論風力發電及風力機械特性

摘 要：全球經濟增長對能源需求日漸強烈，我國作為人口大國和工業大國，對能源的需求和能源短缺之間的矛盾日漸尖銳，石油市場的競爭耗費了我國大量人力物力，我國為了保證石油供應的穩定付出了巨大的代價。為了緩解能源供應緊張，我國對于可再生能源的重視程度逐漸加大，可再生能源占能源消耗的比例總比例也就見增大。作為清潔能源的重要組成部分，風力發電擁有巨大的發展潛力，是關乎國家能源環境未來的重要技術。本文就風力發電和鋒利機械的特性進行簡單探索，意在實現對風力機械的精確控制和對風力資源利用率的提高。

關鍵詞：風力發電； 風力機械；可再生能源

風力發電除了具有可再生的優勢之外，還具有清潔無污染的特點，對比火力發電和核電，風力發電無排放。在幾十年的經濟建設中我們犯了很多錯誤，對環境無節制的利用和破壞導致了大自然的報復，霧霾、沙塵暴等等就是最直接的例子。從地理上研究，我國處于亞熱帶季風氣候，全年大部分地方都有很強的勁風，而且我國幅員遼闊，有著大面積的丘陵和平原，對于風力發電需要的大面積風車群提供了廣闊的空間。無論是從能源角度，還是從環保角度，或者地理優勢方面，我國大力推廣風力發電建設都是明智的選擇。下圖就是位于我國蒙古草原上的風力發電風車。

1.風力發電發展簡史

風力發電的想法最初在上個世紀三十年代的丹麥、瑞典蘇聯等國家就已經開始付諸實踐。通過利用旋翼技術研制成功小型發電裝置，在多風的海島和荒僻的農村使用廣泛，因為風力發電成本要比火力發電低廉很多。在之后的幾十年里研究人員不斷嘗試更大功率的發電風車，到1978年，美國研制的風力發電機功率已經能夠達到200千瓦。

風力發電的基本原理就是把風的動能轉化為機械能，通過機械能轉化為電能。在風吹下風車旋轉獲得動能，帶動發電機發電。根據目前達到的技術水平，每秒三米的速度就能夠發電。

風力發電技術的分布仍然以西方為主，芬蘭、丹麥等國家風力發電占總發電量的比例已經很可觀。在我國國家電網鋪設難度十分大的西部，風力發電也被廣泛使用。

從成本出發，每秒四米的風速才適合發電。我國由于特殊的地理位置，風力資源極為豐富，大部分地方風速都達到三米每秒以上。在東北、西北、西南高原等地三分之一年都是大風天，在這些地方，發展風力發電很有前途。

2.風力發電系統結構組成

風力發電原理并不復雜，結構也十分清晰。通過自然風推動葉輪，把風能轉化為機械能，通過逐級傳動帶動發電機轉軸轉動把機械能轉化為電能，通過一系列整流設備進行功率和參數轉換，接入國家電網。小型發電設備通過蓄電池把電能儲存起來，通過變電設備轉換為直流電對直流設備直接供電，或者通過逆變器轉換為交流，供給交流用電設備。具體結構分析見下圖。

3.風力機械特性

風速模型。自然風風力變化復雜，通過數學模型，在平均風力上疊加分量。

自然風存在隨機波動，需要在平均風速基礎上疊加隨即分量。

葉尖速比。衡量風輪運轉速度大小的參數。是葉片間斷圓周速度和風速的比值。

根據貝茲理論，風力機在自然風中獲得的能量有限，能量轉換導致風速下降。在空氣質量密度、風輪半徑和風速都為定值時，單位時間內風輪捕獲能量和風能利用系數成正比。在固定風速之下，風力機轉數的變化會導致風能利用發生相應變化。

通過之前研究可以得知，轉速會影響能量捕獲效率。

輸出功率特性。所有機械都存在運行效率問題。風力發電啟動需要一定的力矩來克服內部阻力。啟動力矩大小取決于發電機內部阻力大小。因此，發電機啟動需要一個最小風速，當自然風強度達不到最小風俗，風力機就無法工作。在進行風力發電廠建設之前一定要對當地風力資源類型和性質進行考察，根據當地風能切入速度和切出風速確定合適的發電機型號，使之能夠正常工作。

風力機直流電機模擬方案。風力機的輸出功率和風輪轉速和風速兩個因素有關。在轉速和風速確定了的條件下，可以經過計算求得輸出功率和機械力矩。風力機和電動機的功率特性有很大的相似性。通過風力機數學模型可以計算出風力機輸出功率，將其作為直流電機的控制指令實現控制。

4.風力發電控制策略

智能型風力發電可以在風力發電機不能夠捕獲足夠負載和蓄電池使用的電能時自動跟蹤最大功率，調節葉尖速比。目前最大功率跟蹤方案主要存在風速自動控制和風機轉速反饋兩種方法。

風速自動跟蹤是利用測速裝置測量自然風速，根據風力機最佳負載曲線計算實際輸出功率和給定功率之間的差值，通過調節器調節電流大小，實現對風力發電輸出功率的調節。

風機轉速反饋是將發電機輸出功率和自然風速之間的關系轉化為發電機輸出功率和發電機轉速之間的關系，簡化了結構，使之更簡單可靠、穩定。

5.結束語

風力發電憑借其清潔和可再生的優勢逐漸被重視起來，但是因為其較低的生產效率，和高投入，但是隨著技術風力發電技術的成熟，目前正在慢慢被廣泛的推廣。本文就風力發電的發展和風力機械特性進行了粗淺的闡述，利用風力機械特性提高風力發電效率是目前較為先進和成熟的方法，值得在實踐中廣泛應用和理論上的深入研究。

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