風(fēng)速及風(fēng)力系統(tǒng)的研究和應(yīng)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(jì)發(fā)展重點(diǎn)也在農(nóng)村。吉林省地處東北風(fēng)能可利用區(qū)，風(fēng)資源豐富，并且具有得天獨(dú)厚的農(nóng)牧業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)。這對(duì)于吉林省發(fā)展偏低速風(fēng)能與生物質(zhì)能相結(jié)合的可持續(xù)發(fā)展清潔能源具有重要意義。風(fēng)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(zhì)是太陽能的一種表現(xiàn)形式。風(fēng)電只有一次性投入，沒有礦物質(zhì)能源的消耗，沒有排放，風(fēng)向風(fēng)速儀就是一個(gè)利用風(fēng)速和風(fēng)力關(guān)系的一個(gè)很好的例子，下面看下風(fēng)速風(fēng)力應(yīng)用系統(tǒng)的研究和應(yīng)用。
目前，農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟(jì)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(fēng)。吉林省整體處于風(fēng)能密度100~150W/㎡的風(fēng)能可利用區(qū)，即偏低風(fēng)速區(qū)。那里大于3m/s有效風(fēng)速可達(dá)3000~4000h/a，這是一個(gè)取之不盡的資源，此外，在農(nóng)村還有一個(gè)至今未得到足夠重視的生物質(zhì)能源也亟待開發(fā)利用。只有大規(guī)模開發(fā)偏低風(fēng)速風(fēng)電及生物質(zhì)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(xùn)讓我們認(rèn)識(shí)到，只有采取多能互補(bǔ)，才可能從根本上解決農(nóng)村的能源難題。而偏低風(fēng)速發(fā)電是解決這個(gè)難題的關(guān)鍵。偏低風(fēng)速發(fā)電在解決抽水、滴灌、大棚供暖的同時(shí)，還可為北方寒冷地區(qū)沼氣池預(yù)熱，并補(bǔ)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(fēng)速發(fā)電可為北方寒冷地區(qū)沼氣池持續(xù)供氣提供預(yù)熱能源。北方地區(qū)生物質(zhì)能源持續(xù)供給，將會(huì)使北方農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)發(fā)生根本性改變，更會(huì)為那里的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供保障。
風(fēng)能-生物質(zhì)能互補(bǔ)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(huì)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(shí)，保護(hù)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(fèi)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(fēng)速風(fēng)能及生物質(zhì)能源互補(bǔ)，也將使風(fēng)電產(chǎn)業(yè)、沼氣池設(shè)備需求大量增加，以形成規(guī)�；a(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(fēng)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(fēng)能蘊(yùn)藏量為6920×108kW•h時(shí)，風(fēng)能密度為60~180W/㎡，風(fēng)能資源在全國居中上等水平。吉林省中西部平原具有風(fēng)速穩(wěn)定、極端最大風(fēng)速小、海拔低、空氣密度大、可開發(fā)面積大等特點(diǎn)，該區(qū)域年平均風(fēng)速一般在3.0m/s以上，有兩個(gè)年平均風(fēng)速在3.6m/s以上的大風(fēng)區(qū)，具備建設(shè)大型風(fēng)電場的條件。
偏低風(fēng)速發(fā)電機(jī)研制情況：目前，吉林省在偏低風(fēng)速風(fēng)能與生物質(zhì)能方面的研究在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位，由東北師范大學(xué)承擔(dān)的吉林省社會(huì)發(fā)展重大項(xiàng)目“高效離網(wǎng)型2~20kW低速風(fēng)電系統(tǒng)的研制”也已按計(jì)劃進(jìn)入總裝階段。低速風(fēng)電系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵為低風(fēng)速葉片的設(shè)計(jì)、低速發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)、塔架設(shè)計(jì)等，并且要保證15年的使用壽命。本風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有較低的尖速比，啟動(dòng)速度低，常規(guī)風(fēng)機(jī)需8~10m/s的風(fēng)速才能處于正常工作狀態(tài)，而該機(jī)在6~8m/s時(shí)，即進(jìn)入正常的運(yùn)行狀態(tài)。
各主要部分構(gòu)件的詳細(xì)說明：(1)低尖速比的四葉定距風(fēng)輪的采用使其能夠更加有效地吸收風(fēng)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(shí)，采用鍍金箔避雷裝置，使其抗雷擊性能提高；(2)復(fù)合材料疊片式緩沖連結(jié)軸使最脆弱的葉片根部具有極高的疲勞強(qiáng)度，并確保必要的使用壽命；(3)前復(fù)合磁推力軸承組和后復(fù)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(shí)，提高了轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)為整個(gè)風(fēng)電機(jī)的核心部件，采用了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的低速發(fā)電機(jī)制造技術(shù)。
整套風(fēng)力發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)新穎、簡單，大量采用了新型非金屬材料、新技術(shù)及新構(gòu)思，啟動(dòng)風(fēng)速低，可靠性高，無須特別維護(hù)，適宜于對(duì)用電品質(zhì)要求不高的地區(qū)使用。
發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。
圖1 2~20kW高性能低速風(fēng)力發(fā)電機(jī)
本發(fā)電機(jī)主要由以下幾部分構(gòu)成：
(1)低尖速比的抗雷擊四葉定距風(fēng)輪；
(2)復(fù)合材料疊片式緩沖連結(jié)軸；
(3)前復(fù)合磁推力軸承組；
(4)后復(fù)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(jī)；
(8)電控剎車盤。
偏低風(fēng)速發(fā)電技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，這項(xiàng)技術(shù)一旦得以推廣，將會(huì)對(duì)占國土面積52%偏低風(fēng)速地區(qū)的廣大農(nóng)、牧、漁區(qū)的生產(chǎn)方式和生活質(zhì)量帶來本質(zhì)的提高，特別是對(duì)我國所面臨環(huán)境問題的改善，具有重要意義。對(duì)于吉林省來說，在已有的研究基礎(chǔ)上，大規(guī)模推廣偏低風(fēng)速與生物質(zhì)能相結(jié)合的多能互補(bǔ)方式，將會(huì)對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、農(nóng)民生活水平改善帶來質(zhì)的變化。
