风能利用技术

2.2　风能利用技术

自从1890年丹麦政府制订风力发电计划以来，整整经历了一个世纪，风力发电技术才逐步成熟起来。这是一条不平坦的技术发展道路。100年来，世界各国研制的风力发电机类型很多，数不胜数，从大类分，主要有水平轴型、竖轴型（又称垂直轴型）和特殊型（如扩压式和旋风式，现在尚处于探索性研究）。

（1）水平轴型风力发电机

这是目前技术最成熟，生产量最多的风力发电机。小型水平轴风力发电机比较简单，如10kW以下的风力发电机，特别是几百瓦的充电式微型风力发电机，主要部件有叶片、传动轴、齿轮变速箱（微型机可以不要变速箱）、发电机、尾翼和塔架（微型机只用支撑杆和拉线）。图5-7为水平轴小型风力发电机。图5-8为200kW水平轴风力发电机。

10～30kW风力发电机

图5-7　水平轴小型风力发电机

图5-8　水平轴风力发电机

这种小型风力发电机，一般有2～3个叶片，多数用玻璃钢材料粘贴，微型机也有木制的叶片或金属叶片。多数都是升力型叶片，如同飞机的翼型，风能利用率高。发电机多选用低速永磁发电机，这样可以省去增速器和励磁机构。尾翼（或称尾舵）是调整风向用的，可使风机保持对准风向，同时也可用来停机，使风机偏离风向而停止旋转，特别是当风速过高时，尾翼可以起保护风机的作用。塔架或支撑杆是用以承载风力机的重要部件，它要承受风力机的静载和动载，应牢固不产生振动，才能保证整机的安全运行。我国研制生产的水平轴小型风力发电机较多，产量居世界首位，每年生产万台以上。目前我国安装的小型风力发电机有15万多台，主要在内蒙古牧区和其他偏远无电地区。容量多数为100～200W，近年来也发展一批500～1000W的独立户用的风力发电机。这些都是要用蓄电池充电，从铅酸蓄电池输出的直流电也可经逆变为交流电，以方便用户。1～10kW的风力发电机可解决较大用户的需要，如部队边防哨所、小型工厂、作坊或海水淡化等用电。许多发展中国家，电网覆盖率低，尤其是农村地区多数缺电，架设输电线路投资大，由于用电量不大，长距离送电线损耗多，经济上不合理。因此发展小型风力发电机独立供电较好。

大中型水平轴风力发电机有两种：一种为上风向风力发电机，即由叶片组成的风轮在塔架前迎风，靠自动对风装置调整风力机对准风向；另一种为下风向风力发电机，它的风轮在塔架后面，风先经过塔架，再到风轮，这样就有塔影效应，影响风力机的出力，但可省掉对风装置，各有利弊。不过目前大量生产的是上风向风力机。另外，大型风力发电机的风轮与叶片非常讲究，它是风力发电机的重要部件，它也分为两种类型：一种为固定桨距，即叶片安装在风轮上之后，角度不能改变，若风力大小需要调整风轮转速时，可用辅助侧翼或铰接的尾翼或其他气动机构，使风轮绕垂直轴回转，以偏离风向，减少迎风面，达到调整的目的；另一种为可变桨距，就是叶片在风轮轮毂上的桨距是可以随时改变的，当风速变化时，利用气动压力或风轮旋转产生的离心力，使叶片改变角度，即桨距可变，以实现调速。大型风力发电机常备有伺服电机来变桨距调速。国际上丹麦生产的风力发电机多为固定桨距，其他国家多生产可变桨距的风力发电机。一般说，固定桨距比较简单安全，但可变桨距风能利用率高。近年来风力发电机的自动化程度提高，叶片制造技术也有提高，尤其是发展大型风力发电机，单机容量达500～600kW，可变桨距的优越性就比较突出和必要。目前世界上生产的大型水平轴风力发电机，多数为200～300kW，早期有55～150kW，新近发展的为500～600 kW。兆瓦级的特大型风力发电机尚处于研制阶段，美国安装在夏威夷的3200kW水平轴的风力发电机最大，是由美国波音公司制造的，它的叶片就像大飞机的翅膀。最近丹麦将投产1000～1500kW的特大型水平轴风力发电机。我国试制的大型风力机为55～200kW，容量尚小，与国际差距较大。

英国中央电力管理局投入一台200kW水平轴风力发电机，年发电量38万度。1985年拟投入数千千瓦功率的风力发电机。1990年拟投入数十台大功率风力发电机组。尼加拉瓜在1983～1985年间拟利用其浅层地热气源建成第一座地热电站，第一期装机容量3.5万kW，以后将大大增加其发电机组。

（2）垂直轴风力发电机

凡风轮转轴与地面呈垂直状态的风力发电机就叫垂直轴风力发电机。虽然这类风力发电机尚未大量生产，但试制品种繁多，如φ型、△型、S型、H型等。它们的外型与水平轴风力发电机完全不同，但有许多特点，主要是不用对风向，任何方向的风对垂直轴风机来说都一样；不需要大型塔架；发电机装在风轮下的底座中，维修方便；叶片一致性好，制造简便。主要问题是起动和停车较难。图5-9几种垂直轴风力发电机。

图5-9　几种垂直轴风力发电机

最具代表性的垂直轴风力发电机是φ型风力发电机，也称达里厄风力机，它是1925年法国人达里厄（G.J.M.Darrieus）发明的。它的结构是由2～4片跳绳曲线型的叶片组成，呈对称翼型剖面，只承受纯张力，不承受离心力载荷。叶片的型式仍是升力型，气动性能好，只是由于叶片呈弧状，上下两端受风情况不佳，所以低风速起动困难，有时要加设起动装置。国际上研究φ型风力发电机的较多，但投入生产并应用的只有美国。我国除自行研制了几台4～5kW的φ型机外，80年代初曾与德国合作试制过20kW的φ型风力发电机组，后因运行情况不佳而停止。

S型风力发电机是1924年芬兰人萨沃纽斯（Savonius）发明的，它是一种阻力型风轮，尽管气动性能不如φ型风力发电机，但制造容易，起动快，低速风也能运行。最简单的是利用旧汽油桶对剖，安装在一根垂直轴上，外形呈S状，发电机装在垂直轴的底部，甚至可以在同一轴上叠层安装几个S轮，以提高效率。尽管结构非常简单，但长期以来没有得到推广，关键是风能利用效率问题，且一般只适用于小型发电，我国曾试制过几台此种风力发电机用于航标灯电源，后来也被太阳能电池电源所取代。

H型风力发电机，也叫直叶片风力机，它也是φ型风力机的一种，只是将两端线速度很低，产生升力不大的部分去掉，因而改为直形叶片，这样叶片的制作更为容易，并可多层安装，还可加装能调节角度的副叶片，使起动性能和刹车效果得到改善。目前这种风力机在日本有应用，我国也试制过2～3kW的样机，还在内蒙古制成风力提水机。

风/柴互补系统：在电力不足的地方，为了节省柴油机发电的燃料，可以采用风力发电与柴油机发电互补系统。通常这种能源互补系统以中型风力发电机为好，单机容量55～100kW较为适宜。相应的柴油发电机组也是60kW左右的，较好操作管理。国际上较成熟的风/柴系统有三种型式：基本型、离合器加蓄电池型、交替运行型。其方框图如图5-10所示。

图5-10　风力/柴油发电系统的基本结构框图

基本型是最简单的一种风/柴互补系统，它由风力机驱动异步发电机和柴油机驱动同步发电机，在电路上并联后，共同向负荷供电。柴油机发电应根据风力的强弱及负荷的大小来调整自身的输出功率，发电量可大可小，但不能停机，否则无法提供异步发电机所需的无功功率，这样只能在有用户负荷时，充分使用风力机所发的电，节约少部分由柴油机组多发的电。因为柴油机不能停开，燃料消耗节省不多。

具有离合器加蓄电池型的风/柴互补系统是在柴油机与同步发电机之间装一个电磁离合器，同时在网路上接有由电力电子器件组成的整流逆变装置及蓄电池组。当风力较强时，来自风力发电机的电能除供给负荷外，多余的电能经镇流器可向蓄电池充电。当风力很强时，风力发电机可以充分发电，同时柴油机在离合器的作用下可与同步发电机断开，并停止运转，以节约燃油。这时同步发电机由蓄电池组经逆变器供电，并作为同步补偿机运转，以保证异步发电机所需的无功功率。此外，当负荷超过风力机和柴油机发电的能力时，蓄电池组还能进行适当补充，主要是利用风大时发电所贮存的电能，这样节油效益明显。

交替运行型的风/柴互补系统是风力机和柴油机都驱动同步发电机，只是把用电负荷按轻重缓急分类，第一类为优先负荷，首先保证供应，第二类为一般负荷，在系统力所能及时给予供应，第三类为其次负荷，当风力太弱，风力机停止发电，柴油机投入发电，尽可能满足负荷需要，其间切换会有短时断电。在风力较强时，通过频率传感元件给出的信号，依次接通二类和三类负荷，尽可能多用风力机所发的电，柴油机则能停就停，要开就开，处于备用状态。这样供电质量不太好，但能节约燃料。

风/柴发电互补系统在没有电网的独立地区，如海岛或边远村镇有实际意义，它比分散的小型风机供电量大，可以除生活外还兼顾适当的生产用电。目前我国在浙江省的大陈岛和内蒙古有些地方已建立这种风/柴互补系统，为解决电力不足积累了经验。

风力发电场（简称风电场）是将多台大型并网式的风力发电机安装在风能资源好的场地，按照地形和主风向排成阵列，组成机群向电网供电。在国外也叫“风力田”，意思是风力发电机群像种庄稼一样安装在地面。20世纪80年代初，首先在美国加利福尼亚州兴起这种风力田（Windfarm），目前洛杉矶附近的特哈查比风电场是世界上最大的风电场，1994年装机容量50多万kW，年发电量为14亿kW·h，约占世界总风力发电量的23%。美国首批建设风电场的风力发电机组为30～60kW，后来以100～200kW的机组为骨干，现在已发展到300～600kW的机组，并准备向兆瓦级机组发展。美国风电场的成功经验，很快影响到欧洲国家，目前已在中国和印度等发展中国家兴起风电热潮，我国电力部2000年发展风电场总装机容量100万kW，印度建200万kW，欧洲联盟国家2000年增加到300万kW。以后风力发电的重点是建设大规模的风电场。

2011年政府计划在波罗的海上建设一个有200座风力涡轮机的巨型海上风电场。这座风电场装机容量60万kW，可以为60万个家庭同时供电，建设后将和丹麦电网、德国电网、瑞典电网连接，其发电能力是现在世界上最大风电场的3倍。

截至2011年6月30日，49个风电场总容量为3249MW的1247个风力涡轮机全部连网，其遍及欧洲9个国家。

据中电联行业统计数据显示，2011年6月，中国全国6000kW以上的风力发电厂风力发电量54亿kW·h，同比增长74.7%； 1～6月份，全国风力发电量386亿kW·h，同比增长61.3%。