風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理及風(fēng)力發(fā)電技術(shù)

趙英慶

摘 要：世界能源發(fā)展面臨資源緊張、環(huán)境污染、氣候變化三大難題。我國也亟需調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、發(fā)展清潔能源。風(fēng)力發(fā)電作為可再生能源，取之不盡用之不竭，是一項(xiàng)朝陽產(chǎn)業(yè)。本文主要從風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理及風(fēng)力發(fā)電技術(shù)入手，分析了雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)與直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原理和特點(diǎn)，以及我國風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電 雙饋異步 直驅(qū)永磁 風(fēng)能

中圖分類號：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）09（a）-0025-02

風(fēng)能作為自然界的清潔可再生能源，取之不竭用之不盡，蘊(yùn)量極其豐富。過去人們用風(fēng)車抽水、磨面，用風(fēng)帆助力輪船啟航，而現(xiàn)在風(fēng)力發(fā)電已越來越多的走進(jìn)人們的視野，不僅因其清潔可再生，更重要的是當(dāng)下能源的有限性和不可再生性、環(huán)境的污染加劇、氣候的升溫變化對人類的生存環(huán)境亮起了紅燈，這都決定了必須發(fā)展清潔能源。風(fēng)能作為清潔能源之一，在我國擁有一定的發(fā)展基礎(chǔ)，隨著能源結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，風(fēng)力發(fā)電將擁有廣闊的發(fā)展前景。風(fēng)力發(fā)電正在世界上形成一股熱潮，因其燃料來源于大自然，不需人力就可以獲取，同時(shí)也不會產(chǎn)生輻射和空氣污染。風(fēng)力發(fā)電在國外也很流行，在我國西部地區(qū)也大力提倡。風(fēng)力發(fā)電利用的是自然能源，相對火電、核電等發(fā)電要更加綠色、環(huán)保。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)又稱風(fēng)車，是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的動力機(jī)械，機(jī)械功帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，最終輸出交流電的電力設(shè)備。廣義地說，風(fēng)能也是太陽能，所以也被稱為風(fēng)力發(fā)電機(jī)，是一種以太陽為熱源，以大氣為工作介質(zhì)的熱能利用發(fā)電機(jī)，一般說來，3級風(fēng)就有利用的價(jià)值。

風(fēng)力發(fā)電的原理與傳統(tǒng)的風(fēng)車類似，風(fēng)力和風(fēng)速帶動葉輪旋轉(zhuǎn)來收集風(fēng)能，通過增速機(jī)加速葉輪旋轉(zhuǎn)的速度，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)發(fā)電。但是單純依靠發(fā)電機(jī)并不能完成發(fā)電，而是一套整體的運(yùn)行系統(tǒng)。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)類型

目前投入商業(yè)運(yùn)行的并網(wǎng)發(fā)電機(jī)可分為定漿定速型和變漿變速型兩大類，裝機(jī)的發(fā)電機(jī)一般分為籠型異步發(fā)電機(jī)、繞線式雙饋異步發(fā)電機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)三種。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)包括機(jī)艙、轉(zhuǎn)子葉片、軸心、低速軸、齒輪箱、高速軸及其機(jī)械閘、發(fā)電機(jī)、偏航裝置、電子控制器，液壓系統(tǒng)、冷卻元件、尾舵等。不同的風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)自然也不相同，該文重點(diǎn)研究雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)和直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)。

2.1 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)是目前應(yīng)用最為廣泛的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。主要由電機(jī)本體和冷卻系統(tǒng)兩部分組成，定子、轉(zhuǎn)子和軸承系統(tǒng)組成電機(jī)本體，冷卻系統(tǒng)分為水冷、空空冷和空水冷三種結(jié)構(gòu)。

所謂雙饋，指的是有兩個(gè)能量流動的通道，雙端口饋電，即轉(zhuǎn)子和定子都參與勵(lì)磁，都可以發(fā)電，并且與電網(wǎng)有能量交換。變頻器在雙饋電機(jī)中必不可少，變頻器主要應(yīng)用于變頻驅(qū)動技術(shù)，改變交流電動機(jī)工作電壓的頻率和幅度。在雙饋異步發(fā)電機(jī)中，定子繞組直接與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子繞組通過變頻器與電網(wǎng)連接，從而達(dá)到頻率與電壓成比例地改變，既改變頻率的同時(shí)控制變頻器輸出電壓，又使電動機(jī)的磁通保持一定，滿足用電負(fù)載和并網(wǎng)的要求。

在雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，變頻器是一個(gè)重要的組成部分，它主要由設(shè)備側(cè)變頻器、直流電壓中間電路、電網(wǎng)側(cè)變頻器、IGBT模塊、控制電子單元五部分組成。工作原理主要是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要是交—直—交變頻器。是先將交流電經(jīng)整流器轉(zhuǎn)化成直流電，再經(jīng)過逆變器把直流電變成頻率和電壓都可變的交流電。IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）模塊在逆變整流的過程中發(fā)揮著重要作用，它雖然就是一個(gè)開關(guān)，卻是線路導(dǎo)通和關(guān)斷的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)是由風(fēng)機(jī)拖動齒輪箱，再帶動發(fā)電機(jī)運(yùn)行，齒輪箱可以變速1：100倍，以讓風(fēng)機(jī)在1500RPM（最高轉(zhuǎn)速）下運(yùn)行，目前流行的主要有1.25MW，1.5MW，2MW三種機(jī)型，異步發(fā)電機(jī)的機(jī)組單價(jià)低，1KW大概需6000元左右，而且技術(shù)成熟，國產(chǎn)化高。一對齒輪正確嚙合的條件是兩齒輪的模數(shù)和壓力角分別對等，而在實(shí)際操作過程中，齒輪嚙合不可避免的存在誤差，容易產(chǎn)生摩擦噪聲，所以也要定期檢查齒輪箱潤滑油供應(yīng)是否充分。

在實(shí)際操作過程中發(fā)現(xiàn)，雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)因采用高速電機(jī)，具有體積小、重量輕，效率稿、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)由于增速齒輪箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易疲勞損壞。

2.2 直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)

直驅(qū)，顧名思義直接驅(qū)動，是新型的電機(jī)直接和運(yùn)動執(zhí)行部分結(jié)合，即電機(jī)直接驅(qū)動機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)，沒有中間的機(jī)械傳動環(huán)節(jié)，直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)也稱無齒輪風(fēng)力發(fā)電機(jī)。永磁，意為這種材料本身具有磁性，不是磁化得到的，一般不會退磁，永磁材料又稱"硬磁材料"。一經(jīng)磁化即能保持恒定磁性的材料，具有寬磁滯回線、高矯頑力和高剩磁。直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)，采用多極電機(jī)與葉輪直接連接進(jìn)行驅(qū)動的方式，免去齒輪箱這一傳統(tǒng)部件，同時(shí)增加磁極對數(shù)從而使得電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速下降。眾所周知，齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最容易出故障的部件，所以直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)的可靠性要高于雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)。葉輪吸收風(fēng)能后轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過主軸傳遞給發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)出的電通過全功率變流器之后過升壓變壓器上網(wǎng)。

因此，沒有齒輪箱的直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：省去了齒輪箱這一機(jī)械部件，傳動結(jié)構(gòu)得到進(jìn)一步簡化，傳動損耗大大降低，提高了機(jī)組的可靠性，提高了發(fā)電效率，在低風(fēng)速環(huán)境下優(yōu)勢更明顯；機(jī)組的零部件數(shù)量也同步減少，避免零部件損壞，降低了運(yùn)行維護(hù)成本；同時(shí)也大大降低了摩擦噪聲，使設(shè)備性能更優(yōu)，電網(wǎng)接入性能的優(yōu)異也有利于電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。但同時(shí)也要看到，為了提高發(fā)電效率，發(fā)電機(jī)的極數(shù)非常大，噸位也相應(yīng)更重，體積龐大，同時(shí)直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)的單價(jià)較貴，技術(shù)復(fù)雜。

通過分析得出，直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)與雙饋異步發(fā)電機(jī)相比優(yōu)勢更明顯，是未來風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要方向，市場份額和占有率也會逐年增加，而且會成為海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的首選機(jī)型之一。隨著技術(shù)的日臻成熟，也必將在我國風(fēng)電機(jī)組中愈發(fā)重要?？v觀風(fēng)電機(jī)組現(xiàn)狀得出，直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)與雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)將并駕齊驅(qū)中國風(fēng)電市場，成為我國風(fēng)電市場上的兩大主流機(jī)型。

3 我國風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的現(xiàn)狀

煤炭是我國的主要能源之一，火力發(fā)電是目前我國主要的發(fā)電形式，但化石能源的不可再生性和污染性等等弊端已經(jīng)危害到人類的生存和發(fā)展。提高清潔能源使用率、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、發(fā)展可再生能源勢在必行。當(dāng)今世界能源發(fā)展面臨著資源緊張、環(huán)境污染、氣候變化三大難題，解決這些難題，必須走清潔發(fā)展道路。而風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已基本成熟，具有可推廣可實(shí)施的可行性。

據(jù)國家能源局網(wǎng)數(shù)據(jù)分析，2015年上半年中國共有270個(gè)風(fēng)電場項(xiàng)目開工吊裝，新增裝機(jī)共5474臺，裝機(jī)容量為1010萬千瓦，同比增長40.8%。其中，海上風(fēng)電共裝機(jī)50臺，裝機(jī)容量16.6萬千瓦。從數(shù)據(jù)得出，我國風(fēng)電發(fā)展勢頭強(qiáng)勁。

我國幅員遼闊，海岸線長，風(fēng)能資源比較豐富。根據(jù)最新風(fēng)能太陽能資源評估圖譜和數(shù)據(jù)，我國陸地70米高度平均風(fēng)功率密度達(dá)到200瓦/平方米及以上等級的風(fēng)能資源技術(shù)可開發(fā)量為50億千瓦，全國陸地太陽能資源理論儲量1.86萬億千瓦。主要分布在兩大風(fēng)帶：一條是“三北（東北、 華北、 西北）地區(qū)豐富帶”，二是東部沿海風(fēng)帶，另外內(nèi)陸地區(qū)還有一些局部風(fēng)能資源豐富區(qū)。

4 結(jié)語

我國風(fēng)能資源如此豐厚，風(fēng)力發(fā)電在我國有著廣闊的發(fā)展前景，在國家大力提倡清潔能源的大背景下，更要提高風(fēng)電機(jī)組的制造技術(shù)，打造國產(chǎn)化風(fēng)電裝備，同時(shí)做好風(fēng)資源的測定和勘察工作，依托政策發(fā)展風(fēng)電。面對全球化的環(huán)境污染和氣候難題，尋找清潔能源是必經(jīng)之路，發(fā)展風(fēng)電也必將是關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

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