淺談風(fēng)力發(fā)電及其發(fā)展

潘廣德　張鐵　林子超

【摘 要】風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)（wind power generation ）通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)，利用風(fēng)力帶動(dòng) 風(fēng)車(chē)葉片旋轉(zhuǎn)，再透過(guò)增速機(jī)將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來(lái)促使發(fā)電機(jī)發(fā)電。目前我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電技術(shù) 還與國(guó)外有一定差距，但是發(fā)展很快，無(wú)論是發(fā)展規(guī)模上還是發(fā)展水平上。

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

21世紀(jì)是可在生能源的世紀(jì)，由于風(fēng)能非常豐富，價(jià)格非常便宜，又不會(huì)枯竭，還可以在大范圍內(nèi)獲取，干凈為污染，不會(huì)對(duì)氣候造成影響。因此風(fēng)力發(fā)電具有極大的推廣價(jià)值。

1.風(fēng)能利用潛力

風(fēng)能是地球上重要的可再生能源之一，它具有儲(chǔ)藏量巨大、可在生、分布廣、無(wú)污染 的特性，是我國(guó)乃至世界可再生能源開(kāi)發(fā)利用的重點(diǎn)。目前，風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能利用的主要形式，受到各國(guó)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(fēng)力發(fā)電不需冷卻水，使用風(fēng)力發(fā)電可是公用水系統(tǒng)用水減少17%，等價(jià)于不需在建設(shè)80GW新的燃煤電廠。風(fēng)力發(fā)電無(wú)需燃燒燃料，更不會(huì)產(chǎn)生輻射和空氣污染；另外，從經(jīng)濟(jì)的角度講，風(fēng)力儀器要比太陽(yáng)能儀器便宜90%多。我國(guó)風(fēng)能儲(chǔ)量相當(dāng)大，分布面廣，甚至比水能還豐富。合理利用風(fēng)能，既能解決目前能源短缺的壓力，又能解決環(huán)境污染問(wèn)題。風(fēng)能還是極為清潔高效的能源。每10MW風(fēng)電入網(wǎng)可節(jié)約3.73t煤炭，同時(shí)減少排放粉塵0.498t、CO29.35t、NOX 0.049t和上SO2 0.078t。例如，2000年，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電9.65億千瓦時(shí)，共節(jié)煤35萬(wàn)t；2002年德國(guó)風(fēng)力發(fā)電170千瓦時(shí)，節(jié)煤442萬(wàn)t，減少CO2排放1428萬(wàn)t。

我國(guó)能源資源雖然豐富但是人均資源先對(duì)匱乏，遠(yuǎn)低于世界平均水平。2000年全國(guó)人均煤，石油，天然氣可采儲(chǔ)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(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源瓶頸對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約越來(lái)越明顯。預(yù)計(jì)我國(guó)國(guó)內(nèi)能源供應(yīng)的缺口量，在21世紀(jì)初期將超過(guò)100Mt標(biāo)準(zhǔn)煤，2030年為250Mt標(biāo)準(zhǔn)煤，到2050年為460Mt標(biāo)準(zhǔn)煤，大約占年供應(yīng)需求量了10%，因此未來(lái)我國(guó)能源供應(yīng)形勢(shì)不容樂(lè)觀。正是這種能源短缺的局面給風(fēng)力風(fēng)力帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

2.風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)

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

2.1風(fēng)力機(jī)的變槳距調(diào)節(jié)

風(fēng)力機(jī)通過(guò)風(fēng)輪捕獲風(fēng)能，并將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為作用在輪轂上的機(jī)械轉(zhuǎn)矩。變槳距調(diào)節(jié)方式是通過(guò)改變?nèi)~片迎風(fēng)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(fēng)時(shí)風(fēng)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(fēng)力機(jī)輸出功率曲線比較平滑。在額定風(fēng)速以下時(shí)，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(fēng)速以上時(shí)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(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)速度比定槳距風(fēng)力機(jī)的低，停機(jī)時(shí)傳遞沖擊應(yīng)力相對(duì)比較緩和。由于變槳距風(fēng)力機(jī)受到的沖擊比定槳距風(fēng)力機(jī)要小的多，可減少材料使用率，降低風(fēng)輪的重量與成本。且變槳距風(fēng)力機(jī)在低風(fēng)速時(shí)可以使槳葉維持良好的攻角，比定槳距風(fēng)力機(jī)有更高的能量輸出。因此，變槳距風(fēng)力機(jī)適合于平均風(fēng)速較低的地區(qū)使用安裝。另外，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定值時(shí)，定槳距風(fēng)力機(jī)必須停機(jī)，而變槳距風(fēng)力機(jī)可以將槳葉調(diào)到全翼展開(kāi)無(wú)負(fù)載模式，無(wú)需停機(jī)，進(jìn)而提高了發(fā)電時(shí)間。

對(duì)陣風(fēng)反應(yīng)要求靈敏是變槳距風(fēng)力機(jī)的主要缺點(diǎn)。定槳距風(fēng)力機(jī)由于風(fēng)的震動(dòng)引起的功率脈動(dòng)比較小，而變槳距調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)則較大，尤其是采用變距方式的恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)，這種現(xiàn)象更明顯。要想克服這個(gè)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(fēng)力發(fā)電機(jī)

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

交流勵(lì)磁雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電機(jī)不僅可以通過(guò)控制交流勵(lì)磁的幅值，相位，頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)變速恒頻，還可以實(shí)現(xiàn)有功，無(wú)功功率控制，對(duì)電網(wǎng)而言還能起到無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/p>

交流勵(lì)磁雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電機(jī)有如下優(yōu)點(diǎn)：

①原動(dòng)機(jī)可以在一定范圍內(nèi)變速運(yùn)行，簡(jiǎn)化了調(diào)整裝置，減小了變速調(diào)節(jié)時(shí)的機(jī)械應(yīng)力。同時(shí)使機(jī)組控制更靈活，方便，提高了機(jī)組運(yùn)行功率。

②應(yīng)用矢量控制可實(shí)現(xiàn)無(wú)功，有功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)；調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流相位，可調(diào)節(jié)發(fā)出的有功功率；調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流幅值，可調(diào)節(jié)輸出的無(wú)功功率。

③需要變頻調(diào)節(jié)的功率僅是電機(jī)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(guó)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2005年底，中國(guó)的風(fēng)電總裝機(jī)連續(xù)五年實(shí)現(xiàn)翻番，截至2010年底，中國(guó)以4182.7萬(wàn)千瓦的累積風(fēng)電裝機(jī)容量首次超越美國(guó)位居世界第一，較2009年同比大增62按照國(guó)家電網(wǎng)此前出具的報(bào)告，到2015年電網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)可吸納風(fēng)電上網(wǎng)的規(guī)模達(dá)1億千瓦，到2020年可達(dá)1.5億千瓦。

風(fēng)電投資企業(yè)包括開(kāi)發(fā)商和風(fēng)機(jī)裝機(jī)制造企業(yè)。從風(fēng)電開(kāi)發(fā)商的角度來(lái)看，能源投資型企業(yè)居多，2009年能源投資型企業(yè)的風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量也占全部風(fēng)電裝機(jī)容量的90%。其他國(guó)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(guó)風(fēng)電，天潤(rùn)等少數(shù)企業(yè)還在勉強(qiáng)維持，當(dāng)年新增份比例也很小。從風(fēng)機(jī)制造企業(yè)來(lái)看，主要以國(guó)內(nèi)整機(jī)制造企業(yè)為主，，2009年累計(jì)和新增市場(chǎng)份額中，前三名，前五名和前十名的企業(yè)市場(chǎng)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(fēng)電并網(wǎng)主要存在兩大技術(shù)難題：風(fēng)電異地發(fā)電機(jī)組技術(shù)對(duì)電廠安全穩(wěn)定產(chǎn)生影響，風(fēng)的波動(dòng)性使風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率的波動(dòng)性難以對(duì)電廠實(shí)施準(zhǔn)確的發(fā)電計(jì)劃。他們使得風(fēng)電發(fā)展受到嚴(yán)重影響。對(duì)于這種現(xiàn)狀，國(guó)家和電網(wǎng)企業(yè)都在做過(guò)于風(fēng)電輸出穩(wěn)定性的研究。風(fēng)電場(chǎng)投資成本是風(fēng)電成本的主要組成部分之一。風(fēng)電場(chǎng)投資成本是衡量風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)經(jīng)濟(jì)性的主要因素，歸納起來(lái)有一下三個(gè)因素：固定資產(chǎn)投資，建設(shè)期利息，流動(dòng)資金。以內(nèi)蒙古烏蘭察布市某風(fēng)電場(chǎng)為例，其總投資214236萬(wàn)元，其中固定資產(chǎn)投資為206715萬(wàn)元，建設(shè)期利息為7018萬(wàn)元，流動(dòng)資金為503萬(wàn)元。從上訴數(shù)據(jù)不難看出，風(fēng)電場(chǎng)的投資成本很高，但若考慮風(fēng)電的社會(huì)成本，將其潛在價(jià)值計(jì)算在內(nèi)，風(fēng)電成本是很低的。

在過(guò)去，風(fēng)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(diǎn)。但是近年來(lái)，風(fēng)電項(xiàng)目以成為各大發(fā)電集團(tuán)激烈追逐的目標(biāo)。2007年—2012年是我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展的關(guān)鍵性階段，我國(guó)陸續(xù)超過(guò)德國(guó)，荷蘭等風(fēng)電大國(guó)成為最大的風(fēng)電市場(chǎng)之一。業(yè)界普遍認(rèn)同的觀點(diǎn)是在風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)中，只有風(fēng)機(jī)制造業(yè)可能會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)能過(guò)剩的現(xiàn)象，在其他環(huán)節(jié)基本不會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象特別是整個(gè)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的主要環(huán)節(jié)——風(fēng)電場(chǎng)的投資。因此我國(guó)的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)還有很大的提升空間。

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