風輪發(fā)電機

風輪發(fā)電機的硬件控制系統(tǒng)主要由三部分組成：數據采集——由磁泡存儲器完成；發(fā)電機控制——由微處理機執(zhí)行；整個系統(tǒng)的遙控——由調制解調器接口擔負,它監(jiān)控發(fā)電機運行情況,并可以通過電話線自動報警。

1、控制器

發(fā)電機控制器是一標準結構的微型PIPS——系統(tǒng)。它采用分布式結構,其設備配置以處理機為基礎?？刂破餮b在25米高的塔頂發(fā)電機艙內,控制機艙轉向和調節(jié)三個米長的葉片間距,從而保證最佳發(fā)電能力。

它還控制風輪機的輔助操作,如準備、起動、停機、發(fā)電、分析報警條件、向操作員和數據采集系統(tǒng)傳送數據等。

控制器監(jiān)控72個數字的輸入輸出,12個模擬輸入,2個脈沖序列輸入和2個串行通信端口整個軟件周期為60毫秒,每半周專用于非線性俘點控制算法，運算精度為32位。

處理機與外圍設備之間的數據傳輸是在專門的BM總線上進行的微處機到微處機的數據總線是一個使用軟件協(xié)議的四線裝置,是一個通用的數據和參量固化插件,它把信息分別送到顯示器,VDU打印機,磁盤或固體存儲器。

2、數據采集

微監(jiān)視器16一MB₁₂₈的數據采集器在一個128KB比特的磁泡存儲器中存有采集到的數據該采集器最多可監(jiān)控72個數字輸入輸出,6個脈沖序列和16個模擬輸入它的軟件包括MICE，Micromimic，MABIS風力發(fā)電機設計的特制插件。

3、遙控操作

風輪發(fā)電機和數據采集系統(tǒng)與控制中心不在一地之間的通信是必不可少的,因此,需要設計包括調制解調擴展設備,使風輪控制器或數據采集系統(tǒng)能夠直接同控制中心聯(lián)系,自動報告事故。反向連接可以使控制中心直接從遠處控制風輪機和存取磁泡存儲器數據。

4、系統(tǒng)操作

起動系統(tǒng)有三種方法按塔艙按紐通過塔基本地終端通過調制解調線路和調制解調擴展接口裝置在遠程終端上遙控。系統(tǒng)起動后,所有步驟都自動進行。

根據盛行風的條件變化,起動或停機。在理論上,系統(tǒng)操作可看成是四種實時動能的并行動作：

（1）從控制器到本地終端、遠程終端,以及磁泡數據采集系統(tǒng)之間的通信；

（2）監(jiān)視,計算和控制機艙轉向正確的風向；

（3）監(jiān)視、分析,控制和報告不適合的風力條件；

（4）確定風輪發(fā)電機動作的狀態(tài)順序,即準備狀態(tài)起動方式發(fā)電方式和停機。

風能開發(fā)利用和風電機技術是一項高新技術，其復雜程度和制造工藝要求不亞于先進的蒸汽輪機、燃氣輪機技術和現(xiàn)代飛機螺旋槳技術。它同時涵蓋了能源工程學、天體學、氣象學、空氣動力學、機械設計與制造、新材料科學、機電工程、電力電子學、自動控制、磁浮技術、飛輪儲電技術、計算機技術、環(huán)境科學，直至仿生學等十多門相關學科，它是一項綜合性很強的復雜的集成創(chuàng)新技術。要想開發(fā)出領先世界水平的新型風輪發(fā)電機產品，僅僅具有風能科普知識和某一門專業(yè)技術是遠遠不夠的。

世界上流行的傳統(tǒng)的塔架式三葉片風輪發(fā)電機雖然已經商品化了，優(yōu)點是結構簡單、制造成本低、資金回收快。但從能源利用效率看，這種塔架式三葉片風電機存在著捕獲風能效率低；輕風難啟動(≤1.6m/s)，大風又停轉(≥20.7s/m)的2大缺點，為此應該科學地采用以下多項先進和高效的新型風輪機技術，以克服傳統(tǒng)風輪發(fā)電機的局限性。 2100433B

在全球范圍內，風能有巨大的蘊藏量，它可再生，無污染，是人類社會經濟可持續(xù)發(fā)展重要的新能源、主要的替代能源和可再生能源。它也是包括太陽能、水利能和生物質能等在內的可再生能源中最具產業(yè)化基礎和大規(guī)模開發(fā)的綠色能源。

如今國際社會已進入可持續(xù)發(fā)展的低碳經濟時代，人類逐漸擺脫高消費、高能耗、高污染和高排放的生活模式，而進入以低能耗、低污染和合理消費為基礎的低碳科學的經濟發(fā)展模式，節(jié)能減排和低碳經濟已經成為世界主題。大力發(fā)展風電，增加風電在能源結構中的比例就相當于減少了化石燃料的污染物排放和碳排放，對實現(xiàn)低碳目標具有重要的戰(zhàn)略意義和現(xiàn)實意義。

在世界上，風力發(fā)電得到了迅速發(fā)展。2000年，全球風電裝機總容量僅為1173萬MW，到2008年底全球風電總裝機容量已達到12萬MW。特別在中國，風電發(fā)展翻倍增長，成為世界風電發(fā)展最快的國家和亞洲風電第一大國。盡管如此，我國風能開發(fā)仍然有巨大空間和艱巨的研究任務，其中很重要的方面在于如何通過新的技術手段最大可能地提高風能利用率。對此，在國際上有關高效風輪發(fā)電機等新技術的研究已成為風力發(fā)電技術創(chuàng)新與發(fā)展的熱點，近年來已經取得了許多研究成果。在世界范圍內了解與借鑒高效風輪發(fā)電機新技術的研究進展，將有助于我國風電學術研究和技術創(chuàng)新，增強風電開發(fā)實力，并有力地推動我國風電事業(yè)的發(fā)展。

1、相向旋轉的雙級葉輪風輪機

根據阿·貝茨(AlbertBetz)在1926年建立的原始理論，單級轉子的最大風能利用效率不超過59.3%，其理論的假設條件是風輪機的排風速度為進風速度的1/3。亦即相當于風輪機吸收了來流進風能量(動能)的2/3。這是理想情況，實際上所有單級轉子葉片達到以上理想效率是很困難的。單級三片葉輪風力機很難達到40%的風能轉換效率。中國空氣動力研究與發(fā)展中心曾對單向旋轉的水平軸風輪機進行了風洞實測，其風能轉換效率只有23%～29%。亦即有71%～77%風能被單級葉輪結構的風輪機白白浪費掉了。美國阿帕(Appa)技術創(chuàng)新公司對多個相向旋轉雙級葉輪的風輪機(見圖1)的研究測試表明，前后安裝相向旋轉結構比單向單級葉輪風力機可以多獲得30%～40%的風能。

實驗測試證明，相向旋轉雙級葉輪風輪機比單級葉輪風力機具有以下3個優(yōu)點：

1)提高風輪機風能轉換效率30%～40%，相當于從同樣的風電場中多獲得30%～40%的功率。

2)兩側葉輪轉子的力矩與質量彼此平衡，使得風塔的重力力矩與彎曲應力大為減少。而且雙轉子葉片系統(tǒng)的擾流、抖振現(xiàn)象更不容易發(fā)生，增強了風輪機運行穩(wěn)定性，有利于保障風電機20年的技術壽命。

3)在規(guī)劃建設限定的一定風電總功率條件下，采用雙級葉輪結構風輪機的風電場的占地面積可以大大縮小，塔桿數量也大為減少。這樣可使風電場經濟上獲益，額外成本投資回收期大為縮短，可吸引更多的開發(fā)商向風電場建設投資。

2、全永磁懸浮風輪發(fā)電機新技術

全永磁懸浮風輪發(fā)電機，其發(fā)電功率可提高20%以上，風輪機主軸、風電機主軸等均采用全永磁懸浮結構，其主要優(yōu)點是轉子和軸承處于真空條件下，又無接觸、無機械摩擦、無須潤滑，無振動、無噪音、無污染；可實現(xiàn)高轉速、高精度、高剛度、高可靠性、高壽命；無須控制，無須機械維修，可使風電機運行20年技術壽命的指標得以保障。

全永磁懸浮軸承與傳統(tǒng)的機械式軸承相比，還可以做到“輕風啟動，微風發(fā)電”。其啟動風速可以低到1.5m/s，大大低于傳統(tǒng)風電機的3.5m/s，從而擴大了風輪機的風速工作范圍，提高了風能的時間利用率，使年發(fā)電量增加，示范證明，可使風電成本下降50%。在成本上可與水電、煤電形成競爭。永磁材料是中國的資源優(yōu)勢，儲量占世界的85%以上，原料非常廉價。如“磁王”釹鐵硼(NdFeB)約10元/kg左右，出口價18元/kg。而國際“磁王”價格卻高達1000美元/kg。磁浮技術我國已自主掌握，這項新技術的研發(fā)成功和批量生產，使得我國乃至世界的風能發(fā)電技術取得了關鍵性的突破。

磁浮軸承技術開發(fā)范例：中國環(huán)球風能科技有限公司早在第六屆中國高新技術成果交易會上就展出了基于磁懸浮原理無阻尼的風力發(fā)電機技術，將風輪機直接驅動發(fā)電機運轉發(fā)電，從而極大地降低了發(fā)電機的機械與摩擦阻力。該項先進技術的應用，使風力發(fā)電機的風能利用率平均達到60%以上，延長了風電機的工作時間，使風力發(fā)電成本有望與火力發(fā)電成本相媲美。

中科恒源風電公司于5年前就宣布擁有了國際原始創(chuàng)新的磁懸浮風力發(fā)電機，并且已通過技術鑒定。2006年9月該成果已入選“世界十大綠色發(fā)明”。磁懸浮風力發(fā)電機與普通風力發(fā)電機相比的優(yōu)勢，在于輕風就能啟動發(fā)電，在相同的風速下，全年的發(fā)電量比傳統(tǒng)風電機至少提高20%，特別是在風力較弱的風能貧乏區(qū)域使用最為理想，大大地擴大了全國風電場選址范圍，可更加充分地利用風能資源。該機甚至可以應用在中國和世界各地星羅棋布的高速公路旁的燈桿上。安裝這種輕飄的磁浮風電機可充分地利用汽車在行駛過程中兜風形成的氣流發(fā)電，供路燈照明使用。

3、風筒式的風輪發(fā)電機

基本原理是根據流體力學的伯努利方程，位于風筒式喉道處的空氣流速度，因截面收縮而加快，故可進一步提高風輪機效率。

我國著名的科學家錢學森早在20世紀50年代就提出了稱之為“風洞式風車”的概念，即利用附加的擴壓器在葉輪的后部造成一個低壓區(qū)，從而增加了通過葉輪的空氣流量，達到提高風輪機效率的目的。與常規(guī)不帶筒的水平軸風電機相比，不僅可使風輪機速度提高，增加輸出功率，而且還可以增加系統(tǒng)的抗風能力。為了提高風機的效率，美國洛杉機一家公司在20世紀70年代也設計出一種帶套筒的“增能風力發(fā)電機”(見圖2)。這種風輪機葉片周圍裝有圓錐形套筒，使風通過風輪時產生一段具有抽吸作用的低壓區(qū)，可使通過葉片的風速增加1倍以上。風洞試驗發(fā)現(xiàn)帶有套筒的風輪機比裸露葉輪的風電機發(fā)出高5倍多的電力。在解決了高抗彎強度的“復合材料”的風筒之后，該公司在新西蘭制造了2臺高達21層樓房高的增能風力發(fā)電機。每臺能產生3MW的風電。新西蘭最近又研制出一種新型發(fā)電用風力渦輪機，能以吹來風速的3倍速度吸入流過的葉輪。實際證明，有筒罩的風力渦輪機比無罩風力渦輪機輸出的功率大6倍以上。

美國的一家制造公司于2004年7月成功地推出了一種導管式風扇風輪發(fā)電機，與常規(guī)三葉片裸露葉輪機相比具有更安全、無震動、無噪音的優(yōu)點，更適合安裝在城市和農村樓頂與房頂上。這種新型結構的風輪機對擴大其使用范圍和克服風輪機噪聲大的缺點具有特殊意義。

德國斯圖加特大學已研發(fā)出一種以風輪機為推動力的三輪自行車。該車采用鋼材和碳纖維制造的短筒式雙向旋轉的風輪機結構，這種新型結構提高了風能的轉換效率。它實際上是將“套筒式”和“相向旋轉葉輪”2種新技術組合在一起了。美國格倫曼公司開發(fā)成功一種帶有擴散筒形的增強型風輪機，據測算當風輪直徑達到20m時，風力發(fā)電機的功率輸出有明顯的提高。

綜合以上風輪發(fā)電機的新技術，正向著超大容量、高穩(wěn)定性、高可靠性，特別是向高效率的智能化風電機組方向發(fā)展。

4、變槳距、變速型的雙饋直驅永磁式風輪發(fā)電機

與傳統(tǒng)機組相比較，該機組具有以下優(yōu)勢：

1)變槳距可根據變化的風速改變葉片的槳距角，使升力型葉片始終保持空氣動力學優(yōu)化狀態(tài)，同時可調節(jié)風輪的轉速。另外，可采用離心錘式變槳距或采用電力電子技術來實現(xiàn)槳距控制。

2)變速運行比定速運行系統(tǒng)每年可以多捕獲大約1/3的風能，使得變速系統(tǒng)在低速區(qū)域商業(yè)投資可行，可為風力發(fā)電裝機打開一個全新的市場，其變速風機技術市場份額在逐年增長。變速風電機的風電轉換效率提高20%～30%，不但提高了產能，而且也提高了電能的質量。該機電能波動更小是因為風輪慣量可起到能量緩沖作用。

3)變速緩沖使機械應力更低，陣風加速葉片旋轉而不是扭矩沖擊載荷。相對的風機噪聲也大為降低。

4)變速運行優(yōu)越性之三是提高了風電機的最高進風速度，擴大了風輪機速度運行上限范圍，提高了風能的時間利用效率，以及高風速可產生更高的電功率。

新技術開發(fā)范例：沈陽風電公司開發(fā)制造的SY2FD-A/B型系列變槳距/變速型直驅式風力發(fā)電機組，具有離心錘式變槳距功能，采用稀土永磁發(fā)電機直接驅動。當風速增大時，離心錘受離心力作用，帶動葉片改變槳距，且自動控制槳距，高效地利用了風能。同時該機組可隨風速變化同步自動調整葉片迎風角，當出現(xiàn)大風速時也能夠高速運轉，照常發(fā)電；智能控制系統(tǒng)自動跟蹤風向，與風向保持一致，且始終保持平穩(wěn)偏航轉動；實現(xiàn)了無人職守，但也保留了手動控制與維護。該公司對風電機組不斷改進和創(chuàng)新，產品銷往我國各地，并出口到美國、加大拿和愛爾蘭等國家?？梢娦录夹g是企業(yè)的生命力。

風輪機，即“風力機”。

2019年5月10日，《風力發(fā)電機組—風輪葉片紅外熱像檢測指南》發(fā)布。

2019年12月1日，《風力發(fā)電機組—風輪葉片紅外熱像檢測指南》實施。

2018年12月28日，《風力發(fā)電機組—風輪葉片全尺寸結構試驗》發(fā)布。

2019年7月1日，《風力發(fā)電機組—風輪葉片全尺寸結構試驗》實施。