提高風力發電效率方法的綜述
時間:2014-06-20 點擊:4733 次

 

提高風力發電效率方法的綜述
 
摘要:介紹了風能的概念與現狀,介紹了風能利用的困難,并據此提出了提高風能利用效率的方法,并對未來風能的前景做出了預測與分析,結果表明:風能近幾年發展很快,未來可能成為電能的主要來源之一。
世界能源消耗量的持續增加,使全球范圍內的能源危機愈發明顯,開發可再生能源以緩解能源危機、實現能源的可持續發展已成為世界各國能源發展的重大舉措。風能因在世界范圍內的蘊藏量巨大、可再生、分布廣、無污染的特性,使風力發電成為世界能源發展的重要方向。近幾年來,世界風力發電裝機容量平均每年大約以30%的速度增長。中國作為世界化石能源消費的主要國,在面臨化石燃料發電所帶來的嚴重環境污染危機下,風能作為一種新型能源,但風能的利用效率過低,成為制約其發展的瓶頸1。因此提高風能的利用效率十分重要。
1.風力發電
風力發電依靠風力機將風能轉換為電能。圖1為一臺水平風力發電機的結構示意圖。圖中,風力機的風輪由三個用玻璃鋼或尼龍等制成的葉片構成。風力吹動風輪旋轉,并通過變速齒輪箱將風力機軸上的低速旋轉(約為18~33 r/rain)轉變為發電機所需的高轉速(800r/rain或1 500 r/min),傳給發電機軸使之旋轉發電。
1水平軸三葉片風力發電機結構簡圖
當風力發電機的風輪正對風向時,風輪得到的風能最大。為了保證風輪隨時都迎著風向,在風力發電機中設有偏航系統。當裝在機艙頂部的風向標測得風輪不正對風向時,會發出偏航指令,通過偏航系統使機艙和風輪繞塔架的垂直軸轉動,以達到對準風向的目的。風輪轉速和發電機的輸出功率是隨風速增大而提高的。風速太大會使風輪轉速過快和發電機超負荷運行,這些均會使風力發電機發生運行事故。為了保證風力發電機的安全運行,風力發電機中都設有限速安全裝置以調節風力發電機風輪的轉速,使之在一定風速范圍內保持基本不變,以便風力發電機能在不同風況下穩定運行。風輪轉速調節方法主要有兩類,一類是風輪葉片槳距固定型,另一類是風輪葉片槳距變動型。固定槳距型的調速方法為,當風速增大時,通過各種機構使風輪繞垂直軸回轉,以偏離風向,減少迎風面和受到的風力以達到調速的目的。變槳距型的調速方法為,當風速變化時,通過一套槳葉角度調整裝置轉動槳葉,改變葉片與風力的作用角度,使風輪承受的風力發生變化,以此來達到調速的目的。
這兩種調速方法中,前者結構相對較為簡單,但機組結構受力較大,后者增加了槳葉角度調整裝置,增加了造價但可使機組在高于額定風速情況下仍保持穩定的功率輸出,提高發電量。因此中、小型風力發電機組較少采用變槳距調速方法,而大型風力發電機組大多采用變槳距調速方法。
除限速裝置外,風力發電機還裝有制動器。當風速太高時,制動器可以使風輪停轉,以保證風力發電機在特大風速時的安全。
2.風力發電中提高效率的方法
(1)優化風力發電機的結構和位置
水平軸風力發電機設計理論表明,在一定的風力機轉速與風速的比值下,風力發電機的風輪對風能的轉換效率最高。對于常用的轉速不變的恒轉速風力發電機而言,在風速變化時就無法保持最佳的風力機轉速與風速的比值,因而其風能轉換效率就不能經常保持在最佳值。但恒轉速風力發電機可以輸出恒定頻率的交流電,便于與電網連接。隨后研制的變轉速風力發電機可以在不同風速下均保持最佳的轉速與風速的比值,因而風能轉換效率高,一般比恒轉速風力發電機可增加約10%的發電量。但其輸出電流的頻率不穩定,必須通過增設的變頻裝置才能實現輸出恒頻的交流電以便與電網連接?,F在單機功率超過1 MW的大型風力發電機組大多采用變轉速運行方式。
風力發電機組中的塔架將風輪和機艙置于空中以獲得更多的風能。塔架有兩種主要結構,一種為由鋼板制成的錐形筒狀塔架,另一種為由角鋼制成的桁架式塔架,兩者均設有梯子和安全索以便于維修人員進入機艙。大中型風力發電機組均配有由微機和控制軟件組成的控制系統,可以對機組的啟動、停機、調速、故障保護進行自動控制,可以對機組的運行參數和工作狀況自動顯示和紀錄,以確保機組的安全經濟運行。風力發電機組根據其運行方式可分為離網型風力發電系統和并網型風力發電系統。前者獨立運行,主要用于邊遠農村、牧區、海島等遠離電網的地區,機組功率較小(一般為5 kw以下)。在這種系統中,風力交流發電機輸出的交流電經整流器整流后輸入蓄電池蓄能,再供直流負荷使用。如用戶需要交流電,則應在蓄電池與用戶之間加裝逆變器后再輸給用戶。在無風期間,可由蓄電池供電。風力發電機組也可和柴油發電機組或太陽光發電系統組成一個互補型的聯合發電系統。在風力發電機不能輸出足夠電力時,另一個系統可提供備用的電力。風力發電機采用并網運行方式指的是將風力發電機組與電網連接并將輸出的電力并入電網。對于恒速恒頻的常用風力發電機組已普遍采用。對于變速風力發電機組則需增設變頻裝置等使輸出電流達到恒頻后再并網運行。
(2)智能控制系統可大大提高風能利用率
美國雪城大學L.C.史密斯工程和計算機學院部分研究人員正在進行這方面的研究工作。目前,他們正在測試自己開發的主動式風流動智能控制系統。該系統的基本出發點是根據表面測量而估算流過葉片表面風的狀況,然后將此信息傳遞給智能控制器,以便對葉片采取實時調整控制氣流和提高風力發電機系統的整體效率。此舉還有可能降低因流動分離而產生的過度噪音和葉片振動。
參與研究的人員包括王冠南(英譯)、巴斯曼·哈迪迪和馬克·格勞澤爾,他們完成的初期仿真結果顯示,對葉片1/2半徑以外的外側板施以氣流控制,能在風力發電機額定功率輸出相同的情況下,顯著地增大風力發電機整體工作范圍;或者說,在相同的工作范圍,可適當地提高風力發電機的額定輸出功率。
研究人員認為,在采用氣流控制后,風力發電機的工作范圍可以有效地提高80%,額定功率輸出不變;或者將額定輸出功率增加20%,工作范圍保持不變。他們表示,最佳的氣流控制部位為葉片外側板超出半徑一半的位置。
借助雪城大學新落成的無回聲風洞設施,研究人員同時還在分析和了解特定的葉片形狀,以決定在氣流極其不穩定的環境下,不同形狀的葉片在受到適當氣流控制時,其所具有的升力和阻力特性。此外,研究人員還將利用無回聲風洞來評估和測量氣流控制對風力發電機噪聲頻譜的影響。
美國能源部支持的明尼蘇達大學風能聯盟專門從事與風能相關的研究,雪城大學的主動風流動智能控制系統研究屬于聯盟整體工作的組成部分。身為機械和航空工程教授的格勞澤爾表示,很高興能參與明尼蘇達大學牽頭的具有世界水平的風能研究聯盟,這是將在氣流智能控制系統方面的專業知識用于可再生能源領域的極好機會。
(3)風機正確使用潤滑油
風機有幾個主要的潤滑部位,包括主變速箱、變槳和偏航變速箱,制動液壓控制和變漿控制,變槳、偏航和主軸承以及發電機軸承等,在這些潤滑部位當中,最最關鍵的要屬主變速箱。
帶動發電機運轉的主變速箱可以說是齒輪傳動型風機的心臟。由于對整個系統的正常運作至關重要,主變速箱的設計和制造通常都非常先進,也因此往往造價不菲;而一旦發生故障,更換主變速箱要付出更高昂的代價。
舉例來說,如果要為一個功率為1.5兆瓦渦輪機更換主變速箱,把購買新變速箱的費用、起重設備租用、停工造成的收入損失以及人工費等各項成本都合算進去,總花費將超過25萬美元。
一般來說,變速箱原廠灌裝的都是設計使用壽命為三年左右的合成潤滑油。但現在大多數變速箱的標準保修期只有一年。這意味著當變速箱的保修期結束后風機維護人員將擔負起選擇替換潤滑油(通常稱為二次注油或服務注油)的責任。
考慮到風機變速箱維護中可能遇到的困難以及費用問題,美孚建議設備維護人員采用性能均衡的變速箱潤滑油,這種潤滑油可以在長時間為變速箱提供很好保護的同時保證變速箱擁有極佳的生產效率。
3.未來風能發展前景
(1) 世界衛生組織對未來風能的發展進行了動態預測分析。由于風能的低風險特點及設計界各國對清潔可靠能源的需求,風能行業仍將會吸引更多的投資商投資。越來越多的政府制定優惠政策,鼓勵自主發電廠、中小型企業和社會基層企業開展多種形式的分散式投資,這些都將成為未來可持續能源利用的主力軍。通過仔細估算并考慮到不穩定因素,預計到2020年,全球風力發電機裝機容量至少可達到1500GW,風力發電有可能達到全球電能消耗的12%。
(2) 最近能源觀測組織發表的研究文獻表明:到2025年,風力發電裝機容量甚至可能達到7500GW,全球裝機產能可達16400TWH,所有可再生能源發電量的總和將超過全球電能供給的50%。按照這一結果,到2019年,風能和太陽能有可能達到全球新建發電廠市場份額的50%。2018年非再生能源發電將是頂點,到2037年可能完全被淘汰5。
 
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