论风力发电及风力机械特性

摘 要：全球经济增长对能源需求日渐强烈，我国作为人口大国和工业大国，对能源的需求和能源短缺之间的矛盾日渐尖锐，石油市场的竞争耗费了我国大量人力物力，我国为了保证石油供应的稳定付出了巨大的代价。为了缓解能源供应紧张，我国对于可再生能源的重视程度逐渐加大，可再生能源占能源消耗的比例总比例也就见增大。作为清洁能源的重要组成部分，风力发电拥有巨大的发展潜力，是关乎国家能源环境未来的重要技术。本文就风力发电和锋利机械的特性进行简单探索，意在实现对风力机械的精确控制和对风力资源利用率的提高。

关键词：风力发电； 风力机械；可再生能源

风力发电除了具有可再生的优势之外，还具有清洁无污染的特点，对比火力发电和核电，风力发电无排放。在几十年的经济建设中我们犯了很多错误，对环境无节制的利用和破坏导致了大自然的报复，雾霾、沙尘暴等等就是最直接的例子。从地理上研究，我国处于亚热带季风气候，全年大部分地方都有很强的劲风，而且我国幅员辽阔，有着大面积的丘陵和平原，对于风力发电需要的大面积风车群提供了广阔的空间。无论是从能源角度，还是从环保角度，或者地理优势方面，我国大力推广风力发电建设都是明智的选择。下图就是位于我国蒙古草原上的风力发电风车。

1.风力发电发展简史

风力发电的想法最初在上个世纪三十年代的丹麦、瑞典苏联等国家就已经开始付诸实践。通过利用旋翼技术研制成功小型发电装置，在多风的海岛和荒僻的农村使用广泛，因为风力发电成本要比火力发电低廉很多。在之后的几十年里研究人员不断尝试更大功率的发电风车，到1978年，美国研制的风力发电机功率已经能够达到200千瓦。

风力发电的基本原理就是把风的动能转化为机械能，通过机械能转化为电能。在风吹下风车旋转获得动能，带动发电机发电。根据目前达到的技术水平，每秒三米的速度就能够发电。

风力发电技术的分布仍然以西方为主，芬兰、丹麦等国家风力发电占总发电量的比例已经很可观。在我国国家电网铺设难度十分大的西部，风力发电也被广泛使用。

从成本出发，每秒四米的风速才适合发电。我国由于特殊的地理位置，风力资源极为丰富，大部分地方风速都达到三米每秒以上。在东北、西北、西南高原等地三分之一年都是大风天，在这些地方，发展风力发电很有前途。

2.风力发电系统结构组成

风力发电原理并不复杂，结构也十分清晰。通过自然风推动叶轮，把风能转化为机械能，通过逐级传动带动发电机转轴转动把机械能转化为电能，通过一系列整流设备进行功率和参数转换，接入国家电网。小型发电设备通过蓄电池把电能储存起来，通过变电设备转换为直流电对直流设备直接供电，或者通过逆变器转换为交流，供给交流用电设备。具体结构分析见下图。

3.风力机械特性

风速模型。自然风风力变化复杂，通过数学模型，在平均风力上叠加分量。

自然风存在随机波动，需要在平均风速基础上叠加随即分量。

叶尖速比。衡量风轮运转速度大小的参数。是叶片间断圆周速度和风速的比值。

根据贝兹理论，风力机在自然风中获得的能量有限，能量转换导致风速下降。在空气质量密度、风轮半径和风速都为定值时，单位时间内风轮捕获能量和风能利用系数成正比。在固定风速之下，风力机转数的变化会导致风能利用发生相应变化。

通过之前研究可以得知，转速会影响能量捕获效率。

输出功率特性。所有机械都存在运行效率问题。风力发电启动需要一定的力矩来克服内部阻力。启动力矩大小取决于发电机内部阻力大小。因此，发电机启动需要一个最小风速，当自然风强度达不到最小风俗，风力机就无法工作。在进行风力发电厂建设之前一定要对当地风力资源类型和性质进行考察，根据当地风能切入速度和切出风速确定合适的发电机型号，使之能够正常工作。

风力机直流电机模拟方案。风力机的输出功率和风轮转速和风速两个因素有关。在转速和风速确定了的条件下，可以经过计算求得输出功率和机械力矩。风力机和电动机的功率特性有很大的相似性。通过风力机数学模型可以计算出风力机输出功率，将其作为直流电机的控制指令实现控制。

4.风力发电控制策略

智能型风力发电可以在风力发电机不能够捕获足够负载和蓄电池使用的电能时自动跟踪最大功率，调节叶尖速比。目前最大功率跟踪方案主要存在风速自动控制和风机转速反馈两种方法。

风速自动跟踪是利用测速装置测量自然风速，根据风力机最佳负载曲线计算实际输出功率和给定功率之间的差值，通过调节器调节电流大小，实现对风力发电输出功率的调节。

风机转速反馈是将发电机输出功率和自然风速之间的关系转化为发电机输出功率和发电机转速之间的关系，简化了结构，使之更简单可靠、稳定。

5.结束语

风力发电凭借其清洁和可再生的优势逐渐被重视起来，但是因为其较低的生产效率，和高投入，但是随着技术风力发电技术的成熟，目前正在慢慢被广泛的推广。本文就风力发电的发展和风力机械特性进行了粗浅的阐述，利用风力机械特性提高风力发电效率是目前较为先进和成熟的方法，值得在实践中广泛应用和理论上的深入研究。

参考文献：

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