一般認(rèn)為2MW是陸上風(fēng)電機發(fā)展的極限。巨型風(fēng)電機其槳葉長度將達60—70m，陸上運輸極為困難，安裝用的吊車容量將超過1200-1400t，大部分地區(qū)不具備這個條件。而這些問題對于海上風(fēng)電來說相對比較容易解決，海上運輸方便（制造廠在海邊），海上浮吊容量大（超過1500t的浮吊已比較普遍）。更重要的是，海上風(fēng)電場的風(fēng)能資源好，風(fēng)速大且穩(wěn)定，年平均利用小時可達3000h以上，每年的發(fā)電量可比陸上高出50%。隨著風(fēng)電單機容量的不斷增大，為了便于運輸和吊裝，要求風(fēng)電機在結(jié)構(gòu)設(shè)計上做到緊湊、柔性和輕盈化。特別是其頂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計，因為巨大型風(fēng)電機如果按常規(guī)計，5MW級的風(fēng)電機其頂部的重300-500t，因此在設(shè)計上要簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。如充分利用高新復(fù)合材料的葉片，以加長風(fēng)機葉片長度;省去發(fā)電機軸承，發(fā)電機直接與齒輪箱相連，被直接置于驅(qū)動系統(tǒng)，同時使轉(zhuǎn)矩引起振動最小;無變速箱系統(tǒng)，采用多極發(fā)電機與風(fēng)輪直連;發(fā)電機中的中速永久磁鐵采用水冷方式;調(diào)向系統(tǒng)放在塔架底部，整個驅(qū)動系統(tǒng)被置于緊湊的整鑄框架上，使荷載力以最佳方式從輪彀傳導(dǎo)到塔筒上等。因此，各風(fēng)電機制造商都在結(jié)構(gòu)設(shè)計的緊湊、柔性和輕盈化做了大量工作。我國海岸線較長，可利用的海洋風(fēng)能資源豐富，發(fā)展海上風(fēng)電場也是我國風(fēng)力發(fā)電的一個發(fā)展方向。