□范翀鳴 那蘊(yùn)達(dá)

一、風(fēng)力發(fā)電的基本原理

空氣的流動(dòng)形成風(fēng)，風(fēng)遵循空氣動(dòng)力學(xué)原理，具有風(fēng)能。風(fēng)力發(fā)電就是通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)備把風(fēng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械動(dòng)能，再把機(jī)械動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能并輸送出去的過(guò)程。其原理是利用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)，再通過(guò)增速機(jī)提升旋轉(zhuǎn)速度，促使發(fā)電機(jī)發(fā)電，也就是首先通過(guò)風(fēng)力機(jī)及其控制系統(tǒng)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再通過(guò)發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并最終通過(guò)輸配電網(wǎng)輸送出去。

空氣流動(dòng)產(chǎn)生的風(fēng)能(Wind Power)是風(fēng)力發(fā)電最終制造出電能的“源泉”，根據(jù)風(fēng)能公式E=1/2(ρtSV3)，可以知道風(fēng)能的大小主要與風(fēng)速V(米/秒)、垂直于風(fēng)速的截面積S(平方米)、空氣密度ρ(千克/平方米)三個(gè)指標(biāo)相關(guān)，t則為風(fēng)作用的時(shí)間，也就是風(fēng)力發(fā)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行的時(shí)間。風(fēng)在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位橫截面積的風(fēng)能大小稱(chēng)為風(fēng)能密度，也就是t、s的值均為1，其計(jì)算公式為W=1/2(ρV3)，是風(fēng)能大小的重要參考指標(biāo)。

從上述風(fēng)能公式可知，一是風(fēng)能與風(fēng)速的立方成正比，也就是說(shuō)風(fēng)速是影響風(fēng)能大小的最大因素，這就對(duì)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的選址提供了參考。二是風(fēng)能大小與風(fēng)所流經(jīng)的截面面積成正比，這一截面積對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，指的就是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)掃過(guò)的面積。一般風(fēng)力發(fā)電機(jī)不是以風(fēng)輪面積而是直徑為參數(shù)，根據(jù)圓的面積計(jì)算公式，因此，具體到風(fēng)力發(fā)電機(jī)上，風(fēng)能大小就是與風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪直徑的平方成正比。三是風(fēng)能與單位體積內(nèi)空氣的質(zhì)量也就是空氣密度成正比。空氣密度值通常與空氣濕度、溫度以及所處位置海拔等自然條件相關(guān)，這也是風(fēng)電場(chǎng)選址和確定風(fēng)電機(jī)安裝位置的重要參考。

現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)已經(jīng)充分考慮了空氣動(dòng)力學(xué)原理，風(fēng)并非推動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，而是通過(guò)吹過(guò)風(fēng)輪葉片時(shí)形成葉片正反面的壓差，產(chǎn)生升力令風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)并不斷橫切風(fēng)流。但即便如此，風(fēng)電機(jī)也不能提取所有風(fēng)能，根據(jù)貝茲定律，理論上風(fēng)電機(jī)所能提取的風(fēng)能最大比例為59．6%，實(shí)際中一般只能達(dá)到40%甚至更少。

二、風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)及基本工作流程

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能再轉(zhuǎn)換為電能的動(dòng)力機(jī)械，通常被稱(chēng)為風(fēng)車(chē)，其工作原理為首先利用自然風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)車(chē)葉片旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再通過(guò)增速機(jī)提升旋轉(zhuǎn)速度，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

(一)風(fēng)力發(fā)電機(jī)分類(lèi)。一是小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其主要組成部分包括:風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、塔架、調(diào)向機(jī)構(gòu)、蓄能系統(tǒng)、逆變器等。二是大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，一般由塔架、氣動(dòng)機(jī)械、電氣兩大部分組成。氣動(dòng)機(jī)械部分包括轉(zhuǎn)子葉片、軸心、低速軸、增速齒輪箱、高速軸及其機(jī)械閘、偏航裝置等，這部分的功能為將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子;電氣部分包括感應(yīng)電機(jī)或稱(chēng)為異步發(fā)電機(jī)、電力電子變頻器、變壓器、電網(wǎng)，主要功能為將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為恒定輸出的電能。

(二)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的構(gòu)成及基本工作流程。小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)并非只有一個(gè)發(fā)電機(jī)頭，而是由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、充電器、數(shù)字逆變器這個(gè)科技含量很高的系統(tǒng)組成。其核心部件風(fēng)力發(fā)電機(jī)又包括機(jī)頭、轉(zhuǎn)體、尾翼、葉片幾個(gè)部分，其中，葉片用來(lái)接受風(fēng)能并通過(guò)機(jī)頭轉(zhuǎn)為電能，尾翼保證葉片始終對(duì)著風(fēng)來(lái)的方向以最大程度獲得風(fēng)能，轉(zhuǎn)體、機(jī)頭通過(guò)靈活轉(zhuǎn)動(dòng)幫助尾翼實(shí)現(xiàn)調(diào)整葉片方向的功能。另外，機(jī)頭的轉(zhuǎn)子是永磁體，通過(guò)定子繞組切割磁力線(xiàn)最終產(chǎn)生電能。其工作流程可參見(jiàn)圖1。

圖1

(三)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的構(gòu)成及基本工作流程。大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)從外觀大體上可分塔桿、風(fēng)輪(包括尾舵，但目前一般大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)已經(jīng)沒(méi)有了尾舵)、發(fā)電機(jī)(機(jī)艙)三部分。其基本工作流程為風(fēng)帶動(dòng)風(fēng)輪產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過(guò)齒輪變速箱再將機(jī)械能傳送到發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)化產(chǎn)生電能。

1．風(fēng)輪。風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機(jī)捕獲風(fēng)并把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的核心部件之一，一般由兩只(或更多只)螺旋槳形的葉輪組成。當(dāng)風(fēng)吹向葉輪時(shí)，葉輪上產(chǎn)生氣動(dòng)力，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。出于最大限度將風(fēng)能轉(zhuǎn)化了機(jī)械能的需要和耐用考慮，槳葉要求用強(qiáng)度高、重量輕的材料制造，比如玻璃鋼、碳纖維等復(fù)合材料。葉輪形狀除常規(guī)的螺旋槳型葉輪外，還有S型旋轉(zhuǎn)葉輪等形式。不像小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)得比較慢，也就是轉(zhuǎn)速較低，同時(shí)由于自然條件下，風(fēng)的風(fēng)力大小和方向會(huì)時(shí)刻發(fā)生變化，使得風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速并不穩(wěn)定。所以，風(fēng)輪必須附加一個(gè)齒輪變速箱和一個(gè)能使轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定的調(diào)速機(jī)構(gòu)，以把轉(zhuǎn)速穩(wěn)定住并提高到發(fā)電機(jī)所需的額定轉(zhuǎn)速。有時(shí)為了使得風(fēng)輪始終對(duì)著風(fēng)向以獲得最大風(fēng)能，會(huì)在風(fēng)輪后面裝一個(gè)尾舵。另外還有一個(gè)尾部制動(dòng)裝置，防止當(dāng)風(fēng)力過(guò)強(qiáng)時(shí)，風(fēng)輪失速。

2．發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)是整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的另一核心部件，包含有齒輪箱等關(guān)鍵設(shè)備，其作用是把自身由風(fēng)輪帶動(dòng)得到的恒定轉(zhuǎn)速，通過(guò)升速再傳遞給發(fā)電機(jī)構(gòu)，把機(jī)械能最終轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。其主要部件包?附著在風(fēng)電機(jī)的低速軸上的轉(zhuǎn)子軸心，將轉(zhuǎn)子軸心與齒輪箱連接在一起的低速軸，連接低速軸與高速軸并可將高速軸的轉(zhuǎn)速提高至低速軸的數(shù)十倍的齒輪箱，高速運(yùn)轉(zhuǎn)并驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)并在空氣動(dòng)力閘失效或風(fēng)電機(jī)維修時(shí)制動(dòng)使用的高速軸及機(jī)械閘，轉(zhuǎn)化來(lái)自高速軸的機(jī)械能為電能的發(fā)電機(jī)，借助電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)艙以使轉(zhuǎn)子正對(duì)著風(fēng)的偏航裝置(這也是一般大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)沒(méi)有尾舵的原因)，用于控制偏航裝置的電子控制器，用于重置風(fēng)力發(fā)電機(jī)空氣動(dòng)力閘的液壓系統(tǒng)以及冷卻發(fā)電機(jī)和齒輪箱的冷卻系統(tǒng)。

3．塔桿。塔桿是支承葉片、尾翼和發(fā)電機(jī)的構(gòu)架，同時(shí)吸收機(jī)組震動(dòng)。塔桿一般要達(dá)到一定的高度，以便使葉輪能捕獲更大、更均勻和穩(wěn)定的風(fēng)能，其高度的確定要視所建位置地面障礙物對(duì)風(fēng)速影響的情況以及風(fēng)輪直徑大小等綜合確定。另外塔桿還要有足夠的強(qiáng)度，以起到穩(wěn)定支撐作用。

三、中國(guó)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

縱觀我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、前沿技術(shù)應(yīng)用水平和發(fā)展方向，當(dāng)前主要呈現(xiàn)如下幾個(gè)突出特點(diǎn):第一，風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量增大趨勢(shì)明顯。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)風(fēng)電市場(chǎng)中風(fēng)電機(jī)組的750～850kW增加到2013年的1．5～2．5MW。第二，水平軸風(fēng)電機(jī)組技術(shù)因具有風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率高、轉(zhuǎn)軸短等突出優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為了國(guó)內(nèi)大型風(fēng)電機(jī)組發(fā)展的主流機(jī)型。雖然大型垂直軸風(fēng)電機(jī)組的相關(guān)研究和開(kāi)發(fā)也在進(jìn)行中，但技術(shù)上水平軸風(fēng)電機(jī)組技術(shù)仍為主流。同時(shí)，變槳變速功率調(diào)節(jié)技術(shù)被廣泛采用，雙饋異步發(fā)電技術(shù)仍占主導(dǎo)，直驅(qū)式風(fēng)電技術(shù)發(fā)展迅速，全功率變流技術(shù)得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，大型風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件性能日益提高。第三，我國(guó)風(fēng)電設(shè)備的產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)形成，甚至在部分基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)件、鑄鍛件等領(lǐng)域已經(jīng)具有優(yōu)勢(shì)單機(jī)容量呈現(xiàn)持續(xù)增大的趨勢(shì)，為今后的快速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

［1］方勝杰．淺談風(fēng)電站的組成、設(shè)備及發(fā)電原理［D］．華北電力大學(xué)，2011

［2］董丹丹．我國(guó)的風(fēng)電技術(shù)和風(fēng)電發(fā)展［EB/OL］．http://wenku．baidu．com:2012-4-26

［3］深度解析:2013—2014年我國(guó)大型風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況［EB/OL］．http://news．bjx．com．cn/，2014-12-1