风力发电探秘

本文转自：厦门日报 风力发电是当今清洁可再生能源之一。出门旅游时，您可能会在山上、海上发现排列整齐、连绵数公里的风力发电机。看着那巨大的风叶慢悠悠地转动，您可能会好奇，这么慢的风叶真能发电？答案是肯定的，不仅能发电，而且其所发电量不容小觑！在中国，风力发电占所有发电量的4.5%，比太阳能发电量的1.5%还要高。

叶片转得慢，为何能发电？

首先，叶片巨大，一个叶片就可能长达60米甚至上百米，相当于普通的大型客机翼展，虽然使用的是高强度低密度材料，但其质量通常有十几吨，转起来自然就显得有点费劲了。

其次，风叶转动时可以产生离心力，叶片如果快速转动，巨大的离心力容易导致其机身不稳甚至倒塌，而转速缓慢可以极大地减小这个危险。

第三，风叶在受风转动的时候会产生扰流和噪声，因此在设计时风叶的转动速度都比较低，一般仅每分钟十几转，尽管叶片转动慢，但经过内部一个巨大的齿轮箱进行增速（增速可达50倍左右），最终带动着发电机高速旋转，产生巨大的电力。

如何适应风速风向变化？

应对风向的变化，大多数水平轴风力发电机具有对风装置。其中，小型风力发电机，对风装置采用尾舵；大型的风力发电机，则利用风向传感元件以及伺服电机组成的传动机构进行对风。

另外，因为过大的风可能使风力机产生飞车，甚至可能折断风叶，所以必须有一个测量风速、调整风叶角度的旋转伺服系统。

我国新疆的阿拉山口等多地有非常丰富的风力资源，如新疆达坂城风电场是中国第一个大型风电场，也是亚洲最大的风力发电站，目前安装有200台风力发电机，年发电量为1800万千瓦时。我省的南安高嵛山风电场，该项目建设规模为70兆瓦，安装24台单机容量3兆瓦的风力发电机，项目建成后，预计将年发电1.6亿千瓦时、年节约用煤4.75万吨、年新增税收约1500万元，对促进当地经济社会发展将产生积极作用。

近年来，我国在海上风电场的建设也取得很大的成功。随着江苏如东150兆瓦海上示范风电场的全部竣工投产，龙源电力集团股份有限公司在江苏省如东县建成中国规模最大的海上风电场，总装机容量达182兆瓦。

垂直轴风力发电机为何后来居上？

常见的风力发电机，按照其旋转轴方向来分类，被称为水平轴风力发电机，因为这种发电机的旋转轴与风向平行，我们可以简单理解为家里老式电风扇，不同的是电风扇靠电力产生风，而风力发电机是靠风来发电。水平轴风力发电机尽管有许多优势，但也有易造成飞鸟死亡、环境噪声大、叶片坏损易伤人等劣势。

与水平轴风力发电机不同，还有一种垂直轴风力发电机。还是用家用风扇举例，与常规电风扇不同，现在也有出现“柱状”电风扇，这种电风扇的电机轴与出风方向是垂直的。垂直轴风力发电机目前比较少见，但在风向改变的时候无须考虑是否迎风，在这点上相对于水平轴风力发电机是一大优势，它不仅结构设计上有简化，而且也减少了风轮对风时的陀螺力，降低风力发电机在大风时倒塌的概率，对于上述水平轴风力发电机的劣势，都有明显降低。

21世纪初，中国、日本、欧洲几乎同时发明的一种新型垂直轴风力发电机，由于减少了摩擦损耗，效率高于水平轴风力发电机，且无噪声和转向机构，维护简单，引起许多国家的重视。目前最大功率的是由上海模斯电子设备有限公司（MUCE）生产的50千瓦垂直轴风力发电机，日本生产的最大功率为30千瓦，英美国家生产的功率在1千瓦到10千瓦之间。最近，国内外多家公司提出了建造由垂直轴风力发电机组成的热对流风电场计划（10MW），此项计划得到落实后，由于其垂直轴风力发电减少了高大粗笨的钢立柱，以及复杂的测风、运算、伺服系统，也不可能遇上超强的热对流风速，减少了相应的保护系统，因此在同等发电功率的风力发电机中，成本远低于目前的水平轴风力发电机。

风力发电不能直接使用，如何并网输送？

由于自然界的风十分不稳定，风力发电机所发电量时大时小，时有时无，与火力发电稳定输出电力不一样，因此不能直接供用户使用（小型外接蓄电池除外）。那么，如何让它满足人们用电的需求呢？

通常风力发电场是多台的风力发电机一起发电，除自行组网外，还要并入区域电网向外输送电力。从技术角度看，发电机并联发电和并入电网必须满足三个条件，即电能的频率、相位和电压必须接近，否则不但不能向电网输送电能，还有可能扰乱整个电网，造成电网解列（将发电机退出与电网的并网运行）崩溃。因此风力发电几乎不单独组网，而是与大电网并接在一起，由电网的骨干电厂承担调节作用。通常骨干电厂是一个大型水电站或大型的火力发电厂来承担，当风力发电足够时，其他发电站少发电甚至停止发电；等风力发电不足时，其他发电站再发电补足所需的电量。

现在中国的电网已经形成全国一盘棋，风力发电、太阳能发电、水电、火电等，都并入国家电网，根据各地用电需求，国家电网把富余的电量经过1000千伏的交流或800千伏的直流电网（特高压电网），输送到电力不足的地区，一般来说，是由西部送往经济发达的东部，这就是大家常说的“西电东输”。

（厦门市老科协 供稿）