论风力发电及风力机械特性

论风力发电及风力机械特性

张恒

北京京能清洁能源内蒙古分公司察右中风电场  内蒙古 乌兰察布 013550

摘要：面对着经济与科学技术的迅速发展，国家企业居民对能源的需求也越来越迫切，对于能源的需求量也越来越高，传统的使用煤炭石油作为能源供应原料的方式已经不能满足人们日益增长的需求，这时人们通过先进技术的应用，加大了能源开发的力度，开发出一系列新型的清洁的可再生能源，比如风能、潮汐能、太阳能、地热能等，其中风能是清洁可再生能源的重要代表，风能被广泛的应用到发电领域，为解决人们日益增长的电力需求提供了很好的途径。本文将对风力发电以及风力机械特性进行详尽的论述，希望对读者有所帮助。

关键词：风力发电；风力机械；特性；探究

引言：近年来，传统化石能源供应日益紧缺，传统化石能源造成的环境污染问题日益严重。在这种情况下，开发和使用新能源的研究与工作就变得非常重要了。风能作为一种高效、清洁的能源，无疑已成为开发利用的重要对象。风能作为一种可再生能源，与热能和核能相比，它清洁且不污染环境，风能不会出现污染排放的情况。在我国经济发展的十多年中，许多能源使用错误和效率低下以及环境破坏已经发生。全世界已经频繁出现自然灾害、雾霾、沙尘暴等常见直接的例子。从地理上看，我国处于亚热带。全年大部分时间为季风气候，有着大风的特点。     此外，我国有很大的崎岖丘陵和广阔的平原。这可以使许多风力发电机用于大规模风力发电。在风力能源利用方面，一方面风能干净无污染，在使用过程中不会对环境造成污染，另一方面，我国的地势非常适合风力发电的工作，所以我国开始大力支持风电建设。

1 风能发展的历程

风能资源利用的想法诞生于一九三零年代，许多国家已经有着一些应用经验。

例如利用转子技术研制成功的小型发电机，在迎风岛和偏远村庄等强风环境被广泛应用。电力生产的成本远低于热能生产的成本。在接下来的几十年来，科学家们一直在努力制造效率更高的风力发电机。到一九七八年年，美国所研制的风力发电机的电能生产量足以达到两百千瓦。风能产生的基本原理是将风的动能转化为机械能的情况下，再将机械能转换成电能。风力发电机叶片通过风力进行旋转，并将接收到的风能转化为发电机发电的动能。根据其目的，迄今为止可用的最先进的风力发电技术的传输速度为每秒三米。西方仍然主导着风能技术的主要科研技术。这是因为许多西方国家风能在总发电量中的份额占比非常大。目前，在我国建设一个全国性的电网还是有着一定难度的。在成本方面，每秒四米的风速有利于风力发电。由于我国较为特殊的地理位置，我国风能资源十分丰富。在我国的大多数地方，风速可以达到每秒三米。东北，西北和西南高原是一年三分之一时间都有着强风的地区。在这些地区的风能发展前景是非常广阔的。

2.发展风力发电产业的意义及可行性

风力发电产业的产生与发展有其必然性和重要的意义。我国作为一个人口大国，相对有限的资源储备与较为庞大的人口基数和能源需求之间形成了鲜明的对比，资源需求与供给之间的矛盾十分突出。与此同时我国传统的工业生产对能源的耗费十分突出，尤其是对石油、煤炭资源的耗费，国内为了稳定石油、煤炭资源的供给做出了很大的牺牲，从长远来看开发新的清洁的可再生能源成为了一条必由之路。

风能的开发可以很大程度上实现节约人力物力的目标。通过风力发电的研发与应用可以有效的缓解国内能源紧缺的现状。在进行风能发电的应用过程中，风能的一个显著突出的特点是其清洁无污染的特性，传统的火力发电过程会产生大量的污染物，对空气环境造成严重的污染，在发电过程中很难做到经济发展与环境保护相协调，长此以往人们必将受到由于破坏自然环境带来的报复，目前国内土地荒漠化严重，雾霾沙尘暴灾害频发，环境的恶化不得不引起人们的重视。风能作为清洁无污染的可再生能源，受到国家企业的青睐，具有广泛的发展潜力与广阔的发展前景。

我国风力发电产业的发展潜力是巨大的，我国幅员辽阔，很大一部分国土地处亚热带、温带季风气候区，常年盛行东南、西南季风以及西北季风，风能充足。同时我国国土平原丘陵地形占比比较大，为风力发电机械设备的安装提供了广阔的空间。无论从环境保护还是从能源利用效率以及地理空间气候特点等方面来说我国发展风力发电具有很大的可行性。

3、风力发电系统结构组成

风力发电原理不复杂，结构很清晰。叶轮由自然风驱动，风能转化为机械能。通过逐步传递，发电机转动轴将机械能转换为电能，然后通过一系列整流装置转换功率和参数，进入国家电网。小型发电设备可通过蓄电池储存电能，通过变电站设备将其转化为直流电，直接为直流设备供电，或通过逆变器将其转换为交流电，并提供电力设备交流。详细的结构分析如下所示。

4、风力发电机械特性

（1）风速模型。自然风的变化是复杂的，平均风功率由数学模型叠加而成。自然风中存在随机波动，这就需要在平均风速的基础上叠加直接分量。

（2）叶尖速比。测量风轮速度的参数。这是不连续的圆周速度与风速的比值。

根据贝兹理论，风机的能量在自然风中是有限的，能量转换导致风速的降低。在空气质量密度、风轮半径和风速不变的情况下，风能捕获轮的单位时间与利用系数成正比。在固定风速下，风力机数量的变化将导致风能利用率的变化。

（3）输出功率特性。所有机器都有运行效率问题，风力发电的启动需要一定的时间来克服内部阻力，起动转矩的大小取决于发电机的内阻。因此，发电机开始需要一个最小风速，当自然风强度小于最小风力时，风力发电机就不能工作。在风力发电厂建设之前，必须调查当地风能资源的类型和性质，根据当地风速和切割风速确定合适的发电机模型，使其正常工作。

（4）风力发电机直流电机仿真方案。风力发电机组的输出功率与风力发电机的转速和风速有关。在确定转速和风速的条件下，计算出输出功率和机械转矩。风力机和电动机的功率特性非常相似。根据风力机的数学模型计算出风力机的输出功率，并将其作为直流电机的控制指令进行控制。

5 风能控制策略

智能风能在风力发电机出现不足的地方发挥作用，通过自动监控何时使用足够的电量和电池，来调整最大输出与尖端速度的比率。当前最大功率监控软件主要包括两个：风速的自动控制和风扇速度反馈方法。自动风跟踪是使用风速计测量自然风，根据最佳风机负载曲线计算实际功率输出和供应功率之间的差异，由调节器调节风力流量以调节风力输出。风扇速度反馈是发电机功率输出与自然输出之差。这种将风速比转换为发电机功率与机器速度的关系使整体结构更的容易更简单，并且可靠稳定。

总结：能源在世界经济发现过程中有重要的意义，是经济发展不可或缺的物质基础，针对能源利用效率的提升一直是国内外国内外专家学者所关注的问题。地球上传统的煤炭石油资源已经日渐枯竭，并且在使用过程中还会产生一系列的温室气体，使得全球变暖日益严重。因此开发清洁能源刻不容缓。本文对风力发电以及风力机械特性进行了论述，涉及到了发展风力发电产业的意义及可行性、风力发电系统的整体结构等内容，希望对读者以及清洁能源的开发者有所帮助。

参考文献：

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[4] 姚兴佳;《风力发电机组设计与制造》[J]; 教材；2012年10期