試論風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理及風(fēng)力發(fā)電技術(shù)

楊槐

摘要：隨著人們生產(chǎn)和生活對(duì)電力的需求逐漸增加，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)受到人們的廣泛關(guān)注。風(fēng)能是一種環(huán)保清潔的能源，作為發(fā)電的原動(dòng)力，對(duì)推動(dòng)電力的長(zhǎng)久發(fā)展有很好的幫助。本文主要對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原理以及風(fēng)力發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了介紹，以供參考。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電技術(shù);風(fēng)力發(fā)電機(jī);原理;應(yīng)用

隨著低碳環(huán)保理念的不斷深入，新能源的開發(fā)利用被人們廣泛關(guān)注，風(fēng)能是一種環(huán)保、可再生的能源，而且由于人們活動(dòng)對(duì)電力的需求不斷增加，將其應(yīng)用到電力發(fā)電中具有很好的發(fā)展?jié)摿ΑＴ谌缃竦娘L(fēng)力發(fā)電中，發(fā)電機(jī)的控制技術(shù)在不斷的提升，能夠有效提高風(fēng)能的利用率，提高發(fā)電量，進(jìn)一步推動(dòng)電力事業(yè)的良好發(fā)展。

1.風(fēng)力發(fā)電機(jī)的介紹

1.1概念

風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵設(shè)備，主要是利用風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械動(dòng)能，用動(dòng)力帶動(dòng)風(fēng)車的葉輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，然后產(chǎn)生電流進(jìn)行輸出的相關(guān)設(shè)備。風(fēng)力發(fā)電機(jī)是在傳統(tǒng)的風(fēng)車基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，風(fēng)車的葉輪通過(guò)風(fēng)速以及風(fēng)力的帶動(dòng)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)而獲取到風(fēng)能，然后通過(guò)相關(guān)裝置等完整的系統(tǒng)來(lái)完成風(fēng)力發(fā)電。

1.2種類

風(fēng)力發(fā)電的種類主要有變速風(fēng)力發(fā)電、恒速風(fēng)力發(fā)電以及有限變速風(fēng)力發(fā)電。最開始進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電時(shí)，通常都是采用恒速風(fēng)力發(fā)電的方法，其中使用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要是籠型異步發(fā)電機(jī)，這種發(fā)電機(jī)的投入成本不高、系統(tǒng)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠，最初的風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用較好。但是這種發(fā)電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)速的適應(yīng)范圍較小，如果在運(yùn)行時(shí)的功率過(guò)大，使轉(zhuǎn)速超出允許范圍，就會(huì)影響發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性。恒速發(fā)電由于速度不能靈活調(diào)節(jié)，也就使風(fēng)能的利用效率不高，影響其發(fā)展使用。在有限變速風(fēng)力發(fā)電中，主要是使用繞線式異步發(fā)電機(jī)，這種發(fā)電機(jī)就能夠進(jìn)行相應(yīng)的變速，原因是在發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上接入外來(lái)的可變電阻，從而對(duì)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)，同時(shí)又通過(guò)變槳距對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行調(diào)整來(lái)控制電流，使發(fā)電機(jī)輸出的功率能夠相對(duì)穩(wěn)定，使發(fā)電機(jī)的性能得到有效的保證。在變速風(fēng)力發(fā)電中，使用的發(fā)電機(jī)有多種類型，主要有電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)、雙饋異步發(fā)電機(jī)以及永磁同步發(fā)電機(jī)。電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)能夠提高有用功率的輸出，使應(yīng)用的效率得到提高。雙饋異步發(fā)電機(jī)主要是通過(guò)轉(zhuǎn)子功率的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)變速恒頻，使轉(zhuǎn)速的運(yùn)行能夠有效的決定轉(zhuǎn)差功率，不過(guò)這種發(fā)電機(jī)的使用相對(duì)來(lái)說(shuō)部件的使用時(shí)限會(huì)比較短，而且如果發(fā)生異常情況，轉(zhuǎn)子的電流可能會(huì)增加異常，使發(fā)電機(jī)的負(fù)荷增加，不利于使用。永磁同步發(fā)電機(jī)的使用優(yōu)勢(shì)較為明顯，在變速發(fā)電中其應(yīng)用效果比前兩種都要好，這種發(fā)電機(jī)主要是使用直接驅(qū)動(dòng)的方式，相對(duì)來(lái)說(shuō)系統(tǒng)的傳動(dòng)較為簡(jiǎn)單，輸出功率較高，將其應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電中會(huì)是最廣泛的一種。

2.風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的組成主要有葉輪、發(fā)電裝置、儲(chǔ)能裝置、塔架、機(jī)艙等部件。其中用來(lái)發(fā)電最主要的是葉輪，機(jī)艙中有變槳距裝置、偏航裝置、機(jī)組發(fā)電裝置，其機(jī)艙罩上有風(fēng)向傳感器以及風(fēng)速傳感器，還有通風(fēng)裝置及隔音器附在艙壁中，機(jī)艙與塔架進(jìn)行連接，并設(shè)有相關(guān)的控制電纜、通信電纜以及動(dòng)力電纜等，以此來(lái)連接控制系統(tǒng)與發(fā)電機(jī)。塔架的底部用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行固定，并做好防雷接地處置。風(fēng)力發(fā)電機(jī)在工作時(shí)的原理主要是，當(dāng)風(fēng)帶動(dòng)空氣流動(dòng)時(shí)，經(jīng)過(guò)葉片，帶來(lái)動(dòng)力引發(fā)葉輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，葉輪在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)其主軸與齒輪箱之間會(huì)形成機(jī)械能，由齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)加速而轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，使發(fā)電機(jī)輸出電流進(jìn)行發(fā)電。其中能的相互轉(zhuǎn)化使用的原理是空氣動(dòng)力學(xué)，是利用風(fēng)帶動(dòng)空氣在葉片的兩面產(chǎn)生壓力差值，利用這種差值來(lái)使葉輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和產(chǎn)生橫切向的風(fēng)流，進(jìn)而促進(jìn)能的相互轉(zhuǎn)化，最終使發(fā)電機(jī)輸出電流進(jìn)行發(fā)電;這種原理具體來(lái)說(shuō)一方面是氣流在葉片的表面進(jìn)行流動(dòng)時(shí)，其速度的變化會(huì)使氣流的壓力產(chǎn)生影響，另一方面是氣流在葉片上的流動(dòng)，會(huì)使表面附層上有摩擦力產(chǎn)生，這樣兩種力在葉片上就會(huì)形成一種合力，就是空氣動(dòng)力，以此來(lái)進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電^[1]。

3.風(fēng)力發(fā)電技術(shù)

3.1變槳距調(diào)節(jié)技術(shù)

在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中，變槳距調(diào)節(jié)是主要的技術(shù)之一，利用這種技術(shù)進(jìn)行發(fā)電是通過(guò)有效的調(diào)節(jié)葉片的迎風(fēng)面與旋轉(zhuǎn)軸縱向面之間的角度，使葉片受到的阻力和受力都能夠得到相應(yīng)的調(diào)節(jié)，同時(shí)在風(fēng)力較大的情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率可以得到一定的限制，控制好輸出功率的穩(wěn)定性，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行能夠基本在恒定作用下進(jìn)行，這樣發(fā)電才能夠保障穩(wěn)定^[2]。通常在進(jìn)行變槳距調(diào)節(jié)時(shí)，從實(shí)踐中可以得知，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率在整體上的變化趨勢(shì)是平滑的曲線，風(fēng)速保持額定的狀態(tài)，發(fā)電機(jī)的機(jī)組控制器會(huì)將葉片的攻角控制在零左右，保持下來(lái)，基本上是屬于定槳距調(diào)節(jié)。另外，如果風(fēng)速超出了額定狀態(tài)，機(jī)組的結(jié)構(gòu)會(huì)由變槳距來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，使葉片的攻角發(fā)生變化，從而控制發(fā)電機(jī)的輸出功率，使其能夠保持在一定的范圍內(nèi)，這樣發(fā)電機(jī)在發(fā)電時(shí)的效率能夠相對(duì)較好，減少了風(fēng)速變化對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行的影響。再者，變槳距在進(jìn)行調(diào)節(jié)過(guò)程中，風(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)速度相對(duì)來(lái)說(shuō)比較低，在調(diào)節(jié)完停止使用時(shí)，具有較為緩和的沖擊力。在實(shí)踐應(yīng)用過(guò)程中可以知道，變槳距調(diào)節(jié)技術(shù)在使用時(shí)，控制發(fā)電機(jī)的功率是正比于風(fēng)速的三次方的，如果風(fēng)速的變化不大，其風(fēng)能的變化就會(huì)比較大，這樣就能夠使風(fēng)力發(fā)電機(jī)在發(fā)電時(shí)的效率得到較好的提高，使風(fēng)能的利用率也更加充分。

3.2變速恒頻發(fā)電技術(shù)

變速恒頻發(fā)電技術(shù)在進(jìn)行使用時(shí)，其發(fā)電機(jī)通常是使用交流電勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)組，這種發(fā)電機(jī)組的構(gòu)成通常是增加相應(yīng)的電刷以及滑環(huán)在其轉(zhuǎn)子的繞組中，發(fā)電機(jī)組在進(jìn)行發(fā)電時(shí)，電勵(lì)磁的頻率直接關(guān)聯(lián)于轉(zhuǎn)子的速度^[3]。從有關(guān)實(shí)踐中可以知道，變速恒頻發(fā)電技術(shù)使用時(shí)，這種發(fā)電機(jī)組區(qū)別于異步發(fā)電機(jī)，也差別于同步發(fā)電機(jī)，不過(guò)結(jié)合了這兩種發(fā)電機(jī)的部分優(yōu)勢(shì)，使風(fēng)力發(fā)電的效率能夠得到有效的提高。在使用交流電勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)時(shí)，變速恒頻發(fā)電技術(shù)的實(shí)施主要是利用控制交流電勵(lì)磁的頻率、幅值以及相位來(lái)實(shí)現(xiàn)變速恒頻，這樣就能夠在發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中將功率的輸出利用率進(jìn)行有效的提高，減少無(wú)功率的輸出，這樣在電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，能夠使電力的輸送效率更高，運(yùn)行更加穩(wěn)定，能夠減少電能源的無(wú)效損失，進(jìn)一步保障了風(fēng)力發(fā)電的質(zhì)量。在使用交流電勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)組進(jìn)行變速恒頻發(fā)電時(shí)，能夠?qū)︼L(fēng)力發(fā)電起到較大的積極作用，發(fā)電機(jī)組在工作的過(guò)程中，能夠?yàn)橥度胭M(fèi)用帶來(lái)一定的節(jié)約，這是因?yàn)槔眠@種方式對(duì)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行控制時(shí)，實(shí)際的功率要比額定功率小很多，從而就會(huì)使相應(yīng)的裝置在體積上也不用過(guò)大，費(fèi)用投入相應(yīng)就不會(huì)太大，有助于廣泛使用。另外，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)組構(gòu)成裝置在使用時(shí)做出了一定的調(diào)節(jié)，在速度發(fā)生變化時(shí)，裝置間能夠形成的機(jī)械應(yīng)力就會(huì)相應(yīng)的得到減少，對(duì)機(jī)組的運(yùn)行進(jìn)行控制時(shí)相對(duì)就便捷、機(jī)動(dòng)，使風(fēng)力發(fā)電的效率和質(zhì)量都能得到有效的提高，進(jìn)而推動(dòng)電力事業(yè)的長(zhǎng)久發(fā)展。

結(jié)束語(yǔ)：

風(fēng)能源是大自然提供的，具有可再生性，也是一種環(huán)保能源，利用風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電拓展電力事業(yè)，對(duì)于滿足我國(guó)生產(chǎn)生活用電需求有很好的幫助。而且隨著科技的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也會(huì)不斷的完善和成熟，風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用也會(huì)逐漸廣泛。因此，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)以及風(fēng)力發(fā)電技術(shù)要加大研究和創(chuàng)新，切實(shí)的提高風(fēng)力發(fā)電的利用效率，使電力的發(fā)展能夠更進(jìn)一步。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙俊文.試論風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制方法改進(jìn)策略研究[J].科技資訊， 2014， 12（16）：125-125.

[2]郎春雷.試論我國(guó)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的未來(lái)發(fā)展[J].科技與企業(yè)， 2015（18）：198-198.

[3]沈亞林.直激式壓電風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[D].浙江師范大學(xué)， 2016（11）：236-237.