论文部分内容阅读
摘要：风能，作为最为成功的可再生能源，其凭借现有科技水平成为发展最快的清洁能源技术。随着全球风电的迅速发展，我国也在大力发展风电市场。本文描述了目前风力发电系统的性能特点和结构形式，并对国内风力发电的现状和世界风力发电的趋势进行了必要的阐述。同时针对我国大型风电机组的发展状况，指出了大规模发展风电，需要面临的主要问题与挑战。
关键词：风力发电机组；风力发电系统；发展趋势；面临问题
中图分类号：TM315文献标识码： A
1风能利用潜力
风能是地球上重要的可再生能源之一，它具有储藏量巨大、可在生、分布广、无污染 的特性，是我国乃至世界可再生能源开发利用的重点。目前，风力发电是风能利用的主要形式，受到各国的高度重视，并且正在飞速发展与热力发电设施有所区别，风力发电不需冷却水，使用风力发电可是公用水系统用水减少17%，等价于不需在建设80GW新的燃煤电厂。风力发电无需燃烧燃料，更不会产生辐射和空气污染；另外，从经济的角度讲，风力仪器要比太阳能仪器便宜90%多。我国风能储量相当大，分布面广，甚至比水能还丰富。合理利用风能，既能解决目前能源短缺的压力，又能解决环境污染问题。风能还是极为清洁高效的能源。每10MW风电入网可节约3.73t煤炭，同时减少排放粉尘0.498t、CO29.35t、NOX 0.049t和上SO2 0.078t。例如，2000年，我国风力发电9.65亿千瓦时，共节煤35万t；2002年德国风力发电170千瓦时，节煤442万t，减少CO2排放1428万t。
我国能源资源虽然丰富但是人均资源先对匮乏，远低于世界平均水平。2000年全国人均煤，石油，天然气可采储量与人均水电资源占世界平均值的55.4%、11.1%、4.3%和70%。随着我国经济的快速发展，能源瓶颈对经济发展的制约越来越明显。预计我国国内能源供应的缺口量，在21世纪初期将超过100Mt标准煤，2030年为250Mt标准煤，到2050年为460Mt标准煤，大约占年供应需求量了10%，因此未来我国能源供应形势不容乐观。正是这种能源短缺的局面给风力风力带来了前所未有的机遇与挑战。
2 风力发电机组的基本结构和工作原理
风力发电是依靠风以一定的速度和攻角流过桨叶，使风轮获得旋转力矩而转动，风轮通过主轴联接齿轮箱，经齿轮箱增速后带动发电机而发电。典型的风力发电机组[1]主要由风轮、齿轮箱、发电机、对风装置（偏航系统）、塔架等构成。
按风轮主轴的方向，风力机分为水平轴、垂直轴两大类。对水平轴风力机，需要风轮保持迎风状态，根据风轮是在塔架前还是在塔架后迎风旋转分为上风向和下风向两类。现代风力发电机组大多数采用三叶片、上风向、水平轴式，在大型机组中采用变桨距风轮，通过可转动的推力轴承或回转支撑联接，以使叶片攻角可随风速变化进行调整从而对风轮进行调速（限速）[2] 。
风力发电机组中的发电机一般为异步发电机（包括笼型、绕线型）或同步发电机（包括永磁、电励磁），采用何种形式的发电机主要取决于风力发电系统的形式。
3 风力发电系统概述
风力发电系统从形式上有离网型、并网型。离网型的单机容量约为0.1～5kW，一般不超过10kW，主要采用直流发电系统并配合蓄电池储能装置独立运行；并网型的单机容量大（可达MW级），且由多台风电机组构成风力发电机群（风电场）集中向电网输送电能。
3.1 离网型风力发电系统
离网型风力发电系统，目前主要用于无电地区生活用发电。离网型风电机组主要由桨叶、轮毂、发电机、桨叶同步电动变矩机构、转向偏航驱动机构、风向、风速传感器、塔架、电动保护机构、控制系统、蓄电池组、逆变电源等部分组成。离网型风力发电机组属小型发电机组，其发电容量从几百瓦至上千瓦不等。按照发电类型的不同，离网型风电机组可分为直流发电机型、交流发电机型两大类。直流发电机型在早期的离网型风力发电机组采用，主要包括永磁及电励磁两种类型。随着离网型风力发电机组的发展，发电机类型逐渐由直流发电机转变为交流发电机，交流发电机型主要包括永磁、硅整流自励及电容自励三种类型，其效率高于同容量的励磁式发电机，由于发电机转子没有滑环，转时更安全可靠，电机重量轻，体积小，工艺简便，因此被广泛应用于离网型风电机组中。
3.2 并网型风力发电系统
相对于离网型风力发电系统，并网型风电机组是较为大型的风力发电系统，且与公共电网并联运行。并网型风电机组一般由桨叶、轮毂、增速传动机构、偏航机构、风力发电机、塔架和控制系统等部分组成。在并网型风力发电系统分为恒速恒频发电系统和变速恒频发电系统。其中，单机容量为750kW 以下的风电机组多采用恒速恒频运行方式：容量范围1MW 以上的风电机组一般采用变速恒频运行方式。
4 我国风力发电的发展现状
我国1955年左右开始研制风力发电装置，20世纪80年代初期成立了全国性的风能专业委员会，90年代中期开始扩大风力发电的建设規模，最大单机容量为1500kW。1993年我国风电总装机容量为1.71万千瓦， 2009年总装机容量已达到25.104GW，成为全球风电市场最具潜力的国家之一。
伴随装机容量的巨大增长，风力发电机技术也取得了长足进步，采用变速恒频、变桨距技术取代恒速、定桨距技术，由双馈异步发电发展为永磁同步发电技术，同时各种海上风电技术也逐渐成熟，产品已走向市场。风电制造企业扩充产能，逐渐进行批量化生产，不断采用“产、学、研”相结合的方式，从而推动整个风力发电市场。
5 我国大规模发展风电面临的问题与挑战
5.1 核心技术
目前国内风电机组的技术来其主要技术来源大致可分为以下五类：1、引进国外的设计图纸和技术，或者是与国外设计技术公司联合设计，在国内进行制造和生产；2、购买国外成熟的风电技术，在国内进行许可生产；3、与国外公司合资，引进国外的成熟技术在国内进行生产；4、国外的风电机组制造公司在国内建立独资企业，将其成熟的设计制造技术，在国内进行生产；5、采用国内大学和科技公司自行开发的设计制造技术，在国内进行生产的风电机组。虽然近年来，我国风电装备的技术能力有了较大提高，但是在风机整机的研发和设计上，我们依然没有掌握核心技术。目前，我国风电机组尚未形成掌握风电整机总体设计方法的核心技术人员队伍，载技术上还是受制于人，很多关键设备核心技术主要依赖进口， 造成我国风电机组的价格偏高，这成为新能源无法市场化、产业化的瓶颈。
5.2 设备质量
国产风电机组设备质量有待提高，由于部分国产风电机组设备质量欠佳，造成风电场可利用率不高。采用国产机组的风电场，其机组可利用率明显低于采用国际先进品牌的机组，粗略估算整体上要低7%左右。
5.3 电网建设
电网瓶颈是风电发展的最大挑战。截至2008年底我国有超过1200万kW的风电机组完成吊装，其中1000万kW风电机组已通过调试可以发电，但由于电网建设滞后以及风电并网中的一些技术、经济和管理障碍， 2008年底实际并入电网的风电装机容量仅为800万kW，由电网因素导致的装机容量浪费约200万kW。风力资源时强时弱，风力发电具有不稳定性，小规模的风电电源会引起电能质量、电压的问题，大规模的风电电源会引起电网稳定性等问题。因此，如果不加大对电网的投入，区域性电网就会受到严重威胁；而一旦出现问题，就会造成大面积停电，后果不堪设想。另，经济效益差、运行管理复杂也是影响风电上网的重要原因。
6结语
风力发电在我国有着广阔的发展前景，作为我国重点发展的清洁能源， 风能利用必将为我国的环保事业、能源结构的调整作出巨大贡献。风力发电行业的崛起势在必行，在这个过程中，风力发电设备研制和电网建设将制约行业的发展，要想使风电发电行业保持高速、稳定、长期的发展，必须解决这两个方面的问题。目前尽管有着各种各样的困难，随着科技的进步、政策资金以及投资方信心的增强，风电在开发、运行、管理方面都将取得进步和提高。风力发电必将有美好的前景。
（参考文献）
[1] 宋海辉，风力发电技术及工程[M]，北京：中国水利水电出版社， 2009.
[2]叶杭冶，风力发电机组的控制技术[M]吗， 北京：机械工业出版社，2版， 2008.
关键词：风力发电机组；风力发电系统；发展趋势；面临问题
中图分类号：TM315文献标识码： A
1风能利用潜力
风能是地球上重要的可再生能源之一，它具有储藏量巨大、可在生、分布广、无污染 的特性，是我国乃至世界可再生能源开发利用的重点。目前，风力发电是风能利用的主要形式，受到各国的高度重视，并且正在飞速发展与热力发电设施有所区别，风力发电不需冷却水，使用风力发电可是公用水系统用水减少17%，等价于不需在建设80GW新的燃煤电厂。风力发电无需燃烧燃料，更不会产生辐射和空气污染；另外，从经济的角度讲，风力仪器要比太阳能仪器便宜90%多。我国风能储量相当大，分布面广，甚至比水能还丰富。合理利用风能，既能解决目前能源短缺的压力，又能解决环境污染问题。风能还是极为清洁高效的能源。每10MW风电入网可节约3.73t煤炭，同时减少排放粉尘0.498t、CO29.35t、NOX 0.049t和上SO2 0.078t。例如，2000年，我国风力发电9.65亿千瓦时，共节煤35万t；2002年德国风力发电170千瓦时，节煤442万t，减少CO2排放1428万t。
我国能源资源虽然丰富但是人均资源先对匮乏，远低于世界平均水平。2000年全国人均煤，石油，天然气可采储量与人均水电资源占世界平均值的55.4%、11.1%、4.3%和70%。随着我国经济的快速发展，能源瓶颈对经济发展的制约越来越明显。预计我国国内能源供应的缺口量，在21世纪初期将超过100Mt标准煤，2030年为250Mt标准煤，到2050年为460Mt标准煤，大约占年供应需求量了10%，因此未来我国能源供应形势不容乐观。正是这种能源短缺的局面给风力风力带来了前所未有的机遇与挑战。
2 风力发电机组的基本结构和工作原理
风力发电是依靠风以一定的速度和攻角流过桨叶，使风轮获得旋转力矩而转动，风轮通过主轴联接齿轮箱，经齿轮箱增速后带动发电机而发电。典型的风力发电机组[1]主要由风轮、齿轮箱、发电机、对风装置（偏航系统）、塔架等构成。
按风轮主轴的方向，风力机分为水平轴、垂直轴两大类。对水平轴风力机，需要风轮保持迎风状态，根据风轮是在塔架前还是在塔架后迎风旋转分为上风向和下风向两类。现代风力发电机组大多数采用三叶片、上风向、水平轴式，在大型机组中采用变桨距风轮，通过可转动的推力轴承或回转支撑联接，以使叶片攻角可随风速变化进行调整从而对风轮进行调速（限速）[2] 。
风力发电机组中的发电机一般为异步发电机（包括笼型、绕线型）或同步发电机（包括永磁、电励磁），采用何种形式的发电机主要取决于风力发电系统的形式。
3 风力发电系统概述
风力发电系统从形式上有离网型、并网型。离网型的单机容量约为0.1～5kW，一般不超过10kW，主要采用直流发电系统并配合蓄电池储能装置独立运行；并网型的单机容量大（可达MW级），且由多台风电机组构成风力发电机群（风电场）集中向电网输送电能。
3.1 离网型风力发电系统
离网型风力发电系统，目前主要用于无电地区生活用发电。离网型风电机组主要由桨叶、轮毂、发电机、桨叶同步电动变矩机构、转向偏航驱动机构、风向、风速传感器、塔架、电动保护机构、控制系统、蓄电池组、逆变电源等部分组成。离网型风力发电机组属小型发电机组，其发电容量从几百瓦至上千瓦不等。按照发电类型的不同，离网型风电机组可分为直流发电机型、交流发电机型两大类。直流发电机型在早期的离网型风力发电机组采用，主要包括永磁及电励磁两种类型。随着离网型风力发电机组的发展，发电机类型逐渐由直流发电机转变为交流发电机，交流发电机型主要包括永磁、硅整流自励及电容自励三种类型，其效率高于同容量的励磁式发电机，由于发电机转子没有滑环，转时更安全可靠，电机重量轻，体积小，工艺简便，因此被广泛应用于离网型风电机组中。
3.2 并网型风力发电系统
相对于离网型风力发电系统，并网型风电机组是较为大型的风力发电系统，且与公共电网并联运行。并网型风电机组一般由桨叶、轮毂、增速传动机构、偏航机构、风力发电机、塔架和控制系统等部分组成。在并网型风力发电系统分为恒速恒频发电系统和变速恒频发电系统。其中，单机容量为750kW 以下的风电机组多采用恒速恒频运行方式：容量范围1MW 以上的风电机组一般采用变速恒频运行方式。
4 我国风力发电的发展现状
我国1955年左右开始研制风力发电装置，20世纪80年代初期成立了全国性的风能专业委员会，90年代中期开始扩大风力发电的建设規模，最大单机容量为1500kW。1993年我国风电总装机容量为1.71万千瓦， 2009年总装机容量已达到25.104GW，成为全球风电市场最具潜力的国家之一。
伴随装机容量的巨大增长，风力发电机技术也取得了长足进步，采用变速恒频、变桨距技术取代恒速、定桨距技术，由双馈异步发电发展为永磁同步发电技术，同时各种海上风电技术也逐渐成熟，产品已走向市场。风电制造企业扩充产能，逐渐进行批量化生产，不断采用“产、学、研”相结合的方式，从而推动整个风力发电市场。
5 我国大规模发展风电面临的问题与挑战
5.1 核心技术
目前国内风电机组的技术来其主要技术来源大致可分为以下五类：1、引进国外的设计图纸和技术，或者是与国外设计技术公司联合设计，在国内进行制造和生产；2、购买国外成熟的风电技术，在国内进行许可生产；3、与国外公司合资，引进国外的成熟技术在国内进行生产；4、国外的风电机组制造公司在国内建立独资企业，将其成熟的设计制造技术，在国内进行生产；5、采用国内大学和科技公司自行开发的设计制造技术，在国内进行生产的风电机组。虽然近年来，我国风电装备的技术能力有了较大提高，但是在风机整机的研发和设计上，我们依然没有掌握核心技术。目前，我国风电机组尚未形成掌握风电整机总体设计方法的核心技术人员队伍，载技术上还是受制于人，很多关键设备核心技术主要依赖进口， 造成我国风电机组的价格偏高，这成为新能源无法市场化、产业化的瓶颈。
5.2 设备质量
国产风电机组设备质量有待提高，由于部分国产风电机组设备质量欠佳，造成风电场可利用率不高。采用国产机组的风电场，其机组可利用率明显低于采用国际先进品牌的机组，粗略估算整体上要低7%左右。
5.3 电网建设
电网瓶颈是风电发展的最大挑战。截至2008年底我国有超过1200万kW的风电机组完成吊装，其中1000万kW风电机组已通过调试可以发电，但由于电网建设滞后以及风电并网中的一些技术、经济和管理障碍， 2008年底实际并入电网的风电装机容量仅为800万kW，由电网因素导致的装机容量浪费约200万kW。风力资源时强时弱，风力发电具有不稳定性，小规模的风电电源会引起电能质量、电压的问题，大规模的风电电源会引起电网稳定性等问题。因此，如果不加大对电网的投入，区域性电网就会受到严重威胁；而一旦出现问题，就会造成大面积停电，后果不堪设想。另，经济效益差、运行管理复杂也是影响风电上网的重要原因。
6结语
风力发电在我国有着广阔的发展前景，作为我国重点发展的清洁能源， 风能利用必将为我国的环保事业、能源结构的调整作出巨大贡献。风力发电行业的崛起势在必行，在这个过程中，风力发电设备研制和电网建设将制约行业的发展，要想使风电发电行业保持高速、稳定、长期的发展，必须解决这两个方面的问题。目前尽管有着各种各样的困难，随着科技的进步、政策资金以及投资方信心的增强，风电在开发、运行、管理方面都将取得进步和提高。风力发电必将有美好的前景。
（参考文献）
[1] 宋海辉，风力发电技术及工程[M]，北京：中国水利水电出版社， 2009.
[2]叶杭冶，风力发电机组的控制技术[M]吗， 北京：机械工业出版社，2版， 2008.