2009風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報(bào)告(1)
日期：2010-01-11
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［真空灌注制品產(chǎn)業(yè)網(wǎng)］章 風(fēng)力發(fā)電概念及基本特征
一、風(fēng)力發(fā)電概念風(fēng)電產(chǎn)業(yè) 風(fēng)電產(chǎn)業(yè) 風(fēng)電產(chǎn)業(yè) 真空灌注工藝 真空輔助 真空袋壓 真空注射 風(fēng)電葉片
風(fēng)能是地球表面大量空氣流動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)能。由于地面各處受太陽輻照后氣溫變化不同和空氣中水蒸氣的含量不同，因而引起各地氣壓的差異，在水平方向高壓空氣向低壓地區(qū)流動(dòng)，即形成風(fēng)。
風(fēng)能資源決定于風(fēng)能密度和可利用的風(fēng)能年累積小時(shí)數(shù)。
風(fēng)能密度是單位迎風(fēng)面積可獲得的風(fēng)的功率，與風(fēng)速的三次方和空氣密度成正比關(guān)系。風(fēng)能資源受地形的影響較大，風(fēng)能資源多集中在沿海和開闊大陸的收縮地帶，如美國的加利福尼亞州沿岸和北歐一些，的東南沿海、內(nèi)蒙古、新疆和甘肅一帶風(fēng)能資源也很豐富。
東南沿海及附近島嶼的風(fēng)能密度可達(dá)300W/m2以上，3-20米/秒的風(fēng)速年累計(jì)超過6000小時(shí)。內(nèi)陸風(fēng)能資源好的區(qū)域是沿內(nèi)蒙古至新疆一帶，風(fēng)能密度也在200-300W/m2，3-20米/秒風(fēng)速年累計(jì)5000-6000小時(shí)。
風(fēng)力發(fā)電是指利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組直接將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電方式。在風(fēng)能的各種利用形式中，風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能利用的主要形式，也是目前可再生能源中技術(shù)成熟、具有規(guī)模化開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一。
二、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
（一）風(fēng)力發(fā)電機(jī)
風(fēng)力發(fā)電機(jī)是集空氣動(dòng)力、電機(jī)制造、液壓傳動(dòng)和計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制為一體的綜合性技術(shù)。大致由以下幾個(gè)子系統(tǒng)組成：槳葉、增速齒輪箱、發(fā)電機(jī)、塔架控制設(shè)備、電纜、地面支撐設(shè)備、各子系統(tǒng)連接設(shè)備。
風(fēng)輪是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，它由氣動(dòng)性能優(yōu)異的葉片（目前商業(yè)機(jī)組一般為2―3個(gè)葉片）裝在輪轂上所組成，低速轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)輪通過傳動(dòng)系統(tǒng)由增速齒輪箱增速，將動(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)。上述這些部件都安裝在機(jī)艙平面上，整個(gè)機(jī)艙由高大的搭架舉起。由于風(fēng)向經(jīng)常變化，為了有效地利用風(fēng)能，必須要有迎風(fēng)裝置，它根據(jù)風(fēng)向傳感器測(cè)得的風(fēng)向信號(hào)，由控制器控制偏航電機(jī)，驅(qū)動(dòng)與塔架上大齒輪咬合的小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使機(jī)艙始終對(duì)風(fēng)。其中風(fēng)電機(jī)組的整體設(shè)計(jì)、葉片的材料和加工技術(shù)、自動(dòng)化控制系統(tǒng)、液壓和傳感技術(shù)是風(fēng)機(jī)制造的關(guān)鍵。
風(fēng)機(jī)是基本的風(fēng)能轉(zhuǎn)換設(shè)備，按主軸裝置形式大致可分兩大類：垂直軸風(fēng)力機(jī)（轉(zhuǎn)軸與來流方向垂直）、水平軸風(fēng)力機(jī)(轉(zhuǎn)軸與來流方向平行)。目前較常用的大型機(jī)組為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其主要有定槳距失速調(diào)節(jié)型和變槳距調(diào)節(jié)型兩大類。
二）風(fēng)電機(jī)組
風(fēng)電機(jī)組是風(fēng)電系統(tǒng)的主要的部分。機(jī)組占風(fēng)電場(chǎng)初始投資的比例非常大，一般為60%-70%。這也是強(qiáng)調(diào)盡快使得風(fēng)電機(jī)組國產(chǎn)化的原因。
在控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)方面廣泛用電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)不僅可以有效地改善并提高風(fēng)力發(fā)電總體設(shè)計(jì)能力和水平，而且對(duì)于增強(qiáng)風(fēng)電設(shè)備的保護(hù)功能和控制功能也有重大作用。目前，市場(chǎng)份額大的風(fēng)電機(jī)組主要分兩類，一類是定槳距失速調(diào)節(jié)型，另一類是變槳距調(diào)節(jié)型，上述兩類風(fēng)電機(jī)組都采用異步發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)速基本上是固定的。
1．定槳距失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)
定槳距是指葉片被固定安裝在輪轂上，其槳距角（葉片上某一點(diǎn)的弦線與轉(zhuǎn)子平面間的夾角）固定不變，失速型是指槳葉翼型本身所具有的失速特性（當(dāng)風(fēng)速高于額定值時(shí)，氣流的攻角增大到失速條件、使槳葉的表面產(chǎn)生渦流，效率降低，以達(dá)到限制轉(zhuǎn)速和輸出功率的目的）。
這種技術(shù)是丹麥風(fēng)電制造技術(shù)的核心，優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單可靠，控制系統(tǒng)可以大大簡(jiǎn)化，其缺點(diǎn)是葉片重量大（與變槳距風(fēng)機(jī)葉片比較），輪轂、塔架等部件受力增大。這種風(fēng)電機(jī)基本上都采用了鼠籠型轉(zhuǎn)子，有一部分機(jī)組為了提高低風(fēng)速時(shí)段的發(fā)電效率，采用了變極技術(shù)。
2．變槳距調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)
變槳距是指安裝在輪轂上的葉片可以借助控制技術(shù)改變其槳距角的大小。其調(diào)節(jié)方法分為三個(gè)階段：階段為開機(jī)階段，當(dāng)風(fēng)電機(jī)達(dá)到運(yùn)行條件時(shí)，計(jì)算機(jī)命令調(diào)節(jié)槳距角，直到風(fēng)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速并網(wǎng)發(fā)電；第二階段當(dāng)輸出功率小于額定功率時(shí)，槳距角保持在零位置不變；第三階段當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出功率達(dá)到額定后，調(diào)節(jié)系統(tǒng)即投入運(yùn)行，當(dāng)輸出功率變化時(shí)，及時(shí)調(diào)槳距角的大小，在風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，使發(fā)電機(jī)的輸出功率基本保持不變。
變槳距調(diào)節(jié)的主要優(yōu)點(diǎn)是：槳葉受力較小，槳葉可以做的比較輕巧。由于槳距角可以隨風(fēng)速的大小而進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，因而能夠盡可能多的捕獲風(fēng)能，多發(fā)電力，又可以在高風(fēng)速時(shí)段保持輸出功率平穩(wěn)，不致引起異步發(fā)電機(jī)的過載，還能在風(fēng)速超過切出風(fēng)速時(shí)通過順槳（葉片的幾何攻角趨于零升力的狀態(tài)）防止對(duì)風(fēng)力機(jī)的損壞，這是MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展方向。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，故障率相對(duì)較高。
風(fēng)的隨機(jī)性和間歇性特點(diǎn)使風(fēng)電機(jī)的出力變化很大，這樣機(jī)組的動(dòng)態(tài)負(fù)荷增加，對(duì)電網(wǎng)的沖擊增大。為此，可通過增大異步發(fā)電機(jī)允許滑差率的辦法加以解決。鼠籠型異步發(fā)電機(jī)允許的滑差率為S=-1%～-5%。而繞線式異步發(fā)電機(jī)允許的滑差率為S=-1%～-10%，滑差率的增大相當(dāng)于在定、轉(zhuǎn)子間增加了一個(gè)彈性環(huán)節(jié)，對(duì)于減少功率波動(dòng)，提高供電質(zhì)量是非常有利的。
以上兩種異步發(fā)電機(jī)，盡管帶一定滑差運(yùn)行，從切入風(fēng)速（3-4m/s）到切出風(fēng)速（25m/s），發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化大可達(dá)10%，如增速齒輪的變速比為60：1，則實(shí)際運(yùn)行中滑差S是很小的，因而葉片轉(zhuǎn)速變化范圍也是很小的，看上去風(fēng)機(jī)葉片似乎是在“恒速”旋轉(zhuǎn)，故通常又稱這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)為恒速風(fēng)電機(jī)。
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