風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的問(wèn)題與探討

文/楊建明,晉能清潔能源風(fēng)力發(fā)電有限責(zé)任公司

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的問(wèn)題與探討

文/楊建明,晉能清潔能源風(fēng)力發(fā)電有限責(zé)任公司

風(fēng)力發(fā)電是當(dāng)前發(fā)展前景極為廣闊的可再生能源發(fā)電，近年來(lái)，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電事業(yè)發(fā)展迅猛，對(duì)先進(jìn)的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的需求也日益急迫。

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)；問(wèn)題；研究

引言

風(fēng)力是一種綠色環(huán)保且可持續(xù)的新能源，尤其是在發(fā)電領(lǐng)域，風(fēng)電在我國(guó)得到了快速發(fā)展，并已經(jīng)成為傳統(tǒng)發(fā)電方式的有效補(bǔ)充。隨著風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但必須看到，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)還存在一定的缺陷與不足。

1 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)存在的問(wèn)題

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代化，并不斷成熟與完善，大型發(fā)電機(jī)也越來(lái)越普及。但不可否認(rèn)的是，雖然我國(guó)風(fēng)力發(fā)電事業(yè)發(fā)展迅猛，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益不斷提升，但在技術(shù)上仍然存在一些亟待解決的問(wèn)題。一是風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)規(guī)劃的科學(xué)性有待于提高。我國(guó)風(fēng)能豐富地區(qū)主要在東南沿海及西北地區(qū)，風(fēng)能密度大，發(fā)電效率高，但并非所有地區(qū)都適合發(fā)展風(fēng)電。尤其是在風(fēng)速低的弱風(fēng)地帶，如何有效利用風(fēng)能資源，還有待于技術(shù)的進(jìn)步以及規(guī)劃的科學(xué)。二是由于風(fēng)速、風(fēng)向變化劇烈，對(duì)風(fēng)力機(jī)的性能提出了更高要求。目前我國(guó)大型風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電機(jī)組還主要依靠近口，不僅成本高，而且在維護(hù)、檢修方面也需要更多的專(zhuān)業(yè)人才。這些因素都對(duì)風(fēng)電發(fā)展造成了制約。三是單機(jī)容量有待于提高。當(dāng)前我國(guó)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)進(jìn)步的標(biāo)志之一就是單機(jī)容量正不斷增大，但配套技術(shù)沒(méi)有跟上，在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究、電機(jī)設(shè)計(jì)、制造工藝及質(zhì)量等方面，增加了運(yùn)行及維護(hù)成本。四是并網(wǎng)技術(shù)有待于更新。目前我國(guó)風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)水平的代表是河西電力網(wǎng)絡(luò)采用的串補(bǔ)技術(shù)，走在了世界前列。

2 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究

2.1 風(fēng)力預(yù)測(cè)技術(shù)

風(fēng)力預(yù)測(cè)技術(shù)對(duì)于風(fēng)力發(fā)電站選址、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電網(wǎng)建設(shè)等都具有十分重要的基礎(chǔ)作用。由于風(fēng)電輸出功率與風(fēng)速大小、風(fēng)速變化密切相關(guān)，因此，在風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目立項(xiàng)調(diào)查階段，風(fēng)力預(yù)測(cè)就必須進(jìn)行。當(dāng)前，風(fēng)力預(yù)測(cè)技術(shù)主要有基于風(fēng)力觀測(cè)數(shù)據(jù)和氣象模擬兩種方法。前者主要是利用選址目標(biāo)地區(qū)的長(zhǎng)期氣象數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性或非線(xiàn)性處理，進(jìn)而形成當(dāng)?shù)仫L(fēng)力觀測(cè)模式，并對(duì)今后時(shí)期的風(fēng)力情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。這種方法的局限性在于必須擁有長(zhǎng)期的、準(zhǔn)確的歷史觀測(cè)記錄，且精度較低，如果單獨(dú)使用將可能對(duì)最終預(yù)測(cè)結(jié)果造成偏差，甚至?xí)?yán)重影響風(fēng)力發(fā)電站建成之后的運(yùn)行效益，造成資源浪費(fèi)。后者則主要是運(yùn)用現(xiàn)代氣象預(yù)報(bào)技術(shù)，建立起當(dāng)?shù)仫L(fēng)力情況的虛擬模型，對(duì)風(fēng)力情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。這種預(yù)測(cè)方法目前已經(jīng)成為風(fēng)力預(yù)測(cè)的主流方法，被廣泛運(yùn)用于風(fēng)力發(fā)電選址、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、項(xiàng)目建設(shè)的全過(guò)程。

2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)主要集中于三個(gè)方面，即變槳控制、偏航控制和變流控制?？刂萍夹g(shù)與發(fā)電機(jī)組的發(fā)展密切相關(guān)，但其關(guān)鍵在于對(duì)功率、對(duì)風(fēng)系統(tǒng)及功率變流的控制。變槳控制是針對(duì)變槳距機(jī)組技術(shù)，從而解決定槳葉自動(dòng)失速、功率不穩(wěn)等問(wèn)題，從而使風(fēng)輪自動(dòng)適應(yīng)風(fēng)速的變化，對(duì)葉片空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大利用率。偏航控制是針對(duì)風(fēng)向變化，使風(fēng)輪自動(dòng)調(diào)整與風(fēng)向一致，從而使機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。偏航控制的核心部件是偏航裝置，根據(jù)不同的機(jī)組可以采用尾舵對(duì)風(fēng)、側(cè)風(fēng)輪對(duì)風(fēng)、伺服電機(jī)調(diào)向等。變流控制則是指采用全功率變流，完成風(fēng)電機(jī)組輸出功率的變換與并網(wǎng)，以控制輸出功率，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)有功功率與無(wú)功功率的靈活控制。

2.3 海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)

海上風(fēng)機(jī)主要有四種類(lèi)型，分別是單樁風(fēng)機(jī)、重力式混凝土沉箱、多樁及吸力式風(fēng)機(jī)。單樁風(fēng)機(jī)在安裝時(shí)需要較高的費(fèi)用，因?yàn)閱螛讹L(fēng)機(jī)受到海底地質(zhì)條件和海水深度的影響，安裝設(shè)備較為專(zhuān)一。它一般安裝在海底10米至20米的地方。重力式混凝土沉箱基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)體積較大，造價(jià)相對(duì)比較低廉，穩(wěn)定性和可靠性較高，在安裝時(shí)需要進(jìn)行海地測(cè)量準(zhǔn)備。多樁基礎(chǔ)，通常是為三腳樁適合在深海進(jìn)行建造，它的樁徑較小，鋼管樁部通過(guò)灌漿技術(shù)與上部保持相連，但是這種結(jié)構(gòu)在我國(guó)還沒(méi)有成功安裝過(guò)。最后一種是吸力式沉箱基礎(chǔ)，它適合安裝在砂性土及軟粘土的地區(qū)，可以細(xì)分為單柱及多柱吸力式沉箱基礎(chǔ)，單柱的安裝費(fèi)用要比多柱的相對(duì)較高。海上風(fēng)電機(jī)組在控制原理是可靠、高效、安全。但是由于在海上，在對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作與維護(hù)時(shí)有諸多不便，這就需要控制系統(tǒng)更加安全可靠，靠遠(yuǎn)程進(jìn)行監(jiān)控并維護(hù)。在控制系統(tǒng)中采用了冗余技術(shù)，例如傳感器、通信線(xiàn)路等都進(jìn)行了備用方案就是為了使其更加可靠。采用智能化控制技術(shù)通過(guò)在線(xiàn)診斷技術(shù)、控制器等預(yù)先進(jìn)行了解避免故障的發(fā)生。此外，還要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，防雷防腐的各項(xiàng)保護(hù)技術(shù)。

2.4 高空風(fēng)力發(fā)電技術(shù)

2.4.1 發(fā)電機(jī)懸置于空中的高空渦輪發(fā)電

發(fā)電機(jī)在空中的渦輪機(jī)型高空風(fēng)能發(fā)電，受制于空中系統(tǒng)的重量和體積，發(fā)電規(guī)模難以做大。龐大的氦氣球和渦輪機(jī)上升到高空不但要客服巨大的自重，安全性能和收集的風(fēng)能也不是很理想。而且此類(lèi)發(fā)電方式同樣需要解決空中系統(tǒng)的穩(wěn)定性難題及系統(tǒng)控制技術(shù)瓶頸問(wèn)題。因此，發(fā)電機(jī)在空中的設(shè)計(jì)方案，目前看來(lái)并非高空風(fēng)能發(fā)電的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

2.4.2 發(fā)電機(jī)設(shè)置于地面的高空風(fēng)箏型發(fā)電

高空風(fēng)能發(fā)電的主流是發(fā)電機(jī)在地面的風(fēng)箏型發(fā)電，空中風(fēng)能采集部分主要是軟體（由輕質(zhì)高強(qiáng)度化纖材料組成），如意大利的K iteGen、美國(guó)的MakaniPower的高空風(fēng)電技術(shù)。目前國(guó)際主流的風(fēng)箏型高空風(fēng)能發(fā)電技術(shù)，大多數(shù)空中系統(tǒng)的穩(wěn)定性難題和空中系統(tǒng)控制技術(shù)瓶頸還沒(méi)有完全得到有效解決。

3 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)目前的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度飛快，同時(shí)也增加了對(duì)能源的需求量。由于風(fēng)能是可再生的清潔能源中最重要的組成部分，因此對(duì)它的開(kāi)發(fā)力度將日益加大。在此過(guò)程當(dāng)中，風(fēng)電技術(shù)的研發(fā)與進(jìn)步顯得尤為重要。在未來(lái)的發(fā)展中，我們將投入更多的人力和物力資源來(lái)支持風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展，加快對(duì)風(fēng)電行業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和對(duì)技術(shù)方面的研究，優(yōu)化我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)，為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和節(jié)能減排作出重要貢獻(xiàn)。

[1]魏超.淺談風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2012，9(8).

[2]杜學(xué)忠.風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵問(wèn)題分析[J].電氣制造,2012，6(25).

[3]任麗蓉．我國(guó)風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀及其技術(shù)發(fā)展[J].科技經(jīng)濟(jì)市場(chǎng),2011，（04）．