风力发电技术浅谈

风力发电技术浅谈

马罗

红河州泸西县云能投风电开发有限公司 云南省红河州 652400

摘要：人类对能源和环境问题的日益重视，风能技术在全世界范围内也越来越引起人们的关注。风电技术不但包括电力电子学、机械力学、材料科学等机电方面的知识，还涉及流体力学、大气科学以及空气动力学等风能方面的知识。唯有从“风”与“电”两个综合方面全面的思考风电场开发的相关问题，才能深刻体会到风资源和风特性对风电场经济性的重要影响，从而能够最终确保风电场规划与开发的科学性。

关键词：风能；风能转换；风电场电气设备；风力发电机；风电场；

一、风能的概况

风能是一种取之不尽、用之不竭的清洁、可再生能源。在全球生态环境恶化和化石能源逐渐枯竭的双重压力下，对新能源的研究和利用已成为全球各国关注的焦点。人类利用风能的历史可以追溯到远古时代，那时人类利用风帆来推动船只前行。后来人们利用风能来为谷物研磨磨坊和风力泵系统提供动力。由过去粗重的机器演变成今天精密化的设备，风能技术发展经历了许多不同的阶段。风中蕴含的能量巨大，在当前的技术背景下，除水力发电技术外，风力发电是新能源发电技术中最成熟、最具大规模开发和最有商业化发展前景的发电方式。由于在改善生态环境、优化能源结构、促进社会经济可持续发展等方面的突出作用，目前世界各国都在大力发展和研究风力发电及其相关技术。

二、风能转换基本原理

风中可利用的能量基本上来自于沿地球表面的大气团的运动。风力机的叶片获得上述动能，将获得的动能转换成为机械能或者电能。把风转换成其他可利用能量形式的效率取决于叶轮和气流相互作用的效率。根据空气动力学和贝茨理论风能最高利用效率为59.3%，一般40%左右。影响风中可利用能量的因素有空气的密度、叶轮的扫风面积，以及风速，其中由于风速与风功率成三次方关系，因此风速对风功率的影响最为显著。风机根据旋转轴的不同大致分为两类即水平轴风力机和垂直轴风力机。大多数的商业机组选择水平轴风力机，由于其具有较高的功率系数，低切入风速以及易于过载时切出。由于三叶片机组空气动力载荷相对一致三叶片机组更稳定，三叶片也是最常见的机组类型。

3. 风能转换系统

风能转换系统(WECS)是将风能转化为电能，其主要部件是风力发电机。风力发电机通过多传动比齿轮箱连接到发电机，在WECS中通常使用感应式发电机。风力发电机组的主要组成部分有机塔、转子和机舱，机舱内有传动装置和发电机，转子可能有两个或两个以上的叶片。风力发电机通过桨叶捕集风的动能，然后通过齿轮箱把能量传递到感应发电机侧。风力发电机驱动发电机轴产生电力。齿轮箱的作用是将风力发电机较慢的转速转换成感应发电机侧较高的转速。利用监测计量、控制和保护技术，将发电机输出的电压和频率维持在规定的范围内。风力发电机为水平轴结构或垂直轴结构。在20世纪90年代中期之前，WECS的商用风力发电机的平均容量为300kW，而近期，已开发出容量高达5MW的风力发电机并安装应用。对任何风能项目而言，为了项目的有效规划和成功实施，了解风能转换系统在预期场址的性能是其中的关键。影响一个风能转换系统输出功率的主要因素有:①风场盛行风频谱的强度及其对风力机的可利用性;②叶轮将风中能量转换为机械轴功的空气动力效率;③将能量调节、传输和升压到预期形式的电效率。因此，评估一个风能转换系统的性能是相当复杂的一个流程。

3.1风力发电机组成

风电机组主要部件包括：①塔架；②叶轮；③高速与低速轴；④齿轮箱；⑤发电机；⑥传感器和偏航系统；⑦电力调节和控制单元；⑧安全系统；

塔架：风力发电机塔载有机舱及转子。通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速越大。它可以为管状的塔，也可以是格子状的塔。管状的塔对于维修人员更为安全，因为他们可以通过内部的梯子到达塔顶。格状的塔的优点在于它比较便宜。

叶轮：捉获风，并将风力传送到转子轴心。

高速与低速轴：风力发电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。高速轴将齿轮箱与发动机连接在一起。传递能量。

齿轮箱：齿轮箱将低速轴的低转速输入转变为高速轴的高转速输出，以便于与发电机所需要的高转速匹配。

发电机：通常被称为感应电机或异步发电机。将转动的机械能转变为电能。

传感器和偏航系统：控制风机始终处于迎风面，利于风机不活动能。

电力调节和控制单元：调节和控制风机是发电机发出的电能质量符合利用标准，利于并网，由微机或可编程控制器（PLC）组成控制系统，来实现控制、自检和显示功能。

安全系统：独立于风机控制系统，是使得风机安全运行的保证。

风力发电机的各个部件相互配合协作，才能使风力发电机正常工作，产出我们所需要的清洁能源。

3.2风电场

风力发电厂是目前世界上风力发电并网运行方式的基本形式。在风能资源良好的地区，将几十台、几百台、或几千台单机容量从数十kw、数百kw直至MW级以上的风力发电机组按一定的阵列布局方式成群安装而组成的风力发电群体称为风力发电场。简称风电场。风电场属于大规模利用风能的方式，其发出的电能全部经变电设备送往大电网。

风电场的建设可以使得运行维护更加容易，而且电能传输效率更高，所以建设商业化的风电场更加有益。建设风电场的规划和开发包括初步确定场址；详细的技术经济分析；环境、社会和法律许可；微观选址和建设。要建成一个成功的并网风力发电厂，需要综合考虑各个方面的因素，这是一个长期复杂的工作。

3.3海上风电

海上风电也在迅速发展相对于陆上风力发电，海上风力发电优势更为明显: 发展空间几乎没有限制，可节约大量的土地资源; 海上的风能资源远比陆上丰富，风速更高，发电量将显著提升; 风切度小，可有效降低机组塔架高度，海上风电建设成本更低; 海平面摩擦力小，作用在机组上的荷载小，机组使用寿命可长达 50 年; 噪声、鸟类、景观以及电磁干扰等问题对海上风电影响小; 对生态环境基本无影响，绿色环保。

3. 风力发电的现状

由于风电技术的进步和发展，在人们心目中风电不稳定的劣质电源的观念已经打破。风电成本也在逐年下降，目前其基建成本已接近煤电，发电成本也逐渐接近煤电成本。而绿色风电具有常规能源发电方式所不可比拟的环保效益，为此，各国都制定了优惠政策发展风电。尤其是在美国和西欧的德国、丹麦、荷兰、英国、西班牙，装有百千瓦级和兆瓦级风电机组的大型风电场如雨后春笋般成长起来，大片成排成行的风电机 组“森林”非常壮观。至 1999年底，全世界风电装机容量达到 13455MW，且继续以每年约40%的速度增加。

中国的风力资源十分丰富，全国风能储量约4.83×10⁹MW可开发利用的风能资源总量达2.53亿kw。在中国风资源主要分布在新疆、内蒙古等北部地区和东部至南部沿海地带及岛屿。风能最佳区：①东南沿海、山东半岛、辽东半岛以及海上岛屿；②内蒙古、甘肃北部；③黑龙江南部、吉林东部风能较佳区：①西藏高原中北部；②三北北部；③东南沿海。风能可利用区：①两广沿海；②大小兴安岭山区；③东从辽河平原向西，过华北太平原经西北到最西端，左侧绕西藏高原边缘部分，右侧从华北向南面淮讨，长江到南岭。

结语：

矿物燃料燃烧时污染大气，它所排放的二氧 化碳越积越多，导致全球气候变暖，它的储藏量和供应量下降也势必终会枯竭。加上受到能源供应和环境保护的双重压力，人们开始认识风电，发展风电。作为绿色可再生的新能源的风电在当今绿色发展，在我国绿水青山，就是金山银山也早已近深入人心的大背景下风力发电作为可再生能源，绿色能源势必迎来更大的发展。

参考文献：

[1]（印度）马修（Mathew,s,）许锋飞译风能原理、风资源分析及风电场经济性[M]机械工业出版社2011.5

[2]刘琳.新能源[M]东北大学出版社2009.12