我国风力发电现状及发展趋势

我国风力发电现状及发展趋势

摘要：随着环境和能源问题的日益严峻，可再生能源的开发，尤其是风力发电技术已被国家政

府所重视。本文概述了风力发电的基本现状，分析了风电在国内外的发展状况、主要面临的问

题及其解决途径和发展前景。

关键词：风力发电；现状；发展趋势

1.风力发电概述

众所周知, 可再生能源有水能、风能、太阳能、生物质能、潮汐能、地热能六大形式。其中, 风能源于太阳辐射使地球表面受热不均、导致大气层中压力分布不均而使空气沿水平方向运动所获得的动能。据估计, 地球上可开发利用的风能约为2*107 MW, 是水能的10倍, 只要利用1%的风能即可满足全球能源的需求[1]。据中国气象科学研究院估算，在中国，10m 高度可开发的风能为10亿kW 以上（陆地2.5亿kW ，海上7.5亿kW ）[2]。

在石油、天然气等不可再生能源日益短缺及大量化石能源燃烧导致大气污染、酸雨和温室效应加剧的现实面前, 风力发电作为当今世界清洁可再生能源开发利用中技术最成熟、发展最迅速、商业化前景最广阔的发电方式之一已受到广泛重视[3]。

2.风力发电原理风力发电机的分类

2.1.风力发电原理

力发电是将风能转换为机械能进而将机械能转换为电能的过程。风吹动风力机叶片旋转, 转速通常较低, 需要齿轮箱增速, 将高速转轴连接到发电机转子并带动发电机发电, 发电机输出端接一个升压变压器后连接到电网中。典型的风力发电系统包括风力机(叶片、轮毅等部分)及其控制器、转轴、换流器、发电机及其控制器等。风速、作为风力机及其控制器的输入信号, 风力机控制器将风速与参考值进行比较, 向风力机输出桨距角信号, 调整输出机械转矩T 和机械功率 。转轴输出的机械功率输入到发电机中, 发电机的输出功率经过换流器输送到变压器中, 最终输送至电网。

风能的表达式为：

32

1νρts E = (式1-1) 式中：s —单位时间内气流流过截面积(m 2)

ρ—空气密度(kg/m 3)

v —风速(m/s)

其中ρ和v随地理位置、海拔和地形等因素而变。

风力发电机的气动理论是由德国的贝兹（Betz）于1926年第一个建立的。Betz假设风力发电机的风轮是理想的，即没有轮毂，具有无限多的叶片，气流通过风轮时没有阻力。2.2 风力发电机分类

风力发电机是把风能转换为电能的装置，鉴于风力发电机种类繁多，因此分类法也是多种。按叶片数量分，单叶片，双叶片，三叶片，四叶片和多叶片；按主轴与地面的相对位置分，水平轴、垂直轴(立轴)式；按桨叶工作原理分，升力型、阻力型。目前风力发电机三叶片水平轴类型居多。

2.2.1 水平轴风力发电机

水平轴风力发电机科分为升力型和阻力型两类。升力型风力发电机旋转速度快，阻力型旋转速度慢。对于风力发电，多采用升力型水平轴风力发电机。大多数水平轴风力发电机具有对风装置，能随风向改变而转动。对于小型风力发电机，这种对风装置采用尾舵，而对于大型的风力发电机，则利用风向传感元件以及伺服电机组成的传动机构。

风力机的风轮在塔架前面的称为上风向风力机，风轮在塔架后面的则成为下风向风机。水平轴风力发电机的式样很多，有的具有反转叶片的风轮，有的再一个塔架上安装多个风轮，以便在输出功率一定的条件下减少塔架的成本，还有的水平轴风力发电机在风轮周围产生漩涡，集中气流，增加气流速度。

2.2.2 垂直轴风力发电机

垂直轴风力发电机在风向改变的时候无需对风，在这点上相对于水平轴风力发电机是一大优势，它不仅使结构设计简化，而且也减少了风轮对风时的陀螺力。

利用阻力旋转的垂直轴风力发电机有几种类型，其中有利用平板和被子做成的风轮，这是一种纯阻力装置；S型风车，具有部分升力，但主要还是阻力装置。这些装置有较大的启动力矩，但尖速比低，在风轮尺寸、重量和成本一定的情况下，提供的功率输出低。

2.3 风力发电机组

2.3.1 恒速定桨距失速调节型风力发电机组

恒速定桨距失速调节型风力发电机组结构简单、性能可靠。其主要特点是：桨叶和轮毂的连接是固定的，其桨距角（叶片上某一点的弦线与转子平面见的夹角）固定不变，失速型是指桨叶翼型本身所具有的失速特性（当风速高于额定值时，气流的攻角增大到失速条件，使桨叶的表面产生涡流，效率降低，以达到限制转速和输出功率的目的）。其优点是调节简单可靠，控制系统可以大大简化，其缺点是叶片质量大，轮毂、塔架等部件受力增大。2.3.2 恒速变桨距调节型风力发电机组

恒速变桨距调节型风力发电机组中变桨矩是指安装在轮毂上的叶片，可以借助控制技术

改变其桨距角的大小。其优点是桨叶受力较小，桨叶可以做的比较轻巧。由于桨距角可以随风速的大小而进行自动调节，因而能够尽可能多的捕获风能，多发电，又可以在高风速时段保持输出功率平稳，不致引起异步发电机的过载，还能在风速超过切出风速时通过顺桨（叶片的几何攻角趋于零升力的状态）防止对风力机的损坏，这是兆瓦级风力发电机的发展方向。其缺点是结构比较复杂，故障率相对较高。

2.3.3 变速恒频风力发电机组

变速恒频风力发电机组中变速恒频是指在风力发电的过程中，发电机的转速可以随风速而变化，然后通过适当的控制措施使其发出的电能变为与电网同频率的电能送入电力系统。其优点：风力机可以最大限度的捕获风能，因而发电量较恒速恒频风力发电机大；较宽的转速运行范围，以适应因风速变化引起的风力机转速的变化；采用一定的控制策略可以灵活调节系统的有、无功功率；可抑制谐波，减少损耗，提高功率。其主要问题是由于增加了交—直—交变换装置，大大增加了设备费用。

3 我国风力发电现状及存在的问题

3.1 我国风力发电现状

我国的几个风能丰富带主要分布在东南沿海地区、“三北”地区和内陆局部地区[4]。三北地区包括东北三省、内蒙古、甘肃、青海、西藏和新疆等省(自治区)。这一风能丰富带可开发利用的风能储量约2亿kW，占全国可利用储量的80%。另外，该地区风电场地形平坦，交通便利，是中国最大的连片风能资源区，有利于大规模开发风电场。东南沿海受台湾海峡的影响，每当冷空气南下到达海峡时，由于峡管效应使风速增大。冬春季的冷空气、夏秋的台风，都能影响到沿海及其岛屿，是中国风能最佳丰富区。中国有海岸线约1 800 km，岛屿6000多个，是风能大有开发利用前景的地区。除了上述两个风能丰富带之外，内陆的一些地区由于湖泊山川和特殊地形的影响，风能储量也较丰富[5]。

近年来，我国风电产业发展势头强劲。2009 年中国新增风电装机容量为1380.3万kW，超越美国成为全球新增风电装机容量最多的国家。2009年中国是全球累计风电装机容量仅次于美国的国家，累计风电装机2580.5万kW；2010年，全球每新安装3 台机组，就有1 台在中国，当年新增风电装机容量1892.8万kW，累计风电装机容量为4473.3万kW，超越美国成为全球新增和累计风电装机容量最多的国家[6]。

3.2 我国风力发电问题分析

3.2.1 风能资源探测数据的准确性

风作为一种气候要素，不仅具有日、月、年变化的特点，同时还具有年际变化的特征，一个地区少风年的风能有时是多风年的风能的一半[7]。因此，要估算一个区域的风能潜力，如果仅凭某一年或几年的数据，其结果肯定是不可靠的[8]。目前，我国风能资源评估主要利用离地10 m高的测风资料，但随着风机高度的逐步提高，由过去的几十米达到如今的百米以