風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展及若干問題

梁翠綿 劉海晨 陳大明

摘要：隨著地球環(huán)境日益惡化，人類面臨的環(huán)境問題愈來愈嚴(yán)峻，利用、開發(fā)綠色可再生能源替代原來的化石能源，減少二氧化碳的排放量，保護(hù)地球環(huán)境，已成為大勢所趨。風(fēng)力發(fā)電由于具有清潔、環(huán)境效益好、可再生、裝機(jī)規(guī)模靈活、運(yùn)維成本低等優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛應(yīng)用，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也得以快速發(fā)展。本文對風(fēng)力發(fā)電技術(shù)存在的若干問題進(jìn)行分析，提出風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展策略。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電技術(shù);發(fā)展;問題;措施

1風(fēng)力發(fā)電技術(shù)原理

風(fēng)力發(fā)電的工作原理：風(fēng)動能→機(jī)械動能→電能，屬于再生能源開發(fā)的范疇。具體來說，即通過風(fēng)輪轉(zhuǎn)動將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再由機(jī)械能帶動發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生電能并進(jìn)行輸出，最后傳上電網(wǎng)，涉及空氣動力、電機(jī)、智能控制、機(jī)械、力學(xué)、材料等多個領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)。風(fēng)力發(fā)電具有節(jié)能、可持續(xù)、環(huán)保等特點(diǎn)，是一種綠色、可再生的清潔能源。常規(guī)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要包括風(fēng)輪、傳動結(jié)構(gòu)、控制裝置、發(fā)電機(jī)、支撐結(jié)構(gòu)等。從發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)細(xì)分，又可分為恒速及感應(yīng)發(fā)電、變速恒頻雙饋式發(fā)電、變速同步發(fā)電三種類型，這三種類型在不同領(lǐng)域均發(fā)揮重要作用。在傳統(tǒng)化石能源大量使用導(dǎo)致全球氣溫變暖的背景下，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用受到各國重視，資金投入逐年增加，很大程度上也促使著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的提高和發(fā)展。但是，當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)還存在一定的問題，需要予以關(guān)注。

2風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的若干問題

2.1風(fēng)電機(jī)組整機(jī)設(shè)計(jì)問題

我國的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組零件相比于西方發(fā)達(dá)國家還存在較大的差距，例如集電環(huán)之類的零部件還需要從外國引進(jìn)，從而使得我國的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組難以進(jìn)行國產(chǎn)化的安裝、設(shè)計(jì)。同時，在風(fēng)電機(jī)組的管理與咨詢方面，還沒有構(gòu)成產(chǎn)業(yè)鏈，并且體系不健全，對風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展造成了較大的影響。

2.2控制技術(shù)問題

在機(jī)械控制中，我國的槳葉一般使用的是美國的NANC系列，雖然其具有較好的動力性能，但是由于其風(fēng)輪風(fēng)速與工況的作用，使得風(fēng)輪受力不均，在旋轉(zhuǎn)的過程中會出現(xiàn)不穩(wěn)定性、反復(fù)的改變，導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)組出現(xiàn)振動，形成較大的噪音。安全性不高

2.3風(fēng)電質(zhì)量問題

一方面，雖然自然風(fēng)資源具有較大的能量，但是其性質(zhì)較為多變，主要表現(xiàn)為風(fēng)向與風(fēng)速的大小不穩(wěn)定。傳統(tǒng)的方式中，人們利用風(fēng)輪轉(zhuǎn)動的慣量來分析風(fēng)電機(jī)組輸出功率的穩(wěn)定性。但這種方式會形成諧波，減少輸出到電網(wǎng)的功率。另一方面，當(dāng)電網(wǎng)中并入容量滿足額定容量時，就會減小電壓穩(wěn)定性，如果電網(wǎng)出現(xiàn)了問題，不穩(wěn)定的電壓就會讓機(jī)組無法有效地向電網(wǎng)輸送能量，讓保護(hù)動作切出電網(wǎng)，直接造成電網(wǎng)的不穩(wěn)定。

2.4機(jī)組安全性能方面的問題

風(fēng)力發(fā)電是把風(fēng)力資源轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏Y源的技術(shù)，與傳統(tǒng)能源利用相比，其應(yīng)用時間相對較短。在傳輸、并網(wǎng)技術(shù)、自動控制等專業(yè)技術(shù)研究上的上升空間較大，并且風(fēng)力發(fā)電在安全性能方面還存在一些問題。例如，風(fēng)力發(fā)電管理不規(guī)范、裝機(jī)后運(yùn)行不穩(wěn)、機(jī)組停運(yùn)等。目前由于風(fēng)電企業(yè)管理不嚴(yán)，員工的思想認(rèn)識不到位，專業(yè)水平不足等原因，對風(fēng)電作業(yè)的安全性沒有引起重視，在風(fēng)電機(jī)組的維護(hù)檢查中，忽視了超速測試、緊急停機(jī)測試、振動試驗(yàn)等內(nèi)容，使得機(jī)組缺乏維護(hù)檢查，可靠性降低。

3風(fēng)力發(fā)電技術(shù)相關(guān)問題的解決措施

3.1完善機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，能夠從以下兩個方面著手：其一，能夠利用先進(jìn)的驅(qū)動設(shè)備，把齒輪箱與主轉(zhuǎn)動軸等相結(jié)合，降低機(jī)組零部件的使用，進(jìn)而極大地增強(qiáng)系統(tǒng)的工作效率、安全性、穩(wěn)定性，并減少部件安裝與維修的經(jīng)濟(jì)支出;其二，能夠?qū)C(jī)械的結(jié)構(gòu)動力學(xué)設(shè)計(jì)展開優(yōu)化，防止由于風(fēng)力的變化影響到機(jī)械結(jié)構(gòu)的負(fù)荷，并減少零部件所受到的應(yīng)力，降低整個機(jī)組與部件的重量，極大地降低成本。

3.2改進(jìn)控制技術(shù)

對于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的易干擾、不穩(wěn)定的問題，一般使用系統(tǒng)模型控制的方式予以解決，但是該種方法具有一定的局限性，所以其僅限于某個系統(tǒng)的指定周期使用，難以有效地預(yù)防能量轉(zhuǎn)換多個過程中所產(chǎn)生的變化。在風(fēng)場運(yùn)行的環(huán)境下，風(fēng)電機(jī)組由于無人值守，所以對系統(tǒng)的控制有著更高的要求。使用自適應(yīng)控制器，能夠讓風(fēng)電機(jī)組在最大的范圍內(nèi)，使用功率系數(shù)得到優(yōu)化。其工作原理為，利用對系統(tǒng)的輸入輸出展開測量，分析控制過程中需要的參數(shù)，并利用控制系統(tǒng)展開控制。相比于原有的控制器，自適應(yīng)控制器性能得到了較好的優(yōu)化，性能大大增加。它通過構(gòu)建出準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電功率展開控制，進(jìn)而更高效地進(jìn)行控制，并節(jié)約成本。

3.3提升風(fēng)電質(zhì)量

為了提升風(fēng)電質(zhì)量，能夠使用超導(dǎo)儲能技術(shù)，讓風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的頻率與輸出電壓保持穩(wěn)定。該種技術(shù)是一種全新的柔性交流輸電的技術(shù)，具有無污染、高功率、長壽命等優(yōu)勢，對于無功或者有功的功率具有釋放與吸收的效果，進(jìn)而使其達(dá)到電力系統(tǒng)的要。

3.4提高安全性能

為了增強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全性，就需要對風(fēng)電機(jī)組展開超速測試，檢測超速保護(hù)動作、超速通道、超速模塊、超速傳感器后制動回路的動作情況。同時，還需要對風(fēng)電機(jī)組展開緊急停機(jī)測試，測試機(jī)械剎車制動、備用電源、順漿回路等是否能夠正常工作。除此之外，還需要對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組展開振動試驗(yàn)，檢查保護(hù)動作、保護(hù)通道、保護(hù)測量元件等能不能夠正常工作，從而確保機(jī)組的安全性。

4風(fēng)力發(fā)電行業(yè)發(fā)展趨勢

4.1大型化風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量

在相同規(guī)模的風(fēng)力電場下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率越大、單機(jī)容量越大，則發(fā)電效率越高，運(yùn)行成本越低。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電行業(yè)為了降低生產(chǎn)成本，提高發(fā)電效率，不斷研究大型化的風(fēng)電機(jī)組，以提高單機(jī)容量，提升風(fēng)能的轉(zhuǎn)化效率。同時，大型化、大容量的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，還能在利用同等土地范圍內(nèi)，有效捕捉更多的風(fēng)能，從而節(jié)約土地資源。因此，我國風(fēng)力發(fā)電行業(yè)應(yīng)在不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和改進(jìn)的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究，呈現(xiàn)出面向機(jī)組大型化、大容量方向發(fā)展的趨勢。

4.2增加海上風(fēng)力發(fā)電所占比重

海上風(fēng)能具有利用時間周期長、不占用土地等優(yōu)勢，我國海岸線綿長，海上風(fēng)力資源十分豐富。目前，我國陸地風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量已經(jīng)處于世界第一，而海上風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量遠(yuǎn)低于陸地風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量。同時，從風(fēng)力發(fā)電行業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展來看，海上風(fēng)力發(fā)電基本不受地形因素的影響，不僅靠近電力負(fù)荷中心，還可以避免占用土地資源，有利于風(fēng)力發(fā)電的可持續(xù)發(fā)展。因此，風(fēng)力發(fā)電的研發(fā)應(yīng)側(cè)重于海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。隨著國家開發(fā)可持續(xù)再生能源、風(fēng)能利用等相關(guān)政策的引導(dǎo)，當(dāng)前我國海上風(fēng)力發(fā)電發(fā)展迅速，是風(fēng)力發(fā)電行業(yè)未來發(fā)展的重要趨勢。

4.3向智能化控制方向發(fā)展

以5G、互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字化、信息化為代表的智能化技術(shù)，是制造業(yè)發(fā)展的未來方向。在此背景下，我國風(fēng)力發(fā)電行業(yè)發(fā)展逐漸向智能化控制方向轉(zhuǎn)變。無論是在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)備運(yùn)行控制、管理，還是技術(shù)開發(fā)，機(jī)組設(shè)計(jì)、制造、生產(chǎn)上，都需與智能化進(jìn)行融合，積極引入大數(shù)據(jù)分析、5G、人工智能等技術(shù)。利用智能化控制管理，提高風(fēng)力發(fā)電的運(yùn)維質(zhì)量和控制精度，提升風(fēng)力發(fā)電運(yùn)行的自動化水平。用智能化技術(shù)驅(qū)動風(fēng)力發(fā)電技術(shù)創(chuàng)新，提高風(fēng)力發(fā)電的運(yùn)行效率，并節(jié)約運(yùn)營成本。同時，統(tǒng)籌管理發(fā)電資源和電網(wǎng)負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電與其他發(fā)電技術(shù)的優(yōu)勢互補(bǔ)，全面提升風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)水平。

5結(jié)語

綜上所述，未來我國風(fēng)力發(fā)電行業(yè)發(fā)展仍有大幅增長空間，主要發(fā)展方向?yàn)闄C(jī)組容量大型化、海上風(fēng)力發(fā)電、智能化、高效率。本文分析了風(fēng)力發(fā)電技術(shù)存在的問題及發(fā)展趨勢，對優(yōu)化我國新能源結(jié)構(gòu)，提高風(fēng)力發(fā)電效率，具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1]新能源發(fā)電風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究[J].梁立翔.農(nóng)村經(jīng)濟(jì)與科技.2021（20）

[2]探討新能源發(fā)電技術(shù)在電力系統(tǒng)中的有效應(yīng)用[J].譚建，李先鋒.建材與裝飾.2020（07）