新型发电机的发展

新型风力发电机的发展

1 新型风电机发展背景

当今世界对环境保护关注度的日益上升，大力发展清洁能源是世界各国的战略选择。风能作为可再生、无污染、能量大、前景广的能源备受人们推崇。风力发电是风能利用的重要形式，风力发电不仅仅为人们提供电力，同时它也伴随并且促进着经济的发展。风力发电整个过程都不产生任何污染，它既可以为人们提供电力，又可以减少燃料带来的环境污染，从而起到保护地球生态环境的作用，是真正的绿色能源。风电作为清洁的可再生能源，已成为当今世界电力发展的潮流和趋势。风电技术装备是风电产业的重要组成部分，也是风电产业发展的基础和保障。现如今风力发电机的发展速度极其迅速，并涌现出了多种不同于日常所见的新型风力发电机。例如格林姆肖风力发电机、风杆无叶片涡轮机、单叶片涡轮机、风力坝等，这些发电机的出现向我们展示了设计师们奇思妙想和科学技术自身独有的魅力。

2 磁悬浮风力发电机

2.1 磁悬浮风力发电机的原理与结构

磁悬浮风力发电机磁悬浮风力机采用非接触式磁悬浮支承代替了

图1 磁悬浮风力机结构图

机械支承。如图为垂直轴磁悬浮风力发电机的内部结构构成，其由主轴转子、定子、风轮等部分组成，定子内部安装有辅助支承、径向轴向磁轴承、发电机定子、传感器等，套装在主轴转子上。定子中布置的两个径向磁轴承、轴向磁轴承均对主轴产生电磁力作用。磁悬浮轴承(Magnetic Bearing)是利用磁力作用将转子悬浮于空中，通过位置传感器检测转子的轴偏差信号，将该信号送入控制器，通过功率放大器控制电磁铁中的电流，从而产生电磁力的变化使转子悬浮于规定的位置。使转子与定子之间没有机械接触。其原理是磁感应线与磁浮线成垂直，轴芯与磁浮线是平行的，所以转子的重量就固定在运转的轨道上，利用几乎是无负载的轴芯往反磁浮线方向顶撑，形成整个转子悬空，在固定运转轨道上。与传统的滚珠轴承、滑动轴承以及油膜轴承相比，磁轴承不存在机械接触，转子可以运行到很高的转速，具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点，特别适用于高速、真空、超净等特殊环境中。在磁悬浮风力发电机

中轴向磁轴承用于实现发电机主轴在轴向的稳定悬浮，两个径向磁轴承用于实现发电机主轴在径向的稳定悬浮。主轴两端装有辅助支承，用于主轴系统失控或突然断电时，起临时支承旋转的主轴的保护作用。主轴轴向和径向的位置精度靠轴径向传感器保证，实现稳定悬浮的风力机主轴在风轮的带动下平稳运行，实现风电转换。

2.2 用于磁悬浮风力发电机的磁轴承及磁悬浮风力机类型

用于磁悬浮风力机上的磁悬浮轴承按工作原理可分为被动磁悬浮轴承、主动磁悬浮轴承、混合磁悬浮轴承和超导磁悬浮支承方式。

被动磁轴承 (永磁轴承) 利用磁环间产生的永磁力来悬浮转子，它具有一定的稳定特性，一般没有控制系统。主动磁轴承通过主动控制电流大小来调节电磁铁产生的电磁力，将转子稳定悬浮在空间，使转子与磁轴承之间没有任何机械接触，是一种高性能的机电一体化轴承。与前两种相比，混合磁轴承的特点是：(1)由永磁铁提供偏置磁场，电磁铁仅提供负载或者外界干扰的控制磁场，这就可以避免系统因为偏置电流所产生的功耗，降低绕组的发热量; (2) 其电磁铁所需的安匝数相比主动磁悬浮轴承要减少很多，这就有利于缩小轴承体积，节省材料;

(3) 混合磁轴承承载力取决于永磁体提供的内部磁动势，磁动势越大，承载力就越大。所以混合式磁悬浮轴承具有质量轻、体积小、效率高等优点，通常适用于微型化、体积小的场合。超导磁悬浮是近年随着科技发展而逐步兴起的新

型磁悬浮支承方式，它主要利用超导体的磁绝缘性(超导体是唯一的磁绝缘体) ，采用永磁体和超导磁体的联合悬浮。

磁悬浮风力发电机根据磁悬浮类型来分可分为永磁悬浮风力机、电磁悬浮风力机、混合磁悬浮风力机。

2.3磁悬浮风力机的优缺点

2.3.1磁悬浮风力机的优势

将磁悬浮支承技术应用到风电系统上，可以改善其启动性能，提高风能利用率，同时实现微噪声，甚至可以达到静音的效果。其优势主要体现在:

1)磁悬浮风力机的转子是靠磁场力悬浮的，定、转子运动表面之间没有接触、无摩擦，启动风速可降至 1.5m / s，即扩大了风力资源的利用范围;

2) 由于没有接触，所以无需润滑轴承，相应地也不存在润滑剂对环境的污染，无需维护和保养，降低了成本;

3)功耗相对较低，节能。在 10 000 r /min 时，磁支承的功耗只有流体动压润滑支承的 6% ，滚动支承的17% ;

4) 磁力支承的控制精度取决于位移传感器的精度，容易得到保证;

5) 磁支承的刚度、阻尼系数由控制系统而定，在运行的过程中可控可调节，动态性能良好;

6) 磁支承对极端气候适应性较强，每年平均发电天数可提高 120% ，发电效率也提高15% 以上，因此发电量得到显著提高。

2.3.2磁悬浮风力机的劣势

磁悬浮风力发电机虽已产生许多年但是并未得到大范围推广，其技术本身局限性主要体现在:

1）磁悬浮支承技术是集机电磁于一体的综合技术，理论知识复杂，难以被普遍接受;

2）与机械轴承相比，磁支承体积、质量较大，需要专门的控制器和外加电源，大都配备辅助支承，结构复杂，占空间大，实现难度大;

3）与机械轴承相比，磁支承刚度较小;

4）磁支承的成本较高。

2.4磁悬浮风力发电机的发展历程

机械轴承在当今传统风力发电机中应用非常广泛，且相关技术比较成熟，目前还没有超导磁轴承在风机支承技术中的相关研究，采用主动磁轴承和混合磁轴承支承的悬浮风力发电机还处于研究阶段。美国 Mag － Wind公司的主打产品MW1100利用其有可编程多种线圈阻力的磁悬浮活动轴转换器设计，解决了以前限制垂直轴风力涡轮机的诸多问题，其设计独特的三相永磁发电机，能在更低的风速下有更高的发电量。近几年，国内一些风力机生产单位已制造出 200W、400 W、600W、1kW、2kW、5kW、10kW的小型磁悬浮风力发电机。国内外有一些关于风力发电机起动阻力矩的研究，但大部分关于永磁内磁力矩的研究都集中在对永磁电动机力学特性和结构的分析利用电动机和发电机是完全可逆的原理进行研究的。

2.5磁悬浮风力机发展前景展望

在未来几十年里，作为一种新型风力发电机，磁悬浮风力发电机将逐步取代传统风力发电机，赢得更加广阔的市场空间磁悬浮风力发电机的关键技术未来发展趋势有以下几点:

1) 风轮叶片的材料选择、结构设计以及制造工艺的改进，都会有助于降低起动风速，提高叶片的气动性能。同时，可根据叶片的应力分布情况，调整复合材料在各个位置的铺敷层数和纤维的铺敷方向，这样能合理和有效地利用材料。

2) 混合磁轴承具有结构简单、体积小、功耗低等优点，它将成为磁悬浮风力发电机的主要支承方式。有利于提高磁悬浮支承结构的紧凑性，大大减轻风力机的质量，提高了风力机塔架的安全性。

3) 全数字化集成磁悬浮支承控制系统的可靠性高，数字系统的控制可以由软件方法实现，提高了系统设计的灵活性。此外，与模拟系统相比，数字系统在速度和精度方面具有明显的优势。因此，风机控制系统的全数字化是发展的必然趋势。

4) 我国风能发电上网阻力仍存，尽管政策利好风频吹，电力上网、储能技术配套不足依然是可再生能源产业发展的“短板”。因此，储能技术和并网变流技术是下一步值得研究的热点。

3. 高空风力发电机

3.1高空风力发电机研究背景

经过近一个世纪的发展,特别是最近十年的急速发展,陆上风力发电技术

已经趋于成熟,机组商业化基本完成,陆上风力发电场的建设也急剧膨胀。陆上风电的一些问题也随之显现。

1）在地表受地表粗糙度以及地势走向的影响,风能的密度都是比较小的,风