风机技术发展趋势

三、风机技术发展趋势

1.大容量风机

当前世界风机技发展的主要趋势是大容量风机，很多风机制造商正致力于开发兆瓦（MW）级大型风机。

新的风机设计概念基于变速控制和倾角控制，使用直驱同步环发电机或双馈异步发电机。也有在设计中采用变速、倾角可调的风机及单级齿轮箱，以避免双馈异步发电机带来的高达1500~1800r/min的齿轮和电机转速。单级齿轮箱允许使用低转速的永磁同步发电机，可设计得比大型直驱同步发电机更小巧轻便，如图8-11所示。

图8-11　Enercon的1.5MW级风机吊舱

此外，工业上还在改进风能转化系统中电力方面的效率，包括在发电机中安装永磁体或提高输出电压。传统风力发电机操作电压为690V（Enercon风机为440V），吊舱或塔架底部需安装变压器，更高的电压输出可降低电线上的损失，且无需安装变压器。

2.海上风力发电

海上风力发电是目前风能开发的热点。由于水面十分光滑，海平面摩擦力小，因而风切变（即风速随高度的变化）小，不需要很高的塔架，可降低风电机组成本。另外海上风的湍流强度低，海面与其上面的空气温度差比陆地表面与其上面的空气温差小，又没有复杂地形对气流的影响，作用在风电机组上的疲劳载荷减少，可延长使用寿命，所以使用较低的风塔比较合算。

并网技术主要为敷设海底电缆，若距离主电网很远，为向风机系统提供最佳的无功功率，可考虑使用高压直流输电技术。

3.小型风机系统

小型风机系统（≤l0kW）主要用于为偏远地区，如家庭、船舶或通讯系统提供电力。通常与电池和小型柴油发电系统联合使用。

小型风机系统的设计与大型、联网的风机系统截然不同，由于所使用的梢速比不同，二者的空气动力学过程也不尽相同。目前工业上对于小型风机系统的空气动力学研究远不如大型风机。

另一个不同点在于风机的传动—发电系统。多数小型风机使用直驱变速系统及永磁体发电机，因此需要动力转换器以保持频率稳定，此类设计无需齿轮箱。优点是转速比大型风机快得多，运行稳定且维护成本低。对于小型风机系统而言，运行稳定及低维护成本是最重要的指标。

对于小型风机系统来说，动力及转速调整系统也与大型风机不同，例如，小型风机经常使用机械控制倾角系统或偏转系统代替电控系统。垂直和水平卷紧设备也很常用，风速高时，垂直卷起型风机会使转子偏向上方，外形类似直升机；水平卷起型风机则向尾部旋转转子。

小型风机的塔高与转子直径比例更大，以排除障碍物的干扰。与大型风机相比，小型风机每千瓦发电量的成本更高，但由于无需联网，因此只需与其他动力供应系统比较，如柴油机发电或太阳能系统。

4.小型风机系统

平原内陆地区的风速远低于山区及海边，但由于其面积广大，因此也蕴含着巨大的风能资源。由于目前风力发电量增长迅速，而适合安装高风速风机的地点终究有限，因此要实现风力发电的可持续发展，就必须开发低风速风力发电技术。

所谓“低风速”，指的是在海拔10m的高度上年平均风速不超过5.8m/s相当于4级风。要在此条件下使发电成本台乎要求，必须对风机进行必要的改进，主要措施包括：

（1）在不增加成本的前提下，尽量增大转子直径，以获取尽可能多的能量。

（2）尽量增加塔架高度，好处是可以提高风速。

（3）提高发电设备及动力装置的效率。

美国能源部（DOE）于2002年与ClipperW indpowerTechnology公司签署合同，委托该公司开发2.5MW风机，具体指标是在4级风条件下发电成本降至每千瓦时0.03美元。

5.涡轮风力发电机

新西兰研制出一种新型风力发电用涡轮机，这种涡轮机用一个罩子罩着涡轮机叶片，以产生低压区，使它能够以相当于正常速度3倍的速度吸入流过叶片的气流。风洞测试结果表明，有罩的涡轮机比无罩的涡轮机输出功率大6倍以上。涡轮机材质为高强度纤维强化钢材，在不增加质量的情况下，弯曲时承受的应力比普通钢材高3倍。该风力发电机安装有7.3 m长的叶片，整机可达21层楼的高度，每台涡轮机额定功率达3MW，其中一台由新西兰电力公司使用，另一台属于南澳大利亚州芒特甘比尔公司管理，专家预测，新型涡轮机发出的电力相当于传统涡轮机的6倍，10台这种新型风力涡轮发电机可为1.5万个家庭提供每年所需电能，如安装在海面巨大的漂浮平台上，由于海上的风力强、刮风多，效果更好。