风力发电技术解析

高　空　风　力　发　电　技　术　

李泉洞　滕凯芝　

１北京奇想创新科技中心　北京　１００００７　２北京起重运输机械设计研究院　北京１００００７　

摘要：现有风力发电设备存在高度低，风能利用有限，尺寸庞大，制造、安装困难，风动机转速低，难　以实现对发电机直接驱动的问题。在１　０００　ｍ以上的高空，风功率密度可高达１０　ｋＷ／ｍ　以上。利用高空风力资　源将成为风电技术领域的迫切任务，是满足人类对清洁再生能源需求的重要途径。　关键词：高空风力发电；自升塔架；气球悬挂；系留绳；导流　

中图分类号：ＴＫ８３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—０７８５（２０１１）０２—００４５—０３　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｗｉｎｄ—ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｅｘｉｓｔｓ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｌｉｍｉｔｅｄ　ｗｉｎｄ　ｅｎｅｒｇｙ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｒａｔｅ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｌｏｗｅｒ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ　ｈｅｉｇｈｔ，ｄｉｆｉｃｕｌｔ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ’Ｓ　ｅｎｏｉｉｎｏｕｓ　ｄｉｍｅｎ—　ｓｉｏｎ，ｌｏｗ　ｗｉｎｄ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｒｏｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｉｆｉｃｕｌｔｙ　ｉｎ　ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｄｉｒｅｃｔ　ｄｒｉｖｅ．Ｔｈｅ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｃａｎ　ｂｅ　ｏｖｃｒ　１０　ｋＷ／ｍ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｉｒ　ａｔ　ｔｈｅ　ｈｅｉｇｈｔ　ｏｆ　ｏｖｅｒ　１　ｏｏｏ　ｍ．ｓｏ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ａｉｒ　ｗｉｎｄ—ｐｏｗｅｒ　ｒｅｓｏｕｒｃｅ　ｉｓ　ａ　ｕｒｇｅｎｔ　ｔａｓｋ　ｆｏｒ　ｗｉｎｄ—　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ａｎｄ　ｉｓ　ａ　ｃｒｕｃｉａｌ　ｗａｙ　ｔｏ　ｍｅｅｔ　ｐｅｏｐｌｅ　ｄｅｍａｎｄ　ｏｎ　ｒｅｎｅｗａｂｌｅ　ｅｎｅｒｇｙ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ　ａｉｒ　ｗｉｎｄ—ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；ｓｅｌｆ－ｌｉｆｔｉｎｇ　ｔｏｗｅｒ；ｂａｌｌｏｏｎ　ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ；ｍｏｏｒｉｎｇ　ｒｏｐｅ；ａｉｒ　ｆｌｏｗ　ｇｕｉｄｉｎｇ　

风力发电技术常识

转子空气动力学

为了解风在风电机的转子叶片上的移动方式，我们将红色带子绑缚在模型风电机的转子叶片末端。黄色带子距离轴的长度是叶片长度的四分之一。我们任由带子在空气中自由浮动。本页的两个图片，其中一个是风电机的侧视图，另一个使风电机的正视图。

大部分风电机具有恒定转速，转子叶片末的转速为64米/秒，在轴心部分转速为零。距轴心四分之一叶片长度处的转速为16米/秒。图中的黄色带子比红色带子，被吹得更加指向风电机的背部。这是显而易见的，因为叶片末端的转速是撞击风电机前部的风速的八倍。

为什么转子叶片呈螺旋状？

大 型风电机的转子叶片通常呈螺旋状。从转子叶片看过去，并向叶片的根部移动，直至到转子中心，你会发现风从很陡的角度进入（比地面的通常风向陡得多）。如果 叶片从特别陡的角度受到撞击，转子叶片将停止运转。因此，转子叶片需要被设计成螺旋状，以保证叶片后面的刀口，沿地面上的风向被推离。

风电机结构

机舱：机舱包容着风电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。维护人员可以通过风电机塔进入机舱。机舱左端是风电机转子，即转子叶片及轴。

转子叶片：捉获风，并将风力传送到转子轴心。现代600千瓦风电机上，每个转子叶片的测量长度大约为20米，而且被设计得很象飞机的机翼。

轴心：转子轴心附着在风电机的低速轴上。

低速轴：风电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。在现代600千瓦风电机上，转子转速相当慢，大约为19至30转每分钟。轴中有用于液压系统的导管，来激发空气动力闸的运行。

齿轮箱：齿轮箱左边是低速轴，它可以将高速轴的转速提高至低速轴的50倍。

高速轴及其机械闸：高速轴以1500转每分钟运转，并驱动发电机。它装备有紧急机械闸，用于空气动力闸失效时，或风电机被维修时。

发电机：通常被称为感应电机或异步发电机。在现代风电机上，最大电力输出通常为500至1500千瓦。

偏航装置：借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。图中显示了风电机偏航。通常，在风改变其方向时，风电机一次只会偏转几度。

科撬卷论　风力发电系统的几种常见技术分析　贺成　江西大唐国际新能源有限公司　３３００３８　Ｉ摘要】在我国，随着建设社会主义资源节约型和环境友好型社会　进程的加快，能源结构也在不断的调整，逐渐由原先的利用煤炭、石油、天　然气等不可再生能源向积极开发利用太阳能、地热能，风能、水能等可再生　的新型资源转变。在世界范围内，近年来，凤能发电系统的技术发展尤为突　出，本文便对风能发电系统几种常见技术展开了较为全面的探讨。　【关键词】风能发电；技术分析；优势；问题；策略　引言　我国人口众多，地大物博，同时也是能源大国，并且在能源的利用　中存在严重的浪费及污染现象。为了实现可持续发展，努力把我国建设　成资源节约型和环境友好型社会，近年来，我国开始着力调整能源结　构，摒弃原有的主要利用煤炭、石油、天然气等不可再生的自然资源的　模式，逐渐开发并利用风能　水能、地热能、太阳能等新型可再生资源，　并且在上述几种新型能源的利用取得了较大的成就。目前，就全世界范　围来看，风能发电技术的发展尤为迅速，部分发达国家风力发电的发展　速度甚至超过了６０％。本文便就风力发电系统的几种常见的技术进行了　分析和阐述。　一，风能发电技术的发展　（一）风能的概述　风能即为由空气运动产生的能量。我国地域广阔，可供利用的风能　资源丰富，可开发的装机容量到达了２．５３１＂Ｌ千瓦之多，我国的风能资源　以沿海地区、新疆和内蒙古地区所占比例居多。风能发电具有节约资　源、环保无污染、安全可靠、运行灵活、成本较小、占地面积小、技术多　样等显著优势，但其也存在频率难控制，对电网冲击力度大、波形不标　准、设备体积大而运输困难等不足。　（二）风力发电的发展历史　人类对风能的最原始的应用就是帆。而世界上第一台风力发电机　是十九世纪由丹麦人发明的Ｉ　１９３０年，小容量的风力发电机技术已经达　到初步成熟阶段；在今后的时间里，欧美部分国家开始研发大中型发电　机，并且相应的技术不断成熟，直至今日，世界范围内风力发电技术的　增长速度已经超过了３０％，风力发电系统的技术也越来越多样化。　（三）风力发电机的核心构造　风力发电机中的核心部分有控制器、风力机和发电机等，它们对　于风力发电机在运行中将凤能转化为电能这一过程来说发挥着至关重　要的作用。此外，风力机组的功率、速度变化等要素也关系到设备的运　行。将风能转化成电能是风能机的主要功能，风能机结构复杂，其主要　组成部分有聚风系统塔架、等基础设备。　二．几种常见的风力发电系统及其技术特性　以风力机转速作为分类标准，可以将风力发电机组分为恒速运行　风力机和变速运行风力机，以下便对风力发电机组及其控制技术进行　分析。　（一）恒速风力机和感应发电机构成的风力发电机组　此种风力发电机组的组成部分包括风力机、感应发电机、齿轮箱、　电容组、软起动装置、变压器等，在我国现发展阶段的应用最为广泛。　在风能发电机正常运行的情况下，风力机的运行速度保持恒定，发电机　的极数及齿轮箱决定了其转速的大小。双速发电机可以使风力机以两　种不同的速度运行，从而有效提高发电机的输出功率；电容器组能够为　发电机提供充足的无功补偿；软起动装置使得风力发电机在切入和切出　的运行过程中不产生太大的冲击电流。通常运用定桨距控制技术来控　制发电机的功率。此机组具备结构简单、便于控制、维护方便、造价低　等优势。但是其也存在一定的局限性，例如，在风速极为不稳定时容易　增大机械负载量，引发齿轮箱的故障问题，输出功率不稳定性大；由于　叶片特殊的钢连接结构，其对叶片的要求较高等。　（二）变速恒频双馈式风力发电　双馈式发电技术是指风力机变速运行，这种风力发电机组的结构　包括风力机、齿轮箱、变频器、直流侧电容器、感应机等部分。双馈机　的转子由两个变频器与电网相连，：￣－Ｙ－与电网的连接方式是直接的，此　时，机组运行的速度变化范围较大，能够实现机组与电网的能量传输，　这种双向传输的方式也大大提高了电力运输的效率。直流侧电容器能　够使得直流侧电压值保持在稳定值。变速风力机控制功率的方式不同　于恒速风力机，其利用的是变桨距控制技术，桨距角随风速发生相应　的改变，保证了风力机能够在足够大的范围内以最佳参数运转，从而有　效地提高了风能利用率。与传统的恒速风力机相比，双馈式风力发电机　具有更加显著的优势，例如，安全系数高，无需无功补偿，能够自动利用　最大风能，风能利用率大，变频器损耗小等，其局限性在于造价较高、　控制技术较为复杂，但是由于其突破性优势显著高于局限性，从而在世　界范围内获得了广泛的应用。　（三）变速风力机和同步发电机构成的风力机组　此种机组也是以变速方式运行，其结构包括同步发电机、全功率变　频器、齿轮箱、直流侧电容器等部分。此风力机系统输出功率的方式和　双馈式风力发电机存在很大的差异，其是通过两个全功率变频器与电网　连接的方式来进行功率输出，实现了与电网的全面隔绝，从而使机组得　以顺利的以不同的频率高效运行。此机组采用变桨距控制技术，提高了　凤能利用率，无需无功补偿支持，采用轻型直流输电技术，便于向偏远　地区输送电力。但是由于全功率变频器造价高、投入成本高、损耗大且　技术要求高，所以还未能得到广泛应用。但是在今后的发展中，变速风　力机和同步发电机组必将成为最新的趋势。　三．垂直式风力发电机和水平式风力发电机相关技术分析　．以风轮轴的安装方式作为划分标准，可以将风力发电机分为垂直　式风力发电机和水平式风力发电机。　（一）垂直式风力发电机　以竖直方式安装风轮轴的风力发电机称为垂直式风力发电机。垂　直式风力发电机的能量驱动链位于垂直的位置之上，并且分为两种不　同的类型：第一种类型的组成部分是两个半圆柱形，并且其轴线互相错　开，能够以较大的转矩进行起动，典型的代表是Ｓ型风轮，第二种通常　有Ｈ型、菱形、Ｙ型、中型等类型。　（二）水平式风力发电机　水平式风力发电机的风轮轴是水平安装的，这项技术是目前最成　熟、应用最为广泛的技术，水平轴风力机的主要结构是塔身、塔身上部　的翼舱。发电机、转子和变速箱等部分安装在翼舱之内。其风轮（一般　呈翼形）通常具有二至三片叶片，具有较大的起动力矩，能够高效的利　用风能。在水平式风力发电机上端安装相应的调向装置，还可以有效地　增大风力机扫风面积。　结语　综上所述，为了更好的贯彻落实可持续发展战略，我国对新能源的　利用越来越重视。而且在现阶段，世界各地纷纷开发利用新能源，并取　得了瞩目的成就。其中，风力发电技术的发展越来越成熟，各种技术不　断涌现，在克服传统技术局限性的基础上使得风能利用效率得到了有　效地提高。但是各类技术在具备优势的同时也存在一定缺陷，这就需要　相关研究机构加大技术投入，不断完善和改进风力发电系统的相应技　术，从根本上解决其发现过程中的局限性。　参考文献　［１】张鹏．风力发电系统中优化输出技术的方法分析【Ｊ】．大科　技，２Ｏ１２，（１　９）：６６－－６７．　【２】宋立新，刘琳．风力发电系统技术的发展探究【Ｊ】．中国化工贸　易，２０１２，４（７）：１　５０．　【５】秦晓亮．关于对风力发电技术的研究与探讨［Ｊ］．时代报告：学术　版，２０１２，（１２）：１　０８．　【４】程启明，程尹曼，王映斐等．风力发电系统技术的发展综述［Ｊ］．自　动化仪表，２０１２，５５（１）：１—８．

风力发电技术解析

风力发电是一种利用风能转化为电能的可再生能源技术。近年来，随着对环境保护和可持续发展的重视，风力发电技术得到了迅速发展和广泛应用。本文将对风力发电的原理、发展现状以及未来趋势进行解析。

一、风力发电的原理

风力发电的原理是利用风的动能驱动风机叶片旋转，通过传动系统将旋转运动转化为发电机的旋转，进而产生电能。核心设备是风机和发电机。风机叶片受到风的冲击力而旋转，通过轴传动装置将动能传递给发电机，发电机则将机械能转化为电能。

二、风力发电的发展现状

1. 技术进步

随着科技的进步，风力发电技术也在不断演进。现代化的风力发电机拥有更高的效率和更快的启动速度，相比过去的传统风力发电机，更适合在不同的环境条件下进行使用。并且，新型材料的应用使得风机叶片更加轻巧、坚固，提高了发电效率。

2. 发展速度

全球风力发电装机容量呈现出迅猛增长的态势。截至2020年，全球风力发电装机容量已超过650GW，占到可再生能源总装机容量的一半以上。 3. 国家政策支持

各国纷纷出台政策措施，鼓励和支持风力发电技术的发展。例如，中国通过实施国家风电上网电价补贴政策，促进了中国风电产业的快速增长。同时，德国、美国等国也采取了相应的政策措施，推动风力发电产业的发展。

三、风力发电技术的优势

1. 环保

风力发电不会产生二氧化碳等温室气体和污染物，相比传统的化石能源，具有较低的碳排放量，对于减少空气污染和缓解全球气候变化具有重要意义。

2. 可再生

风力是一种永不枯竭的可再生资源，通过科学规划和合理利用，风力发电可以持续供应清洁能源。

3. 建设成本低

相比传统的火力发电和核能发电厂，风力发电厂的建设成本较低。尤其是在风力资源较好的地区，投资回报周期短，经济效益显著。

四、风力发电技术面临的挑战与未来发展趋势

1. 风电资源的限制 风力发电的利用程度受到地理条件和自然资源的限制，只有在风力资源较好的地区才能较为有效地进行发电。因此，未来需要加大对风力资源评估和规划的研究，寻找新的适宜的风电场建设地点。