分布式风力发电的应用与发展

分布式风力发电系统按照风力发电机主轴的方向分类可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。

1）水平轴风力发电机

旋转轴与叶片垂直，但与地面平行的风力发电机。水平轴风力机可分为升力型和阻力型两类。升力型旋转速度快，阻力型旋转速度慢。对于风力发电多采用升力型水平轴风力机。大多数水平轴风力机具有对风装置，能随风向改变而转动。对小型风力机这种对风装置采用尾舵，而对于大型风力机则利用风向传感元件及伺服电动机组成的传动装置。

水平轴风力发电机相对于垂直轴发电机的优点：叶片旋转空间大，转速高。适合于大型风力发电厂。水平轴风力发电机组的发展历史较长，效率比垂直轴风力发电机组高。

2）垂直轴风力发电机

旋转轴与叶片平行，但与地面垂直的风力发电机。垂直轴风力发电机主要分为阻力型和升力型。阻力型垂直轴风力发电机主要是利用空气流过叶片产生的阻力作为驱动力的，而升力型则是利用空气流过叶片产生的升力作为驱动力的。由于叶片在旋转过程中，随着转速的增加阻力急剧减小，而升力反而会增大，所以升力型的垂直轴风力发电机的效率要比阻力型的高很多。

垂直轴风力发电机相对于水平轴发电机的优点在于：对风的转向没有要求，叶片转动空间小，抗风能力强（可抗12～14级台风），启动风速小，维修保养简单。垂直轴与水平轴的风力发电机对比，具有两大优势如下。

（1）同等风速条件下垂直轴的发电效率比水平轴的要高，特别是低风速地区。

（2）在高风速地区，垂直轴风力发电机要比水平轴的更加安全稳定。另外，国内外大量的案例证明：水平轴的风力发电机在城市地区经常不转动，而在我国北方、西北等高风速地区经常出现风机折断、脱落等问题。(www.xing528.com)

风力发电的利用方式主要有两类：一类是独立运行的供电系统，即在电网未能通达的偏远地区，如高山、草原和海岛等，用小型风力发电机为蓄电池充电，再通过逆变器转换成交流电向终端用户供电；或者采用中型风电机与柴油发电机或光伏太阳电池组成混合供电系统，可解决小的社区用电问题。另一类是作为常规电网的电源并网运行，此类商业化机组单机容量较大，目前已达到了兆瓦级，既可以单独并网，也可以由多台，甚至成百上千台发电机组成风电场。分布式发电是指将电力系统以小规模、分散式方式布置在用户附近，可独立地输出电能的系统。分布式发电具有投资省、系统可靠性高、能源种类多样等优点，分布式发电联合电网运行是今后分布式发电技术发展的必然趋势。其中户用风力发电是一种很好的分布式电源，特别是在风力资源丰富地区的城市周边，用户用电量较大，应该充分开发利用。根据调研，我国风能资源可划分为三种类型。

（1）风能资源丰富区：主要集中在我国东南沿海，广东沿海及其岛屿。这些地区的有效风能功率密度在200W/m2以上，全年大于（等于）3.5m/s风速的时间为7000～8000h左右。

（2）风能资源较丰富区：主要集中在东北、华北和西北北部地区，黑龙江、吉林省的东部及辽宁和山东半岛的沿海地区，青藏高原的北部地区，东南沿海距离海岸线50～100km的内陆地区，海南岛西部，台湾南北两端以及新疆阿拉山地区。这些地区有效风能功率密度为150W/m2以上，全年大于（等于）3.5m/s风速的时间为4000h以上。

（3）风能资源可利用区：其分布较广，包括长江、黄河中下游，东北、华北和西北除丰富区以外的地区、青藏高原东部地区等。这些地区有效风能功率密度仅为50～150W/m2，全年大于（等于）3.5m/s风速的时间为2000～4000h。对于年平均风速为3～5m/s的低风速区，由于风速小又不稳定，因此达不到风电场选址的要求，只能推广应用小型发电机组。

分布式风力发电的形式一般采用风力发电与太阳能发电、柴油机发电等组合式发电系统，即“风光”“风油”和“风光油”互补发电。这些系统近年来都有所发展，特别是采用“风光”互补发电的系统是未来的发展方向。太阳能与风能在时间上和地域上有着很强的互补性，其互补性使“风光”互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性，“风光”互补发电系统是资源条件最好的独立电源系统，也是今后相当时期内的发展趋势。一般在农区、牧区、边远地区的边防连队、哨所、海岛驻军、内陆湖泊渔民、地处野外高山的微波站、航标灯、电视差转台站、气象站、森林中的瞭望烽火台、石油天然气输油管道、近海滩涂养殖业及沿海岛屿等地方多使用柴油或汽油发电机组供电，供电成本相当高，而这些地方绝大部分处在风力资源丰富地区。但是这些系统的用户负荷都比较小，且由于风能具有随机性，使得供电稳定性不高，倘若一味追求供电稳定性，又会使成本过高，阻碍其推广发展。目前已经有很多国家在户用风力发电与电网联合供电系统上进行了尝试。如果此系统能够得到推广，那么在风力资源丰富地区的城市周边，就能更好更充分地利用风能资源。

风力发电机组是实现风能转换成电能的设备，通常包括风轮机、传动机构、发电机、自动控制装置以及支撑铁塔等。

（1）风轮机。风轮机的作用是将风能转换为机械能，它由气动性能优异的2～3个叶片装在轮毂内组成，低速转动的风轮通过传动系统由增速齿轮箱增速，将动力传递给发电机。风轮机按照风轮旋转轴在空间方向可分为水平轴和垂直轴两大类。目前大型风力发电机组多采用水平轴。水平轴风轮机叶片有定桨距调节型和变桨距调节型。定桨距是指桨叶与轮毂的连接是固定的，桨距角固定不变，当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化，优点是简单可靠。变桨距是指安装在轮毂上的叶片通过控制装置可以改变其桨距角的大小，能够尽可能多地吸收风能转化为电能。变桨距调节的优点是桨叶受力较小，桨叶较为轻巧，缺点是结构比较复杂，故障率相对较高。自动控制装置是风力发电机组的关键部件，其控制着风力发电机组的工作功能和安全保护功能的实现。自动控制的工作功能主要有：在风速达到设定的启动风速时，风力机自动启动并带动发电机开始运转；当风向变化时，水平轴风力机自动跟踪风向变化以实现自动对风；当风速超过最大的设定风速或风力机的风轮转速超过规定的最大转速时，风力机自动制动停止运转。

（2）发电机。风力发电机组的发电机可采用直流发电机、同步发电机、异步发电机等多种类型。直流发电机常用于小型风力发电机组，同步发电机和异步发电机在大中型风力发电机组中广泛应用。同步发电机能够提供自身磁场电流，但成本高、并网复杂。异步发电机在转速超过同步转速情况下以发电方式运行，将风轮机的机械能转化为电能，并向电网输送有功功率，但它需从电网吸收无功功率建立磁场，不具有电压及无功调节能力。异步发电机结构简单、成本低、易并网、无振荡，在大型风电场中多采用异步发电机。