风力发电机原理及风力发电技术

风力发电机原理及风力发电技术

郑志健

（福建省福能新能源有限责任公司福建省莆田市351100）

摘要：世界能源发展面临资源紧张，环境污染和气候变化的问题严重。这也是中国迫切需要调整的，所以要发展清洁能源。风力发电作为一种可再生能源，取之不尽，用之不竭，是一个朝阳产业。从风力发电机的原理和风力发电技术，本文分析了原理和双馈感应发电机、永磁直驱风力发电机的特点和现状的风力发电在中国。

关键词：风力发电；原理；风力发电技术

前言：风能作为一种清洁可再生的能源，取之不尽，用之不竭。在过去，人们用风车来抽水、用帆助力船舶启航，现在风电已经越来越多的进入人们的视野，不仅因为它的清洁的可再生能源，更重要的是改变目前能源供热有限的、不可再生的、环境污染和气候对人类的生存环境是亮着红灯，这决定了清洁能源的发展。风能作为清洁能源之一，在我国具有一定的发展基础。随着能源结构的不断调整，风力发电将具有广阔的发展前景。风力发电正成为世界上的一股热潮，因为它的燃料来自大自然，也不会产生辐射和空气污染。风力发电在国外也很受欢迎，并且也在中国西部地区应该大力提倡。风能利用利用自然能。

1、风力发电机

风力涡轮机也称为风车，是将风能转化为机械功的动力机械。机械动力驱动转子旋转，最终输出交流电源设备。广义上说，风能也是发点，称为风力发电机。它是一种以太阳为热源，大气为工作介质的热发电装置。一般来说，3级风具有利用价值。

风力发电的原理与传统风车相似。风速带动叶轮旋转，收集风能，通过增速机加速叶轮的旋转，从而实现发电。但单纯依靠发电机不能完成发电，而是需要一个完整的运行系统。

2、风力发电特性

（一）可再生清洁能源

风力发电是一种可再生的清洁能源，不消耗化石资源，不污染环境。这是火力发电无可比拟的优势。

（二）工期短，可靠性高

现代高技术在风力发电机组中的应用，大大提高了发电可靠性。大中型风力发电机组的可靠性从80年代的50%提高到了98%，比火力发电机组的可靠性高，机组寿命可达20年。

（三）成本低，实际面积小。

从国外风电场的角度来看，风力单位千瓦成本和单位电能价格均低于火力发电，比常规发电更具竞争力。由于国外大中型风力发电机的引入，我国的成本和电价都比火力发电机组要高。但随着大中型风力发电机组的国产化和产业化，风力发电的成本和电价在不久的将来将低于火电厂的成本和电价。火力发电厂、监测站、变电所等建筑物仅占火电厂土地的1%，其他地点还可用于农业、畜牧业和渔业。

（四）简单的运行维护和发电的多样化发电。

现代大中型风力发电机组自动化水平高。他们可以在无人值守的情况下正常工作。它们只需要进行定期检修，因此不存在火电检修问题。风力发电不仅可以并网，还可以与柴油发电、太阳能发电、水电机组等其他能源形成互补系统，也可以独立运行。为解决边远地区用电问题提供了切实可行的途径。

3、风力发电机的分类和组成

（一）风力发电机组的分类

目前，投入运行的并网发电机可分为定速、定速两大类。风力涡轮机是将风能转化为电能的装置。根据自己的发电能力，风机可分为小型（10KW），中型（10-100kw）和大型（100KW以上）的风力涡轮机。

根据主轴与地面的相对位置，可分为水平轴风力机和垂直轴风力机。水平轴风力机是世界上最成功的风力发电机形式。其主要优点是能减小地面扰动对风力机动态特性的影响。

（二）风力发电机的组成

一般大型工业风力发电机组应具备下列部件：

机舱：机舱装是风力发电机的关键设备，包括变速箱和发电机。维修人员可以通过风力涡轮机塔进入机舱。机舱的左端是风力发电机的转子，即转子叶片和轴。

转子叶片：捕捉风并将风传递到转子轴上。在现代600千瓦风力发电机上，每个旋翼叶片的长度约为20米，设计得像飞机机翼。

轴心：转子轴与风机低速轴相连。在现代600千瓦风力涡轮机上，转子速度相当慢。轴上有一个用于液压系统的管子，用来激励气动水闸的工作。

齿轮箱：齿轮箱的左侧是低速轴，高速轴可使速度提高到低速轴的50倍。

高速轴及其机械闸：高速轴每分钟转速为1500转，驱动发电机。装有气动水闸故障或风轮机修理时要紧急闸门。

发电机：通常称为异步电动机或异步发电机。我国风力发电机的功率输出通常为500～1500千瓦。发电机和变速箱通常是风力发电机最关键的部件。

偏航装置：用电动机转动发动机室，使转子垂直于风。偏航装置由电子控制器操作，电子控制器通过风向标感知风向。

4、直接驱动永磁同步发电机

顾名思义，直接驱动是由新的电机运动执行部件直接驱动的，即电机直接驱动机器运行，没有中间机械传动环节。直驱风力发电机也被称为永磁体无齿轮风力发电机，也就是说，这种材料还没有被磁化，永磁材料的退磁一般是不存在的，也被称为“硬磁材料”。直接驱动的永磁同步发电机是由多极电机与叶轮直接连接驱动的。它消除了传统的齿轮箱组件，增加了磁极的对数，使电机的额定转速降低。众所周知，变速箱是风力发电机最易损坏的部件，直接驱动永磁同步发电机的可靠性要高于双馈发电机。当叶轮吸收风能时，它将转化为机械能。它将通过主轴传递给发电机，所产生的电能通过全功率变换器连接到变压器。

因此，直驱永磁同步发电机无齿轮箱，具有以下优点：省去了齿轮箱的机械部件，传动结构可以进一步简化，大大降低了传输损耗，提高了机组的可靠性，提高发电效率，在低速环境下优势更明显；各部件的数量减少，同时避免零部件的损坏，降低了运行维护成本；同时也大大降低了摩擦噪音，使设备性能更好，电网接入性能也有利于电网稳定运行。但同时也要看到，为了提高发电效率，发电机的磁极数量很大，吨位也比较大，体积也很大。同时，直接驱动永磁发电机的单价更高，技术更复杂。

通过分析，直接驱动永磁风力发电机具有更明显的优势，是未来风电系统发展的一个重要方向，市场份额将逐年增加，并将成为海上风电机组的首选机型之一。随着技术的日益成熟，风力发电在我国风力发电机组中的地位越来越重要。纵观目前的风力涡轮机的情况，得出的结论是：直驱永磁风力发电机和双馈异步风力发电机将跟上中国风电市场，在中国的风力发电市场成为领先的模型。

5、中国风力发电的发展现状

煤炭是中国的主要能源。火力发电是中国发电的主要形式。然而，化石能源的不可再生性和污染性已经损害了人类的生存和发展。提高清洁能源利用率，调整能源结构，发展可再生能源势在必行。世界能源发展面临资源短缺、环境污染和气候变化等三大难题。要解决这些问题，必须走清洁发展之路。风力发电技术已基本成熟，具有推广应用的可行性。

中国幅员辽阔，有漫长的海岸线和丰富的风能资源。根据最新的风能和太阳能资源评估数据，我国的陆地风力发电高度为70米，每平方米200千瓦以上。风能技术开发能力为50亿千瓦，太阳能总土地资源为1兆8600亿千瓦。一些东部沿海带，另外还有内陆地区和一些地方风能资源丰富的地区。

6、结论

中国的风能资源丰富，风力发电在中国具有广阔的发展前景，在国家大力推广清洁能源的背景下，对提高风机制造技术，打造国内风电设备，以及风能资源测量和调查工作具有重要作用，面对全球环境污染和气候问题，清洁能源是唯一的出路，风力发电的发展也是关键环节之一。

参考文献：

[1]蒋宏春.风力发电技术综述[J].机械设计与制造，2010（9）：250-251.

[2]刘晓林.风力发电机主要种类及应用技术浅析[J].电器制造，2009（9）：18-20.