分析風力發電設備的優化設計

王 輝，張 炤

中廣核風力發電有限公司內蒙古分公司，內蒙古 呼和浩特 010051

0 引言

隨著經濟的發展和社會的不斷進步，人們的生活水平逐漸提高，居民的用電需求增加，那么電力的供給成為一個重大問題，如何做好居民用電的正常供給，保證居民生活質量是目前關注的焦點問題。風力發電設備的出現不僅提高了發電的效率，而且無污染、促進節能社會的發展，因此，對風力發電設備的優化設計研究更顯得具有現實意義。

1 風輪機的不同等級

因為風輪機的功率和風速成正比，所以對風輪機進行合理設計，首當其沖考慮因素就是風力發電設備的具體場址、考慮地域特色，包括當地的地理環境和風情、當地的氣候變化和風速等。根據相關規定，我國的風輪機分為五個不同的等級，前四個風輪機的風速規定分別是50m/s、42m/s、37m/s、30m/s。第五個等級的風輪機比較特殊，高于第一等級，風輪機的強度大、耐久性高、對第五個等級風輪機的界定根據不同的風速和風的變化情況而定[1]。

2 風輪機的效率問題

風輪機的功率計算是風速、旋轉圓的面積 、空氣的密度和功率，四者相乘的積。近些年來，高效率葉片不斷開發和應用，旋轉裝置的消耗和損害逐漸減小，風電機的效率達到0.45左右。輸出功率取決于風輪機的周速比。當T 值不斷接近數值6的時候，C值大約是0.6，這個數值是風輪機理論上應該達到的效率。但是實際中的風輪機效率呈曲線狀分布。只有是大容量、大規格的發電設備才會采用規模化的風場，這時候的設備臺數就很多。在評價某臺發電設備效率時要充分考慮風輪機的風流問題，因為風的流速對風輪機的效率有很大影響。另外還要考慮到電網系統的輸電效率等[2]。

3 風輪機的風速限制

很多風力發電設備在還沒有投入使用之前 ，就被強風或者是其他因素損失不好。因此要設備的設計階段就要考慮設備機組的零件能夠承受的最大壓力和風速問題，不至于在投入使用前遭到損壞。一般的做法是通過氣象臺的報告數據和風情風向來決定設備的設計，也可以向氣象機構咨詢情況，一定要根據具體的自然環境設計發電機，否則制造出來的設備無法使用，浪費了資源。選擇發電機承受的風速壓力時，要充分考慮設備的安全余量，因為風力和風速成正比，如果風速過高，設備的承受能力就增強，帶來的成本投入就比較高。反之，如果設備的性能和承受的風速壓力較低，就會影響安全運行。因此要進行綜合考慮，折中方式進行設計。根據相關規定，風力設備能夠承受的最大風速是由五個風速標準決定的。現代化的不斷發展，使得風電機組的設計完全采用自動化完成，如果臺風來臨，設備受到感應，根據風情的變化，設備會將情況反映到電腦上自動做出回應。這樣減少了臺風來臨時對設備造成的損失。[3]即使如此詳細的考慮，也不可避免的由于強風強降雨的原因導致樹木等物品的飛落砸到發電設備，對設備造成損害，所以要盡量保持設備的設計完整。

4 發電設備的造價和電價問題

風力發電設備的具體建設費用和運輸的道路、操作中使用的配電線路以及其他設備相關。如果對其他因素進行有效地控制，只是單純的增加設備的容量或者是設備的數量，那么風場的總容量就會擴大，從而降低了投入成本，減少了建設費用。大量的實踐表明:如果設備的容量達到250kW，那么建設的費用為4萬元/kW；如果容量增加到3000kW，建設的價格就會降到1.6萬元/kW，如果容量更大，建設費用會降到更少。因此，風力發電設備的發展方向是朝著大容量進行的。一般而言:發電設備的建設費用主要包括這幾項:一是發電機組的費用，占到百分之七八十；二是電氣設備購買費用，這個占到10%左右；三是建設的土建工程費用找到5%左右，另外還有電力的消費花費，工程的管理費用等。從上述可以看出，發電機組的費用占據重要的位置，因此要減少投入成本就要想法設法減少發電機組的消費，通過降低建設費用，最終達到降低售點的價格費用，有利于電力行業的競爭。

5 發電設備的機型對比

從發電設備的結構上看，風輪機分為水平軸、垂直軸。從結構型式上看，風輪機主要有和2種。水平軸又分為螺旋槳型、船帆翼型和多翼型；垂直軸分為寬翼型、燈籠型和半圓筒型。老式的風輪機構造是4個葉片，價格在一萬元左右。燈籠型的發電設備葉片是圓括號，在美國和中國普遍使用，陀螺翼型的風輪機主要用在中國市場。大型的風輪機組采用的是螺旋槳型號，水平軸式的風輪機比垂直軸多。 從動力學理論來分析，垂直軸式風輪機具有這樣的優點:機子的性能和風向的變化沒有多大的關系。機組的各種配置不受到高空高度的影響，這樣的好處便于設備的優化設計，缺點也比較明顯，需要增加材料的使用，需要比較大的開支。水平軸型號的風輪機應用也比較廣泛，但是隨著風向和風速的變化對設備的直徑影響很大。

6 發電設備的葉片數目

多數的風電設備是2到3個葉片式的風輪機。從本質上來說，兩者沒有太大的區別，但是三葉片的風輪機的周轉速度比較低，2片風輪機的周轉速度比較高。因此實際的操作和使用中要采用適當的方式處理，隨機應變、因地制宜。同時在保證質量的同時降低設備的成本投入和資源的節省，實現電力行業的節能化、高效化發展，走可持續發展道路。

7 結論

現實經驗告訴我們，實用的電力設備開發和設計要重視實際需要，根據實際情況的不同量體裁衣，不僅要考慮成本的投入，更要注重質量的提升，保證電力設備的設計符合發電的要求，確保設備的安全可靠，風力發電設備的生產要能夠滿足居民的供電需要，保證社會的平穩發展。只有如此，才能保證風力發電行業在市場中立于不敗之地。

[1]張登峰，郝偉，郝旺身，董辛文.模糊理論在風力發電設備狀態評價中的應用[J].機械設計與制造，2011(11):75-76.

[2]楊榮斌.國內外海上風力發電設備產業發展新態勢及啟示[J].華東科技，2012(1):48-50.

[3]楊欽慧.風力發電設備的災害對策[J].電機技術，2010(3):60-61.