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国内外风力发电产业的发展状况及展望资料
学校代码10126学号00964034
本科学年论文
题目国内外风力发电产业的发展
状况及展望
院系内蒙古大学鄂尔多斯学院
专业名称自动化
年级2009级
学生姓名王江
指导教师王鑫
2011年06月20日
学年论文指导教师评阅意见
学生
姓名
王江
专业
班级
自动化
学
号
00964034
09级
（论文）题目
国内外风力发电产业的发展状况及展望
指导教师
王鑫
教师职称
助教
学年
论
文
评语
评定成绩：
指导教师签名：
年月日
国内外风力发电产业的发展状况及展望
摘 要
风力发电是新能源中技术最成熟的、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式，目前其发电成本已接近常规发电方式。
中国的风能资源十分丰富。
目前，我国的并网型风机主要由国外厂家提供的，大型风机也只能依赖进口或者与外商合作生产。
在风机制造水平上，我国生产的最大风电机组功率为750千瓦，国际主流机型兆瓦级风电设备在我国还处于研发阶段。
但可以预计，随着兆瓦级风电设备的国产化和成功应用推广，中国即将成为世界风电发展最令人瞩目的国家之一。
关键词：
风力发电，风能，成本，发展
THEDEVELOPMENTSTATUSANDPROSPECTOFWINDPOWERINDUSTRYATHOMEANDABROAD
ABSTRACT
Windpoweristhemostmaturemethodinnewenergytechnologyamongthemostscaledevelopmentconditionsandcommercialdevelopmentprospect,atpresent,thecostofgeneratingpowerisclosetotheconventionalpowergeneration.China'swindenergyresourcesareveryrich.Atpresent,ourcountry'sgridtypefanismainlyprovidedbyforeignmanufacturers,largefancanonlyrelyonimportorforeigncooperationandproduction.Inthefanmanufacturelevel,thebiggestpowerofthewindgeneratorproductioninChinais750kilowatt;internationalmainstreammodelmegawattwindpowerequipmentinChinaisstillatthestageofdevelopment.Buttobeexpected,asmegawattwindpowerequipmentmanufactureofsuccessfulapplicationandpromotion,Chinawillbecomeoneoftheworld'smostremarkablewindpowerdevelopmentcountries.
KEYWORDS：
WindPower,Wind,Cost,Development
目录
前言1
第一章风能2
1.1风的形成2
1.2风能和风能密度3
1.2.1风能3
1.2.2风能密度的计算4
第二章风力发电的基本原理6
2.1风力发电的概念6
2.2风力发电机组6
2.2.1基本结构6
2.2.2主要部分7
2.3风力发电基本理论9
第三章国内外风力发电情况及展望10
3.1我国的风能资源储备量及分布情况10
3.2国内外近年来风电的发展11
3.3国内风力发电前景展望14
第四章内蒙古风力发电情况及展望16
4.1内蒙古风力资源分布情况16
4.2内蒙古风电发展情况16
4.3内蒙古风电前景分析17
4.3.1市场方面17
4.3.2电价方面18
4.3.3电网适应和建设滞后问题18
结论19
参考文献20
致谢21
前言
能源是经济社会发展的重要物质，要实现2020年我国的GDP翻俩翻的宏伟目标和国民经济持续增长，仅靠常规能源难以解决能源和电力短缺的瓶颈问题。
占电力供应70%的煤电燃料——煤炭，探明的剩余开采量为1390亿t，按2003年开采速度16.67亿t/a，仅能维持83年。
还将带来严重的环境污染。
我国的石油资源不足，天然气资源也不够丰富，天然铀资源短缺。
我国水能资源可开发量为4.02亿kW，年发电量为1.7亿万度，再经过20~30年的开发，基本被开发完，仅靠水能也解决不了我国的电力短缺问题。
风能是取之不尽、用之不竭、不污染环境不破坏生态的可再生资源之一，风力发电是目前可再生资源中各种技术发展最快、技术最成熟、具有大规模开发和商业化前景的能源。
发展风力发电可促进优化能源结构，保障能源安全，缓冲能源制造的环境污染；促进节能减排；促进能源与经济、能源与环境保护的协调发展；是建设资源节约型、环境优良型社会和实现可持续发展的重要途径；是一项推动国家能源经济变革的重要选择；将为电力工业技术的创新和电力工业技术调整发挥重要作用。
我国风能资源丰富，储能32亿kW，可开发量2.53亿kW，居世界首位。
国家十分重视风力发电事业，大力扶持发展风力发电。
近年来风电规划、设计、施工能力逐渐加强，放风电设备制造国产化的步伐逐步加快，推动了我国风电事业的发展。
2007年累计风电装机容量已达6050MW，较2006年增长133MW，增速居世界之冠，成为世界第五大风力发电国。
为了能更好的认识我国及国外风力发电产业的发展及前景，本文在编写过程中力求从世界和我国的风力发电建设的新形势入手，介绍了风力发电机组和风力发电的基本原理，国内外风力发电的情况及展望，并在最后分析了内蒙古当地风力发电的建设情况。
第一章风能
1.1风的形成
风就是水平运动的空气，空气产生运动，主要是由于地球上各纬度所接受的太阳辐射强度不同而形成的。
在赤道和低纬度地区，太阳高度角大，日照时间长，太阳辐射强度强，地面和大气接受的热量多、温度较高；再高纬度地区太阳高度角小，日照时间短，地面和大气接受的热量小，温度低。
这种高纬度与低纬度之间的温度差异，形成了南北之间的气压梯度，使空气作水平运动，风应沿水平气压梯度方向吹，即垂直与等压线从高压向低压吹。
地球在自转，使空气水平运动发生偏向的力，称为地转偏向力，这种力使北半球气流向右偏转，南半球向右偏转，所以地球大气运动除受气压梯度力外，还要受地转偏向里的影响。
大气真实运动是这两力综合影响的结果。
实际上，地面风不仅受这两个力的支配，而且在很大程度上受海洋、地形的影响，山隘和海峡能改变气流运动的方向，还能使风速增大，而丘陵、山地却磨擦大使风速减少，孤立山峰却因海拔高使风速增大。
因此，风向和风速的时空分布较为复杂。
在有海陆差异对气流运动的影响，在冬季，大陆比海洋冷，大陆气压比海洋高风从大陆吹向海洋。
夏季相反，大陆比海洋热，风从海洋吹向内陆。
这种随季节转换的风，我们称为季风。
所谓的海陆风也是白昼时，大陆上的气流受热膨胀上升至高空流向海洋，到海洋上空冷却下沉，在近地层海洋上的气流吹向大陆，补偿大陆的上升气流，低层风从海洋吹向大陆称为海风，夜间（冬季）时，情况相反，低层风从大陆吹向海洋，称为陆风。
在山区由于热力原因引起的白天由谷地吹向平原或山坡，夜间由平原或山坡吹向，前者称为谷风，后者称为山风。
这是由于白天山坡受热快，温度温度高于山谷上方同高度的空气温度，坡地上的暖空气从山坡流向谷地上方，谷地的空气则沿着山坡向上补充流失的空气，这时由山谷吹向山坡的风，称为谷风。
夜间，山坡因辐射冷却，其降温速度比同高度的空气交快，冷空气沿坡地向下流入山谷，称为山风。
此外，不同的下垫面对风也有影响，如城市、森林、冰雪覆盖地区等都有相应的影响。
光滑地面或摩擦小的地面使风速增大，粗糙地面使风速减小等。
图1.1简单表示由于空气受热不均而形成的空气对流，产生风。
图1.1风的形成示意图
Fig.1.1Schematicdiagramoftheformationofthewind
1.2风能和风能密度
1.2.1风能
全球的风能约为2.74x109mw，其中可利用的风能为2x107mw，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。
人类利用风能的历史可以追溯到公元前，但数千年来，风能技术发展缓慢，没有引起人们足够的重视。
但自1973年世界石油危机以来，在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下，风能作为新能源的一部分才重新有了长足的发展。
风能作为一种无污染和可再生的新能源有着巨大的发展潜力，特别是对沿海岛屿，交通不便的边远山区，地广人稀的草原牧场，以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、边疆，作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，有着十分重要的意义。
即使在发达国家，风能作为一种高效清洁的新能源也日益受到重视。
从风力发电的技术状况以及实际运行情况表明，它是一种安全可靠的发电方式，随着大型机组的技术成熟和产品商品化的进程，风力发电成本降低，已经具备了和其他发电手段相竞争的能力。
风力发电不消耗资源、不污染环境，具有广阔的发展前景，和其他发电方式相比，它的建设周期一般很短，一台风机的运输安装时间不超过三个月，万千瓦级风电场建设期不到一年，而且安装一台可投产一台；装机规模灵活，可根据资多少来确定，为筹集资金带来便利；运行简单，可完全做到无人值守；实际占地少，机组与监控、变电等建筑仅占风电场约1％的土地，其余场地仍可供农、牧、渔使用；对土地要求低，在山丘、海边、河堤、荒漠等地形条件下均可建设，此外，在发电方式上还有多样化的特点，既可联网运行，也可和柴油发电机等级成互补系统或独立运行，这对于解决边远无电地区的用电问题提供了现实可能性，这些既是风电的特点，也是优势。
我国位于亚洲大陆东南、濒临太平洋西岸，季风强盛,全国风力资源的总储量为每年16亿千瓦，近期可开发的约为1.6亿千瓦。
这十几年来，对风能资源状况作了深入的勘测调查，全国可开发利用的风能资源总量为2.53亿千瓦。
资源分布也很广，在东南沿海、山东、辽宁沿海及其岛屿年平均风速达到6-9米／秒，内陆地区如内蒙古北部，甘肃、新疆北部以及松花江下游也属于风资源丰富区，在这些地区均有很好的开发利用条件。
1.2.2风能密度的计算
风是空气的水平运动。
我们把空气运动产生的动能称为“风能”。
空气在一秒钟时间里以V速度流过单位面积产生的动能称为“风能密度”。
风能密度的一般表达式为：
显然风能密度E是空气质量密度ρ和风速V的函数。
ρ值的大小随气压、气温和湿度变化，在常温（15℃）和1标准大气压下，P值为0．125kgs2／m4。
单单用风能密度的一般表达式，还不能知道某地点（区）的风能潜力。
由于风速时刻在变化，通常用某一段时间内的平均风能密度来说明该地的风能资源潜力。
平均风能密度一般采用直接计算和概率计算两种方法求得。
1、直接计算法
将某地一年（月）每天24小时逐时测到的风速数据按某一间距（比如间隔1米/秒）分成各等级风速，如V1（3米/秒），V2（4米／秒），V3（5米／秒），……，然后将各等级风速在该年（月）出现的累积小时米数n1，n2，n3……，分别乘以相应各风速下的风能密度（n·1/2ρVi3），再将各等级风能密度相加之后除以年（月）总时数N，即：
则可求出某地一年（月）的乎均风能密度。
2、概率计算法
概率计算法就是通过某种概率分布函数拟台风速频率分布来计算风能密度。
一般采用威布尔分布，其风速V的概率密度函数为：
式中：
K为形状参数,C为尺度参数。
利用风速观测数据，通过最小二乘法、方差法和最大值法等三种方法可以确定C、K参数的值。
将C、K值代入上式，计算出各等级风速的频率，然后求出各等级风速出现的累积时间，再按直接计算公式计算风能密度。
另外，当C、K值确定后，也可以利用风能密度的直接计算公式推导出积分形式的公式。
当风速V在其上、下限分别为a、b的区域内，f为V的连续函数，则积分形式的风能密度计算公式为：
第二章风力发电的基本原理
2.1风力发电的概念
风力发电的原理说起来非常简单，最简单的风力发电机可由叶轮和发电机两部分构成，如图2.1所示。
空气流动的动能作用在叶轮上，将动能转换成机械能,从而推动叶轮旋转。
如果将叶轮的转轴与发电机的转轴相连，就会带动发电机发出电来。
孩童玩的纸质风车就是风力机的雏形，在它的轴上装个极微型的发电机就可以发电。
但是，为什么仅到20世纪的中后期，风力发电技术才获得应用呢？
第一，常规发电还能满足需要，社会生产力水平不够高，还无法顾及降低环境污染和解决偏远地区的供电问题；第二，能够并网的风力发电机的设计与制造，只有现代高技术的出现才有可能。
20世纪初期是造不出现代风力发电机的。
那么，现代风力发电机是什么样呢？
下面我们就介绍一下现代风机的结构与技术特点。
图2.1最简单的风力发电机
Fig.2.1Thesimplestwindturbine
2.2风力发电机组
2.2.1基本结构
我们把风的动能转化为机械能，再把机械能转化为电能称为风力发电。
风力发电所需的装置称为风力发电机组。
下面丹麦诺坦克（Nortank）公司生产的型号为NTK150/25风力发电机为例，说明大中型风力发电机组的基本结构。
如图2.2所示，大中型风力发电机组是由叶片、轮毂、主轴、增速齿轮箱、调向机构、发电机、塔架、控制系统及附属部件（机舱、机座、回转体、制动器等）组成。
图2.2大中型风力发电机基本结构图
Fig2.2BasicStructureofmedium-sizedwindturbines
2.2.2主要部分
（一）叶片
叶片是风力发电机组关键零部件之一。
大中型风力发电机组采用二叶片或三叶片组成风轮。
其中以三叶片最多。
叶片材料多位玻璃，气动性能良好的叶片，更有利于多利用风能。
（二）轮毂
风力机叶片都要装在轮毂上，通过轮毂与主轴相连，并将叶片力传到风力机驱动的对象（发电机）。
同时轮毂也实现叶片桨距角控制，故须有足够的强度。
有些风力机采用定桨距角叶片机构，可以简化机构、提高寿命和降低成本。
轮毂是用铸钢或钢板焊接而成。
铸钢在加工前要进行探伤，决不允许有夹渣、缩孔、砂眼、裂纹等缺陷。
焊接的轮毂，其焊接必须经过超声波检查，并按桨叶可能承受的最大离心力载荷确定钢板的厚度。
此外，还要考虑交变应力引起的焊接缝疲劳。
（三）主轴
主轴也称低速轴。
大中型风力发电机组由于叶片长、重量大，所以为了使桨叶的离心力与叶尖的线速度不至于过大，其转速一般小于50r/min，因此主轴承受的扭矩较大。
大中型风力发电机组主轴材料可选用其40Cr或其他高强度型的合金钢，必须经过调质处理，保证钢材在强度、塑性、韧性3个方面有较好的综合性机械能，在设计加工图时，必须注明这一技术要求。
（四）齿轮箱
齿轮箱是风力发电机组的关键零部件之一。
由于风力机工作在低速下，而发电机工作在高速下，为了实现风力机和发动机匹配，采用增速齿轮箱。
在风力发电机组中，对齿轮箱的要求特别严格，不仅要体积小、重量轻、效率高、噪声小，而且要承载能力大、启动力矩小、寿命长。
齿轮箱大致可以分为俩类，即定轴线齿轮传动和行星齿轮传动。
定轴线齿轮传动结构简单，维护容易，造价低廉。
行星齿轮传动具有传动比大、体积小、质量小、承载能力大、工作平稳和在某些情况下效率高等优点，缺点是结构相对复杂，造价较高。
（五）发电机
发动机也是风力发电机组中关键零部件，发电机性能良好直接影响整机效率和可靠性。
发动机可采用同步发电机但多数选用异步发动机。
由于风力发电的特殊性，所用发动机与火力发电等其他方式采用的发电性能有很大不同，为了充分利用风能，600kW以上的大中型风力发电机又多采用变极发电机、异步双馈发电机。
（六）调速器和限速装置
用调速器和限速装置实现风力发电机在不同风速时，转速恒定和不超过某一最高限速值。
当风速过高时，这些装置还可以用来限制功率，并减小作用在叶片上的力。
调速器和限速装置有三类：
偏航式、气动阻力式和变桨距角式。
（七）对风装置
自然间的风，不论是速度还是风向，都经常发生变化。
对于水平轴风力机，为了得到最高的风能利用率，应使风轮对准风向，为此，需要对风装置。
一些典型的对封装置，使用尾舵控制对风的最简单的方法，小型风力机多采用这种方式。
在风力机两侧装有控制方向的舵轮，多用于中型风力发电机。
用专门设计的风向传感器与伺服电机相结合的传动机构来实现对风，多用于大型风力发电机组。
（八）附属部件
附属部件包括机舱、机座、回转体以及制动装置等，这里不做详细介绍。
2.3风力发电基本理论
图2.1所示的风力发电机发出的电时有时无，电压和频率不稳定，是没有实际应用价值的。
一阵狂风吹来，风轮越转越快，系统就会被吹跨。
为了解决这些问题，现代风机增加了齿轮箱、偏航系统、液压系统、刹车系统和控制系统等，现代风机的示意如图2.3所示。
齿轮箱可以将很低的风轮转速（600千瓦的风机通常为27转/分）变为很高的发电机转速（通常为1500转/分）。
同时也使得发电机易于控制，实现稳定的频率和电压输出。
偏航系统可以使风轮扫掠面积总是垂直于主风向。
要知道，600千瓦的风机机舱总重20多吨，使这样一个系统随时对准主风向也有相当的技术难度。
风机是有许多转动部件的。
业已说明，机舱在水平面旋转，随时跟风。
风轮沿水平轴旋转，以便产生动力。
在变桨矩风机，组成风轮的叶片要围绕根部的中心轴旋转，以便适应不同的风况。
在停机时，叶片尖部要甩出，以便形成阻尼。
液压系统就是用于调节叶片桨矩、阻尼、停机、刹车等状态下使用。
控制系统是现代风力发电机的神经中枢。
现代风机是无人值守的。
图2.3现代风机的示意图
Fig2.3Schematicdiagramofthemodernfan
就600千瓦风机而言，一般在4米/秒左右的风速自动启动，在14米/秒左右发出额定功率。
然后，随着风速的增加，一直控制在额定功率附近发电，直到风速达到25米/秒时自动停机。
现代风机的存活风速为60-70米/秒，也就是说在这么大的风速下风机也不会被吹坏。
要知道，通常所说的12级飓风，其风速范围也仅为32.7-36.9米/秒。
风机的控制系统，要在这样恶劣的条件下，根据风速、风向对系统加以控制，在稳定的电压和频率下运行，自动地并网和脱网。
并监视齿轮箱、发电机的运行温度，液压系统的油压，对出现的任何异常进行报警，必要时自动停机。
第三章国内外风力发电情况及展望
3.1我国的风能资源储备量及分布情况
图3.1中国风能分布图
Fig3.1China'swindpowerdistribution
我国位于亚洲大陆东部，濒临太平洋，季风强盛，内陆还有许多山系，地形复杂，加之青藏高原耸立我国西部，改变了海陆影响所引起的气压分布和大气环流，增加了我国季风的复杂性。
冬季风来自西伯利亚和蒙古等中高纬度的内陆，那里空气十分严寒干燥冷空气积累到一定程度，在有利高空环流引导下，就会爆发南下俗称寒潮，在此频频南下的强冷空气控制和影响下，形成寒冷干燥的西北风侵袭我国北方各省（直辖市、自治区）。
每年冬季总有多次大幅度降温的强冷空气南下，主要影响我国西北、东北和华北，直到次年春夏之交才消失。
夏季风是来自太平洋的东南风、印度洋和南海的西南风，东南季风影响遍及我国东半壁，西南季风则影响西南各省和南部沿海，但风速远不及东南季风大。
热带风暴是太平洋西部和南海热带海洋上形成的空气涡漩，是破坏力极大的海洋风暴，每年夏秋两季频繁侵袭我国，登陆我国南海之滨和东南沿海，热带风暴也能在上海以北登陆，但次数很少。
青藏高原地势高亢开阔，冬季东南部盛行偏南风，东北部多为东北风，其他地区一般为偏西风，夏季大约以唐古拉山为界，以南盛行东南风，以北为东至东北风。
我国幅员辽阔，陆疆总长达2万多公里，还有18000多公里的海岸线，边缘海中有岛屿5000多个，风能资源丰富。
我国现有风电场场址的年平均风速均达到6米／秒以上。
一般认为，可将风电场风况分为三类：
年平均风速6米／秒以上时为较好；7米／秒以上为好；8米／秒以上为很好。
可按风速频率曲线和机组功率曲线，估算国际标准大气状态下该机组的年发电量。
我国相当于6米／秒以上的地区，在全国范围内仅仅限于较少数几个地带。
就内陆而言，大约仅占全国总面积的1／100，主要分布在长江到南澳岛之间的东南沿海及其岛屿，这些地区是我国最大的风能资源区以及风能资源丰富区，包括山东、辽东半岛、黄海之滨，南澳岛以西的南海沿海、海南岛和南海诸岛，内蒙古从阴山山脉以北到大兴安岭以北，新疆达板城，阿拉山口，河西走廊，松花江下游，张家口北部等地区以及分布各地的高山山口和山顶。
近年来，国家气象科学院按各地风能特征区划中国的风能区大致情况为（见图3.1）：
1.风能丰富区----包括东南沿海、台湾、海南岛，内蒙古北部西端和阴山以东，松花江下游地区。
2.风能较丰富区----东南沿海岸20-50千米，海南岛东部，渤海沿岸，东北平原，内蒙古南部，河西赶走廓青藏高原。
3.风能可利用区----闽、粤离岸50-100千米地带，大小兴安岭，辽河流域，苏北，长江、黄河中下游，两湖沿岸等地区。
4.风能欠缺区----四川、甘南、陕西、贵州、湘西、岭南等地。
3.2国内外近年来风电的发展
和其他国家相比较，我国的并网型风力发电的进展比较缓慢，风力发电仅占全国总装机容量的0.14%，尽管已经建立了40座风电场，但是平均每个风电场的装机容量不足1.5万千瓦，还未形成规模，图3.2是德国，美国，西班牙以及我国的风电装机容量的对比图。
另外一方面，由于各方面条件的制约，我国并网风力发电技术的研究和开发与世界先进水平相比，差距甚大，也远远落后于我国风电场建设的要求。
特别是我国资金短缺，尚不能在风电场建设方面大量投资，因此这一市场目前基本上是由外国占据着，已装机的87%是从国外引进的设备。
我国目前已装机的国产化比例图如3.3所示。
图3.2 2003年年底部分国家风电装机容量图
Fig3.2theendof2003installedcapacityofwindpowerinsomecountriesFig
图3.3我国目前已装机的国产化比例图
Fig3.3hasbeeninstalledcapacityofChina'sdomesticscalemaps
目前，我国的并网型风机主要由Bonus，等国外厂家提供的，在风机制造水平上，已经成为国际主流机型的兆瓦级机型在中国还处于研发阶段，本土化生产的最大风电机组功率仅为750千瓦。
我国的累计风电机组数量和装机容量分配图如图3.4和图3.5所示。
图3.4 我国风电设备的机组数量分配图
Fig3.4China'swindpowerequipmentunitvolumeallocationma
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