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提高風(fēng)力發(fā)電效率的綜述

2018-06-25 15:03:53 河南華偉電力工程有限公司  點(diǎn)擊量: 評論 (0)
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

      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。

 

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責(zé)任編輯:電改觀察員

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