风力发电原理及应用探讨

风力发电原理及应用探讨

赵广东

关键词：风力发电；原理；应用探讨

一、风力发电原理

风力发电的原理是把风能转化为机械能，再将机械能转化为电能进行输出。具体过程是通过风带动风机叶片转动，从而使发电机内部线圈旋转切割磁场，最终产生感应电流，并被储能装置以电能的形式储存起来。通常风力发电机由风轮叶片、低速轴、高速轴、风速仪、塔架、发电机、液压系统、电子控制系统等部件组成。其中，风轮是将风能转化为机械能的装置，根据风向的变化调节风轮方向，可以最大限度地利用风能。塔架是连接支撑风轮和发电机的支架，其高度是由周围地势和风轮大小决定的，以确保风轮的正常运行。发电机是将风轮产生的机械能转化为电能的装置。在风机构造中，定义风轮叶片尖端线速度与风速之比为叶尖速比，是风机的重要参量，其大小是影响风机功率系数的重要参数。通过设计风轮的不同翼型和叶片数，可以改变叶尖速比。风机组的功率调节是风力发电系统的关键技术手段，其主要方式包括定桨距失速调节、变桨距失速调节和主动失速调节三种。定桨距失速调节将风机叶片和轮毂固定，叶片顶角不能随风速进行调整，其结构相对简单，可靠性强，风机输出功率随风速而变化，因此在低风速下其利用率较低。变桨距调节是通过改变桨距角调整风能的转化效率，尽可能的提高风能转化效率，使风机输出功率保持平稳。主动失速调节是通过叶片主动失速来调节输出功率。当风速低于额定风速时，通过控制系统进行调控；当风速超过额定风速时，变桨系统通过增加叶片攻角使叶片失速，从而限制风轮的吸收功率。

二、互补发电系统

互补发电系统是指2种或多种能源组合起来的复合式发电系统。作用是在风力较弱的时候与其他形式的发电系统组合起来，使得电能输出稳定，常见的互补发电系统主要由以下几种：

（1）风光互补发电系统。风力资源易受地形地势的影响，且与地域位置有关。我国的地域分布及季风气候决定我国冬季风能丰富而太阳能不足，夏季太阳能丰富而风能不足。因此，可以将二者进行很好结合，利用风光互补的发电结构解决风能发电和太阳能发电的随机性，实现电能输出的稳定。该系统尤其适用于风能和太阳能都较为丰富的地方，如：海岛、沙漠、草原、山区等。该系统还适用于小区和环境工程，如：路灯、观景灯、广告牌等。

（2）风水互补发电系统。风水互补发电系统就是将风能发电系统与水能发电相结合的发电系统，当风能发电出现波动时，水电站可以迅速调节输出补偿风能发电。另外，在我国部分地域风能和水能在分布上具有时间互补性，例如我国的新疆、内蒙古、青海等地区，夏秋季风速弱，风力发电输出能力弱，但是这2个季节雨水量较大，水力发电可以补偿部分负荷。春冬季节，雨水量较低，水力发电输出能力较弱，但这2个季节风能较强，风力发电输出较大，能够对水力发电进行稳定性补偿。

（3）风气互补发电系统。风气互补发电系统是指风力发电与燃气发电相互补偿。利用具有快速启停和快速调节负荷特点的燃气发电机补偿风力发电机输出的波动，使得整个发电系统的输出能力在一段时间内保持稳定。目前，风气互补发电系统在新疆地区已经得到了应用。

（4）风柴互补发电系统。风柴互补发电系统是利用柴油发电系统对风力发电系统进行补偿的发电系统，该系统主要应用于孤岛等较为偏僻地域的供电。

（5）风能和生物能互补发电系统。风能和生物能互补的发电系统是利用生物能发电对风力发电进行补偿的发电系统。生物能与其他可再生资源相比可以以燃料的形式储存起来，可以根据负荷的变化人为的改变发电输出量。该系统具有输出稳定、温室气体排放量小等优点，因此该系统具有良好的发展前景。对于互补发电系统不仅限于2种能源相互组合，还可以多种以上的能源相互组合，如：风能、太阳能和生物能互补发电系统，风能、水能和生物能发电互补系统等。

三、我国风力发电的现状及存在的问题

我国幅员辽阔，风力资源极为丰富，十分有利于风电行业的发展。近年来，国家对风电产业的发展十分重视，投入了大量的研发人员和资金，累计和新增风电装机容量世界排名第一。我国风力资源主要分布在地广人稀的西部地区、华北丘陵地区以及东南沿海地区，累计建设了180多家风力发电厂，很好的缓解了当地的用电荒问题。目前我国风力发电系统中的大部分部件和技术都是自主研发，但是核心部件还是依靠国外进口，缺乏自主技术。由于风电技术在我国发展的时间较短，同时我国风力资源分布不均匀，风电技术存在市场化水平低、技术欠成熟、安全保障不足等问题。风力资源分布不均匀导致风电场发的电需要通过远距离输送到需要电的地区，同时风力资源较匮乏的地区无法建设风力发电站，造成风电技术发展不平衡。风能的间歇性和不稳定性也会导致电能质量较低。此外，部分地区对清洁能源的认识不够深刻，忽视了风电技术对环境带来的红利，导致没有对风电资源进行充分开发。由于我国风力发电技术发展时间较短，缺乏自主化技术，很多核心技术和部件还需要依赖西方发达国家，这样就造成被动的技术依赖和过高的资金技术消耗。同时风电传输技术和设备的不完善，风电机组运行存在安全隐患，电力运营管理人才缺乏，都是制约风电技术的瓶颈。当前风力发电行业的商品化程度依旧较低，缺乏一套完善的市场体制来保证行业的稳定发展，国家尚需投入大量人力物力财力来发展配套设施和人员。

四、解决我国风力发电面临问题的举措

针对我国当面风力发电技术面临的一系列问题，需要采取相应措施来提高我国风电技术水平。首先，需要加大研发和管理力度，促进风电产业结构调整，不能过分依赖产品和技术进口，要建立完善的人才培养机制，积极创新，研发出具有自主知识产权的风电技术。其次，由于我国风力资源分布不平衡，需要进一步研发远距离传输的电力设备，让不同地区的风电资源得到共享。同时要进一步普及风电给社会经济和环境保护带来的益处，让更多的人接受风电新能源。再次，针对风力发电市场化普及率低，国家应制定相应措施，鼓励和发展风电技术，对风电企业实行补贴政策，同时要规范风电行业市场化，加强对企业的科学管理，制定完善的经营标准，促进风电市场的健康有序发展。最后，安全是风力发电技术最重要的环节，也是保障居民人身安全的重要因素。因此必须加大风电技术的安全管理，杜绝一切可能发生的安全隐患，在人因稀少的偏远地区增加监控力度，密切关注风电设备的各项运行指标，一旦发现异常，要及时处理。

结束语

我国作为一个能源生产和消耗大国，发展清洁能源对于解决能源短缺和环境保护具有重要意义。风电技术可以减少化石燃料对环境的污染，降低有害气体的排放，保护生态平衡。但是当前风电技术还存在许多问题，因此需要分析具体问题，实事求是，制定相应措施，优化风电产业结构，加大投入力度，促进风电技术的稳步发展。

参考文献：

[1]曲绍源.关于风力发电技术关键问题的研究[J].中国设备工程,2019(08):196-197.

[2]罗鑫锦.清洁能源发电技术的双重性[J].科技风,2019(13):179.