世界能源消耗量的持續(xù)增加，使全球范圍內(nèi)的能源危機愈發(fā)明顯，開發(fā)可再生能源以緩解能源危機、實現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展已成為世界各國能源發(fā)展的重大舉措。風能因在世界范圍內(nèi)的蘊藏量巨大、可再生、分布廣、無污染的特性，使風力發(fā)電成為世界能源發(fā)展的重要方向。近幾年來，世界風力發(fā)電裝機容量平均每年大約以30%的速度增長。中國作為世界化石能源消費的主要國，在面臨化石燃料發(fā)電所帶來的嚴重環(huán)境污染危機下，風能作為一種新型能源，但風能的利用效率過低，成為制約其發(fā)展的瓶頸。因此提高風能的利用效率十分重要。

　　風力發(fā)電

　　風力發(fā)電依靠風力機將風能轉(zhuǎn)換為電能。圖1為一臺水平風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)示意圖。風力機的風輪由三個用玻璃鋼或尼龍等制成的葉片構(gòu)成。風力吹動風輪旋轉(zhuǎn)，并通過變速齒輪箱將風力機軸上的低速旋轉(zhuǎn)（約為18～33r/rain）轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機所需的高轉(zhuǎn)速（800r/rain或1500r/min），傳給發(fā)電機軸使之旋轉(zhuǎn)發(fā)電。

　　當風力發(fā)電機的風輪正對風向時，風輪得到的風能最大。為了保證風輪隨時都迎著風向，在風力發(fā)電機中設(shè)有偏航系統(tǒng)。當裝在機艙頂部的風向標測得風輪不正對風向時，會發(fā)出偏航指令，通過偏航系統(tǒng)使機艙和風輪繞塔架的垂直軸轉(zhuǎn)動，以達到對準風向的目的。

　　風輪轉(zhuǎn)速和發(fā)電機的輸出功率是隨風速增大而提高的。風速太大會使風輪轉(zhuǎn)速過快和發(fā)電機超負荷運行，這些均會使風力發(fā)電機發(fā)生運行事故。為了保證風力發(fā)電機的安全運行，風力發(fā)電機中都設(shè)有限速安全裝置以調(diào)節(jié)風力發(fā)電機風輪的轉(zhuǎn)速，使之在一定風速范圍內(nèi)保持基本不變，以便風力發(fā)電機能在不同風況下穩(wěn)定運行。

　　風輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方法主要有兩類，一類是風輪葉片槳距固定型，另一類是風輪葉片槳距變動型。固定槳距型的調(diào)速方法為，當風速增大時，通過各種機構(gòu)使風輪繞垂直軸回轉(zhuǎn)，以偏離風向，減少迎風面和受到的風力以達到調(diào)速的目的。變槳距型的調(diào)速方法為，當風速變化時，通過一套槳葉角度調(diào)整裝置轉(zhuǎn)動槳葉，改變?nèi)~片與風力的作用角度，使風輪承受的風力發(fā)生變化，以此來達到調(diào)速的目的。

　　這兩種調(diào)速方法中，前者結(jié)構(gòu)相對較為簡單，但機組結(jié)構(gòu)受力較大，后者增加了槳葉角度調(diào)整裝置，增加了造價但可使機組在高于額定風速情況下仍保持穩(wěn)定的功率輸出，提高發(fā)電量。因此中、小型風力發(fā)電機組較少采用變槳距調(diào)速方法，而大型風力發(fā)電機組大多采用變槳距調(diào)速方法。

　　除限速裝置外，風力發(fā)電機還裝有制動器。當風速太高時，制動器可以使風輪停轉(zhuǎn)，以保證風力發(fā)電機在特大風速時的安全。

　　風力發(fā)電中提高效率的方法

　　（1）優(yōu)化風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)和位置

　　水平軸風力發(fā)電機設(shè)計理論表明，在一定的風力機轉(zhuǎn)速與風速的比值下，風力發(fā)電機的風輪對風能的轉(zhuǎn)換效率最高。對于常用的轉(zhuǎn)速不變的恒轉(zhuǎn)速風力發(fā)電機而言，在風速變化時就無法保持最佳的風力機轉(zhuǎn)速與風速的比值，因而其風能轉(zhuǎn)換效率就不能經(jīng)常保持在最佳值。

　　但恒轉(zhuǎn)速風力發(fā)電機可以輸出恒定頻率的交流電，便于與電網(wǎng)連接。隨后研制的變轉(zhuǎn)速風力發(fā)電機可以在不同風速下均保持最佳的轉(zhuǎn)速與風速的比值，因而風能轉(zhuǎn)換效率高，一般比恒轉(zhuǎn)速風力發(fā)電機可增加約10%的發(fā)電量。但其輸出電流的頻率不穩(wěn)定，必須通過增設(shè)的變頻裝置才能實現(xiàn)輸出恒頻的交流電以便與電網(wǎng)連接。現(xiàn)在單機功率超過1MW的大型風力發(fā)電機組大多采用變轉(zhuǎn)速運行方式。

　　風力發(fā)電機組中的塔架將風輪和機艙置于空中以獲得更多的風能。塔架有兩種主要結(jié)構(gòu)，一種為由鋼板制成的錐形筒狀塔架，另一種為由角鋼制成的桁架式塔架，兩者均設(shè)有梯子和安全索以便于維修人員進入機艙。大中型風力發(fā)電機組均配有由微機和控制軟件組成的控制系統(tǒng)，可以對機組的啟動、停機、調(diào)速、故障保護進行自動控制，可以對機組的運行參數(shù)和工作狀況自動顯示和紀錄，以確保機組的安全經(jīng)濟運行。

　　風力發(fā)電機組根據(jù)其運行方式可分為離網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)。前者獨立運行，主要用于邊遠農(nóng)村、牧區(qū)、海島等遠離電網(wǎng)的地區(qū)，機組功率較小（一般為5kw以下）。在這種系統(tǒng)中，風力交流發(fā)電機輸出的交流電經(jīng)整流器整流后輸入蓄電池蓄能，再供直流負荷使用。

　　如用戶需要交流電，則應(yīng)在蓄電池與用戶之間加裝逆變器后再輸給用戶。在無風期間，可由蓄電池供電。風力發(fā)電機組也可和柴油發(fā)電機組或太陽光發(fā)電系統(tǒng)組成一個互補型的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)。

　　在風力發(fā)電機不能輸出足夠電力時，另一個系統(tǒng)可提供備用的電力。風力發(fā)電機采用并網(wǎng)運行方式指的是將風力發(fā)電機組與電網(wǎng)連接并將輸出的電力并入電網(wǎng)。對于恒速恒頻的常用風力發(fā)電機組已普遍采用。對于變速風力發(fā)電機組則需增設(shè)變頻裝置等使輸出電流達到恒頻后再并網(wǎng)運行。

　　（2）智能控制系統(tǒng)可大大提高風能利用率

　　美國雪城大學L.C.史密斯工程和計算機學院部分研究人員正在進行這方面的研究工作。目前，他們正在測試自己開發(fā)的主動式風流動智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的基本出發(fā)點是根據(jù)表面測量而估算流過葉片表面風的狀況，然后將此信息傳遞給智能控制器，以便對葉片采取實時調(diào)整控制氣流和提高風力發(fā)電機系統(tǒng)的整體效率。此舉還有可能降低因流動分離而產(chǎn)生的過度噪音和葉片振動。

　　參與研究的人員包括王冠南（英譯）、巴斯曼˙哈迪迪和馬克˙格勞澤爾，他們完成的初期仿真結(jié)果顯示，對葉片1/2半徑以外的外側(cè)板施以氣流控制，能在風力發(fā)電機額定功率輸出相同的情況下，顯著地增大風力發(fā)電機整體工作范圍；或者說，在相同的工作范圍，可適當?shù)靥岣唢L力發(fā)電機的額定輸出功率。

　　研究人員認為，在采用氣流控制后，風力發(fā)電機的工作范圍可以有效地提高80%，額定功率輸出不變；或者將額定輸出功率增加20%，工作范圍保持不變。他們表示，最佳的氣流控制部位為葉片外側(cè)板超出半徑一半的位置。

　　借助雪城大學新落成的無回聲風洞設(shè)施，研究人員同時還在分析和了解特定的葉片形狀，以決定在氣流極其不穩(wěn)定的環(huán)境下，不同形狀的葉片在受到適當氣流控制時，其所具有的升力和阻力特性。此外，研究人員還將利用無回聲風洞來評估和測量氣流控制對風力發(fā)電機噪聲頻譜的影響。

　　美國能源部支持的明尼蘇達大學風能聯(lián)盟專門從事與風能相關(guān)的研究，雪城大學的主動風流動智能控制系統(tǒng)研究屬于聯(lián)盟整體工作的組成部分。身為機械和航空工程教授的格勞澤爾表示，很高興能參與明尼蘇達大學牽頭的具有世界水平的風能研究聯(lián)盟，這是將在氣流智能控制系統(tǒng)方面的專業(yè)知識用于可再生能源領(lǐng)域的極好機會。

　　（3）風機正確使用潤滑油

　　風機有幾個主要的潤滑部位，包括主變速箱、變槳和偏航變速箱，制動液壓控制和變漿控制，變槳、偏航和主軸承以及發(fā)電機軸承等，在這些潤滑部位當中，最最關(guān)鍵的要屬主變速箱。

　　帶動發(fā)電機運轉(zhuǎn)的主變速箱可以說是齒輪傳動型風機的心臟。由于對整個系統(tǒng)的正常運作至關(guān)重要，主變速箱的設(shè)計和制造通常都非常先進，也因此往往造價不菲；而一旦發(fā)生故障，更換主變速箱要付出更高昂的代價。

　　舉例來說，如果要為一個功率為1.5兆瓦渦輪機更換主變速箱，把購買新變速箱的費用、起重設(shè)備租用、停工造成的收入損失以及人工費等各項成本都合算進去，總花費將超過25萬美元。

　　一般來說，變速箱原廠灌裝的都是設(shè)計使用壽命為三年左右的合成潤滑油。但現(xiàn)在大多數(shù)變速箱的標準保修期只有一年。這意味著當變速箱的保修期結(jié)束后風機維護人員將擔負起選擇替換潤滑油（通常稱為二次注油或服務(wù)注油）的責任。

　　考慮到風機變速箱維護中可能遇到的困難以及費用問題，美孚建議設(shè)備維護人員采用性能均衡的變速箱潤滑油，這種潤滑油可以在長時間為變速箱提供很好保護的同時保證變速箱擁有極佳的生產(chǎn)效率。

　　未來風能發(fā)展前景

　　（1）世界衛(wèi)生組織對未來風能的發(fā)展進行了動態(tài)預測分析。由于風能的低風險特點及設(shè)計界各國對清潔可靠能源的需求，風能行業(yè)仍將會吸引更多的投資商投資。越來越多的政府制定優(yōu)惠政策，鼓勵自主發(fā)電廠、中小型企業(yè)和社會基層企業(yè)開展多種形式的分散式投資，這些都將成為未來可持續(xù)能源利用的主力軍。通過仔細估算并考慮到不穩(wěn)定因素，預計到2020年，全球風力發(fā)電機裝機容量至少可達到1500GW，風力發(fā)電有可能達到全球電能消耗的12%。

　　（2）最近能源觀測組織發(fā)表的研究文獻表明：到2025年，風力發(fā)電裝機容量甚至可能達到7500GW，全球裝機產(chǎn)能可達16400TWH,所有可再生能源發(fā)電量的總和將超過全球電能供給的50%。按照這一結(jié)果，到2019年，風能和太陽能有可能達到全球新建發(fā)電廠市場份額的50%。2018年非再生能源發(fā)電將是頂點，到2037年可能完全被淘汰。