提高风力发电效率方法

提咼风力发电效率方法风能的概念与现状，介绍了风能利用的困难，并据此提出了提高风能利用效 率的方法，并对未来风能的前景做出了预测与分析，结果表明：风能近几年发展 很快，未来可能成为电能的主要来源之一世界能源消耗量的持续增加，使全球范围内的能源危机愈发明显，开发可再 生能源以缓解能源危机、实现能源的可持续发展已成为世界各国能源发展的重大 举措风能因在世界范围内的蕴藏量巨大、可再生、分布广、无污染的特性，使 风力发电成为世界能源发展的重要方向近几年来，世界风力发电装机容量平均 每年大约以 30%的速度增长中国作为世界化石能源消费的主要国，在面临化 石燃料发电所带来的严重环境污染危机下，风能作为一种新型能源，但风能的利 用效率过低，成为制约其发展的瓶颈 1因此提高风能的利用效率十分重要1. 风力发电风力发电依靠风力机将风能转换为电能图 1 为一台水平风力发电机的结构 示意图图中，风力机的风轮由三个用玻璃钢或尼龙等制成的叶片构成风力吹 动风轮旋转，并通过变速齿轮箱将风力机轴上的低速旋转(约为18~33r/rain) 转变为发电机所需的高转速(800r/rain或1500r/min)，传给发电机轴使之旋 转发电。

几厩悴色中或冷烬 毘电机图 1 水平轴三叶片风力发电机结构简图当风力发电机的风轮正对风向时，风轮得到的风能最大为了保证风轮随时 都迎着风向，在风力发电机中设有偏航系统当装在机舱顶部的风向标测得风轮 不正对风向时，会发出 舱和 风轮绕塔架的垂直轴转动，以达到对准风向的目的风轮转速和发电机的 输出功率是随风速增大而提高的风速太大会使风轮转速过快和发电机超负荷运 行，这些均会使风力发电机发生运行事故为了保证风力发电机的安全运行，风 力发电机中都设有限速安全装置以调节风力发电机风轮的转速，使之在一定风速 范围内保持基本不变，以便风力发电机能在不同风况下稳定运行风轮转速调节 方法主要有两类，一类是风轮叶片桨距固定型，另一类是风轮叶片桨距变动型 固定桨距型的调速方法为，当风速增大时，通过各种机构使风轮绕垂直轴回转， 以偏离风向，减少迎风面和受到的风力以达到调速的目的变桨距型的调速方法 为，当风速变化时，通过一套桨叶角度调整装置转动桨叶，改变叶片与风力的作 用角度，使风轮承受的风力发生变化，以此来达到调速的目的这两种调速方法中，前者结构相对较为简单，但机组结构受力较大，后者增 加了桨叶角度调整装置，增加了造价但可使机组在高于额定风速情况下仍保持稳 定的功率输出，提高发电量。

因此中、小型风力发电机组较少采用变桨距调速方 法，而大型风力发电机组大多采用变桨距调速方法除限速装置外，风力发电机还装有制动器当风速太高时，制动器可以使风 轮停转，以保证风力发电机在特大风速时的安全2. 风力发电中提高效率的方法(1) 优化风力发电机的结构和位置水平轴风力发电机设计理论表明，在一定的风力机转速与风速的比值下，风 力发电机的风轮对风能 用的转速不变的恒转速风力发电机而言，在风速变化时就无法保持最佳的风力机 转速与风速的比值，因而其风能转换效率就不能经常保持在最佳值但恒转速风 力发电机可以输出恒定频率的交流电，便于与电网连接随后研制的变转速风力 发电机可以在不同风速下均保持最佳的转速与风速的比值，因而风能转换效率 高，一般比恒转速风力发电机可增加约 10%的发电量但其输出电流的频率不 稳定，必须通过增设的变频装置才能实现输出恒频的交流电以便与电网连接现 在单机功率超过 1MW 的大型风力发电机组大多采用变转速运行方式风力发电机组中的塔架将风轮和机舱置于空中以获得更多的风能塔架有两 种主要结构，一种为由钢板制成的锥形筒状塔架，另一种为由角钢制成的桁架式 塔架，两者均设有梯子和安全索以便于维修人员进入机舱。

大中型风力发电机组 均配有由微机和控制软件组成的控制系统，可以对机组的启动、停机、调速、故 障保护进行自动控制，可以对机组的运行参数和工作状况自动显示和纪录，以确 保机组的安全经济运行风力发电机组根据其运行方式可分为离网型风力发电系 统和并网型风力发电系统前者独立运行，主要用于边远农村、牧区、海岛等远 离电网的地区，机组功率较小（一般为 5kw 以下）在这种系统中，风力交流发 电机输出的交流电经整流器整流后输入蓄电池蓄能，再供直流负荷使用如用户 需要交流电，则应在蓄电池与 器后再输给用户在无风期间，可由蓄电池供电风力发电机组也可和柴油发电 机组或太阳光发电系统组成一个互补型的联合发电系统在风力发电机不能输出 足够电力时，另一个系统可提供备用的电力风力发电机采用并网运行方式指的 是将风力发电机组与电网连接并将输出的电力并入电网对于恒速恒频的常用风 力发电机组已普遍采用对于变速风力发电机组则需增设变频装置等使输出电流 达到恒频后再并网运行2）智能控制系统可大大提高风能利用率美国雪城大学L.C.史密斯工程和计算机学院部分研究人员正在进行这方面的 研究工作目前，他们正在测试自己开发的主动式风流动智能控制系统。

该系统 的基本出发点是根据表面测量而估算流过叶片表面风的状况，然后将此信息传递 给智能控制器，以便对叶片采取实时调整控制气流和提高风力发电机系统的整体 效率此举还有可能降低因流动分离而产生的过度噪音和叶片振动参与研究的人员包括王冠南（英译）、巴斯曼·哈迪迪和马克·格劳泽尔，他们完成的初期仿真结果显示，对叶片1/2半径以外的外侧板施以气流控制，能在风力发电机额定功率输出相同的情况下，显著地增大风 力发电机整体工作范围;或者说，在相同的工作范围，可适当地提高风力发电机 的额定输出功率研究人员认为，在采用气流控制后，风力发电机的工作范围可以有效地提高 80%，额定功率输出不变;或者将额定输出功率增加 20%，工作范围保持不变 他们表示，最佳的气流控制部位为叶片外侧板超出半径一半的位置借助雪城大学新落成的无回声风洞设施，研究人员同时还在分析和了解特定 的叶片形状，以决定在气流 不同形状的叶片在受到适当气流控制时，其所具有的升力和阻力特性此外，研 究人员还将利用无回声风洞来评估和测量气流控制对风力发电机噪声频谱的影 响美国能源部支持的明尼苏达大学风能联盟专门从事与风能相关的研究，雪城 大学的主动风流动智能控制系统研究属于联盟整体工作的组成部分。

身为机械和 航空工程教授的格劳泽尔表示，很高兴能参与明尼苏达大学牵头的具有世界水平 的风能研究联盟，这是将在气流智能控制系统方面的专业知识用于可再生能源领 域的极好机会3) 风机正确使用润滑油风机有几个主要的润滑部位，包括主变速箱、变桨和偏航变速箱，制动液压 控制和变浆控制，变桨、偏航和主轴承以及发电机轴承等，在这些润滑部位当中， 最最关键的要属主变速箱带动发电机运转的主变速箱可以说是齿轮传动型风机的心脏由于对整个系 统的正常运作至关重要，主变速箱的设计和制造通常都非常先进，也因此往往造 价不菲;而一旦发生故障，更换主变速箱要付出更高昂的代价举例来说，如果要为一个功率为 1.5 兆瓦涡轮机更换主变速箱，把购买新变 速箱的费用、起重设备租用、停工造成的收入损失以及人工费等各项成本都合算 进去，总花费将超过 25 万美元一般来说，变速箱原厂灌装的都是设计使用寿命为三年左右的合成润滑油但现在大多数变速箱的标准保修期 味着当变速箱的保修期结束后风机维护人员将担负起选择替换润滑油(通常称为 二次注油或服务注油)的责任考虑到风机变速箱维护中可能遇到的困难以及费用问题，美孚建议设备维护 人员采用性能均衡的变速箱润滑油，这种润滑油可以在长时间为变速箱提供很好 保护的同时保证变速箱拥有极佳的生产效率。

3. 未来风能发展前景(1) 世界卫生组织对未来风能的发展进行了动态预测分析由于风能的低风 险特点及设计界各国对清洁可靠能源的需求，风能行业仍将会吸引更多的投资商 投资越来越多的政府制定优惠政策，鼓励自主发电厂、中小型企业和社会基层 企业开展多种形式的分散式投资，这些都将成为未来可持续能源利用的主力军 通过仔细估算并考虑到不稳定因素，预计到 2020 年，全球风力发电机装机容量 至少可达到1500GW，风力发电有可能达到全球电能消耗的12%2) 最近能源观测组织发表的研究文献表明：到 2025 年，风力发电装机容量 甚至可能达到7500GW，全球装机产能可达16400TWH,所有可再生能源发电 量的总和将超过全球电能供给的 50%按照这一结果，到 2019 年，风能和太 阳能有可能达到全球新建发电厂市场份额的 50%2018 年非再生能源发电将是 顶点，到 2037 年可能完全被淘汰。