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摘要：风能作为最具商业化前景的可再生能源，正得到大规模的开发和利用，风力发电相关技术也取得了显著的进步。文章综述了目前风力发电及其技术的发展与应用情况，对风力发电的若干技术问题进行了较详细深入的介绍，最后介绍了风力发电技术发展趋势及前景，为更好地了解国内外风力发电的现状及推广提供参考。
关键词：风力发电；原理；应用
引言
风能的利用已有数千年的历史，在蒸汽机出现之前，风力机械一直是动力机械的一大支柱。其后随着煤、石油、天然气等能源的大规模开发，风力机械由于成本高、效率低、使用不便等，逐渐被淘汰。1973年石油危机之后，世界上许多发达国家和发展中国家开始寻求化石能源的替代能源，风能的开发利用又重新被重视起来。国际上经过30多年的科技创新和进步，近年来风电产业已成为发展最快的产业，年平均增长率超过30%。 第一章 风力发电的理论概述 风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。风很早就被人们利用--主要是通过风车来抽水、磨面等，而现在，人们感兴趣的是如何利用风来发电。风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；我国也在西部地区大力提倡[1]。
1 风力发电的工作原理
把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。
风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。这种风力发电机组，大体上可分风轮（包括尾舵）、发电机和铁塔三部分。 风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只（或更多只）螺旋桨形的叶轮组成。当风吹向浆叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。桨叶的材料要求强度高、重量轻，目前多用玻璃钢或其它复合材料（如碳纤维）来制造。 由于风轮的转速比较低，而且风力的大小和方向经常变化着，这又使转速不稳定；所以在带动发电机之前，还必须附加一个把转速提高到发电机额定转速的齿轮变速箱，再加一个调速机构使转速保持稳定，然后再联接到发电机上。为保持风轮始终对准风向以获得最大的功率，还需在风轮的后面装一个类似风向标的尾舵。 铁塔是支承风轮、尾舵和发电机的构架。它一般修建得比较高，为的是获得较大的和较均匀的风力，又要有足够的强度。铁塔高度视地面障碍物对风速影响的情况，以及风轮的直径大小而定，一般在6-20米范围内。 发电机的作用，是把由风轮得到的恒定转速，通过升速传递给发电机构均匀运转，因而把机械能转变为电能。
2风力发电的优势
使用风力发电机，就是源源不断地把风能变成我们家庭使用的标准市电，其节约的程度是明显的，一个家庭一年的用电只需20元电瓶液的代价。而现在的风力发电机比几年前的性能有很大改进，以前只是在少数边远地区使用，风力发电机接一个15W的灯泡直接用电，一明一暗并会经常损坏灯泡。而现在由于技术进步，采用先进的充电器、逆变器，风力发电成为有一定科技含量的小系统，并能在一定条件下代替正常的市電。山区可以借此系统做一个常年不花钱的路灯；高速公路可用它做夜晚的路标灯；山区的孩子可以在日光灯下晚自习；城市小高层楼顶也可用风力电机，这不但节约而且是真正绿色电源。家庭用风力发电机，不但可以防止停电，而且还能增加生活情趣。在旅游景区、边防、学校、部队乃至落后的山区，风力发电机正在成为人们的采购热点。无线电爱好者可用自己的技术在风力发电方面为山区人民服务，使人们看电视及照明用电与城市同步，也能使自己劳动致富。 （3）风力发电的潜力。从各地区发展来看，截止到2009年12月31日，中国风电累计装机超过1000MW的省份超过9个，其中超过2000MW的省份4个，分别为内蒙古（9196.2MW）、河北（2788.1MW）、辽宁（2425.3MW）和吉林（2063.9MW）。内蒙古2009年当年新增装机5545.2MW，累计装机9196.2MW，实现150%的大幅度增长。
中国新能源战略开始把大力发展风力发电设为重点。按照国家规划，未来15年，全国风力发电装机容量将达到2000万至3000万千瓦。以每千瓦装机容量设备投资7000元计算，根据《风能世界》杂志发布，未来风电设备市场将高达1400亿元至2100亿元。 中国风力等新能源发电行业的发展前景十分广阔，预计未来很长一段时间都将保持高速发展，同时盈利能力也将随着技术的逐渐成熟稳步提升。2009年该行业的利润总额将保持高速增长，经过2009年的高速增长，预计2010、2011年增速会稍有回落，但增长速度也将达到60%以上[2-3]。
3风力发电的若干技术问题
（1）风电质量
自然风速的大小和方向是随机变化的，风能具有不稳定性。如何使风力发电机的输出功率稳定是风力发电技术的一个重要的问题。迄今为止研究人员已提出了多种改善风电质量的方法。如上所述，采用变速控制技术可以利用风轮的转动惯量平滑输出功率。但是由于变速风力发电机组采用电力电子装置，当它将电能输送给电网时会产生电力谐波并使功率因素恶化。因此，为了满足在变速控制过程中良好的动态特性，并能使发电机向电网提供高品质的电能，发电机和电网之间的电力电子接口应实现以下功能：①在发电机和电网上产生尽可能低的谐波电流；②具有单位功率因素或可控制的功率因素；③使发电机输出电压适应电网电压的变化；④向电网输出稳定的功率；⑤发电机电磁转矩可控。
此外，当电网中并入的风力发电容量达到一定程度，会引起电压不稳定，特别当电网发生短时故障时，电压突降，风力发电机组无法向电网输送能量，最终由于保护动作切出电网。在风能占较大比重的电网中，风力发电机组的突然切出会导致电网不稳定。因此，用合理的方法使风力发电机组的电功率平稳具有非常重要的意义。风力发电对电网的不利影响可以运用储能技术来改善。 （2）解决并网型风力发电系统中的电能质量问题
利用超导储能装置（SMES） 解决并网型风力发电系统中的电能质量问题。通过采用基于GTO的双桥结构换流装置， SMES可以在四象限灵活地调节有功和无功功率， 为系统提供功率补偿， 跟踪电气量的波动[4]。充分利用SMES有功无功综合调节能力， 可以降低风电场输出功率的波动， 稳定风电场电压， 提高系统的稳定性。
（3）结构和空气动力学
在机械方面，通过结构动力学的研究，改进设计，避免或减少由于风的波动而引起的有害机械负荷，减少部件所受的应力，从而减轻有关部件及机组整体的重量，进一步降低成本。改进机械结构的另一个动向是采用新型整体式驱动系统，集主传动轴、齿轮箱和偏航系统为一体，这样就减少了零部件数目，同时增强了传动系统的刚性和强度，降低了安装、维护和保养的费用。
目前，风力机的桨叶叶型多采用美国空军的标准系列叶型NACA系列或63系列，此种叶型具有较好的动力性能。但是，由于风轮的工况与飞机机翼的工况不同，风轮上的风速分布不均匀，造成风轮的径向受力不均。风轮在旋转过程中，当转到上方与下方时，受力不同，交复变化，以及风速风况的不稳定等，是引起风力机振动的主要原因；而叶尖处的空气扰动是产生噪音的主要原因。降低上述因素的不利影响将是风电界技术人员深入探讨的课题。
（4）风电场建设
风电场建设应注意解决的主要问题包括：①加强风能资源的区域勘察及重点风能调查。风力资源的优劣直接影响风力发电量，从而影响发电成本。在同样条件下年均风速6m/s的风电场发电成本比615m/s的下降8%左右，715m/s的下降14%左右，8m/s的下降近30%。因此，认真作好风能资源的勘察非常重要。②风电场场址选择。一般需要综合考虑建设区内风资源类别、交通路况、建设区内有否鸟类迁徙路线或者鸟类迁徙目的地、周边建筑物分布及电网构成等因素。③复杂地形条件下，风流风向的分布分析及风机的选点和选型。④风电场建设的工程设计和施工[5]。
4风力发电技术发展趋势及前景
2010年《可再生能源法》的颁布实施，以及“十二五”规划纲要中节能减排政策及制度的确立，为我国风电行业的发展提供了难得的契机，风电步入了快速发展时期。为了更有效、更大规模地利用风电，将来风力发电技术将呈现以下发展态势。
（1）单机容量向大容量发展
目前商业化主流机型都以MW级为主，单机容量可达5MW以上。美国、英国和丹麦等国正在研制10MW的巨型风力发电机。预计未来10年，将会有容量更大的巨型风力发电机面世。
（2）海上发电发展迅速
相对于陆上风力发电，海上风力发电优势更为明显：发展空间几乎没有限制，可节约大量的土地资源；海上的风能资源远比陆上丰富，风速更高，发电量将显著提升；风切度小，可有效降低机组塔架高度，海上风电建设成本更低；海平面摩擦力小，作用在机组上的荷载小，机组使用寿命可长达50年；噪聲、鸟类、景观以及电磁干扰等问题对海上风电影响小；对生态环境基本无影响，绿色环保。目前许多国家都制订了大规模开发利用海上风能计划，欧盟在该领域处于绝对优势地位，占全球海上风电装机容量的90%；中国华能集团新能源公司拟2011年下半年投资60亿元在江苏大丰C4国家潮间带建立300MW风能项目，届时将成为世界上装机规模最大的海上风电场，每年将产生约7.4亿kW·h的清洁能源。
定桨矩、恒速恒频向变桨距、变速恒频的发展，在高风速下，变桨距调节可维持输出功率稳定，有效减小机组承受的荷载，确保机组安全运行，延长机组使用年限；变速运行可使机组在风速改变时适时调整转速并保持最佳，可实现风能利用率最大，具有适应能力强、发电效率高以及运行费用低等诸多特点[6]。
（3）前景展望[7]
石油和煤炭都是不可再生的能源，这些以矿产资源存在于自然界的能源日益减少。而且，世界人口平均每12年增加10亿，到2011年10月31日，世界人口总数达到了70亿。煤炭、石油和天然气基础储量可供开采年限分别是162年、40年和65年。使用可再生能源，寻找替代能源是当代人的任务，也是今后几代人将为之奋斗的一件大事。
5 结论
文章基于风能作为最具商业化、最具有前景性的可再生能源，以后一定会得到大规模的开发和利用，同时，对应的要求风力发电核心技术也得一步步提升。但在风力在电能质量控制方面，还得进一步研究分析。文章综述了目前风力发电及其技术的发展与应用情况，对风力发电的若干技术问题进行了较详细深入的介绍，最后介绍了风力发电技术发展趋势及前景，为更好地了解国内外风力发电的现状及推广提供参考。
参考文献
[1]于建辉，周浩.我国风电开发的现状及展望[J].风机技术.2006（06）
[2]蔡茜.中国风力发电产业的技术创新战略研究[D].华中科技大学，2008
[3]聂家林.我国风力发电产业三大主要问题的研究[D].合肥工业大学，2010
[4]魏显菲.我国风力发电开发现状及展望[J].商业经济.2010（24）
[5]胡传煜.发展风电大有可为[J].上海电力.2005（01）
[6] 李俊峰，风光无限：中国风电发展报告2011[M]-北京：中国环境科学出版社，2011
[7] 冯宾春，邢占清，杨锋，等.风力发电技术发展动态[J].中国水利水电科学研究院学报，2009，7（3）：193-198
关键词：风力发电；原理；应用
引言
风能的利用已有数千年的历史，在蒸汽机出现之前，风力机械一直是动力机械的一大支柱。其后随着煤、石油、天然气等能源的大规模开发，风力机械由于成本高、效率低、使用不便等，逐渐被淘汰。1973年石油危机之后，世界上许多发达国家和发展中国家开始寻求化石能源的替代能源，风能的开发利用又重新被重视起来。国际上经过30多年的科技创新和进步，近年来风电产业已成为发展最快的产业，年平均增长率超过30%。 第一章 风力发电的理论概述 风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。风很早就被人们利用--主要是通过风车来抽水、磨面等，而现在，人们感兴趣的是如何利用风来发电。风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；我国也在西部地区大力提倡[1]。
1 风力发电的工作原理
把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。
风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。这种风力发电机组，大体上可分风轮（包括尾舵）、发电机和铁塔三部分。 风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只（或更多只）螺旋桨形的叶轮组成。当风吹向浆叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。桨叶的材料要求强度高、重量轻，目前多用玻璃钢或其它复合材料（如碳纤维）来制造。 由于风轮的转速比较低，而且风力的大小和方向经常变化着，这又使转速不稳定；所以在带动发电机之前，还必须附加一个把转速提高到发电机额定转速的齿轮变速箱，再加一个调速机构使转速保持稳定，然后再联接到发电机上。为保持风轮始终对准风向以获得最大的功率，还需在风轮的后面装一个类似风向标的尾舵。 铁塔是支承风轮、尾舵和发电机的构架。它一般修建得比较高，为的是获得较大的和较均匀的风力，又要有足够的强度。铁塔高度视地面障碍物对风速影响的情况，以及风轮的直径大小而定，一般在6-20米范围内。 发电机的作用，是把由风轮得到的恒定转速，通过升速传递给发电机构均匀运转，因而把机械能转变为电能。
2风力发电的优势
使用风力发电机，就是源源不断地把风能变成我们家庭使用的标准市电，其节约的程度是明显的，一个家庭一年的用电只需20元电瓶液的代价。而现在的风力发电机比几年前的性能有很大改进，以前只是在少数边远地区使用，风力发电机接一个15W的灯泡直接用电，一明一暗并会经常损坏灯泡。而现在由于技术进步，采用先进的充电器、逆变器，风力发电成为有一定科技含量的小系统，并能在一定条件下代替正常的市電。山区可以借此系统做一个常年不花钱的路灯；高速公路可用它做夜晚的路标灯；山区的孩子可以在日光灯下晚自习；城市小高层楼顶也可用风力电机，这不但节约而且是真正绿色电源。家庭用风力发电机，不但可以防止停电，而且还能增加生活情趣。在旅游景区、边防、学校、部队乃至落后的山区，风力发电机正在成为人们的采购热点。无线电爱好者可用自己的技术在风力发电方面为山区人民服务，使人们看电视及照明用电与城市同步，也能使自己劳动致富。 （3）风力发电的潜力。从各地区发展来看，截止到2009年12月31日，中国风电累计装机超过1000MW的省份超过9个，其中超过2000MW的省份4个，分别为内蒙古（9196.2MW）、河北（2788.1MW）、辽宁（2425.3MW）和吉林（2063.9MW）。内蒙古2009年当年新增装机5545.2MW，累计装机9196.2MW，实现150%的大幅度增长。
中国新能源战略开始把大力发展风力发电设为重点。按照国家规划，未来15年，全国风力发电装机容量将达到2000万至3000万千瓦。以每千瓦装机容量设备投资7000元计算，根据《风能世界》杂志发布，未来风电设备市场将高达1400亿元至2100亿元。 中国风力等新能源发电行业的发展前景十分广阔，预计未来很长一段时间都将保持高速发展，同时盈利能力也将随着技术的逐渐成熟稳步提升。2009年该行业的利润总额将保持高速增长，经过2009年的高速增长，预计2010、2011年增速会稍有回落，但增长速度也将达到60%以上[2-3]。
3风力发电的若干技术问题
（1）风电质量
自然风速的大小和方向是随机变化的，风能具有不稳定性。如何使风力发电机的输出功率稳定是风力发电技术的一个重要的问题。迄今为止研究人员已提出了多种改善风电质量的方法。如上所述，采用变速控制技术可以利用风轮的转动惯量平滑输出功率。但是由于变速风力发电机组采用电力电子装置，当它将电能输送给电网时会产生电力谐波并使功率因素恶化。因此，为了满足在变速控制过程中良好的动态特性，并能使发电机向电网提供高品质的电能，发电机和电网之间的电力电子接口应实现以下功能：①在发电机和电网上产生尽可能低的谐波电流；②具有单位功率因素或可控制的功率因素；③使发电机输出电压适应电网电压的变化；④向电网输出稳定的功率；⑤发电机电磁转矩可控。
此外，当电网中并入的风力发电容量达到一定程度，会引起电压不稳定，特别当电网发生短时故障时，电压突降，风力发电机组无法向电网输送能量，最终由于保护动作切出电网。在风能占较大比重的电网中，风力发电机组的突然切出会导致电网不稳定。因此，用合理的方法使风力发电机组的电功率平稳具有非常重要的意义。风力发电对电网的不利影响可以运用储能技术来改善。 （2）解决并网型风力发电系统中的电能质量问题
利用超导储能装置（SMES） 解决并网型风力发电系统中的电能质量问题。通过采用基于GTO的双桥结构换流装置， SMES可以在四象限灵活地调节有功和无功功率， 为系统提供功率补偿， 跟踪电气量的波动[4]。充分利用SMES有功无功综合调节能力， 可以降低风电场输出功率的波动， 稳定风电场电压， 提高系统的稳定性。
（3）结构和空气动力学
在机械方面，通过结构动力学的研究，改进设计，避免或减少由于风的波动而引起的有害机械负荷，减少部件所受的应力，从而减轻有关部件及机组整体的重量，进一步降低成本。改进机械结构的另一个动向是采用新型整体式驱动系统，集主传动轴、齿轮箱和偏航系统为一体，这样就减少了零部件数目，同时增强了传动系统的刚性和强度，降低了安装、维护和保养的费用。
目前，风力机的桨叶叶型多采用美国空军的标准系列叶型NACA系列或63系列，此种叶型具有较好的动力性能。但是，由于风轮的工况与飞机机翼的工况不同，风轮上的风速分布不均匀，造成风轮的径向受力不均。风轮在旋转过程中，当转到上方与下方时，受力不同，交复变化，以及风速风况的不稳定等，是引起风力机振动的主要原因；而叶尖处的空气扰动是产生噪音的主要原因。降低上述因素的不利影响将是风电界技术人员深入探讨的课题。
（4）风电场建设
风电场建设应注意解决的主要问题包括：①加强风能资源的区域勘察及重点风能调查。风力资源的优劣直接影响风力发电量，从而影响发电成本。在同样条件下年均风速6m/s的风电场发电成本比615m/s的下降8%左右，715m/s的下降14%左右，8m/s的下降近30%。因此，认真作好风能资源的勘察非常重要。②风电场场址选择。一般需要综合考虑建设区内风资源类别、交通路况、建设区内有否鸟类迁徙路线或者鸟类迁徙目的地、周边建筑物分布及电网构成等因素。③复杂地形条件下，风流风向的分布分析及风机的选点和选型。④风电场建设的工程设计和施工[5]。
4风力发电技术发展趋势及前景
2010年《可再生能源法》的颁布实施，以及“十二五”规划纲要中节能减排政策及制度的确立，为我国风电行业的发展提供了难得的契机，风电步入了快速发展时期。为了更有效、更大规模地利用风电，将来风力发电技术将呈现以下发展态势。
（1）单机容量向大容量发展
目前商业化主流机型都以MW级为主，单机容量可达5MW以上。美国、英国和丹麦等国正在研制10MW的巨型风力发电机。预计未来10年，将会有容量更大的巨型风力发电机面世。
（2）海上发电发展迅速
相对于陆上风力发电，海上风力发电优势更为明显：发展空间几乎没有限制，可节约大量的土地资源；海上的风能资源远比陆上丰富，风速更高，发电量将显著提升；风切度小，可有效降低机组塔架高度，海上风电建设成本更低；海平面摩擦力小，作用在机组上的荷载小，机组使用寿命可长达50年；噪聲、鸟类、景观以及电磁干扰等问题对海上风电影响小；对生态环境基本无影响，绿色环保。目前许多国家都制订了大规模开发利用海上风能计划，欧盟在该领域处于绝对优势地位，占全球海上风电装机容量的90%；中国华能集团新能源公司拟2011年下半年投资60亿元在江苏大丰C4国家潮间带建立300MW风能项目，届时将成为世界上装机规模最大的海上风电场，每年将产生约7.4亿kW·h的清洁能源。
定桨矩、恒速恒频向变桨距、变速恒频的发展，在高风速下，变桨距调节可维持输出功率稳定，有效减小机组承受的荷载，确保机组安全运行，延长机组使用年限；变速运行可使机组在风速改变时适时调整转速并保持最佳，可实现风能利用率最大，具有适应能力强、发电效率高以及运行费用低等诸多特点[6]。
（3）前景展望[7]
石油和煤炭都是不可再生的能源，这些以矿产资源存在于自然界的能源日益减少。而且，世界人口平均每12年增加10亿，到2011年10月31日，世界人口总数达到了70亿。煤炭、石油和天然气基础储量可供开采年限分别是162年、40年和65年。使用可再生能源，寻找替代能源是当代人的任务，也是今后几代人将为之奋斗的一件大事。
5 结论
文章基于风能作为最具商业化、最具有前景性的可再生能源，以后一定会得到大规模的开发和利用，同时，对应的要求风力发电核心技术也得一步步提升。但在风力在电能质量控制方面，还得进一步研究分析。文章综述了目前风力发电及其技术的发展与应用情况，对风力发电的若干技术问题进行了较详细深入的介绍，最后介绍了风力发电技术发展趋势及前景，为更好地了解国内外风力发电的现状及推广提供参考。
参考文献
[1]于建辉，周浩.我国风电开发的现状及展望[J].风机技术.2006（06）
[2]蔡茜.中国风力发电产业的技术创新战略研究[D].华中科技大学，2008
[3]聂家林.我国风力发电产业三大主要问题的研究[D].合肥工业大学，2010
[4]魏显菲.我国风力发电开发现状及展望[J].商业经济.2010（24）
[5]胡传煜.发展风电大有可为[J].上海电力.2005（01）
[6] 李俊峰，风光无限：中国风电发展报告2011[M]-北京：中国环境科学出版社，2011
[7] 冯宾春，邢占清，杨锋，等.风力发电技术发展动态[J].中国水利水电科学研究院学报，2009，7（3）：193-198