【正文】 另外，海岸線附近的淺海區(qū)域也有非常豐富的風能資源，且平均風速大、湍流小，僅歐盟國家沿岸的海上風能資源估計約3萬億kWh還大，如按年滿功率發(fā)電2 500h計劃，則裝機容量可達12億kW。礦物燃料在利用過程中會帶來嚴重的環(huán)境污染問題，如空氣中的等氣體的排放量的增長導致了溫室效應、酸雨等現(xiàn)象的產生。傳統(tǒng)火力發(fā)電燃燒化石燃料而排放大量的二氧化碳及其它污染物質，破壞環(huán)境并造成全球暖化，嚴重影響生態(tài)系統(tǒng)病危及人類健康；核能發(fā)電雖不像火力發(fā)電般排放許多污染物質，但溫排水可能影響海洋生態(tài)，而且目前尚無法完善處理半衰期長達數(shù)千、數(shù)萬年的高放射性核廢料，使其部分環(huán)境造成影響。風力發(fā)電機在轉換電力過程中不排放二氧化碳及任何污染物質，更沒有放射性物質的困擾，是非常干凈的能源，因此廣受注重環(huán)境保護的歐美國家的歡迎，成為應用最多的再生能源技術之一。風輪是風電機最主要的部件，由漿葉和輪轂組成。在理論上，最好的風輪只能將約60%的風能轉換為機械能。風電機輸出達到額定功率前，功率與風速的立方成正比，即風速增加1倍，輸出功率增加8倍，所以同力發(fā)電的效益與當?shù)氐娘L速關系極大。當前生產的主力機型為600~750kW，機體龐大，風輪直徑和塔架高度都達到40~50m，設計和制造較困難。德國、丹麥、西班牙、英國、荷蘭、瑞典、印度、加拿大等國在風力發(fā)電技術的研究與應用上投入了相當大的人力及資金，充分綜合利用空氣動力學、新材料、新型電機、電力電子技術、計算機、自動控制及通信技術等方面的最新成果，開發(fā)建立了評估風力資源的測量及計算機模擬系統(tǒng)，發(fā)展了變漿距控制及失速控制的風力機設計理論，采用了新型風力機設計理論，采用了新型風力機葉片材料及葉片翼型，研制出了變極、變滑差、變速、恒頻及低速永磁等新型發(fā)電機，開發(fā)了由微機控制的單臺及多臺風力發(fā)電機組成的機群的自動控制技術，從而大大提高了風力發(fā)電的效率及可靠性。商業(yè)風力機平均單機容量從1982年為55kw到2002年約為1100kw，20年增加了近20倍。單機容量大，有利于降低每千瓦的制造成本；而且大型機組采用更高的塔架，有利于捕獲風能，50m高度捕獲的風能要比30m高度處多20%。2）變速恒頻機組將成為主流機型目前，世界各地風電場的風力發(fā)電機組，絕大多數(shù)為恒速運行機組。3）重量更輕、結構更具柔性隨著風力機葉片的增長，其單位功率的重量更輕、結構更柔性。同時，針對風力機的空氣動力環(huán)境，風力機專用新翼型也得到廣泛應用，大大改善葉片的氣動性能。5）中國風力發(fā)電的發(fā)展中國現(xiàn)代風力發(fā)電機技術的開發(fā)利用起源于20世紀70年代初。我國開發(fā)、研制、生產小型風力發(fā)電機組的單位共47家，年生產能力超過了4萬臺。到2002年底，全國累計生產離網型小型風力發(fā)電機組24萬多臺。s installed capacity of wind power development (unit : 10,000 KW)裝機容量199920002001200220032004當年新增累計容量累計容量 風力發(fā)電的原理和需要解決的問題風力發(fā)電依靠空氣的流動也就是風來推動風力發(fā)電機的葉片而發(fā)電，風的形成則是源于地球本身的自轉以及區(qū)域性的太陽輻射熱吸收不均勻而引起空氣的循環(huán)流動，小規(guī)模者如海路風、山谷風，大規(guī)模者如東北季風或臺風。當風流過葉片時，由于空氣動力的效應帶動葉輪轉動，葉輪透過主軸連結齒輪箱，經過齒輪箱加速后帶動發(fā)電機發(fā)電。風力發(fā)電機并不能將所有流經的風力能源轉換成電力，理論上最高轉換效率約為59%，實際上大多數(shù)的葉片轉換風能效率約介于30~50%之間，經過機電設備轉換成電力能后的總輸出效率則約介于20~45%。風力發(fā)電機的電力輸出與風的速度非常有關，葉片能自風獲得之能量與風速的三次方成正比，~4m/s，于風速12~15m/s時達到額定的輸出容量，風速更高時風力發(fā)電機的控制機構將電力輸出穩(wěn)定在額定容量左右，為避免過高的風速損壞發(fā)電機，大多于風速達20~25m/s范圍內停機。除了風速外，葉輪直徑決定了可攝取風能的多少，約與葉輪直徑平方成正比，以目前商業(yè)化的中、大型風力發(fā)電機為例，容量600kW的機組其葉輪直徑約45m左右，1000kW的機組葉輪直徑約55m左右，2000kW的機組葉輪直徑則約75m左右，依生產工藝而異。此外，現(xiàn)代風力發(fā)電機的葉片多采用機翼翼型，以更有效的攝取風能。而且，風力機具有不同于通常機械系統(tǒng)的特性：動力源是具有很強隨機性和不連續(xù)性的自然風，葉片經常運行在失速工況，傳動系統(tǒng)的動力輸入異常不規(guī)則，疲勞負載高于通常旋轉機械幾十倍。1）空氣動力學問題空氣動力設計是風力機設計技術的基礎，它主要涉及下列問題:一是風場湍流模型，早期風力機設計采用簡化風場模型，對風力機疲勞載荷和極端載荷的確定具有重要意義；另一是動態(tài)氣動模型。2）結構動力學問題準確的結構動力學分析是風力機向更大、更柔和結構更優(yōu)方向發(fā)展的關鍵。隨著風力機組由恒速定漿距運行發(fā)展到變速變漿距運行，控制系統(tǒng)除了對機組進行并網、脫網和調向控制外，還要對機組進行轉速和功率的控制，以保證機組安全和跟蹤最佳運行功率。全球風能資源極為豐富，據(jù)世界氣象組織估計，地球上近地層的風能總量約為可利用的風能至少為，約為地球上可利用水能總量的10倍。按功率輸出的大小，風力機一般分為小型（10KW以下），中型（10KW100KW）和大型（100KW以上）。按轉子相對于風向的位置，可分為上風式與下風式。按轉子葉片數(shù)量，可分為單葉型，雙葉型，三葉型，荷蘭型，美國農村多葉型。風場的實際風速是隨時間不斷變化的量，因此風速一般用瞬時風速和平均風速來描述。某地一年內發(fā)生同一風速的小時數(shù)與全年小時數(shù)（8760h）的比稱為該風速的風速頻率,它是風能資源和風能電站可研報告的基本數(shù)據(jù)。風的變化是隨機的，任一地點的風向、風速和持續(xù)的時間是變化的，為定量地衡量風力資源，通常用風能玫瑰圖來表示。圖21風能玫瑰圖Fig 2 1 Rose wind map 不同海拔高度風場的空氣密度也不同，它是風力發(fā)電的一個重要計算參數(shù)，不同海拔高度空氣密度見表21。見表22。風輪前后流場如圖22。進口風速是已知的，對求導，并令為零，求得風能利用系數(shù)為極大值時的輪后風速 (214)通過式213求得風能利用系數(shù)的極大值為 = (215)由式210得出最大理想可能利用的風能為 (216)理想風輪機的能量密度 (217)　風輪機基本參數(shù)風能指空氣運動的動能，一般用單位時間內通過單位面積的能量即風能密度來衡量風能的大小。由式218可知風能的大小與空氣密度和通過的面積成正比，與風速的立方成正比。設計中占主導的風速，如果在實際中這一風速不能得到充分利用，產生損失也就說明設計存在問題，也就是風力機葉型設計有問題，這也是風力機的動力研究的本質。目前設計的葉片，可見在葉片葉型的改進上還有較大的發(fā)展空間。進行設計制造，使其在風況變化時能夠相應改變它們的型面，從而改善空氣動力響應和葉片受力狀況，增加可靠性和對風能的轉化量?！」β收{節(jié)功率調節(jié)是風力發(fā)電機組的關鍵技術之一。這樣也同時限制了槳葉承受的負荷和整個風力機受到的沖擊，從而保證風力機安全不受損害。1）定槳距失速調節(jié) 定槳距是指風輪的槳葉與輪轂是剛性連接，葉片的槳距角不變。如果槳距角不變，隨著風速增加，攻角相應增大，開始升力會增大，到一定攻角后，尾緣氣流分離區(qū)增大，形成大的渦流，上下翼面壓力差減小，升力迅速減少，造成葉片失速（與飛機的機翼失速機理一樣），自動限制了功率的增加。缺點是這種失速控制方式依賴育葉片獨特的翼型結構，葉片本身結構較復雜，成型工藝難度也較大。2）變槳距角調節(jié) 變槳距角型風力發(fā)電機能使風輪葉片的安裝角隨風速而變化，風速增大時，槳距角向迎風面積減小的方向轉動一個角度，相當于增大槳距角，從而減小攻角，風力機功率相應增大。變槳距角調節(jié)的風力發(fā)電機在陣風時，塔架、葉片、基礎受到的沖擊，較之失速調節(jié)型風力發(fā)電機組要小得多，可減少材料，降低整機質量。3）混合調節(jié) 這種調節(jié)方式是前兩種功率調節(jié)方式的組合。這種方式變槳距調節(jié)不需要很靈敏的調節(jié)速度，執(zhí)行機構的功率相對可以較小。這種裝置就是風輪機迎風裝置。因此，風速變化將引起出力和轉速的變化。風向變化時，機身上受三個扭力矩作用，機頭轉動的摩擦力矩，斜向風作用于主軸上的扭力矩,尾舵輪扭力矩。機頭轉動條件 （224）尾舵面積 （225）式中 ──尾舵輪扭力矩，； ──機頭轉動的摩擦力矩， ； ──斜向風作用于主軸上的扭力矩， ；按上式設計的尾舵面積就可以保證風輪機槳葉永遠對準風向。在本設計中把尾舵取消增加槳葉軸與圓盤角度到7176。 風電品質自然風的速度和方向是隨機變化的，風能具有不穩(wěn)定性特點，如何使風力發(fā)電機的輸出功率穩(wěn)定，是風力發(fā)電技術的一個重要課題。由于變轉速風力發(fā)電機組采用的是電力電子裝置，當它將電能輸送給電網時，會產生變化的電力諧波，并使功率因素惡化。此外，當電網中并人的風力電量達到一定程度，會引起電壓不穩(wěn)定（一般建議不大于10％）。在風能占較大比例的電網中，風力發(fā)電機組的突然解列，會導致電網的不穩(wěn)定。風力發(fā)電對電網的不利影響可以用儲能技術來改善。超導儲能系統(tǒng)SMES（Supercon Ducting Magnetic Energy Storage Systems）代表了柔性交流輸電的新技術方向，能吸收或者放出有功和無功功率，來快速響應電力系統(tǒng)需要?！“l(fā)電機變轉速/恒頻技術并網運行的風力發(fā)電機組，要求發(fā)電機的輸出頻率必須于電網頻率一致。大型并網風力發(fā)電機組的典型配置如圖所示，箭頭為功率流動方向。異步感應發(fā)電機 通過晶閘管控制的軟并網裝置接入電網。這種機型比較普遍，各大風力發(fā)電制造商如Vestas、NEG Micon、Nordex都有此類產品。如Vestas公司的V47機組。根據(jù)風速的變化，實現(xiàn)恒頻控制。如DeWind公司的D6機組。齒輪傳動不僅降低了風電轉換效率和產生噪聲，也是造成系統(tǒng)機械故障的主要原因，而且為了減少機械磨損還需要潤滑清洗等定期維護。3　風力發(fā)電機總體設計風力機主要是借著空氣流動轉動葉片以擷取風的動能,來源于氣動力的作用( 包括升力及阻力 ),對葉片產生轉動扭矩。 額定轉速n=50r/min。 輕微沖擊取 (33)