郭继高

　 　编者按：小型风能发电具有节约能源、无污染、灵活的特点，我国小型风能发电的现状如何，小型风能发电机的发展，如何，请关注我刊陆续 推出的“专题讲座”小型风能发电及其发电机。
　　【摘　要】　概述了我国风能利用资源现状以及风能发电的基本 原理，分析了风力发电机组的结构形式和存在的问题。
　　【关键词】　风力发电机　风能
　　中 图分类号：TM315　　文献标识码：B
　　文章编号：1004-7018(1999)05-0039-04

1 风能利用概述
　　风是地球表面上的大气受到太阳辐射而引起的部份空气的流动， 因而风能也是太阳能的一种表现形式。地球近地层每年风能总量约为1.3×10¹⁵W，可以利用的风能量至少为10¹²W， 约十倍于地球上可以利用的水力能源总量。我国的年风能总储量估计为 1．6×10¹²W。如果世界风能的1/100用于发电，则可 达世界总发电量的（8～9）％，而实际上由于风力的随机性和风速变化多端，它的利用效率较低，在风能的实际利用上仍存在很多技术困难。
　　尽管如 此，风能作为再生能源，取之不尽，用之不竭，不存在燃料运输，灰渣处理和环境污染问题。由于它是自然能源，在常规能源紧张和生态环境遭受污染的时代，它的 价值正在被重新认识，一些经济发达国家在70年代后期先后制定了发展规划，并投入了相当数量的开发资金。
　　我国风能的利用，已有2000多年的 悠久历史，主要是用于风力提水和船舶上，但是发展很慢。50年代中期开始研制了小型现代风力提水机和发电装置。60年代，一些风力机开始投入小批量生产。 70年代末，我国风能利用研究进入了一个新的发展阶段，主要是小型风力发电机和风力提水机。1982年5月我国正式成立了全国性的风能专业委员会。 1985年我国成立了“全国风力机械标准化技术委员会”，该委员会制订了一系列有关风力发电机和风力提水机的相关标准。这样，“六五”、“七五”、“八 五”期间在风能的利用、开发、风力发电方面有了很大的发展。90年代，我国从小型风力发电机组（国际规定10kW以下）的广泛应用走向大型风力发电机组的 开发、引进、创新之路。目前我国小型风力发电机组的研究、制造已积累了相当丰富的经验，技术上已日趋成熟，形成了我国的系列型谱，并有部份出口。大型风力 发电机组已建立了十几座大型风力田（如新疆达板、内蒙、山东荣城、广东汕头南澳、福建平潭等）。近年来，在国家计委主持下开展了大型风力机“先锋”工程， 小型风力机“光明”工程，这将有力推动我国风力发电事业的进一步发展。

2 风能发电原理
2.1 风能发电原理
　　风能发电的原理是利用风轮将风能转变为机械能，风轮带动发电机再将机械能转变为电能。大型风力发电机组发出 的电能直接并到电网上，向电网馈电；小型风力发电机一般将风力发电机组发出的电能用储能设备储存起来（一般用蓄电池），需要时再提供给负载（可直流供电， 亦可用逆变器变换为交流供给用户），其简要的系统图如图1。

图 1　风力发电机系统方框图

2.2 风能密度
　　 不考虑风力机械的利用系数，单位面积获得的风功率称为风能密度，并以此表征某地风能潜力的大小

W=0.5ρv³　 　(W/m²)　　(1)

推动风力机械运转的风能功率是

P₁=0.5ρv³F　　(W)　　(2)

式中：ρ—空气质量密度（kg/m³）；
　　　v—风速(m/s)；
　　　F—风力机 械叶轮扫掠的面积(m²)
　　由于实际上风力机械不可能将桨叶旋转的风能全部转变为轴的机械能，因而风轮的实际功率应为

P=0.5ρv³FC_P　　(W)　　(3)

式中：C_P—风能利用系数，即风轮所接受风的动能与通过风轮扫掠面积F全部风的动能比值。
　　 以水平轴风力机械为例，理论上{zd0}风能利用系数为0．593左右，但再考虑到风速变化和桨叶空气动力损失等因素，风能利用系数能达到0．4就相当高了。
　 　风能密度有直接计算和概率计算两种方法。近年来各国的风能计算中，大多采用概率计算中的韦泊尔（Weibull）分布来拟合风速频率分布方法计算风能密 度。
2.3 有效风速和有效风能密度
　　风力机械要根据当地的风况确定一个风速来设计的，该风速称为 “设计风速”或“额定风速”，它与“额定功率”相对应。由于风的随机性的不稳定，风力机械不可能始终在额定风速下运行。因此风力机械就有一个工作风速范 围，即从切入风速到切出速度，称为工作风速，即有效风速。依此计算的风能密度称为有效风能密度。
　　根据国标GB8974-88风力机名词术语的 定义：
　　起动风速风力机风轮由静止开始转动并能连续运转的最小风速；
　　切入风速风力机对额定负载开始有功率输出时的最小风速；
　 　切出风速由于调节器的作用使风力机对额定负载停止功率输出的风速；
　　工作风速风力机对额定负载有功率输出的风速范围，一般为3～20m／s。
　 　从定义上可以看出，低于起动风速，风力机不能运行，而高于切出风速，风力机如继续在高风速下运行，将会严重损坏风力机，甚至造成人身事故，这尤其要引起 人们的重视。

3 我国的风能资源
　　由于我国地形复杂，风的地区性 差异很大，有必要将我国的风能资源的大体分布列出，以便于人们了解哪些地区有开发利用风能的潜力。
　　一般风能资源的潜力和特征用有效风能密度和 可利用年积累小时数两个指标表示，根据有关气象资料，我国可利用风能地区有三个，即风能丰富区、较丰富区、可利用区，列表如下：

我国风能资源分布情况表 地区数值指标风能密度W/m²全年累积小时数 风速3～20m/s
(约3～8级风)风速6～20m/s
(约4～8级风)风速8～20m/s
(约5～8级风) 风能丰富区即东南沿海、山东、辽东半岛沿海和岛屿；内蒙、甘肃北部>200>5000>2200>1000 风能较丰富地区即沿海岸由风能丰富地区向内陆延展20～50km地带，三北地区，青藏高原中部和北部地区>150≈5000≈1500≈800 风能可利用区即两广沿海，福建海岸由风能丰富地区向内陆延展50～100km地带，大、小兴安岭，三北中部，黄河、长江中下游及川西、云南部分地区 50～1502000～4000500～1500

4 风力发电机组的结构形式
　　风力机有垂直轴式和水平轴式两种，分别介绍如下：
4.1 垂直轴风力机
　　风轮轴线的安装位置与水平面垂直的风力机称垂直轴风力机。常见的结构有“ S”型风轮、戴瑞斯（ Darrieus）式风轮和旋翼式风轮三种，如图2所示。戴瑞斯式风力发电机组，国内曾有人研制并安装运行，但运行时间不长就损坏了；旋翼式风力发电机组 也有人研究并试运行过。从理论上讲，它可以不象水平轴风力机那样要求迎风装置，但它同样存在超过工作速度需要限速的问题。为了限速，其机构必然复杂，其结 构简单的优越性就不复存在了。该风力机由于一些技术难题仍未得到解决，因此目前还没有进入实际应用阶段。

图2　垂直轴风力机

4.2 水平轴风力机
　　风轮轴线的安装位置与水平面夹角不大于15度的风力机称水平轴风力机。其风轮有双叶片式；三叶片式和多叶片 式。按其迎风的方式又分为迎风式（上风式）和顺风式（下风式）。如图3所示。

图3　水平轴风力机

　　这种风力机国内有 比较成熟的技术，就其发电机的研究和生产而言其水平可以与其它国家比较。例如南京航空航天大学与该校江苏南航技术开发公司研制生产的FDS型风机，具有国 际水平。
　　风力发电机组主要由风轮、传动与变速机构、发电机、塔架、迎风及限速机构组成。
　　(1）风轮
　　风轮是风力机的主 体，受风的作用风轮旋转，将风能转化为机械能。它包括桨毂和叶片。桨毂的作用是将叶片和变速机构（或发电机）连接起来，叶片作用是接受风能。
　　 （2）发电机
　　发电机是将旋转风轮的机械能转化为电能。
　　大型风力发电机大多为异步电机。
　　小型风力发电机主要是低速永磁 发电机，这主要是因为小型风力发电机的风轮直接耦合在发电机轴上，省去了升速机构，这就要求发电机只有几百转／分，所以采用低速发电机。
　　 （3）塔架、迎风机构和限速机构
　　大型风力发电机以前主要用三角钢制成塔架，现在则采用了大小头圆筒（象拉杆天线），每节之间用法兰盘连接，这 样运输时上节放在下节里，非常方便。钢管成架后，计算机、电缆、设备全部放在钢管内，又非常实用。
　　小型风力发电机就用几节相同的圆钢管以法兰 盘连接起来，它可根据地形及风况决定使用几节，然后用四根钢索固定在地面上。
　　大型风力发电机组迎风及限速机构全部采用了传感器及计算机结合的 自动调节系统，按设定的技术参数自动发电，并网、限速和调节。
　　小型风力发电机的迎风机构主要靠风尾，只要风尾设计得合理，其对风性能xx可以 满足技术要求。小型风机的限速方法比较多，主要是偏转机构，仰头机构，离心机构等。目前使用较多的主要是偏转机构，在风速超过工作风速时，由于侧偏的作 用，风轮受力超过额定要求，会自动偏离，使之不正常迎风。如图4b所示。南京航空航天大学研制了自动变桨距的风力发电机组，在风速超过工作风速范围时，它 会自动改变叶片的迎风面，以减小风力机叶片的受风面，不致使之速度上升，而风速回复到工作风速范围时它会自动恢复正常状态。该型风机曾在海岛及热带风暴多 发地区运行，经受了热带强风的考验。如图4a所示。

1. 风轮 2. 发电机 3. 风尾 4. 回转体 5. 立杆

图 4　风力发电机结构图

　　（4）储能设备及逆变器
　　小型风力发电机不可能采用大型 机的方法自动并网，而且使用小型风力发电机多是偏远地区。由于风速的多变，使得风力发电机的电压及频率变化，不可能直接被负载利用，这就出现了储能环节， 以便从储能设备中提取能源。一般小型风力发电机使用蓄电池储能，先用整流器将发电机的交流电变成直流电向蓄电池充电，然后用逆变器将蓄电池的直流电变换成 交流电，供给负载。整流器和逆变器可以做成两个装置，也可以合为一体。多年的风力发电机运行表明，风力发电机的逆变器所要着重解决的是可靠性及寿命，而不 是技术性能指标。风力发电机用的逆变器所面临的负载不象一般通讯和计算机设备，它必须能保证常年不断的使用，又要承受风速、负载变化的冲击。目前小型风力 发电机用逆变器虽已比较完善，但是在实际应用中仍然存在一些技术难题。

5 风力发电机存在的问题
5.1 市场问题
　　大型风力发电机主要由国家计委、原机械 部、电力部、航空部组织实施，它更受到风源条件的制约。小型风力发电机目前处于低潮时期，其生产厂家已从几十家降到目前的几家。除受经济发展的影响外，主 要还有一个认识过程，生产厂家很少盈利。但是，由于它是清洁能源，对环境无污染，又由于我们国家地形复杂，人口又多，居住分散，对于电网涉及不到的地区， 特殊行业，仍然可以补充大电网的缺陷，起到拾遗补缺的作用，可以利用小型风机风力发电机的地方主要有：
　　（1）航运系统
　　我们有长江 等水系几条大河流，如长江航运中的拖船，一般在100-200吨，经常被搁置在江中间的锚地上，用电主要靠蓄电池。使用风力发电机对蓄电池补充充电效果很 好，这方面有成功的经验。但是，由于国有运输企业的不景气，影响了市场。
　　另外，我们大小河流湖泊上的船舶数量惊人，用小型风力发电机解决它们 的照明、收视电视、听广播，有很重要的意义和市场。
　　（2）森林防火高山观察站
　　据林业部防火指挥部介绍，东北约有400个观察站， 西南也有几百个高山观察站，各省市都有一些森林高山防火观察站，站上的工作人员，在防火期从10月到第二年4、5月期间昼夜在站上值勤，解决他们的照明及 听广播、看电视颇为费神。由于山高、道路狭窄歧岖、运输困难，又不能使用明火，使用小型风力发电机可以基本解决观察站的照明及娱乐用电。90年代初，个别 观察站曾使用过小型风力发电机。由于风力发电机的某些技术问题及使用人员的素质因素，没有得到推广。
　　（3）无人值守的差转台和微波站
　 　（4）东南沿海各孤立的岛屿
　　（5）围网养殖系统
　　（6）农牧区
　　（7）国际市场
5.2 技术问题
　　大型风力发电机目前存在引进、吸收和国产化的问题；小型风力发电机尽管我们国家比较重视，技术比较成熟，但仍然存在安全、可靠的技 术问题。这里有认识上的问题，也有生产规模的问题。一般人总认为风力发电机只要将它竖起来就可以了，实质上风力发电机的运行环境极端恶劣，它不象其它家 电、自行车有间歇的时间，而是一直在户外，经受大风大雨的“洗礼”，不能有丝毫的懈怠；而且长年累月不停，因此没有维修是不可能的。尽管国家制定了标准， 但是不被人们重视。所以说，定期观察和维修（一般3个月）是必要的。就其技术而言，生产廉价、简单、可靠、安全的风力发电机组仍是对生产企业的挑战。特别 是风力发电机用的逆变器仍然需要更多的努力，小型风力发电机的发展虽然受到风源条件的制约，但其发展的空间仍然巨大，应该引起政府、企业家及科技人员的关 注。由于目前生产的规模太小，其价格、质量都缺乏吸引力。希望有魄力和有远见的企业家介入这一事业，对经济发展和社会作出贡献。

作者单位：　(南京航空航天大学，南京 210016)

参考文献

　1　全国风力机械标准化技术委员会.风力机械标准汇编（{dy}辑）［S］．1989
　2　中国风能专业委员会.风能 通讯，1999;3～4
　3　中国农业机械化科学研究院.中国风力机图册［M］．1983.
　4　孙左一.电力系统与新能源［M］．北 京：水利电力出版社，1989.
　5　陈所宽，章燕谋，温龙.新能源发电［M］.北京：机械工业出版社,1988.
　6　江苏南航技术开 发公司.关于开发小型风力发电机组的可行性论证报告［M］．1990.
　7　江苏南航技术开发公司.司达牌FDS、FDP系列风力发电机一“用户 指南”［M］．1993.

收稿日期：1999-05-20