风速及风力系统的研究和应用
吉林省是北方农业、畜牧业大省,农牧业人口众多,低收入者中绝大部分在农村,因此,经济发展重点也在农村。吉林省地处东北风能可利用区,风资源丰富,并且具有得天独厚的农牧业发展基础。这对于吉林省发展偏低速风能与生物质能相结合的可持续发展清洁能源具有重要意义。风能是一种清洁能源,它是由太阳辐射造成地球表面大气层受热不均,引起大气压力差造成的,它的本质是太阳能的一种表现形式。风电只有一次性投入,没有矿物质能源的消耗,没有排放,风向风速仪就是一个利用风速和风力关系的一个很好的例子,下面看下风速风力应用系统的研究和应用。
目前,农村地区经济发展的前提是拥有可持续利用资源。而这些地区唯一取之不尽的资源恐怕只有常年不断的风。吉林省整体处于风能密度100~150W/㎡的风能可利用区,即偏低风速区。那里大于3m/s有效风速可达3000~4000h/a,这是一个取之不尽的资源,此外,在农村还有一个至今未得到足够重视的生物质能源也亟待开发利用。只有大规模开发偏低风速风电及生物质能源持续供给,才是解决吉林省农村能源问题的唯一选择。历史和教训让我们认识到,只有采取多能互补,才可能从根本上解决农村的能源难题。而偏低风速发电是解决这个难题的关键。偏低风速发电在解决抽水、滴灌、大棚供暖的同时,还可为北方寒冷地区沼气池预热,并补充因降温而损失的热量,以在寒冷气候条件下维持沼气池最佳发酵温度。采用偏低风速发电可为北方寒冷地区沼气池持续供气提供预热能源。北方地区生物质能源持续供给,将会使北方农村能源结构发生根本性改变,更会为那里的经济可持续发展提供保障。
风能-生物质能互补系统的大规模开发不但解决了农村能源问题,还将会使土壤改良,农作物增产15%~20%,被处理的牲畜排泄物中95%~99%的虫卵无法成活,在有效降低疾病传染几率的同时,保护了水源少受污染。目前,农村传统取能方式为燃烧秸秆等,这既造成大气污染,又浪费了制造酒精、沼气等大好原料,这种原始的取能方式必将被取代。大规模开发偏低风速风能及生物质能源互补,也将使风电产业、沼气池设备需求大量增加,以形成规模化产业,并提供数量可观的就业岗位,这也更加快了脱贫速度。吉林省风电资源较为丰富,主要分布在西部白城地区。经测算,吉林省风能蕴藏量为6920×108kW•h时,风能密度为60~180W/㎡,风能资源在全国居中上等水平。吉林省中西部平原具有风速稳定、极端最大风速小、海拔低、空气密度大、可开发面积大等特点,该区域年平均风速一般在3.0m/s以上,有两个年平均风速在3.6m/s以上的大风区,具备建设大型风电场的条件。
偏低风速发电机研制情况:目前,吉林省在偏低风速风能与生物质能方面的研究在国内处于领先地位,由东北师范大学承担的吉林省社会发展重大项目“高效离网型2~20kW低速风电系统的研制”也已按计划进入总装阶段。低速风电系统的技术关键为低风速叶片的设计、低速发电机的设计、塔架设计等,并且要保证15年的使用寿命。本风力发电机具有较低的尖速比,启动速度低,常规风机需8~10m/s的风速才能处于正常工作状态,而该机在6~8m/s时,即进入正常的运行状态。
各主要部分构件的详细说明:(1)低尖速比的四叶定距风轮的采用使其能够更加有效地吸收风能,适合更多地区的推广使用,尤其是海岛、边防哨所等地,同时,采用镀金箔避雷装置,使其抗雷击性能提高;(2)复合材料叠片式缓冲连结轴使最脆弱的叶片根部具有极高的疲劳强度,并确保必要的使用寿命;(3)前复合磁推力轴承组和后复合材料推力轴承组以及适宜的安装角,可以使主轴的径向力减至最低,在有效降低摩擦损耗的同时,提高了转动轴的使用年限;(4)球笼式等速万向联轴节不但具有良好的配合能力,而且具有非常好的过载能力;(5)多极低速永磁交流发电机为整个风电机的核心部件,采用了具有自主知识产权的低速发电机制造技术。
整套风力发电装置结构新颖、简单,大量采用了新型非金属材料、新技术及新构思,启动风速低,可靠性高,无须特别维护,适宜于对用电品质要求不高的地区使用。
发电机结构简图如图1所示。
图1 2~20kW高性能低速风力发电机
本发电机主要由以下几部分构成:
(1)低尖速比的抗雷击四叶定距风轮;
(2)复合材料叠片式缓冲连结轴;
(3)前复合磁推力轴承组;
(4)后复合材料推力轴承组;
(5)球笼式万向联轴节;
(6)后整流罩;
(7)多极低速永磁交流发电机;
(8)电控刹车盘。
偏低风速发电技术具有广阔的应用前景,这项技术一旦得以推广,将会对占国土面积52%偏低风速地区的广大农、牧、渔区的生产方式和生活质量带来本质的提高,特别是对我国所面临环境问题的改善,具有重要意义。对于吉林省来说,在已有的研究基础上,大规模推广偏低风速与生物质能相结合的多能互补方式,将会对经济发展、农民生活水平改善带来质的变化。