浅谈风力发电机原理及风力发电技术

浅谈风力发电机原理及风力发电技术

冉杰

中国机械设备香港有限公司

摘要：在发电领域内风能发电已经能成为当前比较先进的发电技术，可以有效改善传统发电对资源的耗费，减少对环境的污染。风能具有可再生性同时也是清洁能源，将其应用于发电是一项重大的技术举措，希望可以进一步提升风力发电技术的实践应用。

关键词：风力发电；原理；风力发电技术

1、风力发电机

风力涡轮机也称为风车，是将风能转化为机械功的动力机械。机械动力驱动转子旋转，最终输出交流电源设备。广义上说，风能也是发点，称为风力发电机。它是一种以太阳为热源，大气为工作介质的热发电装置。一般来说，3级风具有利用价值。

风力发电的原理与传统风车相似。风速带动叶轮旋转，收集风能，通过增速机加速叶轮的旋转，从而实现发电。但单纯依靠发电机不能完成发电，而是需要一个完整的运行系统。

2、风力发电特性

（一）可再生清洁能源

风力发电是一种可再生的清洁能源，不消耗化石资源，不污染环境。这是火力发电无可比拟的优势。

（二）工期短，可靠性高

现代高技术在风力发电机组中的应用，大大提高了发电可靠性。大中型风力发电机组的可靠性从80年代的50%提高到了98%，比火力发电机组的可靠性高，机组寿命可达20年。

（三）成本低，实际面积小。

从国外风电场的角度来看，风力单位千瓦成本和单位电能价格均低于火力发电，比常规发电更具竞争力。由于国外大中型风力发电机的引入，我国的成本和电价都比火力发电机组要高。但随着大中型风力发电机组的国产化和产业化，风力发电的成本和电价在不久的将来将低于火电厂的成本和电价。火力发电厂、监测站、变电所等建筑物仅占火电厂土地的1%，其他地点还可用于农业、畜牧业和渔业。

（四）简单的运行维护和发电的多样化发电。

现代大中型风力发电机组自动化水平高。他们可以在无人值守的情况下正常工作。它们只需要进行定期检修，因此不存在火电检修问题。风力发电不仅可以并网，还可以与柴油发电、太阳能发电、水电机组等其他能源形成互补系统，也可以独立运行。为解决边远地区用电问题提供了切实可行的途径。

3、风力发电机的分类和组成

（一）风力发电机组的分类

目前，投入运行的并网发电机可分为定速、变速两大类。风力涡轮机是将风能转化为电能的装置。根据自己的发电能力，风机可分为小型（10KW），中型（10-100kw）和大型（100KW以上）的风力涡轮机。

根据主轴与地面的相对位置，可分为水平轴风力机和垂直轴风力机。水平轴风力机是世界上最成功的风力发电机形式。其主要优点是能减小地面扰动对风力机动态特性的影响。

（二）风力发电机的组成

一般大型工业风力发电机组应具备下列部件：

机舱：机舱装是风力发电机的关键设备，包括变速箱和发电机。维修人员可以通过风力涡轮机塔进入机舱。机舱的左端是风力发电机的转子，即转子叶片和轴。

转子叶片：捕捉风并将风传递到转子轴上。在现代600千瓦风力发电机上，每个旋翼叶片的长度约为20米，设计得像飞机机翼。

轴心：转子轴与风机低速轴相连。在现代600千瓦风力涡轮机上，转子速度相当慢。轴上有一个用于液压系统的管子，用来激励气动水闸的工作。

齿轮箱：齿轮箱的左侧是低速轴，高速轴可使速度提高到低速轴的50倍。

高速轴及其机械闸：高速轴每分钟转速为1500转，驱动发电机。装有气动水闸故障或风轮机修理时要紧急闸门。

发电机：通常称为异步电动机或异步发电机。我国风力发电机的功率输出通常为500～1500千瓦。发电机和变速箱通常是风力发电机最关键的部件。

偏航装置：用电动机转动发动机室，使转子垂直于风。偏航装置由电子控制器操作，电子控制器通过风向标感知风向。

3风力发电掌控技术

3.1定桨距失速风力发电技术

对于变桨距叶片运行的方式：它主要是改变叶片剖面攻角，依据对桨距角的改变。如何适应风速的变化，是在其低风速运行的状态下最大限度的发挥风能的利用价值，发电机转速是由电网频率限制，输出功率由桨叶本身性能限制，当风速比额定转速高时，桨叶能够通过失速调节功能将功率控制在额定值范围之内，提高气动输出的性能，使发动机的效率降低来达到限制功率的目的，风力发动机的这一特性控制发电系统安全可靠。

3.2变桨距风力发电技术

在并网过程中，变桨距控制还可实现快速无冲击并网，一方面保证获取较大的能量，另一方面减少风力对风力机的冲击，在并网过程中，快速无冲击并网还可使用变浆距控制，变桨距控制系统与变速恒频技术相配合，在使用电动变桨距系统就是可以允许三个桨叶独立实现变桨，它提供给风力发电机组功率输出和足够的刹车制动能力，这样还可以避免对过载风机的破坏。

3.3混合失速/主动失速发电技术

风力发电在并网的过程中也是一个操作起来极其复杂的非线性工作，并且风力发电机组存在着随机扰动大、不确定因素过多，还有难以准确的描述并网特性的各个特点。所以根据反馈量的多少，在规定的并网时间内，可使导通角逐步增加，电机的定子电压逐步提高，使之达到软并网、限制电流的目的。在并网过程结束机组进入正常工作状态，上述两种技术的组合也就是所谓的混合失速/主动失速发电技术。

4风力变速发电技术

4.1风能本就是绿色、环保、无污染的可再生资源，由于其本身稳定性较差，无法正常控制风速等特性。所以在利用风能发电时，根据风向的变化性和风机叶不断的变化，一定要合理利用并掌控好操作技术，否则会影响风能发电的工作效率，影响用电质量。做好调整工作，考虑发电机在运行时会出现的各种变化，完全可以保证风能发电的最大化利用。另外，在我国目前的风能发电机控制系统中，最常采用的控制系统结构分为三种；便变速恒频控制、叶尖速比跟踪控制、消除力矩转动链中力矩震荡控制。

4.2最开始利用风力发电一般都是采用恒速恒频方式进行发电，这种技术在早期也是相对较成熟的，且操作起来简单方便，但是要想风力达到一定效率并不高。只有当风力的尖速达到最佳状态时并保持不变，这个时候就是最大化的利用风的作用。现如今，变频恒频技术广受大家的关注，并得到广泛运用，但是大量使用还是存在一定的难度，因为，这项技术对于恒频装置相对比较复杂，不同地区的风速大小变化不同，恒速风力发电技术只能适用于部分风速符合要求的地区，而变速风力发电技术可以适应不同的风速区，扩宽了风力发电的适用范围，所以在使用时要进行合理的控制和运用，使风能效率达到最佳状态，并大力推动我国风力发电市场的稳定发展。

5、中国风力发电的发展现状

煤炭是中国的主要能源。火力发电是中国发电的主要形式。然而，化石能源的不可再生性和污染性已经损害了人类的生存和发展。提高清洁能源利用率，调整能源结构，发展可再生能源势在必行。世界能源发展面临资源短缺、环境污染和气候变化等三大难题。要解决这些问题，必须走清洁发展之路。风力发电技术已基本成熟，具有推广应用的可行性。

中国幅员辽阔，有漫长的海岸线和丰富的风能资源。根据最新的风能和太阳能资源评估数据，我国的陆地风力发电高度为70米，每平方米200千瓦以上。风能技术开发能力为50亿千瓦，太阳能总土地资源为1兆8600亿千瓦。一些东部沿海带，另外还有内陆地区和一些地方风能资源丰富的地区。

6、结论

综上所述，在能源匮乏和环境污染日益严重的背景下，加强对洁净能源的开发至关重要。风能发电将是未来世界发电的主流，一定要加强对发电设备的研发和制造，提高风能发电的效率，减少对煤矿资源的依赖，实现我国经济的可持续发展。

参考文献：

[1]蒋宏春.风力发电技术综述[J].机械设计与制造，2010（9）：250-251.

[2]刘晓林.风力发电机主要种类及应用技术浅析[J].电器制造，2009（9）：18-20.

冉杰，1982年4月28日，男，汉族，湖北荆州人，助理工程师职称，学士学位，现供职中国机械设备香港有限公司（总部在北京）