全球經(jīng)濟(jì)增長對(duì)能源需求日漸強(qiáng)烈，我國作為人口大國和工業(yè)大國，對(duì)能源的需求和能源短缺之間的矛盾日漸尖銳，石油市場的競爭耗費(fèi)了我國大量人力物力，我國為了保證石油供應(yīng)的穩(wěn)定付出了巨大的代價(jià)。為了緩解能源供應(yīng)緊張，我國對(duì)于可再生能源的重視程度逐漸加大，可再生能源占能源消耗的比例總比例也就見增大。作為清潔能源的重要組成部分，風(fēng)力發(fā)電擁有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ顷P(guān)乎國家能源環(huán)境未來的重要技術(shù)。本文就風(fēng)力發(fā)電和鋒利機(jī)械的特性進(jìn)行簡單探索，意在實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力機(jī)械的精確控制和對(duì)風(fēng)力資源利用率的提高。
風(fēng)力發(fā)電除了具有可再生的優(yōu)勢(shì)之外，還具有清潔無污染的特點(diǎn)，對(duì)比火力發(fā)電和核電，風(fēng)力發(fā)電無排放。在幾十年的經(jīng)濟(jì)建設(shè)中我們犯了很多錯(cuò)誤，對(duì)環(huán)境無節(jié)制的利用和破壞導(dǎo)致了大自然的報(bào)復(fù)，霧霾、沙塵暴等等就是最直接的例子。從地理上研究，我國處于亞熱帶季風(fēng)氣候，全年大部分地方都有很強(qiáng)的勁風(fēng)，而且我國幅員遼闊，有著大面積的丘陵和平原，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電需要的大面積風(fēng)車群提供了廣闊的空間。無論是從能源角度，還是從環(huán)保角度，或者地理優(yōu)勢(shì)方面，我國大力推廣風(fēng)力發(fā)電建設(shè)都是明智的選擇。下圖就是位于我國蒙古草原上的風(fēng)力發(fā)電風(fēng)車。
風(fēng)力發(fā)電發(fā)展簡史
風(fēng)力發(fā)電的想法最初在上個(gè)世紀(jì)三十年代的丹麥、瑞典蘇聯(lián)等國家就已經(jīng)開始付諸實(shí)踐。通過利用旋翼技術(shù)研制成功小型發(fā)電裝置，在多風(fēng)的海島和荒僻的農(nóng)村使用廣泛，因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電成本要比火力發(fā)電低廉很多。在之后的幾十年里研究人員不斷嘗試更大功率的發(fā)電風(fēng)車，到1978年，美國研制的風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率已經(jīng)能夠達(dá)到200千瓦。
風(fēng)力發(fā)電的基本原理就是把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。在風(fēng)吹下風(fēng)車旋轉(zhuǎn)獲得動(dòng)能，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。根據(jù)目前達(dá)到的技術(shù)水平，每秒三米的速度就能夠發(fā)電。
風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的分布仍然以西方為主，芬蘭、丹麥等國家風(fēng)力發(fā)電占總發(fā)電量的比例已經(jīng)很可觀。在我國國家電網(wǎng)鋪設(shè)難度十分大的西部，風(fēng)力發(fā)電也被廣泛使用。
從成本出發(fā)，每秒四米的風(fēng)速才適合發(fā)電。我國由于特殊的地理位置，風(fēng)力資源極為豐富，大部分地方風(fēng)速都達(dá)到三米每秒以上。在東北、西北、西南高原等地三分之一年都是大風(fēng)天，在這些地方，發(fā)展風(fēng)力發(fā)電很有前途。
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成
風(fēng)力發(fā)電原理并不復(fù)雜，結(jié)構(gòu)也十分清晰。通過自然風(fēng)推動(dòng)葉輪，把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過逐級(jí)傳動(dòng)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，通過一系列整流設(shè)備進(jìn)行功率和參數(shù)轉(zhuǎn)換，接入國家電網(wǎng)。小型發(fā)電設(shè)備通過蓄電池把電能儲(chǔ)存起來，通過變電設(shè)備轉(zhuǎn)換為直流電對(duì)直流設(shè)備直接供電，或者通過逆變器轉(zhuǎn)換為交流，供給交流用電設(shè)備。
風(fēng)力機(jī)械特性
風(fēng)速模型。自然風(fēng)風(fēng)力變化復(fù)雜，通過數(shù)學(xué)模型，在平均風(fēng)力上疊加分量。
自然風(fēng)存在隨機(jī)波動(dòng)，需要在平均風(fēng)速基礎(chǔ)上疊加隨即分量。
葉尖速比。衡量風(fēng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)速度大小的參數(shù)。是葉片間斷圓周速度和風(fēng)速的比值。
根據(jù)貝茲理論，風(fēng)力機(jī)在自然風(fēng)中獲得的能量有限，能量轉(zhuǎn)換導(dǎo)致風(fēng)速下降。在空氣質(zhì)量密度、風(fēng)輪半徑和風(fēng)速都為定值時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)風(fēng)輪捕獲能量和風(fēng)能利用系數(shù)成正比。在固定風(fēng)速之下，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)的變化會(huì)導(dǎo)致風(fēng)能利用發(fā)生相應(yīng)變化。
通過之前研究可以得知，轉(zhuǎn)速會(huì)影響能量捕獲效率。
輸出功率特性。所有機(jī)械都存在運(yùn)行效率問題。風(fēng)力發(fā)電啟動(dòng)需要一定的力矩來克服內(nèi)部阻力。啟動(dòng)力矩大小取決于發(fā)電機(jī)內(nèi)部阻力大小。因此，發(fā)電機(jī)啟動(dòng)需要一個(gè)最小風(fēng)速，當(dāng)自然風(fēng)強(qiáng)度達(dá)不到最小風(fēng)俗，風(fēng)力機(jī)就無法工作。在進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電廠建設(shè)之前一定要對(duì)當(dāng)?shù)仫L(fēng)力資源類型和性質(zhì)進(jìn)行考察，根據(jù)當(dāng)?shù)仫L(fēng)能切入速度和切出風(fēng)速確定合適的發(fā)電機(jī)型號(hào)，使之能夠正常工作。
風(fēng)力機(jī)直流電機(jī)模擬方案。風(fēng)力機(jī)的輸出功率和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和風(fēng)速兩個(gè)因素有關(guān)。在轉(zhuǎn)速和風(fēng)速確定了的條件下，可以經(jīng)過計(jì)算求得輸出功率和機(jī)械力矩。風(fēng)力機(jī)和電動(dòng)機(jī)的功率特性有很大的相似性。通過風(fēng)力機(jī)數(shù)學(xué)模型可以計(jì)算出風(fēng)力機(jī)輸出功率，將其作為直流電機(jī)的控制指令實(shí)現(xiàn)控制。
風(fēng)力發(fā)電控制策略
智能型風(fēng)力發(fā)電可以在風(fēng)力發(fā)電機(jī)不能夠捕獲足夠負(fù)載和蓄電池使用的電能時(shí)自動(dòng)跟蹤最大功率，調(diào)節(jié)葉尖速比。目前最大功率跟蹤方案主要存在風(fēng)速自動(dòng)控制和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速反饋兩種方法。
風(fēng)速自動(dòng)跟蹤是利用測速裝置測量自然風(fēng)速，根據(jù)風(fēng)力機(jī)最佳負(fù)載曲線計(jì)算實(shí)際輸出功率和給定功率之間的差值，通過調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)電流大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電輸出功率的調(diào)節(jié)。
風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速反饋是將發(fā)電機(jī)輸出功率和自然風(fēng)速之間的關(guān)系轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)輸出功率和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，簡化了結(jié)構(gòu)，使之更簡單可靠、穩(wěn)定。
風(fēng)力發(fā)電憑借其清潔和可再生的優(yōu)勢(shì)逐漸被重視起來，但是因?yàn)槠漭^低的生產(chǎn)效率，和高投入，但是隨著技術(shù)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的成熟，目前正在慢慢被廣泛的推廣。本文就風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展和風(fēng)力機(jī)械特性進(jìn)行了粗淺的闡述，利用風(fēng)力機(jī)械特性提高風(fēng)力發(fā)電效率是目前較為先進(jìn)和成熟的方法，值得在實(shí)踐中廣泛應(yīng)用和理論上的深入研究。