浅谈风力发电.docx

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浅谈风力发电

浅谈风力发电

袁明清

能源是人类生存的基本要素，是国民经济发展的主要物质基础。

由于化石燃料的日益枯竭和人类对全球环境恶化的倍加关注，从七十年代以来，各国政府和国际组织都相继投入了大量的资金用于新能源和可再生能源的开发，以寻求一条经济社会进步与资源环境和人口相协调的、可持续发展的道路。

风能作为一种可再生、无污染的绿色能源，储量又十分丰富，在众多的可再生能源中，以其巨大的优越性和发展潜力自然备受人们的青睐。

据估计，全球可利用的风能总量在53000TWh/年。

风能的大规模开发利用，不仅将会有效减少化石能源的使用、减少温室气体排放、保护环境，还具有调制电网中的能源结构、解决偏远地区居民用电问题等方面的突出作用，同时也是作为促进电力结构多样化及环境与生态的改善的一种重要途径。

大力发展风能已经成为各国政府的重要选择。

近十五年来，风能发电已在许多国家得到迅速发展，它是全世界增长最快的能源。

风能发电技术已经成功地吸引了世界上诸多公司的关注和投资。

一、风力发电发展简史

Brush风车：

1987～1988年冬,作为美国电力工业的奠基人之一的CharlesF.Brush在俄亥俄州克利夫兰市安装了一台被现代人认为是第一台自动运行且用于发电的风力机。

这座庞大的风车,叶轮直径是17m,由144个由雪松木制成的叶片,运行了约20年,用来给他家地窖里的蓄电池充电。

不过,这台发电机的功率仅为12kW。

LaCour的风力机:

丹麦人PoullaCour是一名气象学家,同时也是现代风力发电机的先驱。

他建立了一个属于他自己的风洞来实验风力发电机,他发现快速转动、叶片数少的风力机,在发电时比低转速的风力机效率高得多。

1987年,他发明的2台实验风力机被安装在丹麦AskovFolk高中。

Gedser风力发电机:

1950年,PoullaCour的学生JohannesJuul开发了第一台交流风力发电机,并在1956～1957年为SWAS电力公司在丹麦南部的Gedser海岸建成了创新的200kW的Gedser风力发电机。

三叶片、上风向并带有电动机械偏航和异步发电机的风力发电机是现代风力发电机的设计先驱。

JohannesJuul发明了紧急叶尖刹车,可在风机过速时通过离心力的作用释放,以降低风机的转动速度。

现代的失速型风力机基本上沿用着这套系统。

Gedser风力发电机在不需维护的情况下运行了11年。

如今,在丹麦的Bjerringbro电力博物馆里,还能看到这台风力机的机舱和叶轮。

Tvind2兆瓦风力机:

20世纪80年代后,制造商开始设计具有独特风格的风力发电机。

许多设计都是以古典的Gedser风力机或古典低转速多叶片的美国“风能玫瑰”的经验为基础,但大部分风机通常为5～11kW,按现代的标准来说,功率都太小了。

不过与小风机相比,Tvind2兆瓦风力机算是风力发电机革命中的佼佼者了。

这台机组是下风向变速风机,叶轮直径为54m,发电机为同步发电机,至今这台风力机还在处于正常运行之中。

但是,由于各国政府资助大型风力机研制工程的方向不同,最后,由风力发电机改良的Gedser古典三叶片、上风向风力发电机设计在激烈的竟争中成为商业赢家。

兆瓦级风力发电机:

为了降低风力发电的成本,提高风电的市场竞争能力,风力发电机组的技术一直在沿着增大单机容量、减轻单位千瓦重量、提高转换效率的方向发展。

到2002年前后,主流机型已经达到1.5MW以上。

1997年兆瓦级机组占当年世界新增风电装机容量的比例为9.7%,2001年占到了52.3%,2003年占到了71.4%。

如今,在欧洲已批量安装3.6MW机组,4.2MW、4.5MW和5MW机组也已安装运行。

而风力发电成本也已由20世纪80年代早期的38美分/（kW·h）降至2003年初的4美分/（kW·h）左右。

预计到2010年,世界风电平均发电成本将降至2.6美分/（kW·h）左右。

二、风力发电发展现状

●世界风电发展情况

全球风电工业高速发展，风电是比较年轻而发展迅速的工业。

在过去的10年间，风电发展不断超越其预期的发展速度，而且一直保持着世界增长最快的能源的地位。

1998年到2003年的6年中，全球风电装机容量年平均增长率为35.67%。

2004年，全球有超过8321MW的新增装机容量并入电网系统;2004年末，全球风电装机容量达到47616MW。

欧洲风能协会在近期的一份报告中指出，到2020年风力发电将占世界电力总量的12%，届时世界风电的装机容量将达到1231GW，发电量约为30000亿kWh。

表1-1和表1-2为世界风能发展情况：

表1世界一些国家风电累计装机容量对比

表21997～2003年世界风电市场的增长

尽管风电成本受很多因素的制约，但其发展趋势是逐渐降低的。

随着风电技术的改进，风电机组越来越便宜和高效。

增大风电机组的单机容量就减少了基础设施的费用，而且同样的装机容量需要更少数目的机组，这也就节约了成本。

随着融资成本的降低和开发商经验的丰富，项目开发的成本也就相应的降低。

装机成本为700欧元//kW时，风电将可以与燃气发电竞争。

根据丹麦RIS国家研究实验室对安装在丹麦的风电机组所进行的评估，从1981^2002年间，风电成本由15.8欧分//kW下降到4.04欧分//kW，预计2010年度电成本下降至3欧分/kW,2020年降低至2.34欧分/kW。

图1风力发电度电成本的变化趋势

●中国风电发展情况

我国lOm高度层的风能资源总储量为32.26亿kW，其中实际可开发利用的风能资源储量为2.53亿kW，几乎能与可开发水能资源3.78亿kW并起并坐，开发潜力很大。

有沿海包括山东、浙江、福建、广东和东北至西北包括内蒙古、新疆、甘肃两大风带，风能密度大，全年高风速时间长，为发展风力发电提供了得天独厚的条件。

我国在80年代中期开始建立小型风电场，1993年建立11处，总装机14.5MWo1995年以后快速发展，1998年建立19处，总装机223.6MW，到2003年，总装机567MW。

这些风电场基本都建立在东南沿海及三北地区。

例如，中国最大的海岛风电场位于广东南澳岛，年均风速8.54m/s，有效风能密度1O11W/mz，年有效时数超过7020ho2000年已有装机53.4MW,2001年12月30日又与德国英华威公司签订20MW风电机合同，另外丹麦又与南澳合资建设26MW风电场，最终可达146MW。

我国风电装机容量和每年的上升幅度如下图

图2我国风电装机容量和每年的上升幅度

我国的风电发展主要集中在2003年以后,尤其是在风电特许权的带动下,2006年我国除台湾外增加风电机组1454台,增加装机容量133.7万kW,比过去20年发展累积的总量还多,仅次于美国、德国、西班牙和印度。

2007年累积装机容量6050MW，排名世界第五位。

2008年又新增风电装机容量630万kW,新增容量位列全球第2,仅次于美国。

截至2008年底总装机容量达到1215.3万kW,同比增长106%,总装机容量超过了印度,位列全球第4,同时跻身世界风电装机容量超千万千瓦的风电大国行列.图2反映了2000年以来我国风电装机容量的增长情况。

图32000年以来我国风电装机容量的增长情况

但与国外相比，我国在风力发电的技术水平还比较落后。

风电企业普遍生产规模小、工艺技术落后、国产化程度低，重要原材料和零部件以及大容量的风力发电装置绝大多数依靠进口。

但是随着新能源、环保、和谐成为社会经济发展的主流，国家在“九五”期间重点对600kW三叶片、定桨距、失速型、双速发电机的风电机组进行了研制，掌握了整体总装技术和关键部件叶片、电控、发电机、齿轮箱等的设计制造技术，并初步掌握了总体设计技术。

600kW失速型风电机组及其主要部件如电气控制系统、叶片等实现了国产化批量生产。

“十五”期间在“863”计划中对兆瓦级变速恒频风电机组进行攻关，计划中对750kW的失速型风电机组的产品化和产业化进行攻关。

“十五”期间重点安排了兆瓦级风电机组的研制课题，同时也安排了风电系统检测技术和技术规范研究和海上风资源课题。

三、风力发电的技术难点与存在问题

●风力发电的技术难点

1、风电机组由恒速运行改变为变速运行。

例如，Mod-5B，其风轮速为12.9～17.3r/min，发电机改用变速异步发电机。

GAMMA-60风轮转速为15～44r/min，变速运转有利于在不同风速下，维持最佳叶尖速比

，从风能中获取更多的能量，也有助于减轻运载荷。

2、采用柔性结构，即柔性叶片和柔性塔架，以降低材料消耗和最大限度的吸收振动，减轻运载荷。

缺点是设计复杂，必须建立在可靠的动态响应分析和动模拟试验的基础上，掌握风力机的动态特性，并对动态响应进行精确的计算。

柔性塔风轮直径大于刚性塔30M；柔性塔塔架重量为115.5t,刚性塔塔架重量达145t。

3、风力发电机中齿轮箱的使用寿命。

由于风力作用与齿轮箱是变工况的，在齿轮频繁受到风速变化冲击的情况下，齿轮的微动磨损超过了一般设计的预期（某些厂家设计时根本没有考虑齿轮微动磨损），往往造成使用2-3年就出现齿轮早期点蚀。

但是实际中因为安装的机架太高，维修费用太大，风力发电齿轮箱的使用寿命要求比较长，一般都要求20年连续使用无故障，而且由于风力发电机的工作环境比较恶劣，因此齿轮箱材料应具有较高的抗盐蚀能力，能够在空气湿度、盐份较大的地区运行，同时也能够在风沙大的地区持续运行。

4、有些风力发电机比如说垂直轴风力发电机，虽然已经生产出兆瓦级的大功率风力机了，但是依然不能广泛应用，主要是因为该风力发电机只有在叶片横切风向移动时才产生空气动力力矩，这会导致转矩脉动。

而且这种风力发电机启动风速要求较高，尖速比较低，这样提供的输出功率也较低。

5、对于现行广泛使用的风力发电机，其技术工艺还是有一些问题、困哪难以解决。

例如水平轴风力发电机，因为其下风向风力机的每个叶片都要通过塔架后方的湍流风区，因此造成的机械的冲击会缩短转子的寿命并且会产生噪音。

●风力发电的存在问题

首先，风电的价格较高，无法和火电形成竞争，这也是风电发展的最大障碍。

具体来说风电的成本是由一次投资、日常维护投入和发电量几方面决定的，降低其价格的最直接方法就是改进发电系统的设计，从而降低设备成本、提高风能的利用率。

其次，风力发电系统的可靠性还需提高。

采用异步发电机的风力发电系统结构复杂、控制环节较多，稳定性较差，而且必须使用高变比齿轮箱。

这种齿轮箱位于塔架之上，体积大、成本高、容易发生漏油、断齿等故障，尤其在低温环境下损坏率有时高达百分之百，给日常电力生产带来极大不便。

再者，风电场接入电网后，在向电网提供清洁能源的同时，也会给电网的运行带来一些负面影响。

随着风电场装机容量的增加，以及风电装机在某个地区电网中所占比例的增加，这些负面影响就可能成为风电并网的制约因素。

风力发电会降低电网负荷预测精度，从而影响电网的调度和运行方式；影响电网的频率控制；影响电网的电压调整；影响电网的潮流分布；影响电网的电能质量；影响电网的故障水平和稳定性等。

由于风力发电固有的间歇性和波动性，电网的可靠性可能降低，电网的运行成本也可能增加。

为了克服风电给电网带来的电能质量和可靠性等问题，还会使电网公司增加必要的研究费用和设备投资。

在大力发展风电的过程中，必须研究和解决风电并网可能带来的其他影响。

最后，自主研发力量严重不足，由于国家和企业投入的资金较少，缺乏基础研究积累和人才，我国在风力发电机组的研发能力上还有待提高。

在研发风电机组过程中注重于产品本身，而对研发过程中需要配套的工作重视不够。

由于试验和测试手段的不完备，有些零部件在实验室要做的工作必须总装后到风电场现场才能做。

风电机组的测试和认证体系尚未建立。

四、风力发电未来的发展趋势

随着风电工业的不断发展，风电技术和风电系统也在不断地发展，以满足其自身技术、应对风速变化、成本、环境以及稳定运行等各方面的要求。

其主要趋势包括以下几个方面:

（1）主要发展水平轴风力机。

垂直轴的主要优点是全风向、变速装置及发电机可以置于地面，但其主要缺点是轴距过长、风能转换效率不高。

目前主流风力机均采用水平轴设计，其优点是风能转换效率高，传动轴距短，对大型风电机组来说经济性更好。

但其缺点是需要根据风向不断调节机舱的方向，需要有对风装置。

同时由于变速装置及发电机布置在塔架顶端，增加了塔架的投资和安装维护

（2）从风轮到发电机的新型驱动方式。

目前从风轮到发电机的驱动方式主要有三种。

一种是通过齿轮箱多级变速驱动双馈异步发电机，简称为双馈式，是目前市场上的主流产品。

第二种是风轮直接驱动多极同步发电机，简称为直驱式。

直驱式风力机具有节约投资，减少传动链损失和停机时间，以及维护费用低、可靠性好等优点，在市场上正在占有越来越大的份额。

但直驱发电机体积大，较笨重。

第三种是单级增速装置加多极发电机技术，简称为混合式。

混合式采用单级变速装置以提高发电机转速，但速度低于标准发电机所需要的转速;同时配以类似于直驱发电机的多极电机。

该设计介于纯变速装置驱动和直驱之间，旨在融合两者的优点而避免其缺点。

（3）变桨距调节方式迅速取代失速调节方式。

变桨距调节是沿桨叶的纵轴旋转叶片，控制风轮的能量吸收，保持一定的输出功率。

桨距调节的优点是机组起动性能好，输出功率稳定，机组结构受力小，停机方便安全;缺点是增加了变桨距装置，增加了故障几率，控制程序比较复杂。

从目前市场情况看，变桨距调节方式能充分克服失速调节的缺陷，得到了迅速的应用。

（4）变速运行方式迅速取代恒速运行方式。

由于变速运行方式通过控制发电机的转速，能使风力机的叶尖速比接近最佳值，从而能够最大限度的利用风能，提高风力机的运行效率，因而被广泛采用。

（5）发展近海风电场。

一些欧洲国家，如丹麦、德国和英国等，由于陆地面积的限制，风力发电正在从陆地走向海洋。

此外，陆地风力发电技术，己经基本成熟，走向海洋正在成为今后风力发电技术主要发展方向之一。

当然，西班牙、美国、中国和印度等国土面积辽阔的国家，目前仍然主要是发展陆地风场。

（6）加大风能资源的测试与评估的投入，提高风能资源的测试与评估的能力。

国外已经对风能资源的测试与评估开发出很多先进的测试设备和评估软件，在风电场选址，特别是微观选址方面已经开发了商业化的软件。

如丹麦RIS国家研究实验室开发的用于风电场微观选址的资源分析工具软件WASP;美国TrueWindSolutions公司开发的MesoMap和SiteWind风能资源评估系统等。

在风电机组布局及电力输配电系统的设计上也开发出了成熟软件。

国外还对风力机和风电场的短期及长期发电预测做了很多研究，精确度可达90%以上。

（7）无齿轮箱系统的市场份额迅速扩大。

齿轮传动不仅降低风电转换效率并产生噪音，更是造成机械故障的主要原因，为减少机械磨损还需要润滑清洗等定期维护。

采用无齿轮箱的直驱方式虽然提高了电机的装机成本，但却有效提高了系统的效率以及运行可靠性。

（8）加大海上大型风电机组的研制。

海上风能资源比陆上大，不但风速高，而且很少有静风期，能更有效地利用风电机组以提高发电容量。

海水表面粗糙度低，海平面摩擦力小，风速随高度的变化小，不需要很高的塔架，可以降低风电机组成本。

基于海上及陆地风电机组的不同叶尖速比设计。

由于海上大型风电机组对噪音的要求较低，采用较高的叶尖速度可降低机舱的重量和成本。

除此之外，改善声学特性、空气动力学特性、轴传动效率，满足高风速或低风速地区以及复杂地形的运行要求等也是风电机组设计的发展趋势。

五、对风力发电的一点看法

通过阅读大量的论文资料，浏览网上各种论坛以及国内外比较出名风力发电企业公司的发展动态，综合总总对风力发电有了一些看法：

（1）以笼型异步发电机为主流发电机的定桨距恒速恒频风电机组虽然具有结构简单、成本低、可靠性高等优点，但其具有运行范围窄、不能充分利用风能等缺点，因而发展空间有限；采用双PWM变流器控制有刷双馈异步发电机转子励磁电流的变速恒频风电机组可实现最大风能跟踪，改善并优化机组的运行条件，便于顺利实现并网操作，发展前景广阔；采用多极永磁同步发电机的直驱型变速恒频风力发电系统省去了增速齿轮箱，提高了效率与可靠性，降低了噪声，利用基于现代电力电子技术的全功率变流器控制系统的有功、无功功率，实现最大风能跟踪，是风力发电技术的新兴发展方向。

（2）加大应用于海上风力发电机组的研发。

海上风能资源比陆上大，不但风速高，而且很少有静风期，能更有效地利用风电机组以提高发电容量。

海水表面粗糙度低，海平面摩擦力小，风速随高度的变化小，不需要很高的塔架，可以降低风电机组成本。

海上风的湍流强度低，又没有复杂地形对气流的影响，作用在风电机组上的疲劳载荷减少，可以延长使用寿命。

一般估计风速比平原沿岸高20％，发电量可增加70％，在陆上设计寿命为20年的风电机组在海上可达25～30年。

同时由于海上大型风电机组对噪音的要求较低，采用较高的叶尖速度可降低机舱的重量和成本。

（3）风电设备制造企业抓住新增市场机遇，扩大现有产品生产批量的同时，继续引进国外先进技术，实现产品升级换代，满足市场对兆瓦级机组的需求，在积累实际经验的基础上，提高自主开发能力，降低机组生产成本。

（4）规模开发和分散开发相结合。

以规模化带动产业化，设想建立几个百万KW级超大型风电基地。

因地制宜开发各地具有较好条件的中小型风电场。

农村电网增强后可以考虑单机分散并网，如丹麦、德国目前的方式，德国虽然没有10万KW规模的风电场，但风电装机已经超过1200万KW，分布式电源也是未来电力结构发展的一种趋势。

（5）加大无齿轮箱系统风力发电机的研发。

由于风力作用于齿轮箱是变工况的，在齿轮频繁受到风速变化冲击的情况下降低了齿轮寿命，加上安装机架很高，增加了维修费用和维修难度。

同时齿轮传动不仅降低风电转换效率并产生噪音，更是造成机械故障的主要原因。

而采用无齿轮箱的直驱方式有效提高了系统的效率以及运行可靠性。

（6）加强重量问题的研究，在可行的范围内减少机构数目，减轻重量，因为风机越重，风机的生产、材料、运输和安装的成本就越高。

（7）加强应用计算流体力学（CFD）。

应用计算流体力学（CFD），不仅可以来评估风机的现场定位（微观选址），而且还可以用来优化叶片的设计，使未来的风机发电量更大，而叶片噪音却更小，同时它能帮助我们基于风电场内的具体气流情况周密评估所有风机的最佳布局，确保风机的最小磨损和最大产能，从而使我们从风能中获得最大的投资回报。

（8）增加对OptiTip®（最佳浆距）研究的力度。

OptiTip®（最佳浆距）是一个由微处理器控制的浆距调节系统。

OptiTip®（最佳桨距）时刻调整着风机叶片的角度以获得在主导风向下的最佳位置。

（9）研究OptiSpeed®（最佳转速）。

因为OptiSpeed®（最佳转速）允许转子转速在额定转速60%的范围内变化，在同步速度上下30%的幅度内变化。

由此，可以最大限度地降低电网输出波动和重要部件的负荷，从而大大提高风机效率。

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