风力发电技术浅谈
摘要：风力发电是目前成本最接近常规电力、发展前景最大的可再生能源发电，受到世界各国的重视。近年来，我国风力发电市场快速发展，迫切需求风力发电技术的同步发展。本文对我国风力发电技术进行了简单的阐述，主要叙述了风况预测技术、风力发电储存技术、互补发电系统、风力发电设计制造技术、风力发电并网技术，指出了我国风力发电技术的光明前景。
关键词：风能；风力发电；电能储存；互补发电系统；并网
1.引言
空气的流动形成了风，风能是太阳能的一种转换形式，是一种重要的自然能源，也是一种巨大的、无污染、永不枯竭的可再生能源。风能的特点是具有随机性并随高度的变化而变化。几千年来，风能一直被用来作为碾磨谷物、抽水、船舶等机械设施的动力。但是风能的主要应用是风力发电：风力发电是通过风力发电机组实现风能到机械能，再到电能的转换。
与传统能源相比，风力发电不依赖矿物能源，没有燃料价格风险，发电成本稳定，也没有包括碳排放等环境成本。近年来，我国风力发电市场快速发展，迫切需求风力发电技术的同步发展。
2.风况预测技术
风电输出功率预测是确保电网平衡风电波动，减少备用容量和经济运行的重要技术保障。风电输出功率与风速大小有关，因此风电输出功率预测主要集中在风况预测。风能不仅随季节变化，而且每年也有变化，原则上完全预测风况是不大可能的。
风况有效预测是国际风能界正在从事的一项具体工作。风况预测方法主要有基于风况观测数据和气象模拟两种方法。利用风况观测数据方法预测风况时，主要是利用线性或非线性风况预测模型来预测。而利用风况观测数据预测风况时可能存在持续时间比较长。精度低等问题，所以不能只依靠风来观测，进年来，随着气象预报技术的发展和进步，利用气象模拟进行预测已经成为现实。利用气象模拟进行预测风况的技术，目前已被用于风力发电的计划，实施和运用的每一阶段。这种风况预测方法已经成为风力发电选址及制定风力发电系统稳定性的重要工具。
3.风力发电储存技术
在风力发电系统中，应用蓄能技术是解决风能不稳定性和负荷峰谷比问题的极为有效的措施，将富裕的风能储存起来，以满足负荷高峰时需求，同时风能存储装置还能尽量减少存储一转换过程中的能量损失。目前，经济可行的风能储存技术的研究在国内外理论界、工程界得到了越来越广泛的重视。下面将介绍比较常用的风能储存方式。
(1)新型电池储能技术
由风能转换的电能采用电池来存储是风能存储方式中最简单的方法。在中小型单独运行的风力发电机常需配备蓄电池储能，以应对风况、载荷的变化。目前该存储方式主要有铅酸电池(Lead-Acid Battery)、钠硫电池(NaS Battery)、钒电池全称为全钒氧化还原液流电池(Vanadium Redox Battery，缩写为VRB)、镍镉电池(Ni-Cd Batte ry)、锂离子电池(Li-ion Battery)等。
(2)水利蓄能技术
在水资源充足并有大容量高位水箱或水库的情况下，可用风能来驱动水泵，从而构成一个水利蓄能系统。当风能过量时，风力机带动水泵把水从低水位抽到高水位。当风能减小或电网中的功率不足时，就可采取存储的水利势能。采用水力涡轮发电机发电。
(3)压缩空气蓄能技术
压缩空气蓄能(CAES)是一种适用于缺水干旱地区风能储存的新型蓄能方式。在电力负载较小时，将风力发电机组提供的多余电能通过电动机带动空气压缩机，将空气压缩后储存到容量大、强度高的金属容器或地下岩盐矿内的岩洞或挖掘的岩石洞或现存的矿洞内；在电力负荷达到高峰、风小或无风时再释放存储的压缩空气作为动力，带动涡轮机实现发电。
(4)飞轮蓄能技术
飞轮蓄能是一种容量有限、存储时间较短、可适应于大容量发电机的蓄能方式。在风力机与发电机之间安装一个飞轮，利用飞轮旋转时的惯性储能。当风速高时，风能以动能的形式储存于飞轮中；当风速低时，储存在飞轮中的动能即可带动发电机发电。飞轮蓄能包括高速飞轮蓄能和超高速飞轮蓄能方式。超高速飞轮蓄能的转速是高速飞轮的10倍以上，具有更好的蓄能能力，是今后研究的重点。飞轮蓄能系统需附带必要设备来降低飞轮的风损失和轴承损失，可见对飞轮和轴承等零部件的材料提出了更高的要求。
(5)氢能存储技术
氢能存储技术即电解水制氢储能技术，在电力负载减小时，将风力发电多余下来的电能用来电解水，使氢和氧分离制备氢气，把氢作为燃料储存起来，需要时再把氢和氧在燃料电池中进行反应产生电能。
4.互补发电系统
互补发电系统是风能和太阳能等两种或多种以上能源组合起来的复合发电系统。其作用是在弱风时，由太阳能等补充电力，这样两种或多种能源组合起来得到的电力更稳定。也降低了发电成本。常见的互补发电系统有风光互补发电系统、风水互补发电系统、风气互补发电系统、风柴互补发电系统、风能和生物能互补发电系统等。下面针对我国的实际情况，分别介绍以上几种互补发电系统。
(1)风光互补发电系统
我国地域辽阔，风能资源丰富，风能资源受地理位置、季风、地形等因素的影响。我国属于季风气候区，一般冬季风大，太阳辐射小；夏季风小，太阳辐射大。风能和太阳能正好可以相互补充利用，采用风光互补发电系统可以很好的克服风能和太阳能提供能量的随机性和间歇性的缺点，实现连续供电。
风光互补发电系统特别适应于风能和太阳光资源丰富的地区，如：草原、海岛、沙漠、山区、林场、渔排、渔船等地区；风光互补发电系统还可用于城市的住宅小区和环境工程，如照明路灯、庭院、草坪、景观灯、广场、公园、公共设施、广告牌等。
(2)风水互补发电系统
风水互补发电系统是风能和水能相互结合的一种互补发电系统，当风电场对电网的出力随机波动时，水电站可迅速调节发电机的出力，对风电场出力进行补偿。另外，在资源分布上二者具有天然的时间互补性。在我国西藏、青海、新疆和内蒙古等部分地区，夏秋季节风速较小，风电场的出力较低，而这时候正是雨量充足的时候，水电站可以承担相应的负荷。到了冬春季节，水库的水位较低，水电站的出力不足，而这时风电场的风速较大，能够承担更多的负荷。
(3)风气互补发电系统
风气互补发电系统即指风电燃气轮机发电的互补系统。通过具有快速启停和快速负荷调节特性的燃气轮机电站来补偿风电场出力的波动，使得整个系统的出力在一段时间内有稳定的输出的一种互补发电系统。目前，风气互补发电系统在新疆已得到了较好的应用。
(4)风柴互补发电系统风／柴互补发电系统指的是利用柴油发电机(内燃机)和风力发电机组成的互补发电系统，主要是用于解决孤岛等偏僻地区的供电。
(5)风能和生物能互补发电系统
风能和生物能互补发电系统是风能和生物能互相结合
发电的一种互补发电系统。生物能和风能或者太阳能等其他可再生能源不同的是可以通过燃料形式储存起来，与负载相对应，可以通过人为的改变发电量。利用风能和生物能互补发电系统不仅可以提供稳定的电力输出，还可以避免地球温暖化，因此这种发电系统是～种非常有前景的互补发电系统。
当然互补发电系统还可以有多种以上的能源组合起来，如：风－光－柴互补发电系统、风能、太阳能和生物能互补发电系统等，这都是值得研究的互补发电系统。
5.风力发电设计制造技术
风力发电技术中，风电机组设备和零部件设计制造技术是其中的关键。风电机组研发着重在风电机组总体设计与仿真软件试验系统方面的研究，目前，已经开发了风力发电机组总体设计eWind软件应用系统，以进行风力发电机组设计的分析、计算和校核验证。
风电机组零部件的设计主要集中在叶轮的设计，而叶轮的关键则是叶片。叶片的形状和大小要符合流体力学特性并根据强度计算后得到的结构设计制作，已开展了先进翼型族的设计、实验与应用的研究。在翼型设计技术，数值模拟技术，风洞实验技术，数据库建立，翼型数据三维修正及在叶片设计中的应用都取得了较好的效果。但是，叶片制造过程中的智能化加工技术水平还有待于进一步提高。
风力发电机组的发展趋向大型化，与之相伴大型叶片的开发制作也随之发展。而叶片的大型化必须是在性能提高的同时尽量减少叶片重量，因此，在追求性能的同时要注意叶片材料的选择。用于制造叶片的材料必须强度高、重量轻，并且在恶劣气象条件下物理、化学性能稳定。叶片的材料主要在铝合金、不锈钢、木材、玻璃纤维树脂基复合材料、碳纤维树脂基复合材料等中选择。而大型风力发电机组的叶片基本上采用玻璃纤维树脂基复合材料、碳纤维树脂基复合材料等。目前，叶片设计与检测方面研究了1.5MW风力机叶片的气动与结构设计，开发设计适合我国风能资源和环境条件特点的大尺寸预弯式叶片。
6.风力发电并网技术
由于风能的不稳定性，中小型风力发电机一般采用直流发电系统并配合蓄能器或与其他发电装置互补运行的方式，以满足离散区域的稳定供电需求；而大型风力发电机大多采用直接或间接并网运行向外界输出电能。
由于发电机并网过程是一个瞬变过程，它受制于并网前的发电状况，影响并网后发电机的运行和电网电能质量，在并网运行方式中主要解决的是并网控制和功率调节问题。在大规模风电运行要求电网提高接纳风电承受能力的同时，电网为了维持自身的稳定性，也向并网风电机提出了更高的技术要求。并网问题的根源在于风能自然具有随机性及不可控性带来的风电出力的波动性。
解决并网问题的可能方向主要在以下两方面：一是“非并网”风力发电系统采用近距离直接利用，避免对电网的冲击。二是减少风电的波动性。在风电系统方面，发展变桨变速式功率调节等驱动技术；在风电场方面。发展先进的整体控制技术和输出功率短期预测技术；在系统集成方面，推动探索研究风电储能系统技术及风能与其他能源系统互补技术；在电网方面，发展智能电网，发展大规模低电压穿越技术，使其具有适应所有电源种类和电能储存的方式。
7.展望
随着科技的进步，人类对风能的认识不断深化，风力发电具有极大的潜力可以部分满足剧增的全球能源需求。风电是目前成本最接近常规电力、发展前景最大的可再生能源发电品种，受到世界各国的重视。我国的风力发电技术自20世纪70年代起步，在大型风电机组的自主研发、风电机组及零部件的检错手段、风电机组认证体系等方面都和世界先进国家还存在较大的差距，但是经过几个五年计划的科技攻关，我国在风电机组整机及零部件制造技术、风电接入系统仿真技术、风电场选择及建设技术等方面都取得了长足的进步。同时，我国已开始发展近海风能资源的近海风电机组和风电场技术。可以预测，随着风电产业和技术的快速发展，风力发电将成为我国可再生能源中极具规模化开发条件和商业化发展前景的一种新能源，是成本最低的温室气体减排方案之一。
参考文献：
[1]国家高技术研究发展计划(十一五863计划)先进能源技术专家中国先进能源技术发展概论[M].第1版.北京：中国石化出版社，2010.101-129.
[2]郭新生.风能利用技术[M].第1版北京：化学工业出版社,2007.62,140-159.
[3]惠晶，方光辉.新能源转换与控制技术[M].第1版.北京：机械工业出版社,2008.15,101.
[4]左然.施明恒，王希麟.可再生能源概论[M].第1版北京：机械工业出版社,2008,258-322.
[5][日]牛山泉编，刘薇，李岩译风能技术[M].第1版.北京：科学出版社,2009.33-38,78-82,192-199.
[6]中国国家发展和改革委员会国际可再生能源现状与展望[M].第1版.北京：中国环境科学出版社,2007.5.
[7]杨丽斌.王俊.可再生能源系统的能源储存[J].能源与环境，2002,6：25-28.c
[8]李新梅，孙文磊.浅析风力发电机叶片关键技术[J].机械制造,2009,1：45-47.
[9]卫海岗，戴兴建，张龙，沈祖培.飞轮储能技术研究新动态[J].太阳能学报，2002,23(6)：748-753.
[10]茆美琴.余世杰，苏建徽，沈玉梁，赵为，周毅人，何慧若.风－光－柴－蓄复合发电及智能控制系统实验装置[J].太阳能学报,2003,24(1)：18-21
[11]包能胜.风电-燃气轮机互补发电系统若干关键问题的研究[D].清华大学，2007,10：25-28.
[12]包能胜.蔡佳炜，倪维斗.风气互补发电系统的内部机组组合问题研究[J].太阳能学报,2009,30(2)：217-221.
[13].K.Kaldellis,D.Zafirakis. Optimum energy storage techniques for the improvement of renewable energy sources-based electricity generation economic efficiency[J].Energy,2007,32:2295-2305.
[14]Michael Goggin.Power engineering[J].2009,11:146-150.
