世界能源消耗量的持續(xù)增加，使全球范圍內(nèi)的能源危機(jī)愈發(fā)明顯，開發(fā)可再生能源以緩解能源危機(jī)、實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展已成為世界各國能源發(fā)展的重大舉措。風(fēng)能因在世界范圍內(nèi)的蘊(yùn)藏量巨大、可再生、分布廣、無污染的特性，使風(fēng)力發(fā)電成為世界能源發(fā)展的重要方向。近幾年來，世界風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)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(fèi)的主要國，在面臨化石燃料發(fā)電所帶來的嚴(yán)重環(huán)境污染危機(jī)下，風(fēng)能作為一種新型能源，但風(fēng)能的利用效率過低，成為制約其發(fā)展的瓶頸。因此提高風(fēng)能的利用效率十分重要。

　　風(fēng)力發(fā)電

　　風(fēng)力發(fā)電依靠風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能。圖1為一臺水平風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪由三個(gè)用玻璃鋼或尼龍等制成的葉片構(gòu)成。風(fēng)力吹動風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，并通過變速齒輪箱將風(fēng)力機(jī)軸上的低速旋轉(zhuǎn)（約為18～33r/rain）轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)所需的高轉(zhuǎn)速（800r/rain或1500r/min），傳給發(fā)電機(jī)軸使之旋轉(zhuǎn)發(fā)電。

　　當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪正對風(fēng)向時(shí)，風(fēng)輪得到的風(fēng)能最大。為了保證風(fēng)輪隨時(shí)都迎著風(fēng)向，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中設(shè)有偏航系統(tǒng)。當(dāng)裝在機(jī)艙頂部的風(fēng)向標(biāo)測得風(fēng)輪不正對風(fēng)向時(shí)，會發(fā)出偏航指令，通過偏航系統(tǒng)使機(jī)艙和風(fēng)輪繞塔架的垂直軸轉(zhuǎn)動，以達(dá)到對準(zhǔn)風(fēng)向的目的。

　　風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)的輸出功率是隨風(fēng)速增大而提高的。風(fēng)速太大會使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速過快和發(fā)電機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行，這些均會使風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)生運(yùn)行事故。為了保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行，風(fēng)力發(fā)電機(jī)中都設(shè)有限速安全裝置以調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，使之在一定風(fēng)速范圍內(nèi)保持基本不變，以便風(fēng)力發(fā)電機(jī)能在不同風(fēng)況下穩(wěn)定運(yùn)行。

　　風(fēng)輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方法主要有兩類，一類是風(fēng)輪葉片槳距固定型，另一類是風(fēng)輪葉片槳距變動型。固定槳距型的調(diào)速方法為，當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)，通過各種機(jī)構(gòu)使風(fēng)輪繞垂直軸回轉(zhuǎn)，以偏離風(fēng)向，減少迎風(fēng)面和受到的風(fēng)力以達(dá)到調(diào)速的目的。變槳距型的調(diào)速方法為，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，通過一套槳葉角度調(diào)整裝置轉(zhuǎn)動槳葉，改變?nèi)~片與風(fēng)力的作用角度，使風(fēng)輪承受的風(fēng)力發(fā)生變化，以此來達(dá)到調(diào)速的目的。

　　這兩種調(diào)速方法中，前者結(jié)構(gòu)相對較為簡單，但機(jī)組結(jié)構(gòu)受力較大，后者增加了槳葉角度調(diào)整裝置，增加了造價(jià)但可使機(jī)組在高于額定風(fēng)速情況下仍保持穩(wěn)定的功率輸出，提高發(fā)電量。因此中、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組較少采用變槳距調(diào)速方法，而大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多采用變槳距調(diào)速方法。

　　除限速裝置外，風(fēng)力發(fā)電機(jī)還裝有制動器。當(dāng)風(fēng)速太高時(shí)，制動器可以使風(fēng)輪停轉(zhuǎn)，以保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)在特大風(fēng)速時(shí)的安全。

　　風(fēng)力發(fā)電中提高效率的方法

　　（1）優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和位置

　　水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)理論表明，在一定的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)速的比值下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪對風(fēng)能的轉(zhuǎn)換效率最高。對于常用的轉(zhuǎn)速不變的恒轉(zhuǎn)速風(fēng)力發(fā)電機(jī)而言，在風(fēng)速變化時(shí)就無法保持最佳的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)速的比值，因而其風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率就不能經(jīng)常保持在最佳值。

　　但恒轉(zhuǎn)速風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以輸出恒定頻率的交流電，便于與電網(wǎng)連接。隨后研制的變轉(zhuǎn)速風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以在不同風(fēng)速下均保持最佳的轉(zhuǎn)速與風(fēng)速的比值，因而風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率高，一般比恒轉(zhuǎn)速風(fēng)力發(fā)電機(jī)可增加約10%的發(fā)電量。但其輸出電流的頻率不穩(wěn)定，必須通過增設(shè)的變頻裝置才能實(shí)現(xiàn)輸出恒頻的交流電以便與電網(wǎng)連接。現(xiàn)在單機(jī)功率超過1MW的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多采用變轉(zhuǎn)速運(yùn)行方式。

　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的塔架將風(fēng)輪和機(jī)艙置于空中以獲得更多的風(fēng)能。塔架有兩種主要結(jié)構(gòu)，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(shè)有梯子和安全索以便于維修人員進(jìn)入機(jī)艙。大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組均配有由微機(jī)和控制軟件組成的控制系統(tǒng)，可以對機(jī)組的啟動、停機(jī)、調(diào)速、故障保護(hù)進(jìn)行自動控制，可以對機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)和工作狀況自動顯示和紀(jì)錄，以確保機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組根據(jù)其運(yùn)行方式可分為離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。前者獨(dú)立運(yùn)行，主要用于邊遠(yuǎn)農(nóng)村、牧區(qū)、海島等遠(yuǎn)離電網(wǎng)的地區(qū)，機(jī)組功率較小（一般為5kw以下）。在這種系統(tǒng)中，風(fēng)力交流發(fā)電機(jī)輸出的交流電經(jīng)整流器整流后輸入蓄電池蓄能，再供直流負(fù)荷使用。

　　如用戶需要交流電，則應(yīng)在蓄電池與用戶之間加裝逆變器后再輸給用戶。在無風(fēng)期間，可由蓄電池供電。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組也可和柴油發(fā)電機(jī)組或太陽光發(fā)電系統(tǒng)組成一個(gè)互補(bǔ)型的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)。

　　在風(fēng)力發(fā)電機(jī)不能輸出足夠電力時(shí)，另一個(gè)系統(tǒng)可提供備用的電力。風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用并網(wǎng)運(yùn)行方式指的是將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)連接并將輸出的電力并入電網(wǎng)。對于恒速恒頻的常用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已普遍采用。對于變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組則需增設(shè)變頻裝置等使輸出電流達(dá)到恒頻后再并網(wǎng)運(yùn)行。

　　（2）智能控制系統(tǒng)可大大提高風(fēng)能利用率

　　美國雪城大學(xué)L.C.史密斯工程和計(jì)算機(jī)學(xué)院部分研究人員正在進(jìn)行這方面的研究工作。目前，他們正在測試自己開發(fā)的主動式風(fēng)流動智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的基本出發(fā)點(diǎn)是根據(jù)表面測量而估算流過葉片表面風(fēng)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(shí)時(shí)調(diào)整控制氣流和提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的整體效率。此舉還有可能降低因流動分離而產(chǎn)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(jié)果顯示，對葉片1/2半徑以外的外側(cè)板施以氣流控制，能在風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定功率輸出相同的情況下，顯著地增大風(fēng)力發(fā)電機(jī)整體工作范圍；或者說，在相同的工作范圍，可適當(dāng)?shù)靥岣唢L(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定輸出功率。

　　研究人員認(rèn)為，在采用氣流控制后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(cè)板超出半徑一半的位置。

　　借助雪城大學(xué)新落成的無回聲風(fēng)洞設(shè)施，研究人員同時(shí)還在分析和了解特定的葉片形狀，以決定在氣流極其不穩(wěn)定的環(huán)境下，不同形狀的葉片在受到適當(dāng)氣流控制時(shí)，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(fēng)洞來評估和測量氣流控制對風(fēng)力發(fā)電機(jī)噪聲頻譜的影響。

　　美國能源部支持的明尼蘇達(dá)大學(xué)風(fēng)能聯(lián)盟專門從事與風(fēng)能相關(guān)的研究，雪城大學(xué)的主動風(fēng)流動智能控制系統(tǒng)研究屬于聯(lián)盟整體工作的組成部分。身為機(jī)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(dá)大學(xué)牽頭的具有世界水平的風(fēng)能研究聯(lián)盟，這是將在氣流智能控制系統(tǒng)方面的專業(yè)知識用于可再生能源領(lǐng)域的極好機(jī)會。

　　（3）風(fēng)機(jī)正確使用潤滑油

　　風(fēng)機(jī)有幾個(gè)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(fā)電機(jī)軸承等，在這些潤滑部位當(dāng)中，最最關(guān)鍵的要屬主變速箱。

　　帶動發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的主變速箱可以說是齒輪傳動型風(fēng)機(jī)的心臟。由于對整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)作至關(guān)重要，主變速箱的設(shè)計(jì)和制造通常都非常先進(jìn)，也因此往往造價(jià)不菲；而一旦發(fā)生故障，更換主變速箱要付出更高昂的代價(jià)。

　　舉例來說，如果要為一個(gè)功率為1.5兆瓦渦輪機(jī)更換主變速箱，把購買新變速箱的費(fèi)用、起重設(shè)備租用、停工造成的收入損失以及人工費(fèi)等各項(xiàng)成本都合算進(jìn)去，總花費(fèi)將超過25萬美元。

　　一般來說，變速箱原廠灌裝的都是設(shè)計(jì)使用壽命為三年左右的合成潤滑油。但現(xiàn)在大多數(shù)變速箱的標(biāo)準(zhǔn)保修期只有一年。這意味著當(dāng)變速箱的保修期結(jié)束后風(fēng)機(jī)維護(hù)人員將擔(dān)負(fù)起選擇替換潤滑油（通常稱為二次注油或服務(wù)注油）的責(zé)任。

　　考慮到風(fēng)機(jī)變速箱維護(hù)中可能遇到的困難以及費(fèi)用問題，美孚建議設(shè)備維護(hù)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(shí)間為變速箱提供很好保護(hù)的同時(shí)保證變速箱擁有極佳的生產(chǎn)效率。

　　未來風(fēng)能發(fā)展前景

　　（1）世界衛(wèi)生組織對未來風(fēng)能的發(fā)展進(jìn)行了動態(tài)預(yù)測分析。由于風(fēng)能的低風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)界各國對清潔可靠能源的需求，風(fēng)能行業(yè)仍將會吸引更多的投資商投資。越來越多的政府制定優(yōu)惠政策，鼓勵(lì)自主發(fā)電廠、中小型企業(yè)和社會基層企業(yè)開展多種形式的分散式投資，這些都將成為未來可持續(xù)能源利用的主力軍。通過仔細(xì)估算并考慮到不穩(wěn)定因素，預(yù)計(jì)到2020年，全球風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量至少可達(dá)到1500GW，風(fēng)力發(fā)電有可能達(dá)到全球電能消耗的12%。

　　（2）最近能源觀測組織發(fā)表的研究文獻(xiàn)表明：到2025年，風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量甚至可能達(dá)到7500GW，全球裝機(jī)產(chǎn)能可達(dá)16400TWH,所有可再生能源發(fā)電量的總和將超過全球電能供給的50%。按照這一結(jié)果，到2019年，風(fēng)能和太陽能有可能達(dá)到全球新建發(fā)電廠市場份額的50%。2018年非再生能源發(fā)電將是頂點(diǎn)，到2037年可能完全被淘汰。