風(fēng)力發(fā)電及其技術(shù)發(fā)展研究

冀飛鶯　郭政建

摘 要：風(fēng)力發(fā)電是一種環(huán)保、節(jié)能的發(fā)電方式，對社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展起著重要作用，具有無污染、可再生、能量大等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前電力行業(yè)研究的重要內(nèi)容。文章對風(fēng)力發(fā)電及其技術(shù)的發(fā)展展開研究，以促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電的進(jìn)一步發(fā)展，為我國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的進(jìn)步提供幫助。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；技術(shù)；發(fā)展

中圖分類號(hào)：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）02-0015-01

近些年來，隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對電力能源的需求持續(xù)增加，但在傳統(tǒng)火力電中，煤炭資源是不可再生，資源的日益緊張與需求之間存在嚴(yán)重矛盾。在此背景下，可再生能源的開發(fā)利用得到人們廣泛重視，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，發(fā)展十分迅速，對其展開研究，有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀

風(fēng)力發(fā)電是一種利用風(fēng)動(dòng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械動(dòng)能，再向電能轉(zhuǎn)換的過程，其工作原理是借助風(fēng)的動(dòng)力來推動(dòng)風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再通過增速機(jī)加快風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)的速度，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

風(fēng)力發(fā)電具有環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，自從我國2005年《可再生能源法》立法之后，風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能、水能以及海洋能等可再生能源的得到充分重視，在能源發(fā)展中占據(jù)著重要地位。

在世界環(huán)境問題日益嚴(yán)峻的背景下，減輕二氧化碳排放量是世界各國發(fā)展的必然要求，為順應(yīng)這種發(fā)展趨勢，降低化石能源的利用率，大力發(fā)展發(fā)電在內(nèi)的可再生能源、核能等，是世界能源發(fā)展的基本內(nèi)容，也是我國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)規(guī)劃的重要組成部分，對我國國民經(jīng)濟(jì)增長起著重要作用[1]。

我國的風(fēng)力發(fā)電始于上世紀(jì)80年代中期，初次商業(yè)化運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)容量等級(jí)為55 kW，在經(jīng)過近三十年的發(fā)展后，我國風(fēng)力發(fā)電市場有了長足進(jìn)步。根據(jù)CWEA2015年的相關(guān)統(tǒng)計(jì)，截止2014年年底，我國風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量約為114 609 MW左右，累計(jì)安裝風(fēng)機(jī)組76 241臺(tái)，同比增長25.4%；在2014年中，全國新增安裝風(fēng)機(jī)組13 121臺(tái)，新增裝機(jī)容量23 196 MW，同比增長44.2%。

我國風(fēng)能資源十分豐富，可開發(fā)利用的風(fēng)能儲(chǔ)量大約為10億 kW，其中，陸地風(fēng)能儲(chǔ)量與海上可開發(fā)利用風(fēng)能儲(chǔ)量分別占2.5億 kW和7.5億 kW作用，因此，除了陸上風(fēng)力發(fā)電之外，做好海上風(fēng)力發(fā)電也十分重要。就2014年海上風(fēng)電裝機(jī)情況來看，我國海上風(fēng)電新增裝機(jī)61臺(tái)，新增裝機(jī)容量為229.3 MW，同比增長487.9%，其中，有56.7%屬于潮間帶裝機(jī)。由此可知，我國海上風(fēng)力發(fā)電水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于陸地風(fēng)力發(fā)電，加強(qiáng)在海上風(fēng)力發(fā)電方面的開發(fā)與利用，是我國未來風(fēng)力發(fā)電的重要趨勢之一。

風(fēng)力發(fā)電除了具有環(huán)保、節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)之外，由于風(fēng)力是一種可再生能源，可以實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用，具有永不枯竭的優(yōu)點(diǎn)，相較于火力或水力發(fā)電方式，風(fēng)電的基建周期更短，裝機(jī)規(guī)模也較為靈活。但是，風(fēng)力發(fā)電也存在一些不足之處，比如容易產(chǎn)生噪音或者視覺污染，需要占據(jù)大量的土地，風(fēng)力發(fā)電的穩(wěn)定性、可控性較差，發(fā)電成本較高，還會(huì)對鳥類生存環(huán)境產(chǎn)生一定破壞。

2 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是一項(xiàng)綜合性非常強(qiáng)的技術(shù)，與空氣動(dòng)力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電機(jī)學(xué)、材料學(xué)、力學(xué)以及自動(dòng)控制技術(shù)等都有著密切聯(lián)系。在近些年來，隨著風(fēng)力發(fā)電的不斷發(fā)展以及各種技術(shù)的創(chuàng)新，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也有了很大水平提升，具體體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量、機(jī)型方面的發(fā)展

在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展當(dāng)中，降低發(fā)電成本、提高發(fā)電效率和可靠性，是其主要發(fā)展目標(biāo)之一。在風(fēng)能發(fā)電效率提升方面，主要是通過增大風(fēng)力發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量，來提高風(fēng)能利用效率，在進(jìn)入新世紀(jì)后，德國研制出了5 MW和6 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)，對風(fēng)能發(fā)電效率的提升創(chuàng)造了良好條件。

就我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量發(fā)展情況而言，國內(nèi)主流風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)型從2005年750～850 kW，到2013年已經(jīng)增加到1.5～2.5 MW；在發(fā)電機(jī)單機(jī)容量上，也表現(xiàn)出持續(xù)增大的發(fā)展趨勢，其中，2012年新增機(jī)組平均單機(jī)容量為1.65 MW，2013年新增機(jī)組平均單機(jī)容量為1.73 MW，最大風(fēng)電機(jī)組為6 MW。

同時(shí)，在海上風(fēng)電機(jī)組方面，其容量也朝著大規(guī)模化發(fā)展，海上風(fēng)電場中大量應(yīng)用了華銳風(fēng)電3 MW海上風(fēng)電機(jī)組， 3.6 MW、4 MW、5 MW以及6 MW海上風(fēng)電機(jī)組也開始建設(shè)并試運(yùn)行，海上風(fēng)電開發(fā)利用得到進(jìn)一步發(fā)展[2]。

就風(fēng)力發(fā)電機(jī)型而言，當(dāng)前國外普遍采用的都是雙饋異步發(fā)電型變速風(fēng)電機(jī)組，包括丹麥Vestsar公司、美國GE風(fēng)能公司等，我國風(fēng)電企業(yè)生產(chǎn)的大多也是雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)電機(jī)組。就2013年新增風(fēng)電機(jī)來說，雙饋異步發(fā)電型變速風(fēng)電機(jī)組大約能占總量的69%，其中，在海上風(fēng)電場中，3 MW雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)被批量投入使用，6 MW雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)電機(jī)組也開始試運(yùn)行。

2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)方面的發(fā)展

在風(fēng)力發(fā)電中，發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的效率與安全在很大程度是取決于控制技術(shù)的，因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)得到足夠的重視，在近些年來，得到一定程度發(fā)展，具體可以體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

2.2.1 變速恒頻控制技術(shù)

在傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，采用的大多是恒速恒頻控制技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，但是，在這種控制技術(shù)下，當(dāng)風(fēng)速改變時(shí)，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變，風(fēng)力機(jī)無法保證最佳轉(zhuǎn)速，會(huì)降低風(fēng)能利用效率，減小輸出功率，從而影響發(fā)電效率。

變速恒頻控制技術(shù)就有效改變了恒速恒頻控制技術(shù)的不足，根據(jù)風(fēng)速情況適當(dāng)調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，可以使風(fēng)力機(jī)保持在最佳轉(zhuǎn)速狀態(tài)，有效提高風(fēng)能利用系數(shù)，最大程度的捕獲并利用風(fēng)能，使機(jī)組運(yùn)行處于最優(yōu)化，提高發(fā)電效率。當(dāng)前，在我國風(fēng)電機(jī)場建設(shè)中，風(fēng)電機(jī)組控制采用的大多是變速恒頻控制技術(shù)[3]。

2.2.2 變槳距調(diào)節(jié)技術(shù)

在傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，在恒速運(yùn)行情況下，采用的通常是定槳距失速調(diào)節(jié)技術(shù)，是將輪轂與槳葉固定連接后，使槳距角保持在一個(gè)固定值，當(dāng)風(fēng)速高于額定值時(shí)，根據(jù)槳葉翼型失速的特點(diǎn)，氣流功角會(huì)滿足失速條件，受槳葉表明紊流的影響，機(jī)組發(fā)電效率就會(huì)相應(yīng)降低，從而實(shí)現(xiàn)限制輸出功率的目標(biāo)，其調(diào)節(jié)方式較為簡單，但也存在葉片結(jié)構(gòu)與制造工藝復(fù)雜、自重大以及發(fā)電效率低等弊端。

變槳距調(diào)節(jié)技術(shù)是通過在風(fēng)力機(jī)組加裝葉片槳距調(diào)節(jié)裝置，根據(jù)風(fēng)速情況來改變槳距角，在運(yùn)行時(shí)，通過槳距角的改變來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，在輸出功率小于額定功率時(shí)，槳距角為0，無需控制；在輸出功率超過額定功率時(shí)，通過調(diào)節(jié)變槳距改變槳距角，維持輸出功率的穩(wěn)定，優(yōu)化機(jī)組輸出功率特性，改善機(jī)組的啟動(dòng)性能。變槳距調(diào)節(jié)技術(shù)不僅具有載荷控制平穩(wěn)、高效、安全的優(yōu)點(diǎn)，還可以降低槳葉所受到的應(yīng)力，減少葉片制造材料，減輕機(jī)組重量，延長機(jī)組使用壽命，對風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行性能提升有著積極作用。但是，相應(yīng)地，變槳距調(diào)節(jié)技術(shù)會(huì)在一定程度上增加風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。

3 結(jié) 語

綜上所述，風(fēng)力發(fā)電對改善我國電能情況、減輕環(huán)境污染、節(jié)約能源等都有著重要意義，大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電，是我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要要求。近些年來，我國風(fēng)力發(fā)電發(fā)展較為迅速，在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)方面，有了長足進(jìn)步，風(fēng)力發(fā)電的商業(yè)運(yùn)行水平不斷提高，但依然有許多不足之處。因此，加強(qiáng)對風(fēng)力發(fā)電的研究，加大在風(fēng)力發(fā)電方面的投入，是我國電力行業(yè)應(yīng)當(dāng)重視的工作。

參考文獻(xiàn)：

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