王雪峰

一、国内外相关领域研究进展

风是人们熟悉的一种自然现象，它是由太阳辐射热引起的。太阳照射到地球表面，地球表面各处受热不同，产生温差，从而引起大气的对流运动形成风。风能就是大气流动所产生的动能。大风所具有的能量是很大的。风速9-10m/s的5级风，吹到物体表面上的力，每平方米面积上约有lOkg。风速20m/s的9级风，吹到物体表面上的力，每平方米面积可达50kg左右。台风的风速可达50一60m/s，它对每平方米物体表面上的压力，可高达200kg以上。汹涌澎湃的海浪，是被风激起的，它对海岸的冲击力是相当大的，有时可达每平方米20—30t的压力，最大时甚至可达每平方米60t左右的压力。风不仅能量很大，而且它在自然界中所起的作用也是很大的。它可使山岩发生侵蚀，造成沙漠，形成风海流，它还可在地面作输送水分的工作，水汽主要是由强大的空气流输送的，从而影响气候，造成雨季和旱季。据估计到达地球的太阳能中虽然只有大约2%转化为风能，但其总量仍是十分可观的。全球的风能约为2.74×109Mw，其中可利用的风能约为2×10 7MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。据专家们估计，风中含有的能量，比人类迄今为止所能控制的能量高得多。全世界每年燃烧煤炭得到的能量，还不到风力在同一时间内所提供给我们的能量的1%。可见，风能是地球上重要的能源之一。风能与其它能源相比，既有其明显的优点，又有其突出的局限性。

二、风力发电机的构成与分类及技术

1.风力发电机的构成与分类

风力发电的原理说起来非常简单，基本工作原理是风轮在风力的作用下旋转，将风的动能转变为风轮轴的机械能，风轮轴带动发电机旋转发电。其中风能转化装置称为风力机。现代风力发电机采用空气动力学原理，就像飞机的机翼一样。风并非”推”动风轮叶片，而是吹过叶片形成叶片正反面的压差，这种压差会产生升力，令风轮旋转并不断横切风流，从而带动发电机发电。风力发电机的风轮并不能提取风的所有功率。根据BetZ定律，理论上风电机能够提取的最大功率，是风的功率的5 9.6%。大多数风电机只能提取风的功率的4 O%或者更少。风力发电机按叶片固定轴的方位，可以分为横轴和竖轴两类;按对风方式可分为逆风和顺风风力发电机;按叶片的数量可分为单叶片、双叶片和三叶片风力发电机等。

（1）横轴风力发电机和竖轴风力发电机

横轴式风电机工作时转轴方向与风向一致，竖轴式风电机转轴方向与风向成直角。横轴式风电机通常需要不停地变向以保持与风向一致。而竖轴式风电机则不必如此，因为它可以收集不同来向的风能。横轴式风电机在世界上占主流位置。

（2）逆风风力发电机和顺风风力发电

逆风风电机是一种风轮面向来风的横轴式风电机。而对于顺风风电机，来风是从风轮的背后吹来。大多数的风力发电机是逆风式的。

（3）单叶片、双叶片和三叶片风力发电机

叶片的数目由很多因素决定，其中包括空气动力效率、复杂度、成本、噪音、美学要求。

2.风电机组调节技术

风电机组通过不同的调节方式，以提高发电效率，目前有2种主要的风力发电机组调节技术。

①定桨距失速调节早期的风电机组都以定桨距失速调节技术为主，通常采用同步电机或鼠笼式异步电机，利用桨叶失速控制。在风速超过额定值后，叶片发生失速，使发电机的转速保持恒定，将输出功率限制在一定范围内。其优点是调节简单、控制简化，并能提高风电机组的可靠性和寿命：其缺点是风机启动风速较高，同时需要叶间刹车装置，机组动态负荷较大。

②变速变桨距调节目前风电机组以变速变桨距调节技术为主，通过调速器和变桨距控制技术，使叶轮转速在较宽范围内变化，以取得风能利用率最高。其优点是机组启动性能好，风能转换效率高，提供更好的电能质量，降低风电机组负荷，停机方便安全：缺点是增加了变桨距装置，造成结构复杂，增加了故障率。目前采用变速变桨距调节的风电机组是世界主流技术。

三、风力发电技术的发展趋势

世界风力发电技术已逐渐完善，就其发展趋势而言主要反映在小容量向大容量发展，定桨矩向变桨、变速恒频发展，陆上风电向海上风电发展，结构设计向紧凑、柔性、轻盈化发展等方面。业界关注的焦点在于5MW风电技术，并且目前商业化的风力机的叶轮直径已经超过lOOm。变桨变速设计成为主流，同时直接驱动发电机技术的创新变得十分引人注目。最近的一个趋势是海上数兆瓦级的风机的出现瞄川。随着风电的发展，风电场规模和单机容量越来越大，陆上风电场因受环境因素的制约（占地、运输、吊装、噪声等），人们很自然把目光放到海上风电场。一般认为2MW是陆上风电机发展的极限。巨型风电机其桨叶长度将达60—70m，陆上运输极为困难，安装用的吊车容量将超过1200-1400t，大部分地区不具备这个条件。而这些问题对于海上风电来说相对比较容易解决，海上运输方便（制造厂在海边），海上浮吊容量大（超过1500t的浮吊已比较普遍）。更重要的是，海上风电场的风能资源好，风速大且稳定，年平均利用小时可达3000h以上，每年的发电量可比陆上高出50%。随着风电单机容量的不断增大，为了便于运输和吊装，要求风电机在结构设计上做到紧凑、柔性和轻盈化。特别是其顶部的结构设计，因为巨大型风电机如果按常规计，5MW级的风电机其顶部的重300-500t，因此在设计上要简化系统的结构。如充分利用高新复合材料的叶片，以加长风机叶片长度;省去发电机轴承，发电机直接与齿轮箱相连，被直接置于驱动系统，同时使转矩引起振动最小;无变速箱系统，采用多极发电机与风轮直连;發电机中的中速永久磁铁采用水冷方式;调向系统放在塔架底部，整个驱动系统被置于紧凑的整铸框架上，使荷载力以最佳方式从轮彀传导到塔筒上等。因此，各风电机制造商都在结构设计的紧凑、柔性和轻盈化做了大量工作。我国海岸线较长，可利用的海洋风能资源丰富，发展海上风电场也是我国风力发电的一个发展方向。