提高风力发电效率的综述

      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。因此提高风能的利用效率十分重要。

　　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。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。

　　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，会发出偏航指令，通过偏航系统使机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。

　　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的转换效率最高。对于常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，则应在蓄电池与用户之间加装逆变器后再输给用户。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，显着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，以决定在气流极其不稳定的环境下，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只有一年。这意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。

　　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。