1.2 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是涉及空氣動力學(xué)、機械傳動、電機、電力電子、自動控制、力學(xué)、材料學(xué)等多學(xué)科的綜合性高技術(shù)系統(tǒng)工程。本節(jié)對兩種主要的風(fēng)力機機型，即水平軸風(fēng)力機與垂直軸風(fēng)力機各組成部件作簡要介紹，并概述了離網(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)。

1.2.1 風(fēng)力機類型

實現(xiàn)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置是風(fēng)力發(fā)電機組。風(fēng)力發(fā)電機組的單機容量由幾十瓦到幾兆瓦不等，按照容量大小可將風(fēng)力發(fā)電機組分為大型 （100kW 以上）、中型 （10～100kW）、小型 （1～10kW）和微型 （50～1000W）；按照風(fēng)輪結(jié)構(gòu)及其旋轉(zhuǎn)軸相對于氣流的位置又可分為水平軸風(fēng)力機和垂直軸風(fēng)力機，其中旋轉(zhuǎn)軸與氣流平行的為水平軸風(fēng)力機，與氣流垂直的為垂直軸風(fēng)力機。

1.水平軸風(fēng)力機

水平軸風(fēng)力機一般由葉片、輪轂、機艙、葉輪軸與主軸連接件、主軸、齒輪箱、剎車機構(gòu)、聯(lián)軸器、發(fā)電機、散熱器、冷卻風(fēng)扇、風(fēng)速儀與風(fēng)向標、控制系統(tǒng)等部件所組成，水平軸風(fēng)力機結(jié)構(gòu)體系示意圖如圖1-6所示。葉片安裝在輪轂上組成風(fēng)輪，其作用是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能，低速轉(zhuǎn)動的風(fēng)輪由增速齒輪箱增速后，將動力傳遞給發(fā)電機。齒輪箱與發(fā)電機都布置在機艙里，機艙由塔架支撐。為了有效地利用風(fēng)能，偏航裝置根據(jù)風(fēng)向傳感器測得的風(fēng)向信號，由控制器控制偏航電機，驅(qū)動與塔架上大齒輪嚙合的小齒輪轉(zhuǎn)動，使風(fēng)輪始終正對風(fēng)向。由于齒輪箱在兆瓦級風(fēng)力機中損壞率較高，國外研制出了直驅(qū)型風(fēng)力機，這種風(fēng)力機采用風(fēng)輪與多級異步電機直接連接并進行驅(qū)動的方式，避免使用齒輪箱。

圖1-6 水平軸風(fēng)力機結(jié)構(gòu)體系示意圖

1—葉片；2—輪轂；3—機艙；4—葉輪軸與主軸連接件；5—主軸；6—齒輪箱；7—剎車機構(gòu)；8—聯(lián)軸器；9—發(fā)電機；10—散熱器；11—冷卻風(fēng)扇；12—風(fēng)速儀與風(fēng)向標；13—控制系統(tǒng)；14—液壓系統(tǒng)；15—偏航驅(qū)動；16—偏航軸承；17—機艙蓋；18—塔架；19—變槳距系統(tǒng)

2.垂直軸風(fēng)力機

垂直軸風(fēng)力機一般由葉片、支撐桿、軸套、塔架、基座、機房、傳動軸、發(fā)電機、剎車裝置、電器柜等部件組成，垂直軸風(fēng)力機結(jié)構(gòu)體系示意圖如圖1-7所示。葉片截面一般采用NA-CA00XX系列對稱翼型，葉片通過水平支撐桿與轉(zhuǎn)子中心支柱連接。轉(zhuǎn)子中心支柱一般為薄壁圓筒鋼管，部分采用三菱柱桁架結(jié)構(gòu)。剎車裝置、變速箱與發(fā)電機可安裝在地面，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，便于維修。

圖1-7 垂直軸風(fēng)力機結(jié)構(gòu)體系示意圖

1—葉片；2—水平支撐桿；3—斜支撐桿；4—軸套；5—塔架；6—基座；7—機房；8—傳動軸；9—發(fā)電機；10—剎車裝置；11—電器柜

實踐表明，與水平軸風(fēng)力機相比，垂直軸風(fēng)力機單位千瓦的投資成本可下降50%左右，且維護費用低、檢修簡單、壽命更長。由于研究不足，一段時間內(nèi)人們普遍認為垂直軸風(fēng)力機風(fēng)能利用率低于水平軸風(fēng)力機，因此垂直軸風(fēng)力機不被重視。后經(jīng)大量的試驗和計算表明垂直軸風(fēng)力機實際風(fēng)能利用率可達0.4以上，與水平軸風(fēng)力機相當。因此，發(fā)展垂直軸風(fēng)力機發(fā)電技術(shù)可有效降低風(fēng)電成本，對風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展具有重大意義。

1.2.2 風(fēng)力發(fā)電方式

風(fēng)力發(fā)電主要運行方式有離網(wǎng)型和并網(wǎng)型兩大類。

1.2.2.1 離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電

離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電多針對微小型風(fēng)力機。微小型風(fēng)力機因其安裝方便、機動性高等優(yōu)點已被廣泛應(yīng)用于風(fēng)力資源豐富的地區(qū)。目前，我國安裝使用的微小型風(fēng)力機有50W、100W、150W、200W、300W、500W、1kW、2kW、3kW、6kW和10kW等11種型號若干種機型。微小型風(fēng)力機由葉片、發(fā)電機、回轉(zhuǎn)體、尾翼、立柱、蓄電池和底座等構(gòu)成。由于風(fēng)是間歇性的，利用風(fēng)力發(fā)電并希望得到穩(wěn)定電能的簡單辦法就是利用蓄電池，具體方法為：強風(fēng)時，將發(fā)出的電輸入蓄電池中；風(fēng)力不足時，由蓄電池進行放電輸出電能。離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電通常包括獨立運行和組合運行兩種方式。

1.獨立運行方式

獨立運行方式，又稱離網(wǎng)運行方式，通常是一臺小型風(fēng)力發(fā)電機組向一戶或幾戶居民提供電力，用蓄電池儲能，以保證無風(fēng)時的用電。

2.組合運行方式

風(fēng)力發(fā)電與其他發(fā)電方式 （如柴油機發(fā)電或太陽能發(fā)電）相結(jié)合，向一個單位、一個村莊或一個海島供電。組合運行方式的小型風(fēng)力發(fā)電機組，是我國遠離電網(wǎng)的邊遠偏僻農(nóng)村、牧區(qū)、海島和特殊處所發(fā)展風(fēng)力發(fā)電解決其基本用電問題的主要運行方式，除具有風(fēng)力發(fā)電的一般優(yōu)點外，其自身優(yōu)點主要如下：

（1）機動性高。小型發(fā)電機可配合需要增加或變更組件大小。

（2）安裝方便。可根據(jù)需要隨時安裝，安裝簡單，快速解決日常用電問題。

（3）能源使用多元化。小型發(fā)電機可與多種不同的可再生能源組合，方便可靠。

（4）量身定做。某些小型發(fā)電機種可以配合實際的電力需求調(diào)節(jié)發(fā)電量，提升發(fā)電效率。

（5）減少對環(huán)境的沖擊。代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源，減少環(huán)境污染。

1.2.2.2 并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電

離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電在沒有電網(wǎng)覆蓋、人煙稀少的地方能夠發(fā)揮其特有優(yōu)勢，但是其缺點也明顯，即不能保證供電質(zhì)量 （電壓和頻率的穩(wěn)定性）和可靠性 （發(fā)生故障就得停電）。相對于離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電，并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電則能確保供電質(zhì)量與可靠性，也是最具發(fā)展前景和規(guī)模化、商業(yè)化的風(fēng)力發(fā)電方式。

并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是指風(fēng)力機與電網(wǎng)相連，向電網(wǎng)輸送有功功率，同時吸收或者發(fā)出無功功率的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，一般包括風(fēng)力機 （含傳動系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、液壓與制動系統(tǒng)、發(fā)電機、控制和安全系統(tǒng)等）、線路、變壓器等。電網(wǎng)供電與單機供電相比，其優(yōu)點主要如下：

（1）提高了供電的可靠性，一臺風(fēng)力機發(fā)生故障或定期檢修不會引起停電事故。

（2）提高了供電的經(jīng)濟性和靈活性，例如風(fēng)電廠與火電廠并聯(lián)時，兩種電廠可以調(diào)配發(fā)電，使得風(fēng)資源與化石燃料資源得到合理使用。在用電高峰期和低谷期，可以靈活地決定投入電網(wǎng)的發(fā)電機數(shù)量，提高了發(fā)電效率和供電靈活性。

（3）提高了供電質(zhì)量，電網(wǎng)的容量巨大 （相對于單臺發(fā)電機或者個別負載可視為無窮大），單臺發(fā)電機的投入與停機或個別負載的變化對電網(wǎng)的影響甚微，衡量供電質(zhì)量的電壓和頻率可視為恒定不變的常數(shù)。