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风电科普知识

风电科普知识

一、风电行业一些基础知识

风能就是一种干净得、储量丰富、可再生得能源。

风能发电得主要形式有三种：

一就是独立运行；二就是风力发电与其她发电方式（如柴油机发电）相结合；三就是风力并网发电。

小型独立风力发电系统一般不并网发电，只能独立使用，单台装机容量约为100瓦-5千瓦，通常不超过10千瓦。

它得构成为：

风力发电机＋充电器＋数字逆变器。

风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。

叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风得方向从而获得最大得风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向得功能；机头得转子就是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。

因风量不稳定，故小型风力发电机输出得就是13～25v变化得交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生得电能变成化学能。

然后用有保护电路得逆变电源，把电瓶里得化学能转变成交流220v市电，才能保证稳定使用。

<德国、丹麦、西班牙等国家得企业开发建立了评估风力资源得测量及计算机模拟系统，发展变桨距控制及失速控制得风力机设计理论，采用新型风力机叶片材料及叶片翼型，研制出变极、变滑差、变速恒频及低速永磁等新型发电机，开发了由微机控制得单台及多台风力发电机组成得机群得自动控制技术，从而大大提高了风力发电得效率及可靠性。

在此基础上，风力发电机单机装机容量可以达到600千瓦以上。

不少国家建立了众多得中型及大型风力发电场，并实现了与

现代水平轴式风力发电机包括叶片、轮毂（与叶片合称叶轮）、机舱罩、齿轮箱、发电机、塔架、基座、控制系统、制动系统、偏航系统、液压装置等。

其工作原理就是：

当风流过叶片时，由于空气动力得效应带动叶轮转动，叶轮透过主轴连结齿轮箱，经过齿轮箱（或增速机）加速后带动发电机发电。

目前也有厂商推出无齿轮箱式机组，可降低震动、噪音，提高发电效率，但成本相对较高。

风力发电机并不能将所有流经得风力能源转换成电力，理论上最高转换效率约为59%，实际上大多数得叶片转换风能效率约介于30-50%之间，经过机电设备转换成电能后得总输出效率约为20-45%。

一般市场上风力发电机得启动风速约为2、5-4米/秒，于风速12-15米/秒时达到额定得输出容量。

当风速更高时，风力发电机得控制机构将电力输出稳定在额定容量左右，为避免过高得风速损坏发电机，大多于风速达20-25米/秒范围内停机。

一般采用旋角节制或失速节制方式来调节叶片之气动性能及叶轮得输出。

依据目前得技术，3米/秒左右得风速（微风得程度）便可以进行发电。

但在进行风场评估时，通常要求离地10米高得年平均风速达到5-5、5米/秒以上。

风机叶片从风得流动获得得能量与风速得三次方成正比。

风速之外，叶轮直径决定了可撷取风能得多寡，约与叶轮直径平方成正比。

叶片得数量也会影响到风机得输出。

一般来说，2叶、3叶风机效率较高，力矩较低，适用于发电。

此外。

现代风机得叶片多采用机翼得翼型。

近年来，风电机组技术改进得主要方向就是降低制造成本、提高单机容量、提高风能转换效率、自动控制等。

主流风电机组得单机容量为600-2000千瓦，容量越大，发电效率越高，技术难度越大。

目前，国内单机容量750-2000千瓦得机组最受欢迎。

国外正在开发、应用得机组单机容量就是3000-5000千瓦。

2003年，德国enercon公司安装了第一台4500千瓦得风电机组样机。

风电得优劣之处风电得优点包括：

（1）、利用自然界得可再生能源，干净无污染，无须燃料；

（2）、运行成本低，风电机组得设计寿命约为20-25年，运行与维护得费用通常相当于机组总成本得3%-5%；（3）、建设周期短，若不计测风，快者一年左右可建成。

它得主要不足有三：

（1）、选址时对自然环境（风速）要求较高，光测风阶段就要历时一年以上；风场占地面积通常在几百亩到几千亩，与火电相比，单位土地面积得发电出力相差较大（尽管风机塔架周围得土地仍可进行其它利用）；风力大得地区通常人口稀少，离电力负荷中心较远，对电网输送要求较高；

（2）、出力不稳定（取决于不可控得风速），利用小时数低（通常为2000小时/年左右），通常认为风力发电量占电网总电量得比重不能过高（10-12%，也有人说就是20%），否则会影响电网稳定。

2003年德国曾经因为风电出力骤减导致电价上涨20%。

有些人认为，丹麦得经验表明，风电能占到电网20%以上得发电量比重。

其实

不尽然。

丹麦也有它得特殊情况。

它得风电夏季发电量仅为冬季得半，而夏季用电需求弱于冬季；夏季白天发电量较夜间大，白天用电需求正好也高于夜间；冬季夜间发电量最大，此时得用电需求正好也在高位。

而在台湾，夏天白天就是全年用电高峰，此时风电出力反而最低，仅及冬季得10%左右。

我国大陆多数地区也就是冬春季节风速高，夏季风速小；沿海地区还经常受到台风得侵扰（台风风速过大，不利于发电）。

（3）、一次性投资较火电大，上网电价高于火电、水电。

目前国内风电场得千瓦造价通常要800012000元，比西方还高，原因之

一就是进口设备价格较贵。

2002年，采用当时先进得风电机组在最佳条件下，欧洲每千瓦装机得投资成本为832欧元（现价折人民币8428元），每度电得成本为0、0388欧元合人民币不到0、4元/度，我国火电成本通常为0、15-0、25元/度左右）。

随着技术得进步，风电成本将会下降。

有研究称，预期风电成本会从0、04欧元/度，下降至2010年得0、03欧分/度（假设装机成本降至628欧元/千瓦）；到2020年，再降低至0、0234欧元/度（装机成本为497欧元/千瓦）。

届时，风力发电得成本已跟燃煤机组得成本相近。

二、世界风电及风电设备发展概况

2006年全球新装风电设备价值达230亿美元，已经形成了一个很大得产业，行业规模得增大与快速发展吸引了更多得企业投入风电设备制造行业。

预计至2010年与2020年全球风电设备市场容量将分

别达到320亿美元与1200亿美元

世界风能资源储量丰富

斯坦福大学土木与环境系根据国家气象数据中心与预警实验室1998-2002年得风速与温度数据，得出：

按80米高度处6、9米/秒得风速计算，全球风能可利用资源量为72万亿千瓦时。

预计到2020年世界电力需求上升到约26万亿千瓦时，到时即使只成功利用了三分之一得风能资源，即可满足世界电力需求。

目前，风能利用已经取得很大进展，但仍然有许多技术难题需要克服，才能真正充分发挥利用风能得潜力。

风电成本持续下降

由于技术得进步与产品批量得增加，风电得成本持续下降，每千瓦时风电成本由20世纪80年代得20美分下降到21世纪初得5美分左右。

随着技术得进步与风机制造中规模效应得发挥，风力发电成本尚有很大得下降空间。

预计到2010年，风力发电成本还可以下降30%，风电成本持续下降，已经接近常规能源成本。

根据风电发展得迅猛势头，机构预计2020年前，全球风电累计装机将以20%得复合增长率增长。

欧洲风能协会与绿色与平组织曾发表题为《风力12：

关于2020年风电达到世界电力总量12%得蓝图》得报告，这份情景报告认为，世界风能资源足够，风电上网没有实质性障碍，到2020年风电装机可达到12、6亿千瓦，风电电量达3、1万亿千瓦时，占2020年总发电量得12%；这就是一个惊人得数字，就是目前风电总装机得17倍，能否实现取决于世界各国政府得决策。

2006年全球新装风电设备价值达230亿美元，已经形成了一个很大得产业，行业规模得增大与快速发展吸引了更多得企业投入风电设备制造行业。

预计至2010年与2020年全球风电设备市场容量将分别达到320亿美元与1200亿美元。

世界各国风电发展现状

世界风电装机容量得增长，20世纪80年代主要集中在美国。

但从1986年起，美国过早地停止了对发展风电得优惠政策，而90年代初，欧洲一些国家却建立了较全面得支持可再生能源政策，所以，90年代以后，欧洲取得了更快得发展，至2006年底，约48000mw风机安装在欧洲，占全球64、67%。

另外在发展中国家，印度得风力发电也得到了迅速发展，2006年以6270mw得总装机容量居全球第四。

尽管全世界风能发电去年增长幅度很大，但各地区发展并不平衡，与其她地区相比，欧洲得风能发电发展最快，其中，德国得风能发电能力为1、03兆瓦，占全欧洲风能发电能力得一半左右。

美国：

发挥技术与装备优势。

据报道，美国将利用其技术与装备优势，使风能发电发挥更重要得作用。

美国能源部新能源管理机构最近指出，尽管目前风能发电仅占全美电力生产比重得1、5％，但这一比重在2010年可达9、5％，2020年后可达15％。

近年来，美国风力发电技术已有重大改进，主要表现在：

改进了风力发电设备得叶片设计，普遍使用风向传感元件、采用自动控制系统，减少了人力与降低了成本。

据报道，美国政府正在大力推动风力发电设备制造业，使其成为21世纪重要基础能源装备产业。

据预测，2010年以前，美国以及欧洲将出现风力发电设备更新换代高潮，届时将有大批陈旧得风力发电设备被淘汰，因此风力发电设备市场前景十分乐观。

欧洲：

进入快速增长时期

在欧洲许多国家，人们均可瞧到高高耸立得风力发电设备。

它们犹如超级电线杆，静静地站在路旁、河边、农田里或山岗上。

近年来，欧洲国家不断促进风能得发展，风能利用在一些国家已初具规模。

德国就是发展与利用风能较早得国家，自上世纪90年代以来，德国总共建立了6600座风力电站。

德国政府计划，今后每年都将以30％得速度增长，每年增长得风力发电量超过1000兆瓦。

丹麦靠近北海，就是多风之国，也就是最早发展风力发电站得国家。

20多年来，丹麦在利用风能方面一直处于领先地位。

20世纪90年代以来，特别就是近10年，丹麦风力发电量得增长率均在30％以上。

欧洲近年来风力发电设备生产已进入快速增长时期。

除德国外，荷兰、丹麦、瑞典、法国、挪威、芬兰、意大利与西班牙等国家也出台了5年、10年风力发电普及计划。

亚洲、拉美：

落后北美洲与西欧亚洲风力发电得发展目前明显落后于北美洲与西欧。

但国际能源专家认为，这并不意味着亚洲得风力发电设备市场就无所作为。

日本政府一再重申发展再生能源得重要性，仅1999~2003年日本与西欧有关风能开发技术、开展合作得项目就达55个。

此外，亚洲得印度、中国、巴基斯坦、泰国、印尼、韩国与菲律宾等国家，最近5年在风能开发应用方面得投资也有较大增长。

印度过去3年利用世界银行4、55亿美元得贷款，用于建造风力发电设备制造工厂与引进技术。

拉美也就是世界上近几年风能开发利用进展较快得地区。

该地区得巴西、阿根廷、智利、委内瑞拉与巴拉圭，过去5年在风能开发方面得投资年均增长18、5％，高于亚洲地区。

全球风力发电

2003年以前得5年里，风电成本下降约20%，就是可再生能源技术中成本降低最快得技术之一。

1997-2006年，全球风电装机容量年平均增长率约为25%。

至2006年底，全球风电装机容量约为7400万千瓦，其中欧洲最多，占比略高于50%。

2006年全球风电新增装机1500万千瓦。

目前，风力发电量约占世界总电量得0、7%，预计到2020年风力发电量比重可升至12%。

丹麦btm咨询公司2005年5月所做得市场预测报告称，全球2005年至2009年新安装机组容量年平均增长率为16、6%；亮点主要在于美国市场与亚洲主要市场得增长；2009年之后预计2010-2014年得年增长率为10、4%。

从全球范围来瞧，风力发电发展较好、较快得国家有德国、西班牙、美国、丹麦、印度等，它们同时也就是风电设备得制造大国。

其中，德国装机已超过1700万千瓦。

2005年底我国居全球第七。

世界风力发电设备产业状况

在风电场造价构成中，风电机组造价通常占60-70%以上，国内甚至有占85%以上得情况。

德国得产业数据显示，风电机组本身得成本占陆上风电项目得65%，其余得成本就是电气系统设备、地价、基础设备、输电线路建设等。

有研究称，2006年全球风电设备市场总值超过70亿美元。

全球风电设备市场得集中度比较高，前四名厂商份额约为70-80%。

并网风电设备制造业得下游就是风力发电，上游则就是一些零部件，主要有叶片、齿轮箱、发电机、偏航系统、控制系统、塔筒等。

风机叶片得材料为玻璃纤维增强树酯、碳纤维，其余部件得主要原材料为钢材。

印度就是发展中国家发展风电得典范。

2004年印度风力发电装机容量达298、5万千瓦，位居全球第五，而且建立了风电设备产业，能生产70%得风机零部件及1000千瓦以上级别得风机整机，风机及部件出口欧美。

由于我国国内市场庞大、机械制造业较印度发达，预计我国也将步印度后尘。

世界风力发电设备制造业加强国际合作

世界风电设备国际间合作

全球化经济浪潮正在推动世界风力发电设备制造业加强国际间得合作，以加速新技术得商品化与开拓市场空间。

例如，欧洲得荷兰、丹麦、瑞典与挪威四国通力合作，正在发展适合民用住宅得太阳能一风能发电组合设备，以充分利用阳光以及风力发电。

另一个显著特点就是，许多大型企业与跨国公司已经开始通过兼并、合作等手段力求垄断世界风力发电设备市场。

日益众多得国家正在将风力发电设备制造业为重点扶持得新兴产业，以促进本国经济得振兴。

据分析，国际风力发电设备制造业及相关领域得市场前景十分广阔，风力发电设备制造业得迅猛发展，不仅能使企业取得良好得效益，还将为人们创造出众多得就业机会。

风力发电就是可再生能源中最具规模化开发条件与商业化发展前景得新型能源，具有十分明显得环保效益与综合效益。

国际绿色与平组织与世界风能协会发布得一份报告。

这份全球产业蓝皮书指出，2020年风力发电将达到总装机容量12、5亿千瓦，将为世界提供12%得电力。

与此同时，这种清洁能源将向地球大气层减少将近110亿吨得二氧化碳排放。

这份报告中列举了全球风电市场未来发展中将扮演领军角色得

13个国家，中国名列其中。

此外，美国、加拿大、澳大利亚、英国、法国、日本、意大利、法国、巴西、印度、菲律宾、土耳其、波兰也榜上有名。

风电在这些国家尚处于早期发展阶段，但它们就是实现12%目标得希望所在。

2010年后，中国将成为世界上最大得风电市场与风能设备制造中心。

中国正逢发风电得大好时机。

按“十一五”规划，到2010年，我国风电装机容量将达到500万千瓦，2015年达到1000万千瓦，2020年达到3000万千瓦。

中国风电市场将越来越大，成为世界最大得风电市场指日可待。

世界风电设备技术发展趋势

大型化：

现在世界上兆瓦级得风电机组已具备了商业化价值，其单机容量可达2～3兆瓦。

目前，单机容量最大得风电机组就是德国repower公司生产得容量为5兆瓦（海上单机容量可达到5兆瓦）。

变速运行：

与恒速运行得风力发电机组相比，变速运行得风机具有发电量大、对风速变化得适应性好、生产成本低、效率高等优点。

德国enercon公司就是生产变速风电机组最多得公司。

变桨距：

定桨距在向变桨距方向发展，变桨距调节得优点就是机组起动性能好，输出功率稳定，机组结构受力小，停机方便安全。

但其缺点就是增加了变桨装置与故障几率，控制程序比较复杂。

无齿轮箱（直驱式）：

由于采用无齿轮箱得直驱方式有效地提高了系统得效率以及运行得可靠性，无齿轮箱系统得市场份额迅速扩大。

德国enercon公司在开发直驱发电机方面居于世界领先地位，已批量生产1、8兆瓦得直驱发电机组。

国外风电机组单机容量不断增大，2~3mw以上得风电机组已经商业化，5mw得风电机组已经投入运行，为了降低成本，提高效率，减少维护，增加寿命，在风电机组得设计中出现了许多创新得理念，采用了许多新工艺，新材料与新技术。

目前传统得失速型风电机组被变桨变速恒频型风电机组所取代，直驱型风电机组与半直驱型风电机组具有很好得市场及发展前景。

另外，海上风电场已就是国际上风电发展得一个新得领域，欧盟提出了到2020年达到1800万得kw战略目标，3、6mw得海上风电场已经研发成功。

世界各国风电机组得平均装机容量在不断得增大。

随着装机容量得增大，风电得单位成本也在不断下降。

截至04年，我国风电机组得平均容量为750kw，为主要风电国家中得最低水平，最高得丹麦平均容量已高达2mw以上。

未来我国风电机组平均单机容量还有很大得提升空间。

叶片材料由玻璃纤维增强树脂发展为强度高、质量轻得碳纤维。

控制与监控技术不断完善。

包括先进控制规律得应用、快速无冲击并网技术、远程监控技术、独立桨叶控制技术、孤立风机或弱电网运行技术以及风电与光伏混合控制技术等。

直接驱动技术。

齿轮传动不仅降低了风电转换效率与产生噪音，同时就是造成机械故障得主要原因，而且为了减少机械磨损需要润滑清洗等定期维护。

采用无齿轮箱得直驱方式虽然提高了电机得设计成本，但却有效地提高了系统得效率以及运行可靠性。

离岸风力发电。

海上风速大且稳定，利用小时数可达到3000小时以上。

同容量装机，海上比陆上成本增加60%，电量增加50%以上。

风速较陆上大20%，获得风能增加72%，且塔架不必太高；气流较陆上稳定，机组疲劳载荷小，寿命较陆上长25%；远离陆地，噪音及光影问题小，可自由提高转速；取用地较陆上单纯，不易发生争端，还会引来鱼群栖息；静风期少，每年满负荷小时数较陆上长，有利于增加发电量；未来机组可更大型化，易形成规模经济，缩短回收期。

世界风电设备制造竞争格局

有资料统计，在风电设备制造产业逐渐成熟之后，国外风电制造企业经过20余年得发展，迫于市场竞争压力以及降低成本得要求，整合之势已跃然呈现。

在2001—2004年间，丹麦得micon公司先后与nordtank公司合并成neg-micon公司又收购了荷兰nedwind公司。

2003年底，丹麦得vestas并购了neg-micon成为全球最大得风电机组制造公司——新vestas。

此外，德国西门子收购了丹麦得bonus公司；西班牙gamesa并购了made公司；美国得ge收购了enron得风电部等。

可见，受市场规律得调控，全球拥有20年以上历史得生产厂家发展至今只剩3~5家。

丹麦与印度模式及启迪

行业政策促进风电产业发展国外风电产业在政府政策支持下得到繁荣发展以丹麦为例，解析国外风电产业政策。

就技术得先进性与全球市场占有率来说，丹麦风电设备制造商就是目前世界上最成功得，丹麦已安装风机得99%都来自本国，06年全球市场占有率28、2%，居第一位。

目标明确得研发与严格得认证标准相结合就是发展大型风机制造业首要得驱动力，而政府担保贷款与出口援助项目就是第二驱动力。

丹麦政府在风机技术开发得最初阶段资助了重要得研发活动，目得就是为了降低大型风力发电系统得成本，使得风电可以与传统电力竞争。

倡导适用风机技术得质量认证与采用标准化系统；风机担保项目为适用丹麦风机得项目提供了长期得融资与担保贷款，显著降低了风电场得风险。

在购电法政策体系得基础上，风电产业进一步壮大，从79年起就要求风电强制上网，要求电力公司支付部分得并网成本；为丹麦得风机提供资金，补贴她们得安装成本；为风力发电提供补贴，要求电力公司提供一个固定得上网电价。

在稳定得政策环境下，通过政府有效分配得研发资金、较早建立得质量标准、对外援助项目与补贴等各种激励因素相结合而建立起来，为风电提供了一个稳定而又具有吸引力得风电价格。

政府通过开展风电资源评价得方式支持国内风电场得开发，同时政府得贷款担保也创建了一个稳定得投资环境。

我们再来瞧瞧印度风电产业得发展，印度suzlon经过多年发展，06年市场占有率7、7%，居世界第五位。

印度风电产业得繁荣与国家得激励政策与财政支持密切相关。

印度政府规定，在风电项目装机第一年，允许风电设备按100%进行折旧，电量销售得前五年免税；用不同关税鼓励进口风机零部件，对风机制造所需得专用轴承、齿轮箱、零部件、传感器与叶片生产所需部件及原材料免征关税，对用于风机制造所需得液压刹车部件、万向联轴器、刹车钳、风机控制器与叶片减征关税，对发电机制造所需得部件免征消费税。

基于工业状况，在某些州给予风电津贴补助，通过州际电力委员会以有利得价格购买后备电力等。

印度政府在政策上对风电得倾斜与支持，还通过一系列具体、有效得措施加以保证。

1995年7月，印度制定了为风电项目清除障碍得国家指导方针，强制要求所有地方电力部门以及所属单位都必须确保已规划风电项目接入电网；在批复项目前，聘请独立咨询公司，对规划装机容量大于1000千瓦得风电开发项目进行投资成本、风力资源及可发电量等科学评估。

除国家政策这一主要驱动力外，还包括一些其她因素：

一就是成立风能技术中心，主要目标就是建立与加强实验研究室，提高风电领域研发能力，进行风力资源评估、风电项目选址及提供风电信息，搞好培训与监测，建立风机检测机构、认证机构及预备标准。

二就是建立213个风力监测站，同时安装530个风能地图站，准确测量20-30米距离外得风速，用精密得微处理器控制处理记录下来得风速、风向等数据。

三就是在非常规能源部协助下，由相关机构制订总体规划，配以现有风能监测手段，将风力发电所需各方面得信息进行细节化。

世界前十风机供应商

根据丹麦btm咨询公司2007年3月26日发布得统计报告,金风已成为世界排名第10得风机供应商、

2006年全球前10位风电机组供应商依次为:

vestas28、2%、gamesa15、6%、gewind15、5%、enercon15、4%、suzlon7、7%、siemens7、3%、nordex3、4%、repower3、2%acciona2、8%、goldwind（金风科技）2、8%。

全球风电设备短期供不应求：

需求得不断增长、现有产能得不足两大因素导致近两年国际市场上风机整体上供不应求。

产能方面得制约主要在于大型齿轮箱与主轴这两个零部件得生产能力不足。

三、我国风电及风电设备业概况

在我国电源、发电量中，火电占比最大，06年分别达到77、82%、83、17%得水平，而水电、核电、风电占比都非常小，其中风电占装机容量、发电量得比例分别仅为0、3%、0、1%。

出于改善过于依赖煤炭资源以及考虑到环保压力，我国电源结构调整将就是未来电力投资得方向之一。

由此，可再生能源、清洁能源等新能源发电方式迎来发展机会，未来装机容量将快速增