論風力發(fā)電及風力機械特性

摘 要：全球經(jīng)濟增長對能源需求日漸強烈，我國作為人口大國和工業(yè)大國，對能源的需求和能源短缺之間的矛盾日漸尖銳，石油市場的競爭耗費了我國大量人力物力，我國為了保證石油供應(yīng)的穩(wěn)定付出了巨大的代價。為了緩解能源供應(yīng)緊張，我國對于可再生能源的重視程度逐漸加大，可再生能源占能源消耗的比例總比例也就見增大。作為清潔能源的重要組成部分，風力發(fā)電擁有巨大的發(fā)展?jié)摿?，是關(guān)乎國家能源環(huán)境未來的重要技術(shù)。本文就風力發(fā)電和鋒利機械的特性進行簡單探索，意在實現(xiàn)對風力機械的精確控制和對風力資源利用率的提高。

關(guān)鍵詞：風力發(fā)電； 風力機械；可再生能源

風力發(fā)電除了具有可再生的優(yōu)勢之外，還具有清潔無污染的特點，對比火力發(fā)電和核電，風力發(fā)電無排放。在幾十年的經(jīng)濟建設(shè)中我們犯了很多錯誤，對環(huán)境無節(jié)制的利用和破壞導(dǎo)致了大自然的報復(fù)，霧霾、沙塵暴等等就是最直接的例子。從地理上研究，我國處于亞熱帶季風氣候，全年大部分地方都有很強的勁風，而且我國幅員遼闊，有著大面積的丘陵和平原，對于風力發(fā)電需要的大面積風車群提供了廣闊的空間。無論是從能源角度，還是從環(huán)保角度，或者地理優(yōu)勢方面，我國大力推廣風力發(fā)電建設(shè)都是明智的選擇。下圖就是位于我國蒙古草原上的風力發(fā)電風車。

1.風力發(fā)電發(fā)展簡史

風力發(fā)電的想法最初在上個世紀三十年代的丹麥、瑞典蘇聯(lián)等國家就已經(jīng)開始付諸實踐。通過利用旋翼技術(shù)研制成功小型發(fā)電裝置，在多風的海島和荒僻的農(nóng)村使用廣泛，因為風力發(fā)電成本要比火力發(fā)電低廉很多。在之后的幾十年里研究人員不斷嘗試更大功率的發(fā)電風車，到1978年，美國研制的風力發(fā)電機功率已經(jīng)能夠達到200千瓦。

風力發(fā)電的基本原理就是把風的動能轉(zhuǎn)化為機械能，通過機械能轉(zhuǎn)化為電能。在風吹下風車旋轉(zhuǎn)獲得動能，帶動發(fā)電機發(fā)電。根據(jù)目前達到的技術(shù)水平，每秒三米的速度就能夠發(fā)電。

風力發(fā)電技術(shù)的分布仍然以西方為主，芬蘭、丹麥等國家風力發(fā)電占總發(fā)電量的比例已經(jīng)很可觀。在我國國家電網(wǎng)鋪設(shè)難度十分大的西部，風力發(fā)電也被廣泛使用。

從成本出發(fā)，每秒四米的風速才適合發(fā)電。我國由于特殊的地理位置，風力資源極為豐富，大部分地方風速都達到三米每秒以上。在東北、西北、西南高原等地三分之一年都是大風天，在這些地方，發(fā)展風力發(fā)電很有前途。

2.風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

風力發(fā)電原理并不復(fù)雜，結(jié)構(gòu)也十分清晰。通過自然風推動葉輪，把風能轉(zhuǎn)化為機械能，通過逐級傳動帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動把機械能轉(zhuǎn)化為電能，通過一系列整流設(shè)備進行功率和參數(shù)轉(zhuǎn)換，接入國家電網(wǎng)。小型發(fā)電設(shè)備通過蓄電池把電能儲存起來，通過變電設(shè)備轉(zhuǎn)換為直流電對直流設(shè)備直接供電，或者通過逆變器轉(zhuǎn)換為交流，供給交流用電設(shè)備。具體結(jié)構(gòu)分析見下圖。

3.風力機械特性

風速模型。自然風風力變化復(fù)雜，通過數(shù)學(xué)模型，在平均風力上疊加分量。

自然風存在隨機波動，需要在平均風速基礎(chǔ)上疊加隨即分量。

葉尖速比。衡量風輪運轉(zhuǎn)速度大小的參數(shù)。是葉片間斷圓周速度和風速的比值。

根據(jù)貝茲理論，風力機在自然風中獲得的能量有限，能量轉(zhuǎn)換導(dǎo)致風速下降。在空氣質(zhì)量密度、風輪半徑和風速都為定值時，單位時間內(nèi)風輪捕獲能量和風能利用系數(shù)成正比。在固定風速之下，風力機轉(zhuǎn)數(shù)的變化會導(dǎo)致風能利用發(fā)生相應(yīng)變化。

通過之前研究可以得知，轉(zhuǎn)速會影響能量捕獲效率。

輸出功率特性。所有機械都存在運行效率問題。風力發(fā)電啟動需要一定的力矩來克服內(nèi)部阻力。啟動力矩大小取決于發(fā)電機內(nèi)部阻力大小。因此，發(fā)電機啟動需要一個最小風速，當自然風強度達不到最小風俗，風力機就無法工作。在進行風力發(fā)電廠建設(shè)之前一定要對當?shù)仫L力資源類型和性質(zhì)進行考察，根據(jù)當?shù)仫L能切入速度和切出風速確定合適的發(fā)電機型號，使之能夠正常工作。

風力機直流電機模擬方案。風力機的輸出功率和風輪轉(zhuǎn)速和風速兩個因素有關(guān)。在轉(zhuǎn)速和風速確定了的條件下，可以經(jīng)過計算求得輸出功率和機械力矩。風力機和電動機的功率特性有很大的相似性。通過風力機數(shù)學(xué)模型可以計算出風力機輸出功率，將其作為直流電機的控制指令實現(xiàn)控制。

4.風力發(fā)電控制策略

智能型風力發(fā)電可以在風力發(fā)電機不能夠捕獲足夠負載和蓄電池使用的電能時自動跟蹤最大功率，調(diào)節(jié)葉尖速比。目前最大功率跟蹤方案主要存在風速自動控制和風機轉(zhuǎn)速反饋兩種方法。

風速自動跟蹤是利用測速裝置測量自然風速，根據(jù)風力機最佳負載曲線計算實際輸出功率和給定功率之間的差值，通過調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)電流大小，實現(xiàn)對風力發(fā)電輸出功率的調(diào)節(jié)。

風機轉(zhuǎn)速反饋是將發(fā)電機輸出功率和自然風速之間的關(guān)系轉(zhuǎn)化為發(fā)電機輸出功率和發(fā)電機轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，簡化了結(jié)構(gòu)，使之更簡單可靠、穩(wěn)定。

5.結(jié)束語

風力發(fā)電憑借其清潔和可再生的優(yōu)勢逐漸被重視起來，但是因為其較低的生產(chǎn)效率，和高投入，但是隨著技術(shù)風力發(fā)電技術(shù)的成熟，目前正在慢慢被廣泛的推廣。本文就風力發(fā)電的發(fā)展和風力機械特性進行了粗淺的闡述，利用風力機械特性提高風力發(fā)電效率是目前較為先進和成熟的方法，值得在實踐中廣泛應(yīng)用和理論上的深入研究。

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