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我国北方风能资源利用与发展问题

2010-12-20 来源:风力机械分会 浏览数:3977

  3.4 风电技术试验研究
  内蒙古电管局风力发电研究所是全国成立最早的从事风电科研开发部门之一,已有20 多年的科研工作经验。该所在锡林浩特市建立的120m高的风能测试塔,现已积累了10 个不同高度,近20 年的实际测风数据,堪称全国之最。
  上世纪末,全国风力发电机组拥有量总数的70%在内蒙古自治区,而自治区的70% 又在锡盟。推广风力发电机的很多经验也是在锡盟总结出来的。如建立专业的技术服务队伍,解决牧民在使用风力发电机出现的技术问题,配套直流电视机,逆变器交流供电,低压照明设备,小型用电工具,风力提水机研制等,对风力机的普及,扩大使用范围都起到很好作用。
  引进美国100kW 风力发电机组并网发电后,标志着锡盟进入风能利用的一个新的发展时期,为我国建设和管理大型风电场积累了经验,以后又引进德国250kW 机组,上述两种机组是当时世界上单机容量较大的机组,在控制方面分别代表那个时期定桨距和变桨距不同方法的技术水平,积累了一定经验。
  3.4.1 定桨距风力发电机组 并网型风力发电机组从20 世纪80 年代中期开始发展,容量已从数10kW级增大到兆瓦级,并以定桨距(失速型)风力发电机组为主导机型。尽管在兆瓦级风力发电机组的设计中已开始采用变桨距技术和变速恒频技术,但由此增加了控制系统与伺服系统的复杂性,也对机组的成本和可靠性提出了新的挑战。因此,定桨距风力发电机组结构简单、性能可靠的优点是始终存在的。
  定桨距风力发电机组的主要特征表明,桨叶与轮毂的连接是固定的,当风速变化时,桨叶的迎风角度不能随之变化。这一特点给定桨距风力发电机组提出了两个必须解决的问题。一是当风速高于额定风速时,桨叶必须能够自动地将功率限制在额定值附近,桨叶的这一特性被称为自动失速性能。二是运行中的风力发电机组在突然失去电网(突甩负载)的情况下,桨叶自身必须具备制动能力,使风力发电机组能够在大风情况下安全停机。早期的定桨距风力发电机组风轮并不具备制动能力,脱网时完全依靠安装在低速轴或高速轴上的机械刹车装置进行制动。这对于数千瓦级机组来说问题不大,但对于大型风力发电机组,如果只使用机械刹车,就会对整机结构强度产生严重的影响。为了解决上述问题,桨叶制造商首先在20 世纪70 年代用玻璃复合材料研制成功了失速性能良好的风力机桨叶,解决了定桨距风力发电组在大风时的功率控制问题:20 世纪80 年代又将叶尖扰流器成功地应用在风力发电机组上,解决了在突甩负载情况下的安全停机问题,使定桨距(失速型)风力发电机组在近20 年的风能开发利用中始终占据主导地位,直到最新推出的兆瓦级风力发电机组仍有机型采用该项技术。
但是,定桨距机组结构笨重,抗大风能力差,低风速工作效率低等固有的结构性缺陷,很难克服,该机型的使用越来越少。
  3.4.2 变桨距风力发电机组 变桨距风力机是指整个叶片绕叶片长轴中心线旋转,使叶片节距角在一定范围(一般0°~ 90°)内变化,以便调节输出功率不超过设计容许值。在机组出现故障时,需要紧急停机,一般应先使叶片顺桨,这样机组结构中受力小,可以保证机组运行的安全可靠性。变桨距叶片叶宽小、叶片轻,机头质量比失速机组小,不需很大的刹车装置,启动性能好。在低空密度地区仍可达到额定功率,在额定风速之后,输出功率可保持相对稳定,保证较高的发电量。但由于增加了一套变桨距机构,增加了故障发生的机率。变浆距机组比较适于高原空气密度低的地区运行,避免了当失速机安装角确定后,有可能夏季发电低,而冬季又超发的问题。变桨距机组适合于额定风速以上风速较大的地区,这样发电量的提高比较显著。从今后的发展趋势看,在大型风力发电机组中将会普遍采用变桨距技术。
  变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相比,在相同的额定功率点和额定风速比定桨距风力发电机组要低。对于定桨距风力发电机组,一般在低风速段的风能利用系数较高。当风速接近额定风速点,风能利用系数开始大幅下降。这时随着风速的升高,功率上升已趋缓,而超过额定点后,桨叶已开始失速,风速升高对于变桨距风力发电机组,
  由于桨叶节距可以控制,无需担心风速超过额定点后的功率控制问题,可以使得额定功率点仍然具有较高的功率系数。由于变桨距风力发电机组的桨叶节距角是根据发电机输出功率的反馈信号来控制的,它不受气流密度变化的影响。无论是由于温度变化还是海拔引起空气密度变化,变桨距系统都能通过调整叶片角度,使之获得额定功率输出。这对于功率输出完全依靠桨叶气动性能的定桨距风力发电机组来说,具有明显的优越性。

  变桨距风力发电机组在低风速时,桨叶节距可以转动到合适的角度,使风轮具有最大的启动力矩,从而使变桨距风力发电机组比定桨距风力发电机组更容易启动。
  3.5 风力提水机得到大量推广
  风能利用的另一种形式是用风能作为原动力,直接带动提水工具提水。近期在锡盟发展很快,风力提水是直接用于生产,具有成本低,工作可靠和经济效益高等特点,近几年来被广大牧民所认识。
    2001 年在小型风力发电机普及后,各级政府加大了对风力提水技术的研发支持力度,到2008 年底,锡盟有关科研单位和科技企业,先后研制成功了FSH-200 型,FSH-250 型和FSH-300 型提水机。在研发过程中,发明了“风力机刹车大风自动保护装置”,并获得了专利。这项技术的发明,给风力机在运行中无人值守,大风自动停车,提供了技术保证。解决了水泵
拍阀,影响水泵使用寿命的问题。发明了多叶片风轮、叶片扭角形成的结构技术,提高了风能利用系数。这几项技术的应用,使制约风力提水机发展的技术问题得以解决,到2009 年底,全盟共推广风力提水及470 台,取得了良好的社会效益和经济效益。
  4. 对锡盟发展风能事业的展望

【延伸阅读】

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阅读上文 >> 中小型风力发电机在通信基站中的应用
阅读下文 >> 内地风电龙头征战再起

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