風力發(fā)電

風力發(fā)電是一種將風能轉(zhuǎn)化為機械能，再將機械能轉(zhuǎn)化為電能的可再生能源技術(shù)。風力發(fā)電的原理是利用風的動能帶動風車葉片旋轉(zhuǎn)，將動能轉(zhuǎn)化為機械能，將葉輪的轉(zhuǎn)軸連接到減速器上增加轉(zhuǎn)速，通過轉(zhuǎn)軸帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，推動發(fā)電機發(fā)電。

風力發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)由風輪、傳動系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、發(fā)電機、控制系統(tǒng)、機艙和塔架組成。風力發(fā)電可以根據(jù)風力渦輪機和發(fā)電機進行分類。風力渦輪機通常分為傳統(tǒng)型和新型，發(fā)電機可分為DC發(fā)電機和交流發(fā)電機。將風力發(fā)電機組和發(fā)電機作為一個整體系統(tǒng)來考慮，風力發(fā)電機組可以分為四個系統(tǒng):恒速恒頻系統(tǒng)、近恒速恒頻系統(tǒng)、變速變頻系統(tǒng)和變速恒頻系統(tǒng)。根據(jù)安裝位置，風力渦輪機可分為兩種類型:陸上和海上。風力發(fā)電可用于商業(yè)發(fā)電和農(nóng)田灌溉系統(tǒng)。

世界風電發(fā)展史大致可分為以下三個階段。第一階段的主要成就是證明風力可以大規(guī)模和經(jīng)濟地用于發(fā)電。第二階段，風電技術(shù)逐漸成熟，風電產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展，建立了穩(wěn)定的商業(yè)模式。第三階段，20世紀90年代以來，風力發(fā)電發(fā)展迅速。風電的發(fā)展趨勢主要包括海上風力發(fā)電和深海風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，以及智能和數(shù)字化風力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展。

風力發(fā)電具有清潔和可再生、可持續(xù)和可持續(xù)發(fā)展、靈活的建設(shè)規(guī)模和經(jīng)濟性等關(guān)鍵優(yōu)勢。然而，也存在一些缺點，包括風力資源的地理限制、對野生動物和生態(tài)系統(tǒng)的影響、土地占用和公眾接受度受噪音影響等原因。

風力發(fā)電是一種將風能轉(zhuǎn)化為電能的可再生能源技術(shù)。其基本原理是利用風力驅(qū)動風力渦輪機（風機）旋轉(zhuǎn)，并通過與發(fā)電機耦合發(fā)電。

1.風能捕獲:風力渦輪機（風扇）通常由多個葉片組成，這些葉片用于捕獲風。當風經(jīng)過風扇時，葉片將被風推動并開始旋轉(zhuǎn)。通常，風力渦輪機的風輪由兩個或三個葉片組成。在風的作用下，葉片產(chǎn)生升力和阻力。

2.動力轉(zhuǎn)換:旋轉(zhuǎn)風扇通過主軸（軸）與發(fā)電機耦合。當風扇旋轉(zhuǎn)時，主軸也將旋轉(zhuǎn)，通過這種旋轉(zhuǎn)運動，旋轉(zhuǎn)能量將傳遞到連接的發(fā)電機。風輪是一種集風裝置，其作用是將流動空氣的動能轉(zhuǎn)化為風輪轉(zhuǎn)動的機械能。

3.發(fā)電機操作:發(fā)電機是一種將機械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。當主軸旋轉(zhuǎn)時，它將驅(qū)動發(fā)電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子中的導線與磁場相互作用產(chǎn)生電流。

4.電能輸出:通過電氣系統(tǒng)，將發(fā)電機產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)化為滿足使用要求的電能輸出。這包括變壓器將電流調(diào)整到適當?shù)碾妷海约半娋W(wǎng)向消費者輸送電能。

風輪：風力渦輪機風輪的主軸分為兩個方向:水平方向和垂直方向。水平軸風力機的旋轉(zhuǎn)軸與氣流方向和地面平行，因此需要始終保持風輪迎風。優(yōu)點是風輪可以安裝在高地上，從而減少地面物體對風向的干擾。垂直軸風力渦輪機的旋轉(zhuǎn)軸垂直于地面和氣流方向。優(yōu)點是它可以吸收任何方向的風能，即使風向改變，也無需調(diào)整旋轉(zhuǎn)軸。如果風輪在塔前旋轉(zhuǎn)，它就是逆風。如果風輪在塔后逆風旋轉(zhuǎn)，則為順風。

傳輸系統(tǒng)：傳動系統(tǒng)主要由主軸、主軸承、變速箱和聯(lián)軸器組成。主軸也稱為低速軸，安裝在風輪和齒輪箱之間。前端通過螺栓與車輪剛性連接，后端與變速箱低速軸連接。主軸是連接風輪與齒輪箱或發(fā)電機的關(guān)鍵部件。變速箱的主要作用是將風輪產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機，使其獲得相應的轉(zhuǎn)速。通常情況下，風輪的轉(zhuǎn)速很低，與發(fā)電機所需的轉(zhuǎn)速相差甚遠。必須通過變速箱齒輪副的增速來實現(xiàn)，所以變速箱也叫增速箱。齒輪箱中齒輪的相互作用可以有效提高發(fā)電機的速度并確保供電的穩(wěn)定性。

液壓系統(tǒng)：液壓系統(tǒng)由液壓元件和液壓回路組成。液壓元件是由幾個不同零件組成的部件，如液壓缸、液壓馬達、液壓泵、控制閥、油箱、過濾器、蓄能器、冷卻器和管接頭等。液壓回路是由完成特定功能的元件組成的典型環(huán)節(jié)。液壓系統(tǒng)元件包括動力元件、控制元件、執(zhí)行元件和輔助元件。動力元件將機械能轉(zhuǎn)化為液體壓力能，如液壓泵。控制元件控制系統(tǒng)的壓力、流量和方向，并進行信號轉(zhuǎn)換和放大。作為控制元件，主要使用各種液壓閥。執(zhí)行器將流體的壓力能轉(zhuǎn)化為機械能，并驅(qū)動各種機構(gòu)，如液壓缸。輔助部件是除上述三個部件以外的保證系統(tǒng)正常運行的裝置，如油箱、過濾器、蓄能器、管件等。

制動系統(tǒng)：制動系統(tǒng)包括機械制動和空氣動力制動，機械制動是空氣動力制動的補充。氣動制動的可靠性直接關(guān)系到風力發(fā)電機的安全，而葉尖擾流板是實現(xiàn)定槳距風力發(fā)電機氣動制動的主要機構(gòu)。當需要離網(wǎng)停機時，葉尖擾流板在離心力的作用下旋轉(zhuǎn)，形成阻尼板，使風機迅速減速。這個過程被稱為葉片空氣動力制動。氣動制動是一種故障保護裝置，使整個風力發(fā)電機組的制動系統(tǒng)具有高可靠性。

塔：它在風力發(fā)電中起著支撐和連接作用。塔架的支撐作用主要是將風力發(fā)電機組的部件連接在一起，形成一個整體框架結(jié)構(gòu)，使發(fā)電機組能夠穩(wěn)定運行。同時，塔架還可以支撐風力渦輪機和機艙，使它們能夠順利旋轉(zhuǎn)和運行。

發(fā)電機：發(fā)電機是將風能轉(zhuǎn)化為電能的核心設(shè)備。根據(jù)輸出電流的形式，可分為DC發(fā)電機和交流發(fā)電機。根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的關(guān)系，交流發(fā)電機分為異步交流發(fā)電機和同步交流發(fā)電機。異步交流發(fā)電機的轉(zhuǎn)子速度與額定速度之間存在轉(zhuǎn)差，而同步交流發(fā)電機的轉(zhuǎn)子速度與額定速度相同。根據(jù)獲得轉(zhuǎn)子電流或產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場的方式，可分為感應發(fā)電機、電勵磁發(fā)電機和永磁發(fā)電機。

控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的基本目標是確保風力渦輪機的安全可靠運行。控制系統(tǒng)主要包括各種傳感器、可變距離系統(tǒng)、運行主控制器、功率輸出單元、無功補償單元、并網(wǎng)控制單元、安全保護單元、通信接口電路和監(jiān)控單元。控制系統(tǒng)的功能是對整個風力發(fā)電機進行正常運行、調(diào)節(jié)和保護，包括啟動控制、并網(wǎng)和斷開控制、偏航和電纜斷開控制、限速和制動控制。此外，控制系統(tǒng)還應具有以下功能:根據(jù)功率和風速自動控制速度和功率；根據(jù)功率因數(shù)自動接入（或斷開）相應的補償電容器；機組運行過程中，對電網(wǎng)、風況和機組的運行情況進行檢測和記錄，并能自行判斷異常情況并采取相應的保護措施，并能根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)生成各種圖表，反映風機的性能指標；風電場中運行的風力發(fā)電機還應具有遠程通信功能。

偏航系統(tǒng)：偏航系統(tǒng)根據(jù)風力系統(tǒng)的安裝位置和風力的變化來控制風輪的掃掠面，以確保掃掠面和風向始終垂直。應用伺服控制技術(shù)調(diào)節(jié)有獎槳距角，改變風輪轉(zhuǎn)速，當風電系統(tǒng)停止工作時，有效降低風電系統(tǒng)停止的難度。

輪機艙：機艙包含風力發(fā)電機的關(guān)鍵設(shè)備，如齒輪箱和發(fā)電機。機艙由底盤和機艙蓋組成，機艙內(nèi)通常裝有偏航系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、發(fā)電機和控制系統(tǒng)。風速計和風向標安裝在機艙后部。維護人員可以通過風力渦輪機塔架進入機艙。

根據(jù)風力渦輪機和發(fā)電機

風力渦輪機由兩部分組成，一部分是為發(fā)電提供動力的風力渦輪機，另一部分是將其轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電機。

風力發(fā)電

風力發(fā)電中使用的風力渦輪機通常可分為傳統(tǒng)類型和新型類型。其中，常規(guī)的螺旋槳式風力發(fā)電機根據(jù)其運動形式的不同可分為四種類型:振動型、平移型、固定式和旋轉(zhuǎn)型。

根據(jù)不同的樣式，可分為六種類型:螺旋槳式、荷蘭式、多翼式、渦輪式、多風輪式和帆翼式。

新型風力發(fā)電機是常規(guī)風力發(fā)電機的創(chuàng)新，常規(guī)風力發(fā)電機通常分為兩種類型:垂直軸風力發(fā)電機和加強型水平軸風力發(fā)電機。

垂直軸風力發(fā)電機可分為四種類型:垂直軸風力發(fā)電機、∮型風力發(fā)電機、旋轉(zhuǎn)翼風力發(fā)電機、環(huán)流控制風力發(fā)電機和s型風力發(fā)電機。加強型水平軸風力發(fā)電機可分為兩種類型:功率導向型風力發(fā)電機和旋風式風力發(fā)電機。

用于風力發(fā)電的發(fā)電機通常可分為DC發(fā)電機和交流發(fā)電機。其中，交流發(fā)電機可分為同步交流發(fā)電機和異步交流發(fā)電機。

根據(jù)發(fā)電機轉(zhuǎn)速

將風電機組和發(fā)電機作為一個整體系統(tǒng)來考慮，風電機組可分為四個系統(tǒng):恒速恒頻、近恒速恒頻、變速變頻和變速恒頻。單機容量為600～750 kw的恒速恒頻（CSCF）風力發(fā)電機通常采用恒速運行模式，包括固定槳距失速控制和變槳距調(diào)節(jié)。固定槳距失速控制類型對風力渦輪機葉片的結(jié)構(gòu)、技術(shù)和成型要求很高，但對發(fā)電機的控制要求相對簡單。籠型異步發(fā)電機通常用于變槳距調(diào)節(jié)，其轉(zhuǎn)差率一般為0.03~0.05。

變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)（VSCF），其中轉(zhuǎn)子速度可以隨著風速的變化而變化并保持最佳葉尖速比。電能通過電力電子變換裝置平穩(wěn)地輸入電網(wǎng)。這種控制方法有廣泛的應用。即使風速發(fā)生跳躍和變化，也能很好地吸收風能，避免過大的扭矩和應力對主軸和高速傳動機構(gòu)的損壞。

根據(jù)該發(fā)電系統(tǒng)

離網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)又稱離網(wǎng)型風力發(fā)電機或小型風力發(fā)電機，是指在常規(guī)電網(wǎng)外獨立供電的風力發(fā)電機組，主要用于解決常規(guī)電網(wǎng)外無電地區(qū)農(nóng)牧民漁民的日常用電問題。通常，離網(wǎng)型風力渦輪機的容量較小。根據(jù)發(fā)電類型的不同，離網(wǎng)型風力發(fā)電機可分為兩類:DC發(fā)電機和交流發(fā)電機。離網(wǎng)型風力發(fā)電機主要由葉片、輪轂、發(fā)電機、葉片同步電動變扭機構(gòu)、轉(zhuǎn)向和偏航驅(qū)動機構(gòu)、風向風速傳感器、塔架、電動保護機構(gòu)、控制系統(tǒng)、蓄電池、逆變電源等部分組成。

并網(wǎng)風力發(fā)電系統(tǒng)又稱并網(wǎng)風力發(fā)電機，一般指可以與公共電網(wǎng)并聯(lián)運行的大規(guī)模風力發(fā)電系統(tǒng)。并網(wǎng)風電機組一般由葉片、轉(zhuǎn)輪、增速傳動機構(gòu)、偏航機構(gòu)、風電塔筒和控制系統(tǒng)組成。在風力發(fā)電中，當風力發(fā)電機與電網(wǎng)并聯(lián)運行時，要求風電頻率與電網(wǎng)頻率保持一致，即風電頻率應保持恒定。并網(wǎng)風力發(fā)電系統(tǒng)可分為單機容量小于750千瓦的恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)（CSCF系統(tǒng)）和單機容量大于1兆瓦的變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)（VSCF系統(tǒng)）。

風力渦輪機葉片的設(shè)計和材料

風力發(fā)電機葉片的設(shè)計對風力發(fā)電系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。優(yōu)化的葉片設(shè)計可以提高捕獲風能的效率，并降低噪音和振動。同時，使用輕質(zhì)堅固的材料，如碳纖維復合材料，可以增加葉片的強度和耐用性。

風速測量和預測

風速的精確測量和預測是風力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵。這些技術(shù)包括使用多個風速測量點獲得準確的風場信息，以及使用氣象數(shù)據(jù)和數(shù)學模型預測未來的風速變化。根據(jù)不同的預測時段和模型，可以采用不同的預測方案。預測方法存在一定的偏差和差異，按預測周期可分為短期預測、超短期預測和長期預測。根據(jù)預測模型，可分為物理方法、統(tǒng)計方法和組合模型方法。組合模型法是將不同的預測方法有效地結(jié)合起來，建立一個符合實際的預測模型，以獲得更準確的結(jié)果。

風電場的布局和優(yōu)化

優(yōu)化風電場布局可以充分利用風資源，最大限度地減少相互影響和陣列效應。這涉及到風扇之間的間距、布局和方向的優(yōu)化。

操作和維護技術(shù)

風力發(fā)電系統(tǒng)的長期運行和維護對于確保系統(tǒng)性能的持續(xù)可靠至關(guān)重要。關(guān)鍵技術(shù)包括遠程監(jiān)控和故障檢測系統(tǒng)、智能維護和預測分析、及時維護和保養(yǎng)等。

風力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)

風力發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)包括輸電系統(tǒng)的設(shè)計和建設(shè)、電網(wǎng)穩(wěn)定性的保障、電力調(diào)度和控制策略等。風力發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)接入公共電網(wǎng)的類型可分為離網(wǎng)型和并網(wǎng)型。其中，離網(wǎng)風力發(fā)電系統(tǒng)是指獨立于公共電網(wǎng)運行的小型風力發(fā)電機組，主要用于解決公共電網(wǎng)無法覆蓋的無電地區(qū)農(nóng)牧民漁民的日常用電問題；并網(wǎng)風力發(fā)電系統(tǒng)一般是指可以與公共電網(wǎng)并聯(lián)運行的大型風力發(fā)電機組，是一種由公共電網(wǎng)供應的新型能源。

1.風速特性描述了風力發(fā)電機在不同風速下的功率輸出能力。通常用風速與輸出功率的關(guān)系曲線表示，有助于了解系統(tǒng)在不同風速下的性能。

2.發(fā)電量是指風力發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能，通常以kWh或MWh為單位。發(fā)電量受風速、裝機容量和發(fā)電機效率等多種因素影響。

3.容量系數(shù)是實際發(fā)電量和可能的最大發(fā)電量之間的比率。它衡量在一定時間內(nèi)實際發(fā)電量與最大發(fā)電量之間的利用率。通常用百分比表示。

4.利用小時數(shù)代表風力發(fā)電系統(tǒng)在一定時間內(nèi)實際運行的小時數(shù)。它是衡量發(fā)電系統(tǒng)有效運行時間的指標，也可用于評估系統(tǒng)的可靠性和可用性。

5.平均風速是指在一定時間范圍內(nèi)采集的風速數(shù)據(jù)的平均值。平均風速是預測風力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量的重要參數(shù)之一。

6.粉塵、氧化等污染物影響指數(shù)描述了環(huán)境中粉塵、氧化物等污染物對風力發(fā)電系統(tǒng)性能的影響程度。這些污染物可能會影響葉片表面的清潔度，進而影響風力發(fā)電機的效率。

1.可再生能源。風力是一種無限的可再生能源。風力發(fā)電系統(tǒng)可以持續(xù)利用風能，減少對有限能源的依賴。

2.低碳排放。風力發(fā)電是一種清潔能源，不會排放溫室氣體和其他有害物質(zhì)，對環(huán)境污染較小。

3.建設(shè)規(guī)模靈活。風力發(fā)電建設(shè)規(guī)模更加靈活，可在陸地和海上布置。

4.經(jīng)濟。在合適的位置和規(guī)模條件下，風力發(fā)電可以提供更經(jīng)濟的電力。

劣勢

1.對地理環(huán)境要求高。風力是一種不穩(wěn)定的能源，風速的變化會影響風力發(fā)電系統(tǒng)的容量。地理環(huán)境中風速過低或過高都會影響發(fā)電效率，這使得風能的可靠性相對較低。風力發(fā)電設(shè)備的建設(shè)需要選擇在地勢開闊、障礙物少或地勢較高的地方。

2.土地占用和視覺沖擊。在建設(shè)大型風電場時，風力發(fā)電系統(tǒng)需要占用大面積的土地，因此面臨著資源合理利用的問題。此外，風力渦輪機的出現(xiàn)可能會對景觀產(chǎn)生一定的視覺影響。

3.鳥類和野生動物風險。風力渦輪機的旋轉(zhuǎn)葉片可能對鳥類和其他飛行物種造成傷害，還可能干擾野生動物的遷徙和棲息地。

4.噪音和振動。風力渦輪機的運行會產(chǎn)生噪音和振動，可能會對附近居民造成一些干擾和不適。風電場的選址需要在設(shè)計和運行中采取措施減少噪聲和振動的影響。

1.豐富的風力資源:風力發(fā)電需要有充足的風能資源。一般來說，適合發(fā)電的風速范圍是每秒3到25米（風力3到7級）。風速越高，發(fā)電能力越強。

2.穩(wěn)定的氣流:風速的穩(wěn)定性對風力發(fā)電系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。持續(xù)穩(wěn)定的氣流更有利于持續(xù)高效發(fā)電。區(qū)域需要具有相對穩(wěn)定的氣流特征，以避免頻繁的風速波動和極端風暴。

3.地形和地理條件:平坦的地形或開闊的海域有利于風機的布置。地勢較高的山區(qū)、丘陵地區(qū)或海岸線往往具有更有利的風能收集條件。

4.良好的土壤條件:風力渦輪機需要安裝在穩(wěn)定堅實的基礎(chǔ)上，以確保其穩(wěn)定性和安全性。土壤承載能力好的地區(qū)更適合建設(shè)風電場。

5.土地可用性:風力發(fā)電需要占用一定的土地面積來布置風力發(fā)電機。空地面積大的地區(qū)更適合建設(shè)大規(guī)模風電場。

商業(yè)：商業(yè)發(fā)電。風力發(fā)電可以滿足城市、工業(yè)區(qū)和農(nóng)村地區(qū)的電力需求。

海上風電:海上布局可以充分利用海上風能資源，避免土地使用限制。海上風能比陸地風能資源更豐富。

工業(yè)：偏遠地區(qū)的電力供應:風力發(fā)電是為偏遠地區(qū)提供可靠電力的理想選擇。在沒有便捷電網(wǎng)覆蓋的地方，建設(shè)小型風力發(fā)電系統(tǒng)可以為這些地區(qū)提供獨立電源。

農(nóng)業(yè)：農(nóng)業(yè)和灌溉系統(tǒng):風力發(fā)電系統(tǒng)可以為農(nóng)場和種植園提供電力，用于照明、機械作業(yè)和灌溉系統(tǒng)。這將有助于降低農(nóng)場的能源成本，促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

應急救災:移動式風力渦輪機可以在應急和救災中發(fā)揮重要作用。它們可以快速部署，為災區(qū)提供臨時電力供應，并幫助恢復基本生活和救援活動。