風電與能源問題淺談

馬玉波 馬成威

摘 要：為了使風力發電機輸出電壓電流恒定，其頻率也保持恒定。保證用戶使用風電的電能質量，為風力發電機加裝中間裝置，提高轉子轉速，使其更容易并入電網，電力系統人正做著不懈的努力。

關鍵詞：風力發電機；中間裝置；力臂整定；轉子轉速

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）20-0177-02

中國電力能源與其他能源之間有著千絲萬縷的聯系。只要提到電，就離不開絕緣的問題。尤其是導線的絕緣。而導線的絕緣離不開橡膠能源。廢舊塑料回收，重新加工利用是國家的廢物回收制度中的一項措施。但是如果這些回收再利用的塑料橡膠再用到導線絕緣上，那么由于廢舊的塑料和橡膠本身再用到導線的絕緣上，由于廢舊的塑料和橡膠本身是老舊的，與新塑料相比，絕緣強度本身就降低了。如果再利用它制成絕緣材料，用到導線外皮上，那么導線外皮的絕緣強度就與廢舊塑料橡膠的絕緣強度相同了。所以如果將具有這樣絕緣外皮的導線接入到二次設備的接線中而不進行絕緣保護試驗，就會使導線即使在正常工作電流時也會發生絕緣擊穿燒毀現象。風力資源發電是當前新能源發展的重點，其重要性已形成共識，發展空間可期。但是我們也要注意到風力發電可能帶來的負面因素影響，以及風力發電目前遇到不少瓶頸問題，有待進一步研究解決。

1 風力資源發電的負面影響分析

電力系統是電能發、輸、變、配的一個過程，與其他能源的關系非常密切。比如一次能源煤炭，非一次能源風力資源、水利資源 、核能、太陽能和秸稈等。每一種能源在產生電能的過程中，都會有利弊，都會形成對自然的危害。燃煤電廠會造成CO2 和SO2的排放污染；核能發電會造成核輻射及核泄露的污染。水資源會造成水災害。那么清潔能源——風力資源會不會也存在對環境的危害呢？

以水資源發電為例，水利發電的特點是蓄水量決定發電量。水利發電的大壩長而且寬，蓄水量大，對地面的壓力相當大。在強大重力的作用下，水對地殼的壓力發生變化。利用水的勢能和水的落差動能推動水輪機蝸殼的葉片旋轉帶動水輪發電機發電。是水的勢能轉變成機械能最后轉變成電能。同水利發電相比，風力資源也是發電成本低，價格廉的。并入電網的電能質量也是一樣的。那么風力資源的利用會不會對氣候產生影響呢？設想一下；風力發電機被風吹動的同時，除了空氣動力學的原理外，還有一個作用力與反作用力的作用結果。風在吹動風力發電機葉片轉動的同時，發電機的葉片也對風產生反作用力。對外側風是阻力，對內側風是旋轉作用力。所以外側風是作功狀態而內側風是渦流狀態。這時風的速度與方向都會在發電機葉片的轉動產生的力的作用下發生略微的改變。在風力發電機密集的區域，這種影響力匯聚到一起，就會形成風的低速帶，從而形成大面積渦流，進而影響到氣候的變化。這種變化體現在暴雨和龍卷風等。現在，風力發電在世界上已經形成了成熟的四大發電體系之一，并且所占比重逐年增加。如果說現在風力發電和其他生產方面的廢氣CO2和SO2氣體排放影響氣候和造成自然災害，那么風力資源發電過程中對風的影響造成的危害也是一個潛在的危機，不容忽視。

2 破解風力發電遇到瓶頸的方法

風力發電目前的瓶頸在于很難大規模應用，并提高風力資源利用效率。目前最重要的是提高風力發電機轉子轉速，如何提高的有以下三條途徑

2.1 調整風力發電機中力臂的長短，確保風力發電機轉 子轉速恒定

風力發電機的工作原理是利用風吹動葉片產生的機械能轉變成電能。如果以一個大的力臂去帶動發電機的轉子，那么發電機轉子的轉速就會大大增加。所以把發電機的葉片加長， 就可以達到這個效果。加長的多少要根據所要獲得轉子的轉速來決定。我們需要獲得的轉子轉速是3 600轉/min。主要是應用杠桿原理。在風吹的方向，風遇到風力發電機的葉片時，在風垂直吹到的葉片的內側，風發生衍射，這使葉片前后的風速發生變化，形成風速差。這時葉片受到風的合力最大。當衍射結束后，葉片受到的合力最小，轉動的速度減小，這時葉片轉動依靠慣性的作用。當下一個葉片轉動到這個位置時，也同樣在葉片的背面發生衍射，此時葉片受到的合力最大，同時增大了葉輪的轉速。所以每片風力發電機的葉片都要經過這個位置，受到風的最大作用力，保持葉輪持續不斷的轉動。如果多增加幾片風力發電機的葉片，那么就增加了葉片受到風最大作用力的頻率。比如用5或6片都可以，并且提高葉輪轉動的速度。增加了風的利用效率。由于自然界風速有大有小，不是一個恒定的量，所以風力發電機轉子所獲得的轉矩也不同，轉子轉速也不能穩定，不會是一個恒定的值，導致發動機輸出的頻率也不會是一個恒定值。如何改變這種情況，并充分利用風能是關鍵的問題。

我們知道風有12個等級，陸地上能承受的只有10級，而海上能承受12級。所以我們把1、2級風忽略不計，取陸地上3-10級風和海上3-12級風為設計目標。我們把陸地上風速定為8（海上10）個檔。在與轉子同軸的這8（10）個檔是由設置長短不同的8（10）個力臂來實現的。一個級的風速設置一個長度的力臂。在風速變化時，通過測風儀測出風速，選擇相應風速級別的力臂長度，這8（10）個力臂長度可以建立在1根長的銅質或鋼質的帶閥的槽型金具上調節。在某個風速作用下，風力發電機葉片轉動對應這個風速下力臂的長度，可以使風力發電機轉子轉速達到一個恒定值。那么如何去確定每級風速下的力臂長度？我們可以通過我們確定的恒定轉子轉速3 600轉/min來整定每級風速下所對應的力臂的長短。可以得到8（10）級檔的力臂的長短，也是這8（10）級檔的力臂的整定值確定了。這個力臂的中心軸與風力發電機轉子的軸是同軸。整定力臂的長短是為了風力發電機轉子轉速的恒定，使風力發電機輸出電壓值恒定。頻率恒定。設想中間裝置為鳥籠式非同軸裝置。

如果說6、7、8、9、10級風這么一整定浪費了，力臂太短，那么我們可以重新確定轉子的頻率，比如確定輸出頻率為100 Hz然后再進行變頻為50 Hz也可以。但是這樣需要單獨安裝變頻裝置。能夠將二次諧波轉換成基波。我們將轉子轉速確定為 7 200轉/min，將6、7、8、9、10（11、12）級風速對應的力臂整定的足夠長，使風力發電機轉子轉速達到7 200轉/min，每一級風速下對應的力臂長度即是該級風速下的整定力臂。這就需要在兩根與風力發電機轉子同軸的銅質或鋼質的帶閥的槽型金具上調節。3-5級風速為一根金具，6-10級風速為一根金具。風力發電機的定子和轉子結構也必須同時滿足頻率為7 200轉/min分的要求。

2.2 增加風力發電機塔筒基底部面積

如果將風力發電機的葉片傳遞的旋轉動能最大限度發揮作用，那我們必須將它的塔筒基底部轉變成足夠大面積 ，才能滿足大力臂的旋轉，發電機也可以考慮使用最小型火力發電機。水輪發電機與蝸輪相連，火力發電機與汽輪機相連，風力發電機直接與轉動葉片相連。所以要想將風力發電機的葉輪轉動的作用力效果擴大，就需要加裝中間裝置。這樣才能將發電機的轉子轉速提高到我們需要的轉速。就像水力發電要把水壩修的很高增加水的勢能一樣。這就是我產生上述想法的原因。至于供給風力發電機定子電源的變壓器額定電壓的確定，可根據發電容量大小來解決。

2.3 設置發電機集中控制裝置

如何對發電機進行保護裝置的控制，可以設置監控站，對發電機進行集中控制。主要控制方式包括對發電機的繼電保護裝置，廠用電，電氣運行控制裝置（運行負荷，電壓，電流）包括對中間裝置的監控等形成集中控制站。可以對方圓十公里的風力發電機使用一個主控室，便于操作和維護。控制范圍依據實際運行情況而定。與火力發電機電氣運行的原理相似。

綜合上述三點，我們可以得到這三點都能提高風力發電機轉子的轉速。比現有的風力發電機結構要復雜，對轉子的轉速要提高很多。

參考文獻：

[1] 宋亦旭.風力發電機的原理與控制[M].北京：機械工業出版社，2012.

[2] 葉杭冶.風力發電機組監測與控制[M].北京：機械工業出版社，2011.

[3] 付蓉，馬海嘯.新能源發電與控制技術[M].北京：中國電力出版社，2015.

[4] 周鶴良.加快發展風電新能源[J].科技潮，2002，（10）.