風(fēng)輪發(fā)電機(jī)背景

在全球范圍內(nèi)，風(fēng)能有巨大的蘊(yùn)藏量，它可再生，無污染，是人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(zhì)能等在內(nèi)的可再生能源中最具產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)和大規(guī)模開發(fā)的綠色能源。

如今國際社會(huì)已進(jìn)入可持續(xù)發(fā)展的低碳經(jīng)濟(jì)時(shí)代，人類逐漸擺脫高消費(fèi)、高能耗、高污染和高排放的生活模式，而進(jìn)入以低能耗、低污染和合理消費(fèi)為基礎(chǔ)的低碳科學(xué)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，節(jié)能減排和低碳經(jīng)濟(jì)已經(jīng)成為世界主題。大力發(fā)展風(fēng)電，增加風(fēng)電在能源結(jié)構(gòu)中的比例就相當(dāng)于減少了化石燃料的污染物排放和碳排放，對實(shí)現(xiàn)低碳目標(biāo)具有重要的戰(zhàn)略意義和現(xiàn)實(shí)意義。

在世界上，風(fēng)力發(fā)電得到了迅速發(fā)展。2000年，全球風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘績H為1173萬MW，到2008年底全球風(fēng)電總裝機(jī)容量已達(dá)到12萬MW。特別在中國，風(fēng)電發(fā)展翻倍增長，成為世界風(fēng)電發(fā)展最快的國家和亞洲風(fēng)電第一大國。盡管如此，我國風(fēng)能開發(fā)仍然有巨大空間和艱巨的研究任務(wù)，其中很重要的方面在于如何通過新的技術(shù)手段最大可能地提高風(fēng)能利用率。對此，在國際上有關(guān)高效風(fēng)輪發(fā)電機(jī)等新技術(shù)的研究已成為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展的熱點(diǎn)，近年來已經(jīng)取得了許多研究成果。在世界范圍內(nèi)了解與借鑒高效風(fēng)輪發(fā)電機(jī)新技術(shù)的研究進(jìn)展，將有助于我國風(fēng)電學(xué)術(shù)研究和技術(shù)創(chuàng)新，增強(qiáng)風(fēng)電開發(fā)實(shí)力，并有力地推動(dòng)我國風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展。

風(fēng)輪發(fā)電機(jī)的硬件控制系統(tǒng)主要由三部分組成：數(shù)據(jù)采集——由磁泡存儲(chǔ)器完成；發(fā)電機(jī)控制——由微處理機(jī)執(zhí)行；整個(gè)系統(tǒng)的遙控——由調(diào)制解調(diào)器接口擔(dān)負(fù),它監(jiān)控發(fā)電機(jī)運(yùn)行情況,并可以通過電話線自動(dòng)報(bào)警。

1、控制器

發(fā)電機(jī)控制器是一標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的微型PIPS——系統(tǒng)。它采用分布式結(jié)構(gòu),其設(shè)備配置以處理機(jī)為基礎(chǔ)。控制器裝在25米高的塔頂發(fā)電機(jī)艙內(nèi),控制機(jī)艙轉(zhuǎn)向和調(diào)節(jié)三個(gè)米長的葉片間距,從而保證最佳發(fā)電能力。

它還控制風(fēng)輪機(jī)的輔助操作,如準(zhǔn)備、起動(dòng)、停機(jī)、發(fā)電、分析報(bào)警條件、向操作員和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳送數(shù)據(jù)等。

控制器監(jiān)控72個(gè)數(shù)字的輸入輸出,12個(gè)模擬輸入,2個(gè)脈沖序列輸入和2個(gè)串行通信端口整個(gè)軟件周期為60毫秒,每半周專用于非線性俘點(diǎn)控制算法，運(yùn)算精度為32位。

處理機(jī)與外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸是在專門的BM總線上進(jìn)行的微處機(jī)到微處機(jī)的數(shù)據(jù)總線是一個(gè)使用軟件協(xié)議的四線裝置,是一個(gè)通用的數(shù)據(jù)和參量固化插件,它把信息分別送到顯示器,VDU打印機(jī),磁盤或固體存儲(chǔ)器。

2、數(shù)據(jù)采集

微監(jiān)視器16一MB₁₂₈的數(shù)據(jù)采集器在一個(gè)128KB比特的磁泡存儲(chǔ)器中存有采集到的數(shù)據(jù)該采集器最多可監(jiān)控72個(gè)數(shù)字輸入輸出,6個(gè)脈沖序列和16個(gè)模擬輸入它的軟件包括MICE，Micromimic，MABIS風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的特制插件。

3、遙控操作

風(fēng)輪發(fā)電機(jī)和數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)包括調(diào)制解調(diào)擴(kuò)展設(shè)備,使風(fēng)輪控制器或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠直接同控制中心聯(lián)系,自動(dòng)報(bào)告事故。反向連接可以使控制中心直接從遠(yuǎn)處控制風(fēng)輪機(jī)和存取磁泡存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)。

4、系統(tǒng)操作

起動(dòng)系統(tǒng)有三種方法按塔艙按紐通過塔基本地終端通過調(diào)制解調(diào)線路和調(diào)制解調(diào)擴(kuò)展接口裝置在遠(yuǎn)程終端上遙控。系統(tǒng)起動(dòng)后,所有步驟都自動(dòng)進(jìn)行。

根據(jù)盛行風(fēng)的條件變化,起動(dòng)或停機(jī)。在理論上,系統(tǒng)操作可看成是四種實(shí)時(shí)動(dòng)能的并行動(dòng)作：

（1）從控制器到本地終端、遠(yuǎn)程終端,以及磁泡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間的通信；

（2）監(jiān)視,計(jì)算和控制機(jī)艙轉(zhuǎn)向正確的風(fēng)向；

（3）監(jiān)視、分析,控制和報(bào)告不適合的風(fēng)力條件；

（4）確定風(fēng)輪發(fā)電機(jī)動(dòng)作的狀態(tài)順序,即準(zhǔn)備狀態(tài)起動(dòng)方式發(fā)電方式和停機(jī)。

1、相向旋轉(zhuǎn)的雙級葉輪風(fēng)輪機(jī)

根據(jù)阿·貝茨(AlbertBetz)在1926年建立的原始理論，單級轉(zhuǎn)子的最大風(fēng)能利用效率不超過59.3%，其理論的假設(shè)條件是風(fēng)輪機(jī)的排風(fēng)速度為進(jìn)風(fēng)速度的1/3。亦即相當(dāng)于風(fēng)輪機(jī)吸收了來流進(jìn)風(fēng)能量(動(dòng)能)的2/3。這是理想情況，實(shí)際上所有單級轉(zhuǎn)子葉片達(dá)到以上理想效率是很困難的。單級三片葉輪風(fēng)力機(jī)很難達(dá)到40%的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率。中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心曾對單向旋轉(zhuǎn)的水平軸風(fēng)輪機(jī)進(jìn)行了風(fēng)洞實(shí)測，其風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率只有23%～29%。亦即有71%～77%風(fēng)能被單級葉輪結(jié)構(gòu)的風(fēng)輪機(jī)白白浪費(fèi)掉了。美國阿帕(Appa)技術(shù)創(chuàng)新公司對多個(gè)相向旋轉(zhuǎn)雙級葉輪的風(fēng)輪機(jī)(見圖1)的研究測試表明，前后安裝相向旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)比單向單級葉輪風(fēng)力機(jī)可以多獲得30%～40%的風(fēng)能。

實(shí)驗(yàn)測試證明，相向旋轉(zhuǎn)雙級葉輪風(fēng)輪機(jī)比單級葉輪風(fēng)力機(jī)具有以下3個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1)提高風(fēng)輪機(jī)風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率30%～40%，相當(dāng)于從同樣的風(fēng)電場中多獲得30%～40%的功率。

2)兩側(cè)葉輪轉(zhuǎn)子的力矩與質(zhì)量彼此平衡，使得風(fēng)塔的重力力矩與彎曲應(yīng)力大為減少。而且雙轉(zhuǎn)子葉片系統(tǒng)的擾流、抖振現(xiàn)象更不容易發(fā)生，增強(qiáng)了風(fēng)輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性，有利于保障風(fēng)電機(jī)20年的技術(shù)壽命。

3)在規(guī)劃建設(shè)限定的一定風(fēng)電總功率條件下，采用雙級葉輪結(jié)構(gòu)風(fēng)輪機(jī)的風(fēng)電場的占地面積可以大大縮小，塔桿數(shù)量也大為減少。這樣可使風(fēng)電場經(jīng)濟(jì)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(fēng)電場建設(shè)投資。

2、全永磁懸浮風(fēng)輪發(fā)電機(jī)新技術(shù)

全永磁懸浮風(fēng)輪發(fā)電機(jī)，其發(fā)電功率可提高20%以上，風(fēng)輪機(jī)主軸、風(fēng)電機(jī)主軸等均采用全永磁懸浮結(jié)構(gòu)，其主要優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)子和軸承處于真空條件下，又無接觸、無機(jī)械摩擦、無須潤滑，無振動(dòng)、無噪音、無污染；可實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速、高精度、高剛度、高可靠性、高壽命；無須控制，無須機(jī)械維修，可使風(fēng)電機(jī)運(yùn)行20年技術(shù)壽命的指標(biāo)得以保障。

全永磁懸浮軸承與傳統(tǒng)的機(jī)械式軸承相比，還可以做到“輕風(fēng)啟動(dòng)，微風(fēng)發(fā)電”。其啟動(dòng)風(fēng)速可以低到1.5m/s，大大低于傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)的3.5m/s，從而擴(kuò)大了風(fēng)輪機(jī)的風(fēng)速工作范圍，提高了風(fēng)能的時(shí)間利用率，使年發(fā)電量增加，示范證明，可使風(fēng)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(chǔ)量占世界的85%以上，原料非常廉價(jià)。如“磁王”釹鐵硼(NdFeB)約10元/kg左右，出口價(jià)18元/kg。而國際“磁王”價(jià)格卻高達(dá)1000美元/kg。磁浮技術(shù)我國已自主掌握，這項(xiàng)新技術(shù)的研發(fā)成功和批量生產(chǎn)，使得我國乃至世界的風(fēng)能發(fā)電技術(shù)取得了關(guān)鍵性的突破。

磁浮軸承技術(shù)開發(fā)范例：中國環(huán)球風(fēng)能科技有限公司早在第六屆中國高新技術(shù)成果交易會(huì)上就展出了基于磁懸浮原理無阻尼的風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)，將風(fēng)輪機(jī)直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電，從而極大地降低了發(fā)電機(jī)的機(jī)械與摩擦阻力。該項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用率平均達(dá)到60%以上，延長了風(fēng)電機(jī)的工作時(shí)間，使風(fēng)力發(fā)電成本有望與火力發(fā)電成本相媲美。

中科恒源風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)，并且已通過技術(shù)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(fēng)力發(fā)電機(jī)與普通風(fēng)力發(fā)電機(jī)相比的優(yōu)勢，在于輕風(fēng)就能啟動(dòng)發(fā)電，在相同的風(fēng)速下，全年的發(fā)電量比傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)至少提高20%，特別是在風(fēng)力較弱的風(fēng)能貧乏區(qū)域使用最為理想，大大地?cái)U(kuò)大了全國風(fēng)電場選址范圍，可更加充分地利用風(fēng)能資源。該機(jī)甚至可以應(yīng)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(fēng)電機(jī)可充分地利用汽車在行駛過程中兜風(fēng)形成的氣流發(fā)電，供路燈照明使用。

3、風(fēng)筒式的風(fēng)輪發(fā)電機(jī)

基本原理是根據(jù)流體力學(xué)的伯努利方程，位于風(fēng)筒式喉道處的空氣流速度，因截面收縮而加快，故可進(jìn)一步提高風(fēng)輪機(jī)效率。

我國著名的科學(xué)家錢學(xué)森早在20世紀(jì)50年代就提出了稱之為“風(fēng)洞式風(fēng)車”的概念，即利用附加的擴(kuò)壓器在葉輪的后部造成一個(gè)低壓區(qū)，從而增加了通過葉輪的空氣流量，達(dá)到提高風(fēng)輪機(jī)效率的目的。與常規(guī)不帶筒的水平軸風(fēng)電機(jī)相比，不僅可使風(fēng)輪機(jī)速度提高，增加輸出功率，而且還可以增加系統(tǒng)的抗風(fēng)能力。為了提高風(fēng)機(jī)的效率，美國洛杉機(jī)一家公司在20世紀(jì)70年代也設(shè)計(jì)出一種帶套筒的“增能風(fēng)力發(fā)電機(jī)”(見圖2)。這種風(fēng)輪機(jī)葉片周圍裝有圓錐形套筒，使風(fēng)通過風(fēng)輪時(shí)產(chǎn)生一段具有抽吸作用的低壓區(qū)，可使通過葉片的風(fēng)速增加1倍以上。風(fēng)洞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)帶有套筒的風(fēng)輪機(jī)比裸露葉輪的風(fēng)電機(jī)發(fā)出高5倍多的電力。在解決了高抗彎強(qiáng)度的“復(fù)合材料”的風(fēng)筒之后，該公司在新西蘭制造了2臺(tái)高達(dá)21層樓房高的增能風(fēng)力發(fā)電機(jī)。每臺(tái)能產(chǎn)生3MW的風(fēng)電。新西蘭最近又研制出一種新型發(fā)電用風(fēng)力渦輪機(jī)，能以吹來風(fēng)速的3倍速度吸入流過的葉輪。實(shí)際證明，有筒罩的風(fēng)力渦輪機(jī)比無罩風(fēng)力渦輪機(jī)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(dǎo)管式風(fēng)扇風(fēng)輪發(fā)電機(jī)，與常規(guī)三葉片裸露葉輪機(jī)相比具有更安全、無震動(dòng)、無噪音的優(yōu)點(diǎn)，更適合安裝在城市和農(nóng)村樓頂與房頂上。這種新型結(jié)構(gòu)的風(fēng)輪機(jī)對擴(kuò)大其使用范圍和克服風(fēng)輪機(jī)噪聲大的缺點(diǎn)具有特殊意義。

德國斯圖加特大學(xué)已研發(fā)出一種以風(fēng)輪機(jī)為推動(dòng)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(zhuǎn)的風(fēng)輪機(jī)結(jié)構(gòu)，這種新型結(jié)構(gòu)提高了風(fēng)能的轉(zhuǎn)換效率。它實(shí)際上是將“套筒式”和“相向旋轉(zhuǎn)葉輪”2種新技術(shù)組合在一起了。美國格倫曼公司開發(fā)成功一種帶有擴(kuò)散筒形的增強(qiáng)型風(fēng)輪機(jī)，據(jù)測算當(dāng)風(fēng)輪直徑達(dá)到20m時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率輸出有明顯的提高。

綜合以上風(fēng)輪發(fā)電機(jī)的新技術(shù)，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(fēng)電機(jī)組方向發(fā)展。

4、變槳距、變速型的雙饋直驅(qū)永磁式風(fēng)輪發(fā)電機(jī)

與傳統(tǒng)機(jī)組相比較，該機(jī)組具有以下優(yōu)勢：

1)變槳距可根據(jù)變化的風(fēng)速改變?nèi)~片的槳距角，使升力型葉片始終保持空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化狀態(tài)，同時(shí)可調(diào)節(jié)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速。另外，可采用離心錘式變槳距或采用電力電子技術(shù)來實(shí)現(xiàn)槳距控制。

2)變速運(yùn)行比定速運(yùn)行系統(tǒng)每年可以多捕獲大約1/3的風(fēng)能，使得變速系統(tǒng)在低速區(qū)域商業(yè)投資可行，可為風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)打開一個(gè)全新的市場，其變速風(fēng)機(jī)技術(shù)市場份額在逐年增長。變速風(fēng)電機(jī)的風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率提高20%～30%，不但提高了產(chǎn)能，而且也提高了電能的質(zhì)量。該機(jī)電能波動(dòng)更小是因?yàn)轱L(fēng)輪慣量可起到能量緩沖作用。

3)變速緩沖使機(jī)械應(yīng)力更低，陣風(fēng)加速葉片旋轉(zhuǎn)而不是扭矩沖擊載荷。相對的風(fēng)機(jī)噪聲也大為降低。

4)變速運(yùn)行優(yōu)越性之三是提高了風(fēng)電機(jī)的最高進(jìn)風(fēng)速度，擴(kuò)大了風(fēng)輪機(jī)速度運(yùn)行上限范圍，提高了風(fēng)能的時(shí)間利用效率，以及高風(fēng)速可產(chǎn)生更高的電功率。

新技術(shù)開發(fā)范例：沈陽風(fēng)電公司開發(fā)制造的SY2FD-A/B型系列變槳距/變速型直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，具有離心錘式變槳距功能，采用稀土永磁發(fā)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)，離心錘受離心力作用，帶動(dòng)葉片改變槳距，且自動(dòng)控制槳距，高效地利用了風(fēng)能。同時(shí)該機(jī)組可隨風(fēng)速變化同步自動(dòng)調(diào)整葉片迎風(fēng)角，當(dāng)出現(xiàn)大風(fēng)速時(shí)也能夠高速運(yùn)轉(zhuǎn)，照常發(fā)電；智能控制系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤風(fēng)向，與風(fēng)向保持一致，且始終保持平穩(wěn)偏航轉(zhuǎn)動(dòng)；實(shí)現(xiàn)了無人職守，但也保留了手動(dòng)控制與維護(hù)。該公司對風(fēng)電機(jī)組不斷改進(jìn)和創(chuàng)新，產(chǎn)品銷往我國各地，并出口到美國、加大拿和愛爾蘭等國家。可見新技術(shù)是企業(yè)的生命力。

風(fēng)能開發(fā)利用和風(fēng)電機(jī)技術(shù)是一項(xiàng)高新技術(shù)，其復(fù)雜程度和制造工藝要求不亞于先進(jìn)的蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)和現(xiàn)代飛機(jī)螺旋槳技術(shù)。它同時(shí)涵蓋了能源工程學(xué)、天體學(xué)、氣象學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、新材料科學(xué)、機(jī)電工程、電力電子學(xué)、自動(dòng)控制、磁浮技術(shù)、飛輪儲(chǔ)電技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、環(huán)境科學(xué)，直至仿生學(xué)等十多門相關(guān)學(xué)科，它是一項(xiàng)綜合性很強(qiáng)的復(fù)雜的集成創(chuàng)新技術(shù)。要想開發(fā)出領(lǐng)先世界水平的新型風(fēng)輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)品，僅僅具有風(fēng)能科普知識(shí)和某一門專業(yè)技術(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

世界上流行的傳統(tǒng)的塔架式三葉片風(fēng)輪發(fā)電機(jī)雖然已經(jīng)商品化了，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)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(fēng)電機(jī)存在著捕獲風(fēng)能效率低；輕風(fēng)難啟動(dòng)(≤1.6m/s)，大風(fēng)又停轉(zhuǎn)(≥20.7s/m)的2大缺點(diǎn)，為此應(yīng)該科學(xué)地采用以下多項(xiàng)先進(jìn)和高效的新型風(fēng)輪機(jī)技術(shù)，以克服傳統(tǒng)風(fēng)輪發(fā)電機(jī)的局限性。 2100433B

風(fēng)輪機(jī)，即“風(fēng)力機(jī)”。

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

2019年12月1日，《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組—風(fēng)輪葉片紅外熱像檢測指南》實(shí)施。

2018年12月28日，《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組—風(fēng)輪葉片全尺寸結(jié)構(gòu)試驗(yàn)》發(fā)布。

2019年7月1日，《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組—風(fēng)輪葉片全尺寸結(jié)構(gòu)試驗(yàn)》實(shí)施。