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磁悬浮风力发电机(磁悬浮风力发电机发展展望)

磁悬浮风力发电机
说起风力发电机,我们首先想到的很可能是大个子的、这两年行业内很火的右边这张图(特别是大功率的海上风电)。那么磁悬浮风力发电机与其有什么不同呢?磁悬浮风力发电机有哪些特点?结构如何?国内外发展情况如何?有哪些技术难点?下面我们就来了解一下。
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垂直轴风力发电机
1、结构特点及原理磁悬浮风力发电机的工作原理为:通过磁轴承将发电机整个或部分转轴系统悬浮于空间,由风带动叶片及整个转轴系统转动,通过发电机将机械能转换为电能,最后,利用电力电子变换器将发电机发出的电能转换成可用的电能。

磁悬浮风力发电机除了节能、环保的优点之外,最重要的特点就是启动风速低(1.5-2.5 m/s);运转稳定,无噪音,寿命长;对空间要求低,无论市区、郊区、沿海山区皆可用。

按风轮轴与地面的相对位置,磁悬浮风力发电机分为水平轴式风力机和垂直轴风力机。由于垂直轴风力发电机的诸多优势,近年来得到了广泛发展。
水平轴风力发电机
(日本)屋顶安装的磁悬浮风力发电机
表1 水平轴和垂直轴磁悬浮风力发电机的对比
2、国内外发展情况美国Mag-Wind公司研究出了屋顶的VAWT(Vertical Axis Wind Turbine) 系统,其主打产品MW1100;环球风能科技有限公司(GWT)设计了一台磁悬浮垂直轴风力发电机,取得了很好的效果。荷兰的代尔夫特理工大学与英国爱丁堡大学联合,在2010年提出使用一种新型风力发电机转子结构,采用磁悬浮轴承支承风力发电机,从而减小大型直驱风力发电机转子结构的重量。对于一个5 MW的风力发电机来说,采用磁悬浮轴承支承比采用传统结构支承的转子重量减少了45%。
意大利泰玛磁悬浮风力发电机安装
国内研究磁悬浮风力发电机起步较晚,开始主要是大学进行了相关研究,如北京航空航天大学、武汉理工大学、山东大学、江苏大学、香港理工大学等,主要是理论研究、特性分析和优化设计。2006年,由中国科学院广州能源所、广州中科恒源能源科技有限公司和兰州环优磁机电有限责任公司联合研制成功我国首台全永磁悬浮风力发电机(结构上完全由永磁体构成、不带任何控制系统的全永磁悬浮风力发电机)。2018年,内蒙古索力德风电装备制造科技有限公司与陕西辰玛风力发电有限公司合作,在陕西渭南市共同开发建设了1台1兆瓦磁悬浮多柱塔式垂直轴微风风力发电机组并实现并网发电。

1兆瓦磁悬浮多柱塔式垂直轴微风风力发电机
3、磁悬浮风力发电机研究的关键技术风轮叶片技术
包括外形结构设计(常见风力发电机叶片外形有弧形、直线形、机翼形和扭转形)、材料的选用(铝合金弦长叶片、钢制叶片、玻璃钢叶片等,目前玻璃钢复合材料使用较多)。

磁悬浮支承技术
目前磁悬浮风力发电机支承技术采用的轴承主要分为:机械轴承、主动磁轴承、混合磁轴承和被动磁轴承。选择不同的支承方式都是为了减少轴承之间的摩擦,尽量减少质量,从而提高风能转换效率。

储能技术
为了降低风电间歇性及波动性对电网稳定性的影响,我国已经在风电集中开发的地区建设大规模储能电站,利用储能电站的双向调节功能,低谷吸纳电网多余电力储能,将风电电力转化为优质电能储存起来,减少风电弃风。进而提高电网运行的安全稳定性和风电机组利用率,减少风电弃风和提高清洁能源发电比例。

现在主要的储能方式有:物理储能、电化学储能、电磁储能。其中物理储能又分为抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能;电化学储能设备有蓄电池储能、燃料电池储能、锂离子电池等;电磁储能主要是超导电磁储能。

另外还包括发电机技术(永磁同步电机的应用)、控制技术(风力机组控制技术、磁悬浮控制技术)等。

4、磁悬浮力发电机未来展望
相比较传统风力发电机,磁悬浮风力发电机在未来发展方向有以下几个方面的优势。

1)磁悬浮风力发电机的转子是靠磁场力悬浮的,大大减少了摩擦和磨损,起风机质量大大减小,风能效率提高,真正实现了轻风启动,微风发电。

2)因为磁悬浮风力发电机依靠磁轴承支承转轴,减少了转轴与轴承之间磨损,因而维护和保养的费用大大减少,大大降低成本,这为小型磁悬浮力发电机带来广阔的市场前景。

3)小型磁悬浮力发电机由于可以在小行程内产生大的驱动力,将在风能可利用地区和欠缺
地区得到广泛的应用。

4)随着国家对可再生能源的扶持增强及磁悬浮风力发电机技术的进一步发展,并网变流技术和混合储能技术将是下一步值得研究的热点。

参考文献:
[1]徐萌,龚选泰,许小梅,等.磁悬浮风力发电机技术现状及未来展望[J].江西科学,2019,37(3):415-419.
[2]王寻,朱熀秋,钱一,等.磁悬浮风力发电机研究及发展现状[J].微电机,2016,49(10):84-88.

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