7.4.1.1　风轮与发电机的匹配

目前，国内外风能利用的主要方式是风力发电。常用的发电机有同步励磁发电机、永磁发电机、异步发电机、变速变频发电机等，其中同步发电机应用得更多一些。无论是风轮还是风力发电机，其输出功率与转速都是相互联系的，必须考虑风轮与发电机之间的功率匹配、转速匹配以及扭矩匹配等问题，对于大多数发电机来说，其功率特性曲线是给定的。还应考虑发电机的输出功率与风轮轴扭矩之间的关系，避免发电机在某一输出功率值附近发生大的变动时，引起电气系统和机械系统出现共振。为了避免共振现象的产生，可以在动力传动系统中采用液力联轴器或其他缓冲装置。

当风速较低时，发电机所需输入功率比风轮实际所能提供的功率高，风轮处于过载状态下工作，严重过载会产生失速或停止转动；当风速偏大时，风轮所提供的功率大于发电机所需要的输入功率，风轮处于欠载状态下工作，它会导致发电机的转子转速过快，乃至发电机的损坏。因此，风力机的调速机构在一定风速范围内能自动调整转速，限制功率。

7.4.1.2　风能供电

风力发电机组的供电分独立供电和并网运行，目前国内多为前者。独立供电又分为直流供电和交流供电。

（1）直流供电是小型风力发电机组供电的主要方式，它首先将风力发电机组发出的交流电整流成直流，这样电能质量中的稳频问题就不存在了。蓄电池作为储能设备，可使电能的稳压问题也得到解决。小型风力发电机组的直流供电主要用做照明、电视机、收音机等生活用电的电源，也有用作电围栏等小型生产动力电源的，具体做法有以下几种：

1）一户一机的供电方式。这种方式一般都是自购、自管、自发、自用、自备蓄电池。

2）直流线路供电。这种方式一般为一机多户，多机多户合用，实际上就是风力发电站（厂）直流供电。机组通常是集中安装，统一管理，蓄电池可以集中配备，也可以分散到户，各户自备。应当指出：当配电电压较低，例如12V或4V时，其线路损失较大，不宜用于分散较远的住户。

3）充电站式供电。以风力发电站作为充电站，用户自备蓄电池到发电站充电，充电后取回自用。蓄电池的容量不宜太大，否则不易搬运，且易出事故。

（2）交流供电由于风能不均匀性，若把风力发电机发出的交流电直接供给用户，存在着稳频、稳压和储能等技术难题。科技人员采取了一系列措施，取得了一定的成效。目前的交流供电方式主要有：

1）交流直接供电。多用于对电能质量无特殊要求的情况，例如加热水、海水淡化等。在风力资源比较丰富、稳定的地区，采取一定措施，也能带动照明、动力负荷。

2）通过“交—直—交”逆变器供电。先将风力发电机发出的交流电整流，再把直流电变换成电压和频率都很稳定的交流电输出。

由于风能的不均匀性，使风力发电机组的电压控制、频率控制和储能成为较大的技术难题。特别是储能问题，随着机组容量的增大更显得突出。风力发电机组与电力系统并网运行，能较好地解决这些问题。风力发电机组并入的电网可以是火力发电机组、水力发电机组、柴油发电机组单独或联合组成的区域性独立电网（小电网），也可以是公用电网（大电网）。随着风力田的建设和发展，这种供电方式会得到更多的应用和推广。

7.4.1.3　风力发电的储能

1.蓄电池储能

蓄电池储能是小型风力发电机中最常用、最简便的方式，但是，由于蓄电池的寿命比风力发电机短得多，致使电能成本提高，也增加了维护量。

2.电加热储能

这种储能方式是以热负荷为主，即把风能转换成热能，在风能比较丰富的地区，风力机既可供电又可供热。

3.电解水储能

用风力发电机组发出的电能，把水电解成氢气和氧气储存起来，需要用电时，由燃料电池或发电机发电。

4.抽水储能(www.daowen.com)

在有水库、又有较丰富的风能资源地区，可以应用抽水储能的方式，即用风力发电机发出的电能带动水泵或用风力提水机，把低位水源的水抽送至高位水库中，把风的动能转换成水的位能。用电时，放出水库中的水，推动水轮发电机组发电。这需要与水力发电相结合，否则投资太大。

5.飞轮储能

由于风速的波动，引起发电机组输出功率的脉动，因此，可在风力发电机组上增加一个具有一定转动惯量的飞轮，利用飞轮的惯性，稳定发电机的转速，消除短时间的功率脉动。

6.并网发电

从广义上讲，这是最简便、最有效、最有前途的储能方式。例如，把风力发电机组与柴油发电机组并列运行，风大时，风力发电机组多发电，柴油发电机组就可以少发电，从而节省了柴油。若将风力发电并入大电网，就不存在风力发电“剩余储存”的问题了。

现在有人在研究超导储能装置，将来有可能应用在大型乃至巨型风力发电的储能上。

7.4.1.4　蓄电池

我国已生产10多万台小型风力发电机，发出的电能大都先用蓄电池储存起来，然后作直流电源使用。

1.蓄电池及其种类

蓄电池是利用化学能与电能相互转换的原理进行储电和放电的。按使用情况分，有日常所用的一次性电池即干电池，也有可以充电、能反复使用的“干电池”；还有多用于运输、交通设备上的可以反复进行多次充电、放电过程的电池。按参与化学反应的材料，可分为铅蓄电池和碱蓄电池。

2.蓄电池的工作原理

在小型风力发电机中应用较多的是汽车用蓄电池。在蓄电池内由化学能转变成电能，向外电路供电的过程称为放电；反之，在蓄电池完全放电或部分放电以后，由外电路输入电流时，在蓄电池内部由电能转变成化学能储存起来的过程称为充电。任何蓄电池的使用过程都是充电、放电周而复始地进行着，直至寿命终结。

（1）铅蓄电池的充放电。铅蓄电池的阳极用PbO2，阴极用Pb板，电解液用27%～37%的H 2 SO4水溶液。阴极上的电子通过蓄电池的外部回路向阳极板流动，形成了电流，放电时硫酸被消耗而生成了水，亦即电解液的浓度降低（可用比重计测得）。而充电时，由外部（如风力发电机）供给直流电，在阳极生成Pb O2，在阴极生成Pb，电解液的浓度升高，比重增大。这样，将外部供给的电能作为化学能重新储存在蓄电池内。

（2）碱蓄电池的充放电。碱蓄电池也由阳极、阴极和电解液组成。如镍镉碱性蓄电池，其阳极采用NiOOH，阴极采用金属Cd，电解液为KOH。放电时，阳极还原为Ni（OH）2，同时阴极生成Cd（OH）2；充电时，由于外部供电，引起与放电时相反的化学反应。

3.蓄电池的性质

蓄电池的性质因种类、形式的不同而有很大的差异，现以铅蓄电池为例介绍其性质。

铅蓄电池单片电压为2V（碱蓄电池为1.2V），把几个单片电池串联起来就提高了电压，如将6个单片铅蓄电池串联起来放在一箱中，就成了具有12V电压的蓄电池。蓄电池的容量用安时（Ah）表示，如“××型蓄电池容量为100Ah”，表示这个蓄电池在放电时具有100Ah的容量，如果是铅蓄电池，一块蓄电池应具有的电能是100×2=200Wh。应该注意的是，蓄电池的电压伴随着放电逐渐降低，在放电后期电压大幅度的下降，甚至释放不出电能，所以铅蓄电池的电压在1.4～1.8V（碱蓄电池在0.8～1.1V）的范围内必须停止放电。

4.蓄电池的寿命

蓄电池能够多次反复使用是最大的特点，但进行若干次充放电周期后，蓄电池老化到其容量达到标准值的80%以下时，便不能继续使用。蓄电池的寿命取决于它的类型和使用方法，差别很大。铅蓄电池：2～6年；碱蓄电池：3～20年。为了延长蓄电池的使用寿命，应严格按规定进行使用和维护。特别要避免在过度的充放电、高温下、电解液的浓度过大和纯度降低的条件下使用，以延长它的使用期限。

需要注意的是：蓄电池即使不用，其电压也会逐渐降低，平均每个月自身放电20%左右。温度越高、蓄电池越旧以及铅蓄电池电解液的比重越大，其自身放电越严重。在充电后期从极板产生H 2和O2。H 2在O2存在的情况下有爆炸的危险，必须通风。此外，在放电中也会产生少许残余气体。蓄电池的充放电特性在低温状态下明显降低。这是因为一到低温，电解液中的离子扩散移动困难，电阻增加，甚至出现冻结。蓄电池使用温度的下限为-20℃。