淺談大型陸上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)

鄒敦宇

摘? 要：近年來我國對于綠色環(huán)保能源越來越重視，風(fēng)能作為可再生能源的一種，近年來在全國各地得到推廣。隨著我國相關(guān)技術(shù)的不斷革新與發(fā)展，風(fēng)能成了繼水能之后最具開發(fā)潛力的能源之一，在政府的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼和國家的政策鼓勵下，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)得到快速發(fā)展，很多的發(fā)電企業(yè)在該領(lǐng)域投資發(fā)展風(fēng)能發(fā)電技術(shù)，風(fēng)能發(fā)電行業(yè)成了快速發(fā)展的新秀。該文首先對大型陸上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)進(jìn)行論述，其次介紹了大型陸上風(fēng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，最后簡述了我國大型陸上風(fēng)機(jī)技術(shù)存在的不足之處及發(fā)展方向，希望為相關(guān)研究人員提供借鑒與參考，促進(jìn)我國大型陸上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：再生能源;陸上風(fēng)力發(fā)電;發(fā)電技術(shù)

中圖分類號：TM315? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

世界上第一臺真正意義上的風(fēng)力電機(jī)，于1941年在丹麥制作而成，20世紀(jì)60年代中東的石油等資源能源被廣泛開采和利用，使得油價經(jīng)濟(jì)又實惠，而風(fēng)能發(fā)電則逐漸淡出了人們的視線。煤和石油等不可再生能源產(chǎn)生的能量，雖然能滿足工廠企業(yè)的使用需要，但是煤和石油終究是不可再生能源，開采麻煩且終究會有用完的一天。在1973年爆發(fā)的世界能源危機(jī)中，該問題的負(fù)面影響被急劇放大，受到經(jīng)濟(jì)危機(jī)沖擊的歐美各國，開始逐漸重視對于風(fēng)能的研究與利用，他們研究如何利用風(fēng)能來發(fā)電，這不僅有利于緩解不可再生能源使用緊缺的問題，而且有利于保護(hù)地球的生態(tài)環(huán)境和人類的生存環(huán)境。

1 大型陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的快速發(fā)展

中國的國土面積遼闊，西北地區(qū)由于地勢的原因，相對于華東、華南地區(qū)而言，其風(fēng)能儲量豐富，普及使用風(fēng)力發(fā)電，不僅有利于節(jié)約不可再生能源，同時也是對于風(fēng)能的有效利用。

我國陸地風(fēng)能儲藏量豐富，風(fēng)力發(fā)電合計10億kW，是水力發(fā)電總量的3倍左右，且陸上風(fēng)力發(fā)電的成本造價遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水電站的建設(shè)費(fèi)用，因此在我國風(fēng)能發(fā)電應(yīng)該得到大力推廣。

風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的造價與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量大小有密切關(guān)系，如果所需的機(jī)組較少時，建設(shè)的基本費(fèi)用就較低，則有利于節(jié)約成本，如果發(fā)電機(jī)可以按一定的形式進(jìn)行布局，有利于降低風(fēng)力發(fā)電的成本造價，且風(fēng)力發(fā)電時的單機(jī)容量越大，越有利于節(jié)約成本造價，因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量從20世紀(jì)80年代初的55 kW，發(fā)展到20世紀(jì)80年代中期到90年代初的100 kW～450 kW，90年代中后期以500 kW～1MW為主等，而2010年的發(fā)電機(jī)容量已達(dá)到1000 kW的風(fēng)電機(jī)組，2016年歐美和澳洲的發(fā)電機(jī)容量已達(dá)到l5 MW～20 MW的風(fēng)電機(jī)組，由此可見，近幾十年來風(fēng)力發(fā)電不斷發(fā)展進(jìn)步，為人類的進(jìn)步發(fā)展提供能源動力。

2 大型陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 大型陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)械部件技術(shù)情況

大型陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)是由齒輪箱、發(fā)電機(jī)、葉片、輪毅、主軸、機(jī)艙座和塔架等組成的。在施工時，對于葉片和齒輪箱等部件的技術(shù)要求相對較高，如果葉片設(shè)計不合理很可能在使用過程中突然發(fā)生斷裂，最終影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的正常使用，且葉片的形狀與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和風(fēng)能的利用效率有較大聯(lián)系，因此研究設(shè)計人員在設(shè)計葉片時，需要考慮的影響因素較多，象葉片的大小、形狀、耐久性、葉片與齒輪之間的摩擦力大小，在遇到強(qiáng)風(fēng)的情況下是否會因為轉(zhuǎn)速過快而發(fā)生破壞等因素。因此設(shè)計人員在進(jìn)行設(shè)計時需要在進(jìn)行較多的實驗之后，才能確定合適的使用葉片及相關(guān)配套機(jī)械設(shè)施。

2.2 大型陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制策略

風(fēng)力發(fā)電機(jī)在使用的過程中，不僅需要相關(guān)設(shè)計人員設(shè)計好良好的外形，還需要對其進(jìn)行系統(tǒng)化的控制，上面兩者的有機(jī)結(jié)合，才能將風(fēng)力發(fā)電機(jī)的良好性能完全發(fā)揮出來，通過對陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行良好的外形設(shè)計，保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)在使用過程中能夠獲得較多的風(fēng)能，將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械能后再轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽岣唢L(fēng)能的利用效率，通過制定系統(tǒng)化的控制策略，考慮到在風(fēng)力較小時風(fēng)力發(fā)電機(jī)該如何運(yùn)行，以及風(fēng)力較大時該如何控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，從而將發(fā)電機(jī)的使用效率提升到最大值，在保證發(fā)電機(jī)正常發(fā)電的同時，確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)在工作時候的安全。

2.3 大型陸上直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)

目前直驅(qū)式風(fēng)機(jī)不需要齒輪轉(zhuǎn)向就可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，通過對風(fēng)輪驅(qū)動發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，對于發(fā)電機(jī)的利用效率就會有較大改觀，而且能夠保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時葉片的穩(wěn)定性，不會對葉片造成任何的破壞。但是這對于直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)型設(shè)計要求十分嚴(yán)格，使用的材料成本比之前制作風(fēng)力發(fā)電機(jī)時要更為昂貴，這雖然增加了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計成本，但對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)取得的發(fā)電效益而言，還是具有很大的研究價值。

3 國內(nèi)大型陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)存在的不足及其未來發(fā)展方向

由于風(fēng)力發(fā)電目前在我國是一個新產(chǎn)業(yè)，正處于技術(shù)研究和項目起步的階段，國內(nèi)相關(guān)研究對風(fēng)力發(fā)電可行性理論分析比較少，近年來，雖然我國對風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究取得了令人矚目的成就，但是還有一些不足之處需要引起我們的注意。

3.1 風(fēng)電規(guī)劃、基礎(chǔ)配套設(shè)施建設(shè)制約風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展

目前我國的風(fēng)力發(fā)電場大部分建于我國西北邊疆的沙漠、戈壁、邊疆、華北平原、東北平原等地。雖然上述發(fā)電場地理位置優(yōu)越，風(fēng)能資源特別豐富，但上述地區(qū)距離發(fā)電負(fù)荷中心的距離相對較遠(yuǎn)，這就造成上述地區(qū)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對薄弱，而電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對薄弱就嚴(yán)重削弱了我國對風(fēng)能資源的開發(fā)使用和研究。隨著我國近年來對風(fēng)力發(fā)電場項目研究和建設(shè)規(guī)模的逐步加深、擴(kuò)大，一些地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對薄弱的問題日益凸顯。我國相關(guān)部門對規(guī)劃風(fēng)力發(fā)電項目產(chǎn)業(yè)嚴(yán)重滯后于風(fēng)力發(fā)電項目的發(fā)展速度，其主要表現(xiàn)在以下3個方面：第一，風(fēng)力發(fā)電項目的基礎(chǔ)配套設(shè)施建設(shè)相對落后;第二，相關(guān)研究人員對風(fēng)力發(fā)電項目缺乏足夠的資源評價評估;第三，國家、地方政府及相關(guān)部門對風(fēng)力發(fā)電項目的具體規(guī)劃不合理。

3.2 風(fēng)力發(fā)電嚴(yán)重的依賴于政府補(bǔ)貼

我國地方政府和相關(guān)部門通過財政補(bǔ)貼對風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)項目進(jìn)行政策、資金的大力扶植幫助，目前我國政府及相關(guān)部門對風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)項目的財政補(bǔ)貼比例相對于他國來說已經(jīng)是很高的了，特別是在我國火電標(biāo)桿上網(wǎng)電價低的地區(qū)，在我國新疆維吾爾自治區(qū)的哈密，其2015年底已并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電的電價是0.51 元/kW·h，火電標(biāo)桿電價是0.25 元/kW·h，財政補(bǔ)貼占比已經(jīng)高達(dá)51.5%，這一比例已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于歐美國家，造成風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)能過剩等不利因素，給國家財政帶來巨大虧損。

3.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造商對國外技術(shù)的依靠

目前我國很多地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造商通過購買歐美國家的風(fēng)力發(fā)電核心技術(shù)，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)項目的建成與擴(kuò)大，這就造成我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)無自主研發(fā)、風(fēng)力發(fā)電關(guān)鍵設(shè)備材料嚴(yán)重依靠國外進(jìn)口的問題越來越嚴(yán)重。依靠國外進(jìn)口不僅加大了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建設(shè)的生產(chǎn)成本，而且造成目前我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)單位千瓦造價在4 000元上下浮動不變;其次依靠國外進(jìn)口造成會風(fēng)力發(fā)電技術(shù)項目的產(chǎn)業(yè)更新比較慢，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)重要的核心技術(shù)上依然嚴(yán)重依賴國外提供技術(shù)支持。

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