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1、世界能源消耗量的持續(xù)增加，使全球范圍內(nèi)的能源危機愈發(fā)明顯，開發(fā)可再生能源以緩解能源危機、實現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展已成為世界各國能源發(fā)展的重大舉措。風(fēng)能因在世界范圍內(nèi)的蘊藏量巨大、可再生、分布廣、無污染的特性，使風(fēng)力發(fā)電成為世界能源發(fā)展的重要方向。近幾年來，世界風(fēng)力發(fā)電裝機容量平均每年大約以30%的速度增長。中國作為世界化石能源消費的主要國，在面臨化石燃料發(fā)電所帶來的嚴(yán)重環(huán)境污染危機下，風(fēng)能作為一種新型能源，但風(fēng)能的利用效率過低，成為制約其發(fā)展的瓶頸1。因此提高風(fēng)能的利用效率十分重要。1.風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電依靠風(fēng)力機將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能。圖1為一臺水平風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，風(fēng)力機
2、的風(fēng)輪由三個用玻璃鋼或尼龍等制成的葉片構(gòu)成。風(fēng)力吹動風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，并通過變速齒輪箱將風(fēng)力機軸上的低速旋轉(zhuǎn)(約為18～33r/rain)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機所需的高轉(zhuǎn)速(800r/rain或1500r/min)，傳給發(fā)電機軸使之旋轉(zhuǎn)發(fā)電。圖1水平軸三葉片風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡圖當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)輪正對風(fēng)向時，風(fēng)輪得到的風(fēng)能最大。為了保證風(fēng)輪隨時都迎著風(fēng)向，在風(fēng)力發(fā)電機中設(shè)有偏航系統(tǒng)。當(dāng)裝在機艙頂部的風(fēng)向標(biāo)測得風(fēng)輪不正對風(fēng)向時，會發(fā)出偏航指令，通過偏航系統(tǒng)使機艙和風(fēng)輪繞塔架的垂直軸轉(zhuǎn)動，以達到對準(zhǔn)風(fēng)向的目的。風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和發(fā)電機的輸出功率是隨風(fēng)速增大而提高的。風(fēng)速太大會使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速過快和發(fā)電機超負荷運行，
3、這些均會使風(fēng)力發(fā)電機發(fā)生運行事故。為了保證風(fēng)力發(fā)電機的安全運行，風(fēng)力發(fā)電機中都設(shè)有限速安全裝置以調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，使之在一定風(fēng)速范圍內(nèi)保持基本不變，以便風(fēng)力發(fā)電機能在不同風(fēng)況下穩(wěn)定運行。風(fēng)輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方法主要有兩類，一類是風(fēng)輪葉片槳距固定型，另一類是風(fēng)輪葉片槳距變動型。固定槳距型的調(diào)速方法為，當(dāng)風(fēng)速增大時，通過各種機構(gòu)使風(fēng)輪繞垂直軸回轉(zhuǎn)，以偏離風(fēng)向，減少迎風(fēng)面和受到的風(fēng)力以達到調(diào)速的目的。變槳距型的調(diào)速方法為，當(dāng)風(fēng)速變化時，通過一套槳葉角度調(diào)整裝置轉(zhuǎn)動槳葉，改變?nèi)~片與風(fēng)力的作用角度，使風(fēng)輪承受的風(fēng)力發(fā)生變化，以此來達到調(diào)速的目的。這兩種調(diào)速方法中，前者結(jié)構(gòu)相對較為簡單，
4、但機組結(jié)構(gòu)受力較大，后者增加了槳葉角度調(diào)整裝置，增加了造價但可使機組在高于額定風(fēng)速情況下仍保持穩(wěn)定的功率輸出，提高發(fā)電量。因此中、小型風(fēng)力發(fā)電機組較少采用變槳距調(diào)速方法，而大型風(fēng)力發(fā)電機組大多采用變槳距調(diào)速方法。除限速裝置外，風(fēng)力發(fā)電機還裝有制動器。當(dāng)風(fēng)速太高時，制動器可以使風(fēng)輪停轉(zhuǎn)，以保證風(fēng)力發(fā)電機在特大風(fēng)速時的安全。2.風(fēng)力發(fā)電中提高效率的方法(1)優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)和位置水平軸風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計理論表明，在一定的風(fēng)力機轉(zhuǎn)速與風(fēng)速的比值下，風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)輪對風(fēng)能的轉(zhuǎn)換效率最高。對于常用的轉(zhuǎn)速不變的恒轉(zhuǎn)速風(fēng)力發(fā)電機而言，在風(fēng)速變化時就無法保持最佳的風(fēng)力機轉(zhuǎn)速與風(fēng)速的比值，因而
5、其風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率就不能經(jīng)常保持在最佳值。但恒轉(zhuǎn)速風(fēng)力發(fā)電機可以輸出恒定頻率的交流電，便于與電網(wǎng)連接。隨后研制的變轉(zhuǎn)速風(fēng)力發(fā)電機可以在不同風(fēng)速下均保持最佳的轉(zhuǎn)速與風(fēng)速的比值，因而風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率高，一般比恒轉(zhuǎn)速風(fēng)力發(fā)電機可增加約10%的發(fā)電量。但其輸出電流的頻率不穩(wěn)定，必須通過增設(shè)的變頻裝置才能實現(xiàn)輸出恒頻的交流電以便與電網(wǎng)連接?，F(xiàn)在單機功率超過1MW的大型風(fēng)力發(fā)電機組大多采用變轉(zhuǎn)速運行方式。風(fēng)力發(fā)電機組中的塔架將風(fēng)輪和機艙置于空中以獲得更多的風(fēng)能。塔架有兩種主要結(jié)構(gòu)，一種為由鋼板制成的錐形筒狀塔架，另一種為由角鋼制成的桁架式塔架，兩者均設(shè)有梯子和安全索以便于維修人員進入機艙。大中型
6、風(fēng)力發(fā)電機組均配有由微機和控制軟件組成的控制系統(tǒng)，可以對機組的啟動、停機、調(diào)速、故障保護進行自動控制，可以對機組的運行參數(shù)和工作狀況自動顯示和紀(jì)錄，以確保機組的安全經(jīng)濟運行。風(fēng)力發(fā)電機組根據(jù)其運行方式可分為離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。前者獨立運行，主要用于邊遠農(nóng)村、牧區(qū)、海島等遠離電網(wǎng)的地區(qū)，機組功率較小(一般為5kw以下)。在這種系統(tǒng)中，風(fēng)力交流發(fā)電機輸出的交流電經(jīng)整流器整流后輸入蓄電池蓄能，再供直流負荷使用。如用戶需要交流電，則應(yīng)在蓄電池與用戶之間加裝逆變器后再輸給用戶。在無風(fēng)期間，可由蓄電池供電。風(fēng)力發(fā)電機組也可和柴油發(fā)電機組或太陽光發(fā)電系統(tǒng)組成一個互補型的
7、聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)。在風(fēng)力發(fā)電機不能輸出足夠電力時，另一個系統(tǒng)可提供備用的電力。風(fēng)力發(fā)電機采用并網(wǎng)運行方式指的是將風(fēng)力發(fā)電機組與電網(wǎng)連接并將輸出的電力并入電網(wǎng)。對于恒速恒頻的常用風(fēng)力發(fā)電機組已普遍采用。對于變速風(fēng)力發(fā)電機組則需增設(shè)變頻裝置等使輸出電流達到恒頻后再并網(wǎng)運行。(2)智能控制系統(tǒng)可大大提高風(fēng)能利用率美國雪城大學(xué)L.C.史密斯工程和計算機學(xué)院部分研究人員正在進行這方面的研究工作。目前，他們正在測試自己開發(fā)的主動式風(fēng)流動智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的基本出發(fā)點是根據(jù)表面測量而估算流過葉片表面風(fēng)的狀況，然后將此信
