风能发电机技术现状及发展展望

风能发电机技术现状及发展展望

向劲松

身份证号：522124199301122812

摘要：近年来，我国能源短缺问题日益严重，积极推动新能源开发的普及应用是一件非常重要的事情。风力发电具有环境污染低、风能资源丰富、发电成本低等优点。它受到了国家政府的高度重视，近年来得到了充分有效的发展。因此，对风力发电机组的结构组成和控制技术进行系统的阐述和分析，对未来风力发电的发展趋势进行科学的展望和预测，为风力发电技术的进一步发展提供了重要的理论指导。

关键词：风能发电；技术现状；发展展望

引言

风能作为一种清洁可再生资源，可以通过风力涡轮机转化为电力，供人们生产和日常使用，成为一种绿色环保的能源。为了实现国民经济的长期可持续发展，减少对传统化石燃料的依赖，有必要大力建设风力涡轮机，优化和创新风力发电技术，为社会经济的可持续发展做出更大贡献。

一、风能发电的重要意义

在这个时代，风能和太阳能发电逐渐被提上日程，在能源领域发挥着极其重要的作用。尽管风力发电的历史相对较短，但它已经显示出非常强劲的发展势头。风力发电可以减少农田占用面积，不需要燃料支持，具有环境污染低、应用范围广等优点。它是一种非常理想的可再生能源，在中国的发展前景非常广阔。

二、风能发电的技术现状

（一）风力发电机组的结构

目前应用最广泛的是横轴风机，它由叶轮、调速设备、偏航系统、传动装置、发电装置、塔架等几个部件组成。大型风机具体分为气动机械部件和电气部件。气动机械部分包括风力涡轮机、低速轴、高速轴、齿轮箱等部件。其功能是促进发电机转子旋转，将风能转化为机械能。电气部分由异步发电机、电力电子变频器、变压器和其他部件组成，其功能是将机械能转换为频率稳定的电能。风力涡轮机的结构组成如下：

1.塔架

风力发电机塔架主要有两种类型：一种是管状塔架，另一种是特拉斯塔架。一些小型风力涡轮机还可以使用拉线进行二次加固，以提高其抗弯矩性能。为了运输方便，中型大型塔架通常将钢管分成几个部分。从实用的角度来看，柱型塔架对风的阻力最小，尤其是对于顺风风力涡轮机。立柱式塔架产生的湍流比特拉斯式塔架小得多。特拉斯式塔架通常用于中小型风力发电机，具有成本低、运输方便的优点。然而，这种类型的塔架可能会对发电机叶片造成严重的湍流。

2.风轮

风力涡轮机，也称为叶轮，是风力涡轮机中最特殊的配置，通常由2-3个叶片组成，其功能是将风能转化为机械能。一些小型风力涡轮机的叶片是木制的，而中大型风力涡轮机的叶子是由高强度复合材料制成的。风力涡轮机的叶轮通常安装在轮毂上，所有扭矩负载都通过轮毂传递到传动系统，从而驱动风力涡轮机的转子旋转。轮毂是连接叶片和低速轴的重要装置，需要承受较大且不断变化的压力载荷。为了增强轮毂的刚性，一些中小型风力涡轮机使用刚性连接，而兆瓦级风力涡轮机通常使用翘板连接。

3.传动系统

风力涡轮机的传动系统通常包括低速轴、高速轴、齿轮箱、联轴器、制动器和其他部件，使其成为风力涡轮机结构中最复杂的部分。叶轮产生的机械能通过传动系统传递给发电机。齿轮箱可以有效地调节叶轮转速，提高发电质量，从20-50r/min提高到1000-15000r/min，这是驱动发电机运行所需的转速。由于叶轮产生的机械能不够稳定，因此需要使用缓冲驱动来调节动负载，使风机产生的电能更加稳定。

4.发电机

发电机是风力发电装置的核心，利用电磁感应原理将机械能转化为电能。目前主要有两种类型的风力涡轮机系统：一种是定速变频发电机，配备同步发电机和鼠笼式感应发电机；另一种类型是变速恒频发电机，它可以在较宽的风速范围内保持几乎恒定的最佳叶尖速比，大大提高风力涡轮机的运行效率，并获得更大的能量。同时，变速恒频发电机可以获得更好的变速运行效果，是一种理想的发电装置，已在风力发电机组中广泛推广应用。

5.变桨系统

变桨系统包括多个变桨电机和控制柜。变桨电机可以控制发电机叶片的变桨和浆液收集动作，每个控制柜都有一个PLC控制器和变桨驱动器。在实际工作中，PLC控制器可以根据风速和风向发出有针对性的变桨命令，从而驱动变桨电机并控制叶片的变桨动作。控制柜中的PLC控制器是串联的，控制柜中还有一个安全PLC连接到发电机的主控制系统。如果某个PLC发出的命令出现错误，安全PLC控制器可以发出停机命令，使每个叶片都能执行浆液收集动作，避免了风机故障和损坏的问题。

（二）风力发电机组的控制技术

1.风力发电机组运行原理

风力涡轮机利用风力驱动叶轮旋转，将风能转化为机械能。在传动系统的帮助下，机械能被传递到发电机组，将机械能转换为电能。根据目前的技术，每秒三米的风速足以驱动发电。

大型风力涡轮机通常使用安装在塔架顶部的三叶片风力涡轮机。大型风力涡轮机的转速通常相对较慢，一些低级别的风力涡轮机使用定速发电。风力较小时，采用低速旋转发电；当风力较大时，使用高速旋转发电，这种定速风力涡轮机产生的电能与外部电网的交流频率一致。目前流行的模式是变速发电，例如速度范围在14r/min至31.4r/min之间的V52-850风机。变速发电模式可以有效提高风能利用效率，产生更多的电力，特别是在风电功率较低的情况下，可以有效降低风机的运行噪音。

2.风力发电机控制技术

控制系统是风力发电机组的重要组成部分，对风力发电机的正常运行有着不可忽视的影响。

风力涡轮机通常安装风向传感装置来调整叶片的方向和形状，从而使风能更好地驱动叶轮旋转。由于风电规模的不可控性和不断变化，变速发电机的输出功率不可避免地会发生相应的变化。在强风条件下，风力涡轮机有两种限制功率输出的方法，一种是失速调节，另一种是角度调节。对于前者，当风力超过一定极限时，失速调节风电机可以通过叶片的气流产生湍流，从而达到风轮失速的效果。如果风力太大，叶片的尾部装置就会启动，风轮就会减速。配备有角度调节的风力涡轮机，每个叶片可以纵向旋转，叶片角度随着不同风速的变化而变化，从而改变叶片的动态性能。如果风力太大，叶片会旋转到面对来风的边缘，从而达到叶片减速的效果。

三、风力发电装置的发展趋势分析

（一）向着精细化的方向发展

如今，全球风力发电技术日趋成熟，装机数量也大幅增加。如何改变风机体积大、体积大的现状，推动风机向精细化、高端化发展，是摆在设计师面前的重要任务。例如，采用先进的转向控制技术，使风机转向更加灵敏，准确捕捉风电趋势，更好地利用风能；设计更智能的能源管理和控制技术，有效补偿风能的不稳定性，使风力涡轮机产生的电力与外部电网保持一致，更好地满足公众的用电需求；创新设计风电发电装置并网运行控制技术，结合储能装置、停电保护装置和分布式供电结构，提高风机并网运行效率，有效减少电流扰动，更好地解决国家能源短缺问题。

（二）向着材料轻盈化的方向发展

近年来，尽管风电机组技术取得了充分有效的发展，但不可否认的是，我国风电发电技术仍处于早期阶段，仍存在一些缺陷和不足。例如，风力涡轮机体积相对较大，可达500吨左右。如此庞大的设备不仅消耗了巨大的资源，也给施工带来了极大的不便。特别是安装在偏远山区的风力涡轮机，建造难度可想而知，因此设计师们正在寻找方法，使风力涡轮机向轻量化方向发展。

总结

风力发电是中国能源结构的重要组成部分，在缓解电力短缺问题方面发挥着重要作用。从技术角度来看，风力涡轮机主要由塔架、风力涡轮机、传动系统、发电机、变桨控制系统和其他部件组成。采用PLC控制和电能控制系统，有效调节叶片方向和发电，从而提高电能输出质量。在未来的发展过程中，中国的风力发电技术将逐步向精细化、轻量化、大容量发展，为国家的建设和发展提供更多的电力支持。

参考文献

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[2]张新房,徐大平,吕跃刚,等.风力发电技术的发展及若干问题[J].现代电力, 2003, 20(5):6.DOI:10.3969/j.issn.1007-2322.2003.05.007.