风力发电的贡献越来越大

在从芝加哥飞往波士顿的航班上，飞机飞过靠近北岸的伊利湖。坐在左边的乘客可以清楚地看到高大的白色风力涡轮机矗立在农民的田地里，懒洋洋地转动着。这些机器在不燃烧化石燃料或产生温室气体的情况下为当地消费者发电。

风能的吸引力正在增长，因为电力饥渴的世界正在寻找能够满足消费者需求的能源，同时保持对我们碳足迹的意识。风能是一种取之不尽的能源，但它的实际限制是什么?电力如何从涡轮机输送到电网?

各种尺寸的风力涡轮机使用相同的基本配置和可调的支柱，偏航控制，变速齿轮箱和发电机。

风能的潜力

虽然许多人可能认为风力发电是加州的现象，但它在整个北美都有更广泛的部署潜力。事实上，北达科他州拥有最大的可收获风能潜力，而北德克萨斯州拥有世界上最大的风力发电场。加州实际上在候选州的名单上很靠后，大平原地区是我们最有潜力的资源。

风力发电仍然只占美国发电能力的一小部分，但正在稳步增长。2006年底，总容量为11,600兆瓦，但美国风能协会(AWEA)估计2007年将增加3,000兆瓦以上，并且安装的速度正在加快。(相比之下，一个典型的燃煤电厂每台发电能力为600至800兆瓦，而全球燃料电池发电装机总量不到150兆瓦。)

在这一点上，加速扩张的最大障碍之一是缺乏制造能力。考虑到政府对可再生能源生产方式的政策的不确定性，风力涡轮机设备制造商一直不愿增加产能。AWEA执行董事Randall Swisher说:“我们看到许多新的风力发电场投入使用，在风力涡轮机制造方面也有令人兴奋的新投资，但与满足日益增长的风电需求相比，这只是冰山一角。”“在这个关键时刻，对美国政府来说至关重要的是，全面、长期地延长生产税收抵免，并制定国家可再生能源组合标准，要求公用事业公司利用可再生能源生产更多的电力。这些政策将发出明确的大信号，支持这个国家迫切需要的可再生能源。”

作为产能扩张项目的一部分，西门子预计将于本月在该州麦迪逊堡的新涡轮叶片工厂全面投产。在那里，他们正在为35台新的2.3兆瓦涡轮机建造叶片，这些涡轮机将用于德克萨斯州阿比林附近的甜水风电场。每个叶片长148英尺，重约12吨。新工厂雇用了400人。

德克萨斯州是风力发电的主要州，目前装机容量超过3000兆瓦，其中包括美国五大风力发电场中的三个。虽然加州的风力潜力不是最高的，但它的风电装机容量为2376兆瓦，爱荷华州、明尼苏达州和华盛顿州位居前五。

一个特别有趣的装置是在纽约州的拉克万纳，那里有八台新的涡轮机，它们是从伯利恒一家老钢铁厂曾经经营过的一片棕地里冒出来的。这给这个超级基金所在地带来了新的生命，在那里，工业废料污染使该地区被遗弃和破坏。现在这些涡轮机为当地社区发电20兆瓦。在东北部还有其他类似的设施，那里的风电场现在在以前的矿场和污水处理厂附近或附近运行。

操作注意事项

风力涡轮机的明显限制是，它们只能在特定的风速范围内运行。因此，它们的表现会随着天气的变化而变化。涡轮机的性能取决于同时知道风向和风速，使用的风传感器可以安装在单个涡轮机上，也可以安装在大型风力发电场的中央。涡轮机可以在支撑柱(偏航控制)上旋转其头部以匹配风向并调整其叶片的螺距以达到所需的速度和扭矩特性。这些功能可以通过机械或液压机构来实现。

如果单个涡轮机由于缺乏风而停止，当风速达到大约9英里/小时(4米/秒)时，它将经历启动程序。涡轮机首先将叶片转向0°，直到开始旋转。在这一点上，一个调速器调节叶片，以保持发电机在所需的速度转动，通常约900转/分钟。一旦达到这个速度，控制系统切断电源转换器，然后切断发电机。这最大限度地减少了进出电网的涌流问题。

调节器设定速度，以保持转子转速和功率输出之间的平衡。由于发电机的负荷是相对恒定的，系统补偿风速的变化通过分钟桨距调整。在涡轮机运行期间，这是一个连续的过程，并确保传动系统在运行时经历接近恒定的扭矩。

由于机械故障或由于大风而停止涡轮机可以使用反向桨叶俯仰和机舱内制动机构的组合。考虑到这样大而重的物体的高动量，停止不是立即的，但在紧急情况下，单位通常可以在几秒钟内停止。当风速超过安全速度时，为了安全起见，叶片可以停在中立位置。

位置和尺寸

如果位置合适，涡轮机应该运行60%到80%的时间。当大小适合给定位置时，它将在至少10%的时间内提供其全部额定输出。考虑到这一点，一台典型的涡轮机在一天中的平均发电量将达到其全部潜在发电量的30%到35%，尽管在任何给定时间的发电量都可以达到100%。

为了规划电网的生产水平，一条经验法则是将安装的铭牌容量的20%作为确定的发电容量。换句话说，一个10兆瓦的风电场在电网上将被计算为2兆瓦。虽然这可能看起来很低，但它反映了成本、效率和容量之间的有益权衡。叶片尺寸和发电机容量是两个主要的设计变量，对应于给定位置的典型风力条件。

涡轮本身只有偏航控制和桨距调节，以在变化的条件下优化输出。考虑到这些独特的特性，将一组风力涡轮机放在同一控制方案下并向电网输送电力提供了一些独特的挑战。一个与当地配电系统相连的风力发电场将面临与燃煤或核能发电厂相同的需求。随着需求的变化，输出也必须做出反应，除非在这种情况下，运营商不能简单地调整发射速率来跟随电网。

需要复杂的控制

由于风力发电场的输出是可变的，将其与传统发电厂整合需要复杂的控制功能。联邦能源管理委员会(FERC)对发电设施进行监管，以确保某一电厂不会对某一地区的电力供应造成干扰或破坏。

当风力减弱时，涡轮机变慢或停止转动。对于传统的控制系统，它们只是脱机，当它们再次开始转动时，必须手动将它们重新投入运行。FERC将在2008年发布新法规时解决这些低电压和零电压事件。控制包可以让风电场在保持在线的情况下度过这段时间，并在输出再次上升时自动重新建立自己的电网。

风力发电场有能力帮助稳定薄弱的电网或负荷变化较大的地区。它们可以配备控制机制，使它们能够为配电系统维护提供无功功率，即使它们不产生有功功率。这种能力使风电场能够帮助稳定当地电压，并在不平衡条件下支持电网。这是更传统的技术(如燃煤或核能)无法复制的。

有了这些能力，风力发电场将超越其简单的发电能力，成为其区域配电网中更为关键的因素。“配备无功功率和电压调节能力的风力涡轮机和风力发电厂可以为弱电系统提供优越的电压性能，”通用电气能源公司可再生能源副总裁维克多·阿巴特说。“将这种能力扩展到零功率操作可以产生传统发电无法实现的性能优势。”

风力发电场的偏远位置使得电力传输成为一个挑战。一个极端的例子是北海正在建设的一个新的海上设施，距离德国海岸60多英里(100公里)。400兆瓦，这是最大的海上设施，也是最偏远的。该项目将使用ABB的HVDC(高压直流)光传输技术，为公用事业提供高度的岸上控制，考虑到风力涡轮机输出的不可预测性，这一点至关重要。ABB电力系统部门主管Peter Leupp表示:“由于环境条件和距离的原因，将可再生能源接入电网可能具有挑战性。”

但不是在这里

风电场也同样受制于邻居们认为不受欢迎的“不要在我家后院”的植物和工艺的心态。典型的论点有:

• 他们难看。这是一种主观的观察，尽管制造商已经尽其所能来改善外观。不过，像30层楼那么高的东西是很难伪装的。

• 他们吵了。它们可以根据听者的位置发出轻微的“嗖嗖”声，但这种声音非常低，只有在建筑附近才能听到。

• 它们捕杀鸟类和蝙蝠。美国国家科学院发表的一项研究表明，杀虫剂和与汽车或建筑物的碰撞导致更多的鸟类和蝙蝠死亡。奥杜邦协会甚至支持风力涡轮机。

作为一个问题情况的例子，伊利诺斯州汉诺威公园市政当局靠近控制工程的办公室正在讨论在一所小学校园内增加一个1.6兆瓦风力涡轮机的提案。涡轮机产生的电力将为学校在其运营寿命期间节省约800万美元。然而，社区中的一些人对在镇上建一座250英尺高的建筑表示失望，这个问题可能会在法庭上决定。

另一方面，一些人欢迎风力涡轮机。农民允许将它们放置在田地里，可以种植到基地，每年每兆瓦的运营权约为3000美元。这为农村社区提供了双重好处。

作者信息

Peter Welander是过程工业编辑。打电话给他。PWelander@cfemedia.com．

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