風速及風力系統(tǒng)的研究和應用
吉林省是北方農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)大省，農(nóng)牧業(yè)人口眾多，低收入者中絕大部分在農(nóng)村，因此，經(jīng)濟發(fā)展重點也在農(nóng)村。吉林省地處東北風能可利用區(qū)，風資源豐富，并且具有得天獨厚的農(nóng)牧業(yè)發(fā)展基礎。這對于吉林省發(fā)展偏低速風能與生物質能相結合的可持續(xù)發(fā)展清潔能源具有重要意義。風能是一種清潔能源，它是由太陽輻射造成地球表面大氣層受熱不均，引起大氣壓力差造成的，它的本質是太陽能的一種表現(xiàn)形式。風電只有一次性投入，沒有礦物質能源的消耗，沒有排放，風向風速儀就是一個利用風速和風力關系的一個很好的例子，下面看下風速風力應用系統(tǒng)的研究和應用。
目前，農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的前提是擁有可持續(xù)利用資源。而這些地區(qū)唯一取之不盡的資源恐怕只有常年不斷的風。吉林省整體處于風能密度100~150W/㎡的風能可利用區(qū)，即偏低風速區(qū)。那里大于3m/s有效風速可達3000~4000h/a，這是一個取之不盡的資源，此外，在農(nóng)村還有一個至今未得到足夠重視的生物質能源也亟待開發(fā)利用。只有大規(guī)模開發(fā)偏低風速風電及生物質能源持續(xù)供給，才是解決吉林省農(nóng)村能源問題的唯一選擇。歷史和教訓讓我們認識到，只有采取多能互補，才可能從根本上解決農(nóng)村的能源難題。而偏低風速發(fā)電是解決這個難題的關鍵。偏低風速發(fā)電在解決抽水、滴灌、大棚供暖的同時，還可為北方寒冷地區(qū)沼氣池預熱，并補充因降溫而損失的熱量，以在寒冷氣候條件下維持沼氣池最佳發(fā)酵溫度。采用偏低風速發(fā)電可為北方寒冷地區(qū)沼氣池持續(xù)供氣提供預熱能源。北方地區(qū)生物質能源持續(xù)供給，將會使北方農(nóng)村能源結構發(fā)生根本性改變，更會為那里的經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供保障。
風能-生物質能互補系統(tǒng)的大規(guī)模開發(fā)不但解決了農(nóng)村能源問題，還將會使土壤改良，農(nóng)作物增產(chǎn)15%~20%，被處理的牲畜排泄物中95%~99%的蟲卵無法成活，在有效降低疾病傳染幾率的同時，保護了水源少受污染。目前，農(nóng)村傳統(tǒng)取能方式為燃燒秸稈等，這既造成大氣污染，又浪費了制造酒精、沼氣等大好原料，這種原始的取能方式必將被取代。大規(guī)模開發(fā)偏低風速風能及生物質能源互補，也將使風電產(chǎn)業(yè)、沼氣池設備需求大量增加，以形成規(guī)模化產(chǎn)業(yè)，并提供數(shù)量可觀的就業(yè)崗位，這也更加快了脫貧速度。吉林省風電資源較為豐富，主要分布在西部白城地區(qū)。經(jīng)測算，吉林省風能蘊藏量為6920×108kW•h時，風能密度為60~180W/㎡，風能資源在全國居中上等水平。吉林省中西部平原具有風速穩(wěn)定、極端最大風速小、海拔低、空氣密度大、可開發(fā)面積大等特點，該區(qū)域年平均風速一般在3.0m/s以上，有兩個年平均風速在3.6m/s以上的大風區(qū)，具備建設大型風電場的條件。
偏低風速發(fā)電機研制情況：目前，吉林省在偏低風速風能與生物質能方面的研究在國內處于領先地位，由東北師范大學承擔的吉林省社會發(fā)展重大項目“高效離網(wǎng)型2~20kW低速風電系統(tǒng)的研制”也已按計劃進入總裝階段。低速風電系統(tǒng)的技術關鍵為低風速葉片的設計、低速發(fā)電機的設計、塔架設計等，并且要保證15年的使用壽命。本風力發(fā)電機具有較低的尖速比，啟動速度低，常規(guī)風機需8~10m/s的風速才能處于正常工作狀態(tài)，而該機在6~8m/s時，即進入正常的運行狀態(tài)。
各主要部分構件的詳細說明：(1)低尖速比的四葉定距風輪的采用使其能夠更加有效地吸收風能，適合更多地區(qū)的推廣使用，尤其是海島、邊防哨所等地，同時，采用鍍金箔避雷裝置，使其抗雷擊性能提高；(2)復合材料疊片式緩沖連結軸使最脆弱的葉片根部具有極高的疲勞強度，并確保必要的使用壽命；(3)前復合磁推力軸承組和后復合材料推力軸承組以及適宜的安裝角，可以使主軸的徑向力減至最低，在有效降低摩擦損耗的同時，提高了轉動軸的使用年限；(4)球籠式等速萬向聯(lián)軸節(jié)不但具有良好的配合能力，而且具有非常好的過載能力；(5)多極低速永磁交流發(fā)電機為整個風電機的核心部件，采用了具有自主知識產(chǎn)權的低速發(fā)電機制造技術。
整套風力發(fā)電裝置結構新穎、簡單，大量采用了新型非金屬材料、新技術及新構思，啟動風速低，可靠性高，無須特別維護，適宜于對用電品質要求不高的地區(qū)使用。
發(fā)電機結構簡圖如圖1所示。
圖1 2~20kW高性能低速風力發(fā)電機
本發(fā)電機主要由以下幾部分構成：
(1)低尖速比的抗雷擊四葉定距風輪；
(2)復合材料疊片式緩沖連結軸；
(3)前復合磁推力軸承組；
(4)后復合材料推力軸承組；
(5)球籠式萬向聯(lián)軸節(jié)；
(6)后整流罩；
(7)多極低速永磁交流發(fā)電機；
(8)電控剎車盤。
偏低風速發(fā)電技術具有廣闊的應用前景，這項技術一旦得以推廣，將會對占國土面積52%偏低風速地區(qū)的廣大農(nóng)、牧、漁區(qū)的生產(chǎn)方式和生活質量帶來本質的提高，特別是對我國所面臨環(huán)境問題的改善，具有重要意義。對于吉林省來說，在已有的研究基礎上，大規(guī)模推廣偏低風速與生物質能相結合的多能互補方式，將會對經(jīng)濟發(fā)展、農(nóng)民生活水平改善帶來質的變化。
