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

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(gè)國(guó)家都投入大量的經(jīng)費(fèi)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(guó)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(jī)組及其發(fā)電技術(shù)相關(guān)內(nèi)容，最后對(duì)我國(guó)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(jī)組

風(fēng)能是具有非常大潛力的可再生能源，我國(guó)是使用風(fēng)能最早的國(guó)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(jī)的結(jié)構(gòu)主要包括有風(fēng)輪轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)機(jī)艙、安全限速裝置、風(fēng)機(jī)機(jī)架、風(fēng)能蓄電裝置、液壓系統(tǒng)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等七部分構(gòu)成。目前普遍采用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)包括同步交流發(fā)電機(jī)、異步交流發(fā)電機(jī)和直流發(fā)電機(jī)三種。采用發(fā)展風(fēng)力發(fā)電其中可以減少對(duì)石化能源的依賴，減少化學(xué)物質(zhì)的排放量可以保護(hù)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(jìn)步，在不久的將來清潔可再生風(fēng)能將會(huì)變成我們生活中不可缺少的資源。因此，國(guó)內(nèi)外許多國(guó)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(guó)風(fēng)電項(xiàng)目建設(shè)，對(duì)于促進(jìn)我國(guó)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(jì)發(fā)展方式具有重要意義[1]。

1 我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的歷史及現(xiàn)狀

1.1 我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的歷史

20世紀(jì)50年代，我國(guó)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(jī)組，從而初步建立對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的認(rèn)知；60年代，我國(guó)將風(fēng)力提水機(jī)組作為重點(diǎn)項(xiàng)目來發(fā)展，并且取得非常好的效果。70年代開始，我國(guó)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(cái)力來研發(fā)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，并取得了較快的進(jìn)展，生產(chǎn)出我國(guó)自主研發(fā)的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)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(guó)產(chǎn)業(yè)調(diào)研網(wǎng)發(fā)布的中國(guó)風(fēng)力發(fā)電報(bào)告顯示：在2013年，我國(guó)新增的風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)容量達(dá)到1448萬千瓦，累計(jì)并網(wǎng)容量達(dá)到7715萬千瓦，與往年相比增加了23%。目前我國(guó)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(jì)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(fèi)投入等措施來促進(jìn)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(guó)在風(fēng)能利用率水平上有所提升，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電平均利用風(fēng)能率高達(dá)92%，同比往年上升4個(gè)百分點(diǎn)，風(fēng)能利用率達(dá)近年來最高值。隨著我國(guó)一系列的政策落實(shí)以及對(duì)電網(wǎng)投入大量資金重新建設(shè)，風(fēng)力發(fā)電的裝機(jī)數(shù)量在未來幾年將會(huì)有大幅度的突破[2]。

2 我國(guó)風(fēng)力發(fā)電機(jī)類型

2.1 按儲(chǔ)能容量劃分

風(fēng)速的大小影響著發(fā)電機(jī)輸出功率的大小，風(fēng)速的穩(wěn)定性直接影響著發(fā)電機(jī)輸出功率的穩(wěn)定性。目前我國(guó)采用儲(chǔ)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(chǔ)能容量風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)組，容量在1到1000千瓦之間的為中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，容量在1000到10000千瓦之間的為大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，容量在10000千瓦以上被視為巨型風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)的風(fēng)輪是由兩個(gè)或三個(gè)風(fēng)葉片組合而成。調(diào)向器主要控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)組的安全限速裝置機(jī)構(gòu)可以讓風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全和平穩(wěn)地運(yùn)行，風(fēng)機(jī)的支撐塔基被用于將風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，塔基的結(jié)構(gòu)也將決定發(fā)電機(jī)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(jī)和水平軸安裝的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

1）水平軸式安裝的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。水平軸式安裝的風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(huì)布置有齒輪調(diào)速系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)等機(jī)構(gòu)。一般的風(fēng)機(jī)上安裝的翼片數(shù)有3到6個(gè)。水平軸式安裝的風(fēng)力發(fā)電機(jī)上安裝調(diào)向裝置是為了讓風(fēng)機(jī)上安裝的翼片最優(yōu)的迎風(fēng)角度，從而使得風(fēng)機(jī)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(jī)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(jī)來產(chǎn)生電能。

2）垂直軸式安裝的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。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(jī)。垂直軸式安裝的風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)為其中一類具有典型代表性的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，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(jī)的典型結(jié)構(gòu)，它由兩個(gè)軸線錯(cuò)開的半圓柱形組成，其主要優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)時(shí)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(jī)被稱為定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)。槳距角度不能根據(jù)外界的風(fēng)速進(jìn)行相應(yīng)的變化而調(diào)整，如果風(fēng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速低于額定外界的風(fēng)速，葉片就會(huì)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(jī)的體積相對(duì)較大、功率系數(shù)較低且停止后不易啟動(dòng)[4]。

2）變槳距型。目前使用的大型變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組除了進(jìn)行槳距控制以外，還有根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流來控制發(fā)電機(jī)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(yǔ)

我國(guó)目前應(yīng)加強(qiáng)大規(guī)?？稍偕L(fēng)力發(fā)電核心技術(shù)的研究，改進(jìn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能，通過動(dòng)態(tài)無功調(diào)節(jié)能力和主動(dòng)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(yùn)行要求，進(jìn)而使得我國(guó)大規(guī)?？稍偕L(fēng)力發(fā)電技術(shù)達(dá)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(jī)械設(shè)計(jì)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.

[3]Hilloowala R M，Sharaf A M. A rule-based fuzzy logic controller for a PWM inverter in a stand alone wind energy conversion scheme[J].Industry Applications IEEE Transactions on，1996，32：57-65.

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

[5]侯喆瑞，張?chǎng)?，張?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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (31501221)；江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（BK20140467）；江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目（13KJB210006）；鹽城市農(nóng)業(yè)科技指導(dǎo)性計(jì)劃項(xiàng)目(YKN2014009, YKN2014010)；鹽城工學(xué)人才引進(jìn)項(xiàng)目（KJC2014007，KJC2014006）；鹽城工學(xué)院校級(jí)培育項(xiàng)目（XKY2013013，XKY2014056，XKY2014055），鹽城工學(xué)院實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目聯(lián)合資助