文/楊建明,晉能清潔能源風力發(fā)電有限責任公司

風力發(fā)電技術(shù)的問題與探討

文/楊建明,晉能清潔能源風力發(fā)電有限責任公司

風力發(fā)電是當前發(fā)展前景極為廣闊的可再生能源發(fā)電，近年來，我國風力發(fā)電事業(yè)發(fā)展迅猛，對先進的風力發(fā)電技術(shù)的需求也日益急迫。

風力發(fā)電技術(shù)；問題；研究

引言

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

1 風力發(fā)電技術(shù)存在的問題

經(jīng)過長期的發(fā)展，風力發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了現(xiàn)代化，并不斷成熟與完善，大型發(fā)電機也越來越普及。但不可否認的是，雖然我國風力發(fā)電事業(yè)發(fā)展迅猛，社會效益和經(jīng)濟效益不斷提升，但在技術(shù)上仍然存在一些亟待解決的問題。一是風電場建設(shè)規(guī)劃的科學性有待于提高。我國風能豐富地區(qū)主要在東南沿海及西北地區(qū)，風能密度大，發(fā)電效率高，但并非所有地區(qū)都適合發(fā)展風電。尤其是在風速低的弱風地帶，如何有效利用風能資源，還有待于技術(shù)的進步以及規(guī)劃的科學。二是由于風速、風向變化劇烈，對風力機的性能提出了更高要求。目前我國大型風電場的發(fā)電機組還主要依靠近口，不僅成本高，而且在維護、檢修方面也需要更多的專業(yè)人才。這些因素都對風電發(fā)展造成了制約。三是單機容量有待于提高。當前我國風力發(fā)電技術(shù)進步的標志之一就是單機容量正不斷增大，但配套技術(shù)沒有跟上，在結(jié)構(gòu)動力學研究、電機設(shè)計、制造工藝及質(zhì)量等方面，增加了運行及維護成本。四是并網(wǎng)技術(shù)有待于更新。目前我國風力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)水平的代表是河西電力網(wǎng)絡(luò)采用的串補技術(shù)，走在了世界前列。

2 風力發(fā)電技術(shù)研究

2.1 風力預(yù)測技術(shù)

風力預(yù)測技術(shù)對于風力發(fā)電站選址、風力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計、電網(wǎng)建設(shè)等都具有十分重要的基礎(chǔ)作用。由于風電輸出功率與風速大小、風速變化密切相關(guān)，因此，在風力發(fā)電項目立項調(diào)查階段，風力預(yù)測就必須進行。當前，風力預(yù)測技術(shù)主要有基于風力觀測數(shù)據(jù)和氣象模擬兩種方法。前者主要是利用選址目標地區(qū)的長期氣象數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行線性或非線性處理，進而形成當?shù)仫L力觀測模式，并對今后時期的風力情況進行預(yù)測。這種方法的局限性在于必須擁有長期的、準確的歷史觀測記錄，且精度較低，如果單獨使用將可能對最終預(yù)測結(jié)果造成偏差，甚至會嚴重影響風力發(fā)電站建成之后的運行效益，造成資源浪費。后者則主要是運用現(xiàn)代氣象預(yù)報技術(shù)，建立起當?shù)仫L力情況的虛擬模型，對風力情況進行預(yù)測。這種預(yù)測方法目前已經(jīng)成為風力預(yù)測的主流方法，被廣泛運用于風力發(fā)電選址、風力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計、項目建設(shè)的全過程。

2.2 風力發(fā)電機組控制技術(shù)

風力發(fā)電機組控制技術(shù)主要集中于三個方面，即變槳控制、偏航控制和變流控制?？刂萍夹g(shù)與發(fā)電機組的發(fā)展密切相關(guān)，但其關(guān)鍵在于對功率、對風系統(tǒng)及功率變流的控制。變槳控制是針對變槳距機組技術(shù)，從而解決定槳葉自動失速、功率不穩(wěn)等問題，從而使風輪自動適應(yīng)風速的變化，對葉片空氣動力轉(zhuǎn)矩進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)風能的最大利用率。偏航控制是針對風向變化，使風輪自動調(diào)整與風向一致，從而使機組平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。偏航控制的核心部件是偏航裝置，根據(jù)不同的機組可以采用尾舵對風、側(cè)風輪對風、伺服電機調(diào)向等。變流控制則是指采用全功率變流，完成風電機組輸出功率的變換與并網(wǎng)，以控制輸出功率，實現(xiàn)電網(wǎng)有功功率與無功功率的靈活控制。

2.3 海上風力發(fā)電技術(shù)

海上風機主要有四種類型，分別是單樁風機、重力式混凝土沉箱、多樁及吸力式風機。單樁風機在安裝時需要較高的費用，因為單樁風機受到海底地質(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，造價相對比較低廉，穩(wěn)定性和可靠性較高，在安裝時需要進行海地測量準備。多樁基礎(chǔ)，通常是為三腳樁適合在深海進行建造，它的樁徑較小，鋼管樁部通過灌漿技術(shù)與上部保持相連，但是這種結(jié)構(gòu)在我國還沒有成功安裝過。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)，可以細分為單柱及多柱吸力式沉箱基礎(chǔ)，單柱的安裝費用要比多柱的相對較高。海上風電機組在控制原理是可靠、高效、安全。但是由于在海上，在對設(shè)備進行操作與維護時有諸多不便，這就需要控制系統(tǒng)更加安全可靠，靠遠程進行監(jiān)控并維護。在控制系統(tǒng)中采用了冗余技術(shù)，例如傳感器、通信線路等都進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)通過在線診斷技術(shù)、控制器等預(yù)先進行了解避免故障的發(fā)生。此外，還要進行優(yōu)化設(shè)計，防雷防腐的各項保護技術(shù)。

2.4 高空風力發(fā)電技術(shù)

2.4.1 發(fā)電機懸置于空中的高空渦輪發(fā)電

發(fā)電機在空中的渦輪機型高空風能發(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上升到高空不但要客服巨大的自重，安全性能和收集的風能也不是很理想。而且此類發(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)瓶頸問題。因此，發(fā)電機在空中的設(shè)計方案，目前看來并非高空風能發(fā)電的技術(shù)發(fā)展趨勢。

2.4.2 發(fā)電機設(shè)置于地面的高空風箏型發(fā)電

高空風能發(fā)電的主流是發(fā)電機在地面的風箏型發(fā)電，空中風能采集部分主要是軟體（由輕質(zhì)高強度化纖材料組成），如意大利的K iteGen、美國的MakaniPower的高空風電技術(shù)。目前國際主流的風箏型高空風能發(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)瓶頸還沒有完全得到有效解決。

3 結(jié)語

我國目前的經(jīng)濟發(fā)展速度飛快，同時也增加了對能源的需求量。由于風能是可再生的清潔能源中最重要的組成部分，因此對它的開發(fā)力度將日益加大。在此過程當中，風電技術(shù)的研發(fā)與進步顯得尤為重要。在未來的發(fā)展中，我們將投入更多的人力和物力資源來支持風電行業(yè)的發(fā)展，加快對風電行業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和對技術(shù)方面的研究，優(yōu)化我國的能源結(jié)構(gòu)，為我國的經(jīng)濟發(fā)展和節(jié)能減排作出重要貢獻。

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