新能源風力發(fā)電技術(shù)發(fā)展及關(guān)鍵問題探討

鄭哲

摘要：當今時代，隨著世界人口的增加及社會經(jīng)濟的發(fā)展，人均用電量不斷提高，人們對于能源的需求量日益增加，傳統(tǒng)單一的能源供給已經(jīng)不能滿足人們的需求，同時由于全球氣候變暖、環(huán)境污染日益嚴重以及傳統(tǒng)能源價格不斷走高等大背景，節(jié)能減排、降低化石能源比重、研究并開發(fā)可再生的新能源已經(jīng)成為當今世界的共同目標。目前，新能源的開發(fā)尚且處于初級階段，各種新能源在實際應用中還存在一些問題，在這其中由于風能具有成本低、可靠性高等特點，在發(fā)電方面具有極大的潛力，并且有較為廣闊的發(fā)展空間，同時我國擁有的風能資源十分豐富，更加利于風能在我國的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：風能;新能源;發(fā)展

0 引言

我國在2006出臺了《“十一五”十大重點節(jié)能工程實施意見》后，我國的風力發(fā)電領(lǐng)域得到了飛速的發(fā)展。風力發(fā)電過程較為容易理解，就是讓風能轉(zhuǎn)化為機械能，再通過做功將機械能轉(zhuǎn)化為電能存儲起來。對于風力發(fā)電存在的風力資源分布不均勻現(xiàn)象，企業(yè)無法保證風力發(fā)電機組的安全性能等問題，我國也進行了更深的發(fā)展研究，進一步推動了風電技術(shù)的提高。

1 我國風力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 我國的風能資源的儲備及分布

我國幅員遼闊，陸疆總長達2萬多公里，還有18000多公里的海岸線，邊緣海中有島嶼5000多個，風能資源豐富。我國現(xiàn)有風電場場址的年平均風速均達到6米/秒以上。一般認為，可將風電場風況分為三類：年平均風速6米/秒以上時為較好;7米/秒以上為好;8米/秒以上為很好?？砂达L速頻率曲線和機組功率曲線，估算國際標準大氣狀態(tài)下該機組的年發(fā)電量。我國相當于6米/秒以上的地區(qū)，在全國范圍內(nèi)僅僅限于較少數(shù)幾個地帶。就內(nèi)陸而言，大約僅占全國總面積的1/100，主要分布在長江到南澳島之間的東南沿海及其島嶼，這些地區(qū)是我國最大的風能資源區(qū)以及風能資源豐富區(qū)，包括山東、遼東半島、黃海之濱，南澳島以西的南海沿海、海南島和南海諸島，內(nèi)蒙古從陰山山脈以北到大興安嶺以北，新疆達板城，阿拉山口，河西走廊，松花江下游，張家口北部等地區(qū)以及分布各地的高山山口和山頂。

東南沿海及其附近島嶼是風能資源豐富地區(qū)，有效風能密度大于或等于200W/m2的等值線平行于海岸線;沿海島嶼有效風能密度在300W/m2以上，全年中風速大于或等于3m/s的時數(shù)約為7000～8000h，大于或等于6m/s的時數(shù)為4000h。

酒泉市、新疆北部、內(nèi)蒙古也是中國風能資源豐富地區(qū)，有效風能密度為200～300W/㎡，全年中風速大于或等于3m/s的時數(shù)為5000h以上，全年中風速大于或等于6m/s的時數(shù)為3000h以上。酒泉市現(xiàn)已建起中國第一個千萬千瓦級超大型風電基地，為中國最重要的風電基地。

云南、貴州、四川、甘肅（除酒泉市）、陜西南部、河南、湖南西部、福建、廣東、廣西的山區(qū)及新疆塔里木盆地和西藏的雅魯藏布江，為風能資源貧乏地區(qū)，有效風能密度在50W/㎡以下，全年中風速大于和等于3m/s的時數(shù)在2000h以下，全年中風速大于和等于6m/s的時數(shù)在150h以下，風能潛力很低。

1.2 我國的風力發(fā)電現(xiàn)狀

2006年發(fā)布的《中華人民共和國可再生能源法》有效的促進了我國可再生能源的發(fā)展，為我國的可再生能源發(fā)展指明了方向，將可再生能源作為了我國能源發(fā)展的重要組成部分。目前，我國的風力發(fā)電水平以處于世界前列，在2010年我國已經(jīng)超越美國了風電產(chǎn)能，截至2016年，我國累計裝機容量已達168.732GW，占全球裝機總量的34.7%，風電增長率和總裝機量都占全世界第一，成為世界規(guī)模最大的風能生產(chǎn)國。根據(jù)《中國能源發(fā)展報告2018》，在2018年我國風電發(fā)展繼續(xù)保持快速發(fā)展勢頭，全年發(fā)電量3660億千瓦時，同比增長21%，發(fā)電量占一次能源生產(chǎn)的比重約為3%。2018年，全國風電平均利用小時數(shù)2095小時，同比增加147小時，且全國棄風量從2017年的419億千瓦時下降到277億千瓦時，全國棄風率下降至7%，下降約5個百分點，實現(xiàn)了棄風電量和棄風率雙降。

我國的風電發(fā)展表現(xiàn)在如下方面：

1）我國風力發(fā)電企業(yè)數(shù)量增加，規(guī)模擴大。國家不斷推廣新能源，人們對新能源有了新的認識，環(huán)保理念不斷提升，風力發(fā)電在電力行業(yè)占據(jù)比重加大，越來越多的風力發(fā)電企業(yè)涌現(xiàn)，且規(guī)模也在擴大。

2）單機容量逐漸增加。隨著風力發(fā)電技術(shù)水平的提升，風力發(fā)電企業(yè)獲得突飛猛進的技術(shù)成果，單機容量不斷提升，這也是我國未來風力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

3）風力發(fā)電技術(shù)趨于穩(wěn)定化。我國對新能源企業(yè)十分重視，風力發(fā)電技術(shù)本身穩(wěn)定性較高，使風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展越來越穩(wěn)定，特別是海風發(fā)電技術(shù)，由于海風強度較大，抗干擾性較強，技術(shù)穩(wěn)定性更加明顯。

4）風力發(fā)電技術(shù)趨于商業(yè)化。風力發(fā)電技術(shù)在我國發(fā)展態(tài)勢良好，企業(yè)獲得可觀的經(jīng)濟收益，商家紛紛將該技術(shù)作為營銷手段，導致風力發(fā)電技術(shù)趨于商業(yè)化，推動技術(shù)在我國的可持續(xù)發(fā)展。

2 風力發(fā)電技術(shù)問題及解決方案

2.1 風電齒輪箱易損壞

風力發(fā)電機一般安裝在地處戈壁、荒野、高山等風能資源較好的偏遠區(qū)域，運行環(huán)境較為惡劣。風電齒輪箱作為風力發(fā)電機中的核心部件，長期運行于劇烈的交變載荷工況下。此外，偏遠地區(qū)的晝夜溫差、風沙影響，風電齒輪箱制造、裝配誤差以及自身的磨損、潤滑不良的因素，均會造成風電齒輪箱部件的損傷。一旦設(shè)備因故障而發(fā)生停機，不僅維修難度較大且維修成本高昂，造成的經(jīng)濟損失亦不可估量面對上述風力發(fā)電過程中可能出現(xiàn)的問題，有必要采取相關(guān)技術(shù)手段避免風機重大故障的發(fā)生，降低故障帶來的損失，延長齒輪箱的運行壽命，從而保障風力發(fā)電機組的安全可靠性，提升風力發(fā)電的效益。

1）作為對風電機組進行監(jiān)視、檢測、分析的一種技術(shù)，狀態(tài)監(jiān)測（Condition monitoring）和故障診斷（Fault diagnosisl）旨在發(fā)現(xiàn)風力發(fā)電設(shè)備的早期故障隱患，通過對已經(jīng)存在的故障進行精確定位診斷，將傳統(tǒng)的被動性甚至是事后維修模式轉(zhuǎn)換成主動的預防性維修。結(jié)合機組的現(xiàn)狀特征、歷史數(shù)據(jù)以及運行環(huán)境，綜合判斷機組當前狀況，狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷可以及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的故障，簡化維修工作，提高維修效率，排除機組的故障隱患，進而避免災難性的嚴重事故發(fā)生，將機組的運營維護成本控制在最經(jīng)濟的條件下，最終提升機組風能發(fā)電的經(jīng)濟效益。

2）風電齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（Conditionmonitoring system）主要包括兩個方面：風電齒輪的信息數(shù)據(jù)采集、特征提取以及故障診斷、壽命預測。其中，狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的數(shù)據(jù)來源主要包括風力發(fā)電系統(tǒng)的電壓、電流信號、箱體的振動信號、聲發(fā)射信號、應變信號以及潤滑系統(tǒng)的油溫信號、油成分變化等等。近些年來，隨著風機SCADA系統(tǒng)（數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)）技術(shù)的進一步發(fā)展，多數(shù)大型風力發(fā)電機通過安裝SCADA系統(tǒng)用來進一步提升風力發(fā)電機運行穩(wěn)定性和可靠性。其中，振動信號分析作為一種有效的信號處理方法，被廣泛應用于風機的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷中。通過在風電齒輪箱的關(guān)鍵部分針對性地部署加速度傳感器，獲取相應的振動信號，而后應用數(shù)字信號處理方法提取相關(guān)的數(shù)據(jù)特征。例如，采用時域分析統(tǒng)計方法提取風電齒輪箱振動信號的特征，常用的時域統(tǒng)計特征包括均方根值、方差統(tǒng)計、極值統(tǒng)計、峰態(tài)統(tǒng)計等等。

2.2 風速不穩(wěn)定性

當風速發(fā)生變化時，會導致原動機輸出的機械功率發(fā)生變化，從而使發(fā)電機輸出功率產(chǎn)生波動而使電能質(zhì)量下降。風力發(fā)電儲存技術(shù)能有效緩解風力不穩(wěn)定性以及負荷峰谷比問題，對于削峰填谷具有很大的作用，同時也減少了能量轉(zhuǎn)換過程中的損耗。

（1）新型電池儲能技術(shù)。電池儲能技術(shù)是最簡單的電能儲存方法，主要應用于單獨運行的中小型風力發(fā)電機的電能儲存，以便根據(jù)風況以及負荷的變化進行電能補償?，F(xiàn)在采用的電池主要有鉛酸電池、釩電池、鎳鎘電池、鈉硫電池、鋰電池等。

（2）水利蓄能技術(shù)。水利儲能技術(shù)需要以豐富的水資源為前提，在風能過量時，利用風能帶動水泵將水位提高，將電能轉(zhuǎn)化為勢能。在風能不足時，將高水位的水進行泄放，帶動水力渦輪發(fā)電機發(fā)電，從而將勢能轉(zhuǎn)化為電能。

（3）壓縮空氣蓄能技術(shù)。壓縮空氣蓄能技術(shù)是主要應用于干旱地區(qū)的風力發(fā)電儲能技術(shù)。在風能過量時，利用風能帶動壓縮機，將空氣壓縮儲存到金屬器具內(nèi)或者礦洞內(nèi)，在風力不足或者負荷較大時，利用壓縮空氣帶動渦輪機發(fā)電。

（4）飛輪蓄能技術(shù)。飛輪儲能技術(shù)容量小、儲存時間短，適用于大容量的發(fā)電機。通過在發(fā)電機與風力機之間加裝飛輪，利用飛輪轉(zhuǎn)動的慣性儲存能量。在風速較高時，風能轉(zhuǎn)化為飛輪動能進行儲存，在風速不足時，飛輪的慣性帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動，將動能轉(zhuǎn)化為電能。

2.3 風力不穩(wěn)定性

單獨的風力發(fā)電在資源利用上存在缺陷，在季節(jié)性方面，夏季風力較弱，冬季風力強，在時間性方面，白天風力較小，晚上風力較強。因此綜合考慮不同種的新能源在季節(jié)性、時間性等多方面資源的互補而建立互補發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)是指兩種或多種能源組合起來的復合式發(fā)電系統(tǒng)。作用是在風力較弱的時候與其他形式的發(fā)電系統(tǒng)組合起來，使得電能輸出穩(wěn)定，常見的互補發(fā)電系統(tǒng)主要由以下幾種：

（1）風光互補發(fā)電系統(tǒng)。風力資源易受地形地勢的影響，且與地域位置有關(guān)。我國的地域分布及季風氣候決定我國冬季風能豐富而太陽能不足，夏季太陽能豐富而風能不足。因此，可以將二者進行很好結(jié)合，利用風光互補的發(fā)電結(jié)構(gòu)解決風能發(fā)電和太陽能發(fā)電的隨機性，實現(xiàn)電能輸出的穩(wěn)定。該系統(tǒng)尤其適用于風能和太陽能都較為豐富的地方，如：海島、沙漠、草原、山區(qū)等。該系統(tǒng)還適用于小區(qū)和環(huán)境工程，如：路燈、觀景燈、廣告牌等。

（2）風水互補發(fā)電系統(tǒng)。風水互補發(fā)電系統(tǒng)就是將風能發(fā)電系統(tǒng)與水能發(fā)電相結(jié)合的發(fā)電系統(tǒng)，當風能發(fā)電出現(xiàn)波動時，水電站可以迅速調(diào)節(jié)輸出補償風能發(fā)電。另外，在我國部分地域風能和水能在分布上具有時間互補性，例如我國的新疆、內(nèi)蒙古、青海等地區(qū)，夏秋季風速弱，風力發(fā)電輸出能力弱，但是這2個季節(jié)雨水量較大，水力發(fā)電可以補償部分負荷。春冬季節(jié)，雨水量較低，水力發(fā)電輸出能力較弱，但這2個季節(jié)風能較強，風力發(fā)電輸出較大，能夠?qū)λΠl(fā)電進行穩(wěn)定性補償。

（3）風氣互補發(fā)電系統(tǒng)。風氣互補發(fā)電系統(tǒng)是指風力發(fā)電與燃氣發(fā)電相互補償。利用具有快速啟停和快速調(diào)節(jié)負荷特點的燃氣發(fā)電機補償風力發(fā)電機輸出的波動，使得整個發(fā)電系統(tǒng)的輸出能力在一段時間內(nèi)保持穩(wěn)定。目前，風氣互補發(fā)電系統(tǒng)在新疆地區(qū)已經(jīng)得到了應用。

（4）風柴互補發(fā)電系統(tǒng)。風柴互補發(fā)電系統(tǒng)是利用柴油發(fā)電系統(tǒng)對風力發(fā)電系統(tǒng)進行補償?shù)陌l(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要應用于孤島等較為偏僻地域的供電。

（5）風能和生物能互補發(fā)電系統(tǒng)。風能和生物能互補的發(fā)電系統(tǒng)是利用生物能發(fā)電對風力發(fā)電進行補償?shù)陌l(fā)電系統(tǒng)。生物能與其他可再生資源相比可以以燃料的形式儲存起來，可以根據(jù)負荷的變化人為的改變發(fā)電輸出量。該系統(tǒng)具有輸出穩(wěn)定、溫室氣體排放量小等優(yōu)點，因此該系統(tǒng)具有良好的發(fā)展前景。

對于互補發(fā)電系統(tǒng)不僅限于兩種能源相互組合，還可以多種以上的能源相互組合，如：風能、太陽能和生物能互補發(fā)電系統(tǒng)，風能、水能和生物能發(fā)電互補系統(tǒng)等。

3 風力發(fā)電發(fā)展思路

3.1 政府加強支持

風力發(fā)電技術(shù)對于我國社會經(jīng)濟發(fā)展以及人民群眾正常生活有著重要作用，風力發(fā)電是一項巨大的工程，我國自2011年起，就在逐步出臺風力發(fā)電幫扶政策。2013年3月財政部《關(guān)于預撥可再生能源電價附加補助資金的通知》。按照第一支第四批目錄，預撥付風力發(fā)電補助資金93.14億元（含風力發(fā)電項目和接網(wǎng)工程等）。截至2015年年底，中國新增風電裝機容量為30500MW，占據(jù)了全球新增風電裝機容量的28.4%。不過現(xiàn)行的政策大多都停留在工程建設(shè)層上，應該加強技術(shù)研究方面的支持，通過頂層技術(shù)發(fā)展來切實推動我國風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，減少工程建設(shè)中的技術(shù)投入、專利投入，才是我國風力發(fā)電技術(shù)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的根本方向。

3.2 加快推進海上風電發(fā)展

作為大容量風力發(fā)電機組研發(fā)中非常重要的目標之一，海上風力發(fā)電目前是世界上各國都在研究和發(fā)展的重要課題，目前我國單機容量為5MW、6MW的風電機組已經(jīng)進入商業(yè)化運營。美國已經(jīng)研制成功7MW風電機組，并正在研發(fā)10MW機組;英國10MW機組也正在設(shè)計進行中，挪威正在研制14MW的機組，歐盟則正在考慮研制20MW的風電機組。能否不斷提升海上風力發(fā)電的建設(shè)規(guī)模以及發(fā)電能力，成為各國研究的核心目標。作為一個海上風電資源非常豐富的國家，我國的海上風力發(fā)電有效利用可以大幅度提升我國風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展，同時為我國的電力行業(yè)發(fā)展和節(jié)約能源做出巨大的貢獻。

3.3 加強能源市場監(jiān)管

監(jiān)管是保證行業(yè)穩(wěn)定發(fā)展的前提，為確保我國風力發(fā)電的穩(wěn)定發(fā)展，相關(guān)部門一定要將監(jiān)管制度落到實處，一方面要推進風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，建立一個公平、公正、公開的能源市場，為國內(nèi)投資者提供一個良好的平臺;另一方面，要規(guī)范市場中的運作秩序，以此來為公平的市場競爭創(chuàng)造良好條件。另外，政府應該鼓勵多元化投資，持續(xù)對市場競爭主體進行培養(yǎng)，從而提高風力發(fā)電市場的活力。

4 結(jié)論

總而言之，隨著人們環(huán)保意識的增加及對能源需求的日益提高，新能源的研究開發(fā)已經(jīng)受到了廣泛關(guān)注，雖然在應用新能源的過程中還存在很多問題，但新能源的發(fā)展已經(jīng)成為人類能源發(fā)展進程中最重要的部分之一。而風能具有的低成本，無污染等特點，使風力發(fā)電技術(shù)成為新能源開發(fā)中的重要內(nèi)容，也是未來電力企業(yè)的發(fā)展方向。我國對于風力發(fā)電項目的投入日益增大，對風電相關(guān)技術(shù)的研究，有利于我國風電的進一步發(fā)展，為后期針對實際情況采取相應對策提供有益參考。

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