淺談風力發(fā)電及其發(fā)展

潘廣德　張鐵　林子超

【摘 要】風力發(fā)電系統(tǒng)（wind power generation ）通過風力發(fā)電機實現(xiàn)，利用風力帶動 風車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機發(fā)電。目前我國的風力發(fā)電技術(shù) 還與國外有一定差距，但是發(fā)展很快，無論是發(fā)展規(guī)模上還是發(fā)展水平上。

【關(guān)鍵詞】風能利用潛力；關(guān)鍵技術(shù)；發(fā)展趨勢

21世紀是可在生能源的世紀，由于風能非常豐富，價格非常便宜，又不會枯竭，還可以在大范圍內(nèi)獲取，干凈為污染，不會對氣候造成影響。因此風力發(fā)電具有極大的推廣價值。

1.風能利用潛力

風能是地球上重要的可再生能源之一，它具有儲藏量巨大、可在生、分布廣、無污染 的特性，是我國乃至世界可再生能源開發(fā)利用的重點。目前，風力發(fā)電是風能利用的主要形式，受到各國的高度重視，并且正在飛速發(fā)展與熱力發(fā)電設(shè)施有所區(qū)別，風力發(fā)電不需冷卻水，使用風力發(fā)電可是公用水系統(tǒng)用水減少17%，等價于不需在建設(shè)80GW新的燃煤電廠。風力發(fā)電無需燃燒燃料，更不會產(chǎn)生輻射和空氣污染；另外，從經(jīng)濟的角度講，風力儀器要比太陽能儀器便宜90%多。我國風能儲量相當大，分布面廣，甚至比水能還豐富。合理利用風能，既能解決目前能源短缺的壓力，又能解決環(huán)境污染問題。風能還是極為清潔高效的能源。每10MW風電入網(wǎng)可節(jié)約3.73t煤炭，同時減少排放粉塵0.498t、CO29.35t、NOX 0.049t和上SO2 0.078t。例如，2000年，我國風力發(fā)電9.65億千瓦時，共節(jié)煤35萬t；2002年德國風力發(fā)電170千瓦時，節(jié)煤442萬t，減少CO2排放1428萬t。

我國能源資源雖然豐富但是人均資源先對匱乏，遠低于世界平均水平。2000年全國人均煤，石油，天然氣可采儲量與人均水電資源占世界平均值的55.4%、11.1%、4.3%和70%。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源瓶頸對經(jīng)濟發(fā)展的制約越來越明顯。預(yù)計我國國內(nèi)能源供應(yīng)的缺口量，在21世紀初期將超過100Mt標準煤，2030年為250Mt標準煤，到2050年為460Mt標準煤，大約占年供應(yīng)需求量了10%，因此未來我國能源供應(yīng)形勢不容樂觀。正是這種能源短缺的局面給風力風力帶來了前所未有的機遇與挑戰(zhàn)。

2.風力發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)

風力發(fā)電系統(tǒng)中的兩個重要部件是風力機和發(fā)電機。風力機面臨著變漿距調(diào)節(jié)技術(shù)難題，發(fā)電機面臨著變頻恒速發(fā)電技術(shù)難題。這是當今風力發(fā)電的最為核心的技術(shù)，也是現(xiàn)代風力發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)大的發(fā)展趨勢。

2.1風力機的變槳距調(diào)節(jié)

風力機通過風輪捕獲風能，并將風能轉(zhuǎn)換為作用在輪轂上的機械轉(zhuǎn)矩。變槳距調(diào)節(jié)方式是通過改變?nèi)~片迎風角與縱向旋轉(zhuǎn)軸的夾角，影響葉片的受力和阻力，限制大風時風輪輸出功率的增加，保持輸出功率的恒定。采用變槳距調(diào)節(jié)方式，風力機輸出功率曲線比較平滑。在額定風速以下時，控制器將葉片攻角置于零度附近，不做變化，近似等同于定槳距調(diào)節(jié)；在額定風速以上時控制器調(diào)節(jié)葉片攻角，控制輸出功率在額定范圍之內(nèi)，變槳距風力機的啟動速度比定槳距風力機的低，停機時傳遞沖擊應(yīng)力相對比較緩和。由于變槳距風力機受到的沖擊比定槳距風力機要小的多，可減少材料使用率，降低風輪的重量與成本。且變槳距風力機在低風速時可以使槳葉維持良好的攻角，比定槳距風力機有更高的能量輸出。因此，變槳距風力機適合于平均風速較低的地區(qū)使用安裝。另外，當風速達到一定值時，定槳距風力機必須停機，而變槳距風力機可以將槳葉調(diào)到全翼展開無負載模式，無需停機，進而提高了發(fā)電時間。

對陣風反應(yīng)要求靈敏是變槳距風力機的主要缺點。定槳距風力機由于風的震動引起的功率脈動比較小，而變槳距調(diào)節(jié)風力機則較大，尤其是采用變距方式的恒速風力發(fā)電機，這種現(xiàn)象更明顯。要想克服這個困難，就必須使變槳距系統(tǒng)的反應(yīng)速度加快。

2.2變速恒頻風力發(fā)電機

變速恒頻風力發(fā)電機常采用交流勵磁雙饋型發(fā)電機。它的結(jié)構(gòu)與繞線型感應(yīng)發(fā)電機類似，只是轉(zhuǎn)子繞組上加有滑環(huán)和電刷，這樣一來，這樣轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和勵磁的頻率有關(guān)，從而，使得雙饋型發(fā)電機的內(nèi)部電磁關(guān)系既不同與異步發(fā)電機，又不同于同步發(fā)電機，但它卻具有異步發(fā)電機和同步發(fā)電機的某些特性。

交流勵磁雙饋變速恒頻風力發(fā)電機不僅可以通過控制交流勵磁的幅值，相位，頻率來實現(xiàn)變速恒頻，還可以實現(xiàn)有功，無功功率控制，對電網(wǎng)而言還能起到無功補償?shù)淖饔谩?/p>

交流勵磁雙饋變速恒頻風力發(fā)電機有如下優(yōu)點：

①原動機可以在一定范圍內(nèi)變速運行，簡化了調(diào)整裝置，減小了變速調(diào)節(jié)時的機械應(yīng)力。同時使機組控制更靈活，方便，提高了機組運行功率。

②應(yīng)用矢量控制可實現(xiàn)無功，有功功率的獨立調(diào)節(jié)；調(diào)節(jié)勵磁電流相位，可調(diào)節(jié)發(fā)出的有功功率；調(diào)節(jié)勵磁電流幅值，可調(diào)節(jié)輸出的無功功率。

③需要變頻調(diào)節(jié)的功率僅是電機額定容量的一部分使投資減小成本低，變頻設(shè)備體積也相應(yīng)減小。

3.我國風力發(fā)電的發(fā)展

據(jù)統(tǒng)計，2005年底，中國的風電總裝機連續(xù)五年實現(xiàn)翻番，截至2010年底，中國以4182.7萬千瓦的累積風電裝機容量首次超越美國位居世界第一，較2009年同比大增62按照國家電網(wǎng)此前出具的報告，到2015年電網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)可吸納風電上網(wǎng)的規(guī)模達1億千瓦，到2020年可達1.5億千瓦。

風電投資企業(yè)包括開發(fā)商和風機裝機制造企業(yè)。從風電開發(fā)商的角度來看，能源投資型企業(yè)居多，2009年能源投資型企業(yè)的風機裝機容量也占全部風電裝機容量的90%。其他國有投資商，外資和民企比例之和還不到10%。而且其中許多企業(yè)都紛紛退出，僅剩下中國風電，天潤等少數(shù)企業(yè)還在勉強維持，當年新增份比例也很小。從風機制造企業(yè)來看，主要以國內(nèi)整機制造企業(yè)為主，，2009年累計和新增市場份額中，前三名，前五名和前十名的企業(yè)市場占有率分別是55.5%和59.7%、70.7%和70.4%以及85.3%和84.4%。目前，風電并網(wǎng)主要存在兩大技術(shù)難題：風電異地發(fā)電機組技術(shù)對電廠安全穩(wěn)定產(chǎn)生影響，風的波動性使風電場的輸出功率的波動性難以對電廠實施準確的發(fā)電計劃。他們使得風電發(fā)展受到嚴重影響。對于這種現(xiàn)狀，國家和電網(wǎng)企業(yè)都在做過于風電輸出穩(wěn)定性的研究。風電場投資成本是風電成本的主要組成部分之一。風電場投資成本是衡量風電場建設(shè)經(jīng)濟性的主要因素，歸納起來有一下三個因素：固定資產(chǎn)投資，建設(shè)期利息，流動資金。以內(nèi)蒙古烏蘭察布市某風電場為例，其總投資214236萬元，其中固定資產(chǎn)投資為206715萬元，建設(shè)期利息為7018萬元，流動資金為503萬元。從上訴數(shù)據(jù)不難看出，風電場的投資成本很高，但若考慮風電的社會成本，將其潛在價值計算在內(nèi)，風電成本是很低的。

在過去，風力發(fā)電在增漲速度上一直是低于水利和火力發(fā)電的能源投資熱點。但是近年來，風電項目以成為各大發(fā)電集團激烈追逐的目標。2007年—2012年是我國風電產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展的關(guān)鍵性階段，我國陸續(xù)超過德國，荷蘭等風電大國成為最大的風電市場之一。業(yè)界普遍認同的觀點是在風電產(chǎn)業(yè)鏈的各個環(huán)節(jié)中，只有風機制造業(yè)可能會出現(xiàn)產(chǎn)能過剩的現(xiàn)象，在其他環(huán)節(jié)基本不會出現(xiàn)這種現(xiàn)象特別是整個風電產(chǎn)業(yè)的主要環(huán)節(jié)——風電場的投資。因此我國的風電產(chǎn)業(yè)還有很大的提升空間。

【參考文獻】

[1]趙振宇等.風力機原理與應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2011.1.

[2]馮飛，張蕾等.新能源技術(shù)與應(yīng)用概論[M].北京：化學工業(yè)出版社，2011.1.

[3]錢伯章.風能技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：化學出版社，2010.6.

[4]黃素逸，王曉墨.能源與節(jié)能技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2008.