风力发电设备结构性能与相关产业发展探究

□范翀鸣 那蕴达

一、风力发电的基本原理

空气的流动形成风，风遵循空气动力学原理，具有风能。风力发电就是通过风力发电机设备把风能转变成机械动能，再把机械动能转化为电能并输送出去的过程。其原理是利用风力带动风力发电机叶片旋转，再通过增速机提升旋转速度，促使发电机发电，也就是首先通过风力机及其控制系统将风能转化为机械能，再通过发电机及其控制系统，将机械能转化为电能，并最终通过输配电网输送出去。

空气流动产生的风能(Wind Power)是风力发电最终制造出电能的“源泉”，根据风能公式E=1/2(ρtSV3)，可以知道风能的大小主要与风速V(米/秒)、垂直于风速的截面积S(平方米)、空气密度ρ(千克/平方米)三个指标相关，t则为风作用的时间，也就是风力发电机连续运行的时间。风在单位时间内通过单位横截面积的风能大小称为风能密度，也就是t、s的值均为1，其计算公式为W=1/2(ρV3)，是风能大小的重要参考指标。

从上述风能公式可知，一是风能与风速的立方成正比，也就是说风速是影响风能大小的最大因素，这就对风力发电场的选址提供了参考。二是风能大小与风所流经的截面面积成正比，这一截面积对风力发电机来说，指的就是风力发电机的风轮旋转时扫过的面积。一般风力发电机不是以风轮面积而是直径为参数，根据圆的面积计算公式，因此，具体到风力发电机上，风能大小就是与风力发电机风轮直径的平方成正比。三是风能与单位体积内空气的质量也就是空气密度成正比。空气密度值通常与空气湿度、温度以及所处位置海拔等自然条件相关，这也是风电场选址和确定风电机安装位置的重要参考。

现代风力发电机的设计已经充分考虑了空气动力学原理，风并非推动风轮旋转，而是通过吹过风轮叶片时形成叶片正反面的压差，产生升力令风轮旋转并不断横切风流。但即便如此，风电机也不能提取所有风能，根据贝兹定律，理论上风电机所能提取的风能最大比例为59．6%，实际中一般只能达到40%甚至更少。

二、风力发电机结构及基本工作流程

风力发电机是将风能转换成机械能再转换为电能的动力机械，通常被称为风车，其工作原理为首先利用自然风力带动风车叶片旋转，将风能转化为机械能，再通过增速机提升旋转速度，带动发电机发电，将机械能转化为电能。

(一)风力发电机分类。一是小型风力发电机，其主要组成部分包括:风轮、发电机、塔架、调向机构、蓄能系统、逆变器等。二是大型风力发电机，一般由塔架、气动机械、电气两大部分组成。气动机械部分包括转子叶片、轴心、低速轴、增速齿轮箱、高速轴及其机械闸、偏航装置等，这部分的功能为将风能转换为机械能，驱动发电机转子;电气部分包括感应电机或称为异步发电机、电力电子变频器、变压器、电网，主要功能为将机械能转换为恒定输出的电能。

(二)小型风力发电机的构成及基本工作流程。小型风力发电机并非只有一个发电机头，而是由风力发电机、充电器、数字逆变器这个科技含量很高的系统组成。其核心部件风力发电机又包括机头、转体、尾翼、叶片几个部分，其中，叶片用来接受风能并通过机头转为电能，尾翼保证叶片始终对着风来的方向以最大程度获得风能，转体、机头通过灵活转动帮助尾翼实现调整叶片方向的功能。另外，机头的转子是永磁体，通过定子绕组切割磁力线最终产生电能。其工作流程可参见图1。

图1

(三)大型风力发电机的构成及基本工作流程。大型风力发电机从外观大体上可分塔杆、风轮(包括尾舵，但目前一般大型风力发电机已经没有了尾舵)、发电机(机舱)三部分。其基本工作流程为风带动风轮产生旋转运动，将风能转化为机械能，通过齿轮变速箱再将机械能传送到发电机，转化产生电能。

1．风轮。风轮是风力发电机捕获风并把风能转化为机械能的核心部件之一，一般由两只(或更多只)螺旋桨形的叶轮组成。当风吹向叶轮时，叶轮上产生气动力，进而驱动风轮转动。出于最大限度将风能转化了机械能的需要和耐用考虑，桨叶要求用强度高、重量轻的材料制造，比如玻璃钢、碳纤维等复合材料。叶轮形状除常规的螺旋桨型叶轮外，还有S型旋转叶轮等形式。不像小型风力发电机，大型风力发电机的风轮转动得比较慢，也就是转速较低，同时由于自然条件下，风的风力大小和方向会时刻发生变化，使得风轮的转速并不稳定。所以，风轮必须附加一个齿轮变速箱和一个能使转速保持稳定的调速机构，以把转速稳定住并提高到发电机所需的额定转速。有时为了使得风轮始终对着风向以获得最大风能，会在风轮后面装一个尾舵。另外还有一个尾部制动装置，防止当风力过强时，风轮失速。

2．发电机。发电机是整个风力发电系统的另一核心部件，包含有齿轮箱等关键设备，其作用是把自身由风轮带动得到的恒定转速，通过升速再传递给发电机构，把机械能最终转变为电能。其主要部件包括:附着在风电机的低速轴上的转子轴心，将转子轴心与齿轮箱连接在一起的低速轴，连接低速轴与高速轴并可将高速轴的转速提高至低速轴的数十倍的齿轮箱，高速运转并驱动发电机并在空气动力闸失效或风电机维修时制动使用的高速轴及机械闸，转化来自高速轴的机械能为电能的发电机，借助电动机转动机舱以使转子正对着风的偏航装置(这也是一般大型风力发电机没有尾舵的原因)，用于控制偏航装置的电子控制器，用于重置风力发电机空气动力闸的液压系统以及冷却发电机和齿轮箱的冷却系统。

3．塔杆。塔杆是支承叶片、尾翼和发电机的构架，同时吸收机组震动。塔杆一般要达到一定的高度，以便使叶轮能捕获更大、更均匀和稳定的风能，其高度的确定要视所建位置地面障碍物对风速影响的情况以及风轮直径大小等综合确定。另外塔杆还要有足够的强度，以起到稳定支撑作用。

三、中国风力发电技术发展趋势

纵观我国风电产业发展现状、前沿技术应用水平和发展方向，当前主要呈现如下几个突出特点:第一，风电机组单机容量增大趋势明显。近年来，国内风电市场中风电机组的750～850kW增加到2013年的1．5～2．5MW。第二，水平轴风电机组技术因具有风能转换效率高、转轴短等突出优势，已经成为了国内大型风电机组发展的主流机型。虽然大型垂直轴风电机组的相关研究和开发也在进行中，但技术上水平轴风电机组技术仍为主流。同时，变桨变速功率调节技术被广泛采用，双馈异步发电技术仍占主导，直驱式风电技术发展迅速，全功率变流技术得到了迅速发展和广泛应用，大型风电机组关键部件性能日益提高。第三，我国风电设备的产业链已经形成，甚至在部分基础结构件、铸锻件等领域已经具有优势单机容量呈现持续增大的趋势，为今后的快速发展奠定了基础。

［1］方胜杰．浅谈风电站的组成、设备及发电原理［D］．华北电力大学，2011

［2］董丹丹．我国的风电技术和风电发展［EB/OL］．http://wenku．baidu．com:2012-4-26

［3］深度解析:2013—2014年我国大型风电产业发展概况［EB/OL］．http://news．bjx．com．cn/，2014-12-1