风力发电原理及现状
摘要: 能源短缺和地球生态环境污染已经成为人类面临的最大问题。节能减排，寻找可再生的清洁能源，已经是能源发展的必然趋势。风能，作为21世纪可再生的清洁的新能源，已被人们广泛地关注。随着电力技术的不断进步及风能产业的不断发展，风能将给人们带来无尽的财富。本文介绍了风力发电的原理，风能的利用形式，以及国内外风能发展情况。
关键词：能源；风力发电；原理；优缺点；现状；
Abstract: Nowadays, we are facing a major problem on the shortage of energy and the pollution of the earth's
ecological environment. It is an inevitable trend to save energy and reduce emission. We are eager to look for some
new energy. And wind energy, as a renewable clean energy in twenty-first Century, has been widely concerned by
people. With the development of wind energy industry, it will give us endless fortune. This essay focuses on the
principle of wind energy, the use of wind energy, and the current situation of wind energy internal and enternal.
Keywords: power; wind energy; principle; advantages; present situation
1. 引言(Introduction)
世界上越来越多的国家认识到，一个能够持续发展的社会应该是一个既能满足社会的需要，而又不危及子孙后代前途的社会。因此节约能源(Save Energy)，提高能源利用效率(Energy Using Efficiency)，尽可能多地利用洁净能源(Green Energy)替代高含碳量的矿物燃料，应是各国能源建设遵循的原则。近年来，人们已经逐渐认识到风力发电(Wind Power
Generation)在减轻环境污染、调整电网中的能源结构、解决偏远地区居民用电问题等方面的突出作用，无论从调整电网结构，还是从商业化方面都促使人们开始重视发展风力发电。
国际上利用风力发电是上个世纪发展壮大起来的。从八十年代中期到九十年代中期，世界风力发电技术取得了突飞猛进的发展，九十年代以来，世界风力发电容量以平均每年30%的速度增长，已成为世界能源中增长最快的一种，并且风力机的设计、制造技术趋向成熟，产品进入商品化阶段，功率等级从几十kW跃升至600kW，并有兆瓦级风力发电机问世，发电成本竞争力越来越强，同时，风电场建设和管理的水平以及规模也上升到崭新的阶段。近十几年来风力发电机产品质量有了显著提高，作为一种新的、安全可靠的、干净的能源而受到国际上风资源丰富国家的关注与大规模开发。图1示出了上世纪九十年代初期到本世纪初的世界风力发电的增长趋势。
图1 风力发电装机容量的快速增长
Fig.1 Fast increase of wind power generation
1. 世界风力发电的发展状况(Global status of wind power generation)
随着风力发电在技术上日益成熟，已初步具有同燃油、燃煤、核能等发电技术相竞争的技术经济性。风力机的单机容量也越来越大，世界上最大的“超级风力发电机”（Super wind turbine）单机功率为7.3MW，风车直径达到112米。目前国际商品化的大型风力机功率也已经达到两兆瓦以上，我国目前运行的最大风力发电机为4台Nordex公司生产的1.3MW风力发电机，位于辽宁营口仙人岛风力发电厂。
中国风力发电的发展与前景
技术概述
风力发电是把风能转变为电能的技术。通过风力发电机实现，[1]利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。[1]
技术原理
风力发电的基本原理是风的动能通过风轮机转换成机械能，[1]再带动发电机发电转换成电能。目前主导的风力发电机组一般为水平轴式风力发电机，它由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件所组成。风轮的作用是将风能转换为机械能，它由气动性能优异的叶片装在轮毂上所组成，低速转动的风轮由增速齿轮箱增速后，将动力传递给发电机。上述这些部件都布置在机舱里，整个机舱由塔架支起。为了有效地利用风能，偏航装置根据风向传感器测得的风向信号，由控制器控制偏航电机，驱动与塔架上大齿轮咬合的小齿轮转动，使机舱始终对向风。由于齿轮箱是在目前MW级风力发电机组 中过载和过早损坏率较高的部件，国外开始研制一种直接驱动型的风力发电机组（亦称：无齿轮风力发电机），这种机组采用多级异步电 机与叶轮直接连接进行驱动的方式，免去齿轮为了跟踪最佳叶片尖速比，使风电机组在 较大的风速范围内获得最佳功率输出，须对转 速或功率进行调节。常用的调节方式有两种：一种是失速调节，另一种是变桨距调节一即叶片可以绕叶片上的轴转动，改变叶片气动数据，实现功率调节。
风力发电技术
风力发电机一般有风轮、发电机（包括装置）、调向器（尾翼）、塔架、限速安全机构和储能装置等构件组成。风力发电机的工作原理比较简单，风轮在风力的作用下旋转，它把风的动能转变为风轮轴的机械能。发电机在风轮轴的带动下旋转发电。 风轮是集风装置，它的作用是把流动空气具有的动能转变为风轮旋转的机械能。一般风力发电机的风轮由2个或3个叶片构成。在风力发电机中，已采用的发电机有3种，即直流发电机、同步交流发电机和异步交流发电机。 风力发电机中调向器的功能是使风力发电机的风轮随时都迎着风向，从而能最大限度地获取风能。一般风力发电机几乎全部是利用尾翼来控制风轮的迎风方向的。尾翼的材料通常采用镀锌薄钢板。 限速安全机构是用来保证风力发电机运行安全的。限速安全机构的设置可以使风力发电机风轮的转速在一定的风速范围内保持基本不变。 塔架是风力发电机的支撑机构，稍大的风力发电机塔架一般采用由角钢或圆钢组成的桁架结构。风力机的输出功率与风速的大小有关。（由于自然界的风速是极不稳定的，风力发电机的输出功率也极不稳定。风力发电机发出的电能一般是不能直接用在电器上的，先要储存起来。目前风力发电机用的蓄电池多为铅酸蓄电池。）
风力发电机
在风力发电中，当风力发电机与电网并联运行时，要求风电频率和电网频率保持一致，即风电频率保持恒定，因此风力发电系统分为恒速恒频发电机系统(CSCF 系统)和变速恒频发电机系统(VSCF 系统)。恒速恒频发电机系统是指在风力发电过程中保持发电机的转速不变从而得到和电网频率一致的恒频电能。恒速恒频系统一般来说比较简单，所采用的发电机主要是同步发电机和鼠笼式感应发电机，前者运行于由电机极数和频率所决定的同步转速，后者则以稍高于同步转速的速度运行。变速恒频发电机系统是指在风力发电过程中发电机的转速可以随风速变化，而通过其他的控制方式来得到和电网频率一致的恒频电能。
1 恒速恒频发电系统
目前，单机容量为600～750kW 的风电机组多采用恒速运行方式，这种机组控制简单，可靠性好，大多采用制造简单，并网容易、励磁功率可直接从电网中获得的笼型异步发电机。
恒速风电机组主要有两种类型：定桨距失速型和变桨距风力机。定桨距失速型风力机利用风轮叶片翼型的气动失速特性来限制叶片吸收过大的风能，功率调节由风轮叶片来完成，对发电机的控制要求比较简单。这种风力机的叶片结构复杂，成型工艺难度较大。而变桨距风力机则是通过风轮叶片的变桨距调节机构控制风力机的输出功率。由于采用的是笼型异步发电机，无论是定桨距还是变桨距风力发电机，并网后发电机磁场旋转速度由电网频率所固定，异步发电机转子的转速变化范围很小，转差率一般为3%~5%，属于恒速恒频风力发电机。
1.1 定桨距失速控制
定桨距风力发电机组的主要特点是桨叶与轮毂固定连接，当风速变化时，桨叶的迎风角度固定不变。利用桨叶翼型本身的失速特性，在高于额定风速下，气流的功角增大到失速条件，使桨叶的表面产生紊流，效率降低，达到限制功率的目的。在低风速段运行的，采用小电机使桨叶县有较高的气动效率，提高发电机的运行效率。 采用这种方式的风力发电系统控制调节简单可靠，但为了产生失速效应，导致叶片重，结构复杂，机组的整体效率较低，当风速达到一定值时必须停机。
