風輪發電機是指風輪在升力的作用下產生旋轉運動，依靠風輪的旋轉帶動電機旋轉發電，把機械能轉化為電能的一種發電機。作用在翼葉上的升力是由在翼葉表面存在的速度環量造成的。
目前世界上流行的傳統的塔架式三葉片風輪發電機雖然已經商品化了，優點是結構簡單、製造成本低、資金回收快。
基本介紹
- 中文名：風輪發電機
- 外文名：Wind turbine generator
- 優點：結構簡單、製造成本低
- 原理：風輪旋轉，機械能轉化為電能
- 分類：相向旋轉、全永磁懸等
- 特點：綜合學科
背景,系統組成,分類,開發進展,
背景
在全球範圍內，風能有巨大的蘊藏量，它可再生，無污染，是人類社會經濟可持續發展重要的新能源、主要的替代能源和可再生能源。它也是包括太陽能、水利能和生物質能等在內的可再生能源中最具產業化基礎和大規模開發的綠色能源。
如今國際社會已進入可持續發展的低碳經濟時代，人類逐漸擺脫高消費、高能耗、高污染和高排放的生活模式，而進入以低能耗、低污染和合理消費為基礎的低碳科學的經濟發展模式，節能減排和低碳經濟已經成為世界主題。大力發展風電，增加風電在能源結構中的比例就相當於減少了化石燃料的污染物排放和碳排放，對實現低碳目標具有重要的戰略意義和現實意義。
在世界上，風力發電得到了迅速發展。2000年，全球風電裝機總容量僅為1173萬MW，到2008年底全球風電總裝機容量已達到12萬MW。特別在中國，風電發展翻倍增長，成為世界風電發展最快的國家和亞洲風電第一大國。儘管如此，我國風能開發仍然有巨大空間和艱巨的研究任務，其中很重要的方面在於如何通過新的技術手段最大可能地提高風能利用率。對此，在國際上有關高效風輪發電機等新技術的研究已成為風力發電技術創新與發展的熱點，近年來已經取得了許多研究成果。在世界範圍內了解與借鑑高效風輪發電機新技術的研究進展，將有助於我國風電學術研究和技術創新，增強風電開發實力，並有力地推動我國風電事業的發展。
系統組成
風輪發電機的硬體控制系統主要由三部分組成：數據採集——由磁泡存儲器完成；發電機控制——由微處理機執行；整個系統的遙控——由數據機接口擔負,它監控發電機運行情況,並可以通過電話線自動報警。
1、控制器
發電機控制器是一標準結構的微型PIPS——系統。它採用分散式結構,其設備配置以處理機為基礎。控制器裝在25米高的塔頂發電機艙內,控制機艙轉向和調節三個米長的葉片間距,從而保證最佳發電能力。
它還控制風輪機的輔助操作,如準備、起動、停機、發電、分析報警條件、向操作員和數據採集系統傳送數據等。
控制器監控72個數字的輸入輸出,12個模擬輸入,2個脈衝序列輸入和2個串列通信連線埠整個軟體周期為60毫秒,每半周專用於非線性俘點控制算法，運算精度為32位。
處理機與外圍設備之間的數據傳輸是在專門的BM匯流排上進行的微處機到微處機的數據匯流排是一個使用軟體協定的四線裝置,是一個通用的數據和參量固化外掛程式,它把信息分別送到顯示器,VDU印表機,磁碟或固體存儲器。
2、數據採集
微監視器16一MB128的數據採集器在一個128KB比特的磁泡存儲器中存有採集到的數據該採集器最多可監控72個數字輸入輸出,6個脈衝序列和16個模擬輸入它的軟體包括MICE，Micromimic，MABIS風力發電機設計的特製外掛程式。
3、遙控操作
風輪發電機和數據採集系統與控制中心不在一地之間的通信是必不可少的,因此,需要設計包括調製解調擴展設備,使風輪控制器或數據採集系統能夠直接同控制中心聯繫,自動報告事故。反向連線可以使控制中心直接從遠處控制風輪機和存取磁泡存儲器數據。
4、系統操作
起動系統有三種方法按塔艙按紐通過塔基本地終端通過調製解調線路和調製解調擴展接口裝置在遠程終端上遙控。系統起動後,所有步驟都自動進行。
根據盛行風的條件變化,起動或停機。在理論上,系統操作可看成是四種實時動能的並行動作：
（1）從控制器到本地終端、遠程終端,以及磁泡數據採集系統之間的通信；
（2）監視,計算和控制機艙轉向正確的風向；
（3）監視、分析,控制和報告不適合的風力條件；
（4）確定風輪發電機動作的狀態順序,即準備狀態起動方式發電方式和停機。
分類
1、相向旋轉的雙級葉輪風輪機
根據阿·貝茨(AlbertBetz)在1926年建立的原始理論，單級轉子的最大風能利用效率不超過59.3%，其理論的假設條件是風輪機的排風速度為進風速度的1/3。亦即相當於風輪機吸收了來流進風能量(動能)的2/3。這是理想情況，實際上目前所有單級轉子葉片達到以上理想效率是很困難的。目前單級三片葉輪風力機很難達到40%的風能轉換效率。中國空氣動力研究與發展中心曾對單向旋轉的水平軸風輪機進行了風洞實測，其風能轉換效率只有23%～29%。亦即有71%～77%風能被單級葉輪結構的風輪機白白浪費掉了。美國阿帕(Appa)技術創新公司對多個相向旋轉雙級葉輪的風輪機(見右圖)的研究測試表明，前後安裝相向旋轉結構比單向單級葉輪風力機可以多獲得30%～40%的風能。
實驗測試證明，相向旋轉雙級葉輪風輪機比單級葉輪風力機具有以下3個優點：
1)提高風輪機風能轉換效率30%～40%，相當於從同樣的風電場中多獲得30%～40%的功率。
2)兩側葉輪轉子的力矩與質量彼此平衡，使得風塔的重力力矩與彎曲應力大為減少。而且雙轉子葉片系統的擾流、抖振現象更不容易發生，增強了風輪機運行穩定性，有利於保障風電機20年的技術壽命。
3)在規劃建設限定的一定風電總功率條件下，採用雙級葉輪結構風輪機的風電場的占地面積可以大大縮小，塔桿數量也大為減少。這樣可使風電場經濟上獲益，額外成本投資回收期大為縮短，可吸引更多的開發商向風電場建設投資。
2、全永磁懸浮風輪發電機新技術
全永磁懸浮風輪發電機，其發電功率可提高20%以上，風輪機主軸、風電機主軸等均採用全永磁懸浮結構，其主要優點是轉子和軸承處於真空條件下，又無接觸、無機械摩擦、無須潤滑，無振動、無噪音、無污染；可實現高轉速、高精度、高剛度、高可靠性、高壽命；無須控制，無須機械維修，可使風電機運行20年技術壽命的指標得以保障。
全永磁懸浮軸承與傳統的機械式軸承相比，還可以做到“輕風啟動，微風發電”。其啟動風速可以低到1.5m/s，大大低於傳統風電機的3.5m/s，從而擴大了風輪機的風速工作範圍，提高了風能的時間利用率，使年發電量增加，示範證明，可使風電成本下降50%。在成本上可與水電、煤電形成競爭。永磁材料是中國的資源優勢，儲量占世界的85%以上，原料非常廉價。如“磁王”釹鐵硼(NdFeB)約10元/kg左右，出口價18元/kg。而國際“磁王”價格卻高達1000美元/kg。磁浮技術我國已自主掌握，這項新技術的研發成功和批量生產，使得我國乃至世界的風能發電技術取得了關鍵性的突破。
磁浮軸承技術開發範例：中國環球風能科技有限公司早在第六屆中國高新技術成果交易會上就展出了基於磁懸浮原理無阻尼的風力發電機技術，將風輪機直接驅動發電機運轉發電，從而極大地降低了發電機的機械與摩擦阻力。該項先進技術的套用，使風力發電機的風能利用率平均達到60%以上，延長了風電機的工作時間，使風力發電成本有望與火力發電成本相媲美。
中科恆源風電公司於5年前就宣布擁有了國際原始創新的磁懸浮風力發電機，並且已通過技術鑑定。2006年9月該成果已入選“世界十大綠色發明”。磁懸浮風力發電機與普通風力發電機相比的優勢，在於輕風就能啟動發電，在相同的風速下，全年的發電量比傳統風電機至少提高20%，特別是在風力較弱的風能貧乏區域使用最為理想，大大地擴大了全國風電場選址範圍，可更加充分地利用風能資源。該機甚至可以套用在中國和世界各地星羅棋布的高速公路旁的燈桿上。安裝這種輕飄的磁浮風電機可充分地利用汽車在行駛過程中兜風形成的氣流發電，供路燈照明使用。
3、風筒式的風輪發電機
基本原理是根據流體力學的伯努利方程，位於風筒式喉道處的空氣流速度，因截面收縮而加快，故可進一步提高風輪機效率。
我國著名的科學家錢學森早在20世紀50年代就提出了稱之為“風洞式風車”的概念，即利用附加的擴壓器在葉輪的後部造成一個低壓區，從而增加了通過葉輪的空氣流量，達到提高風輪機效率的目的。與常規不帶筒的水平軸風電機相比，不僅可使風輪機速度提高，增加輸出功率，而且還可以增加系統的抗風能力。為了提高風機的效率，美國洛杉機一家公司在20世紀70年代也設計出一種帶套筒的“增能風力發電機”(見右圖)。這種風輪機葉片周圍裝有圓錐形套筒，使風通過風輪時產生一段具有抽吸作用的低壓區，可使通過葉片的風速增加1倍以上。風洞試驗發現帶有套筒的風輪機比裸露葉輪的風電機發出高5倍多的電力。在解決了高抗彎強度的“複合材料”的風筒之後，該公司在紐西蘭製造了2台高達21層樓房高的增能風力發電機。每台能產生3MW的風電。紐西蘭最近又研製出一種新型發電用風力渦輪機，能以吹來風速的3倍速度吸入流過的葉輪。實際證明，有筒罩的風力渦輪機比無罩風力渦輪機輸出的功率大6倍以上。
美國的一家製造公司於2004年7月成功地推出了一種導管式風扇風輪發電機，與常規三葉片裸露葉輪機相比具有更安全、無震動、無噪音的優點，更適合安裝在城市和農村樓頂與房頂上。這種新型結構的風輪機對擴大其使用範圍和克服風輪機噪聲大的缺點具有特殊意義。
德國斯圖加特大學已研發出一種以風輪機為推動力的三輪腳踏車。該車採用鋼材和碳纖維製造的短筒式雙向旋轉的風輪機結構，這種新型結構提高了風能的轉換效率。它實際上是將“套筒式”和“相向旋轉葉輪”2種新技術組合在一起了。美國格倫曼公司開發成功一種帶有擴散筒形的增強型風輪機，據測算當風輪直徑達到20m時，風力發電機的功率輸出有明顯的提高。
綜合以上風輪發電機的新技術，正向著超大容量、高穩定性、高可靠性，特別是向高效率的智慧型化風電機組方向發展。
4、變槳距、變速型的雙饋直驅永磁式風輪發電機
與傳統機組相比較，該機組具有以下優勢：
1)變槳距可根據變化的風速改變葉片的槳距角，使升力型葉片始終保持空氣動力學最佳化狀態，同時可調節風輪的轉速。另外，可採用離心錘式變槳距或採用電力電子技術來實現槳距控制。
2)變速運行比定速運行系統每年可以多捕獲大約1/3的風能，使得變速系統在低速區域商業投資可行，可為風力發電裝機打開一個全新的市場，其變速風機技術市場份額在逐年增長。變速風電機的風電轉換效率提高20%～30%，不但提高了產能，而且也提高了電能的質量。該機電能波動更小是因為風輪慣量可起到能量緩衝作用(見右圖)。
3)變速緩衝使機械應力更低，陣風加速葉片旋轉而不是扭矩衝擊載荷。相對的風機噪聲也大為降低。
4)變速運行優越性之三是提高了風電機的最高進風速度，擴大了風輪機速度運行上限範圍，提高了風能的時間利用效率，以及高風速可產生更高的電功率。
新技術開發範例：瀋陽風電公司開發製造的SY2FD-A/B型系列變槳距/變速型直驅式風力發電機組，具有離心錘式變槳距功能，採用稀土永磁發電機直接驅動。當風速增大時，離心錘受離心力作用，帶動葉片改變槳距，且自動控制槳距，高效地利用了風能。同時該機組可隨風速變化同步自動調整葉片迎風角，當出現大風速時也能夠高速運轉，照常發電；智慧型控制系統自動跟蹤風向，與風向保持一致，且始終保持平穩偏航轉動；實現了無人職守，但也保留了手動控制與維護。該公司對風電機組不斷改進和創新，產品銷往我國各地，並出口到美國、加大拿和愛爾蘭等國家。可見新技術是企業的生命力。
開發進展
風能開發利用和風電機技術是一項高新技術，其複雜程度和製造工藝要求不亞於先進的蒸汽輪機、燃氣輪機技術和現代飛機螺旋槳技術。它同時涵蓋了能源工程學、天體學、氣象學、空氣動力學、機械設計與製造、新材料科學、機電工程、電力電子學、自動控制、磁浮技術、飛輪儲電技術、計算機技術、環境科學，直至仿生學等十多門相關學科，它是一項綜合性很強的複雜的集成創新技術。要想開發出領先世界水平的新型風輪發電機產品，僅僅具有風能科普知識和某一門專業技術是遠遠不夠的。
目前世界上流行的傳統的塔架式三葉片風輪發電機雖然已經商品化了，優點是結構簡單、製造成本低、資金回收快。但從能源利用效率看，這種塔架式三葉片風電機存在著捕獲風能效率低；輕風難啟動(≤1.6m/s)，大風又停轉(≥20.7s/m)的2大缺點，為此應該科學地採用以下多項先進和高效的新型風輪機技術，以克服傳統風輪發電機的局限性。
