我国风力发电现状及发展趋势

我国风力发电现状及发展趋势-1-我国风力发电现状及发展趋势摘要：随着环境和能源问题的日益严峻，可再生能源的开发，尤其是风力发电技术已被国家政府所重视。本文概述了风力发电的基本现状，分析了风电在国内外的发展状况、主要面临的问题及其解决途径和发展前景。关键词：风力发电；现状；发展趋势1.风力发电概述众所周知,可再生能源有水能、风能、太阳能、生物质能、潮汐能、地热能六大形式。其中,风能源于太阳辐射使地球表面受热不均、导致大气层中压力分布不均而使空气沿水平方向运动所获得的动能。据估计,地球上可开发利用的风能约为2*107MW,是水能的10倍,只要利用1%的风能即可满足全球能源的需求[1]。据中国气象科学研究院估算，在中国，10m高度可开发的风能为10亿kW以上（陆地2.5亿kW，海上7.5亿kW）[2]。在石油、天然气等不可再生能源日益短缺及大量化石能源燃烧导致大气污染、酸雨和温室效应加剧的现实面前,风力发电作为当今世界清洁可再生能源开发利用中技术最成熟、发展最迅速、商业化前景最广阔的发电方式之一已受到广泛重视[3]。2.风力发电原理风力发电机的分类2.1.风力发电原理力发电是将风能转换为机械能进而将机械能转换为电能的过程。风吹动风力机叶片旋转,转速通常较低,需要齿轮箱增速,将高速转轴连接到发电机转子并带动发电机发电,发电机输出端接一个升压变压器后连接到电网中。典型的风力发电系统包括风力机(叶片、轮毅等部分)及其控制器、转轴、换流器、发电机及其控制器等。风速、作为风力机及其控制器的输入信号,风力机控制器将风速与参考值进行比较,向风力机输出桨距角信号,调整输出机械转矩T和机械功率。转轴输出的机械功率输入到发电机中,发电机的输出功率经过换流器输送到变压器中,最终输送至电网。风能的表达式为：321tsE(式1-1)式中：s—单位时间内气流流过截面积(m2)ρ—空气密度(kg/m3)v—风速(m/s)其中ρ和v随地理位置、海拔和地形等因素而变。我国风力发电现状及发展趋势-2-风力发电机的气动理论是由德国的贝兹（Betz）于1926年第一个建立的。Betz假设风力发电机的风轮是理想的，即没有轮毂，具有无限多的叶片，气流通过风轮时没有阻力。2.2风力发电机分类风力发电机是把风能转换为电能的装置，鉴于风力发电机种类繁多，因此分类法也是多种。按叶片数量分，单叶片，双叶片，三叶片，四叶片和多叶片；按主轴与地面的相对位置分，水平轴、垂直轴(立轴)式；按桨叶工作原理分，升力型、阻力型。目前风力发电机三叶片水平轴类型居多。2.2.1水平轴风力发电机水平轴风力发电机科分为升力型和阻力型两类。升力型风力发电机旋转速度快，阻力型旋转速度慢。对于风力发电，多采用升力型水平轴风力发电机。大多数水平轴风力发电机具有对风装置，能随风向改变而转动。对于小型风力发电机，这种对风装置采用尾舵，而对于大型的风力发电机，则利用风向传感元件以及伺服电机组成的传动机构。风力机的风轮在塔架前面的称为上风向风力机，风轮在塔架后面的则成为下风向风机。水平轴风力发电机的式样很多，有的具有反转叶片的风轮，有的再一个塔架上安装多个风轮，以便在输出功率一定的条件下减少塔架的成本，还有的水平轴风力发电机在风轮周围产生漩涡，集中气流，增加气流速度。2.2.2垂直轴风力发电机垂直轴风力发电机在风向改变的时候无需对风，在这点上相对于水平轴风力发电机是一大优势，它不仅使结构设计简化，而且也减少了风轮对风时的陀螺力。利用阻力旋转的垂直轴风力发电机有几种类型，其中有利用平板和被子做成的风轮，这是一种纯阻力装置；S型风车，具有部分升力，但主要还是阻力装置。这些装置有较大的启动力矩，但尖速比低，在风轮尺寸、重量和成本一定的情况下，提供的功率输出低。2.3风力发电机组2.3.1恒速定桨距失速调节型风力发电机组恒速定桨距失速调节型风力发电机组结构简单、性能可靠。其主要特点是：桨叶和轮毂的连接是固定的，其桨距角（叶片上某一点的弦线与转子平面见的夹角）固定不变，失速型是指桨叶翼型本身所具有的失速特性（当风速高于额定值时，气流的攻角增大到失速条件，使桨叶的表面产生涡流，效率降低，以达到限制转速和输出功率的目的）。其优点是调节简单可靠，控制系统可以大大简化，其缺点是叶片质量大，轮毂、塔架等部件受力增大。2.3.2恒速变桨距调节型风力发电机组恒速变桨距调节型风力发电机组中变桨矩是指安装在轮毂上的叶片，可以借助控制技术改变其桨距角的大小。其优点是桨叶受力较小，桨叶可以做的比较轻巧。由于桨距角可以随我国风力发电现状及发展趋势-3-风速的大小而进行自动调节，因而能够尽可能多的捕获风能，多发电，又可以在高风速时段保持输出功率平稳，不致引起异步发电机的过载，还能在风速超过切出风速时通过顺桨（叶片的几何攻角趋于零升力的状态）防止对风力机的损坏，这是兆瓦级风力发电机的发展方向。其缺点是结构比较复杂，故障率相对较高。2.3.3变速恒频风力发电机组变速恒频风力发电机组中变速恒频是指在风力发电的过程中，发电机的转速可以随风速而变化，然后通过适当的控制措施使其发出的电能变为与电网同频率的电能送入电力系统。其优点：风力机可以最大限度的捕获风能，因而发电量较恒速恒频风力发电机大；较宽的转速运行范围，以适应因风速变化引起的风力机转速的变化；采用一定的控制策略可以灵活调节系统的有、无功功率；可抑制谐波，减少损耗，提高功率。其主要问题是由于增加了交—直—交变换装置，大大增加了设备费用。3我国风力发电现状及存在的问题3.1我国风力发电现状我国的几个风能丰富带主要分布在东南沿海地区、“三北”地区和内陆局部地区[4]。三北地区包括东北三省、内蒙古、甘肃、青海、西藏和新疆等省(自治区)。这一风能丰富带可开发利用的风能储量约2亿kW，占全国可利用储量的80%。另外，该地区风电场地形平坦，交通便利，是中国最大的连片风能资源区，有利于大规模开发风电场。东南沿海受台湾海峡的影响，每当冷空气南下到达海峡时，由于峡管效应使风速增大。冬春季的冷空气、夏秋的台风，都能影响到沿海及其岛屿，是中国风能最佳丰富区。中国有海岸线约1800km，岛屿6000多个，是风能大有开发利用前景的地区。除了上述两个风能丰富带之外，内陆的一些地区由于湖泊山川和特殊地形的影响，风能储量也较丰富[5]。近年来，我国风电产业发展势头强劲。2009年中国新增风电装机容量为1380.3万kW，超越美国成为全球新增风电装机容量最多的国家。2009年中国是全球累计风电装机容量仅次于美国的国家，累计风电装机2580.5万kW；2010年，全球每新安装3台机组，就有1台在中国，当年新增风电装机容量1892.8万kW，累计风电装机容量为4473.3万kW，超越美国成为全球新增和累计风电装机容量最多的国家[6]。3.2我国风力发电问题分析3.2.1风能资源探测数据的准确性风作为一种气候要素，不仅具有日、月、年变化的特点，同时还具有年际变化的特征，一个地区少风年的风能有时是多风年的风能的一半[7]。因此，要估算一个区域的风能潜力，如果仅凭某一年或几年的数据，其结果肯定是不可靠的[8]。目前，我国风能资源评估主要利用离地10m高的测风资料，但随着风机高度的逐步提高，由过去的几十米达到如今的百米以上，这一数据发生了很大的变化，10m高的测风资料已经不能完全满足风电场的需求。3.2.2风电上网问题我国风力发电现状及发展趋势-4-风电场的建设风风火火，但另一方面，不少建成的风电场却被闲置，利用率较低。风电“发得出，送不出”的情况并非个别现象，粗略估算，全国有1/3的风电装机并网项目处于空转状态，造成巨额投资闲置。制约风电发展的最主要瓶颈是上网问题。国家在政策上要求电网企业无条件接纳风电入网，但实际上电网企业表现并不积极。电网企业限制风电上网的一个重要原因认为风电不稳定，时有时无、时强时弱，对电网形成冲击。风电的间歇性和不稳定性，而且在并入电网后会对电网造成一定的冲击，使电的品质下降，有人甚至将风电戏称为“垃圾电”。为了使风电满足入网条件，使上网的电尽可能稳定，电网运营商需要在风机和电网之间加入调峰电源(调节电力负荷峰谷差的发电机组)，建设500万kW的风电，理论上需1000万kW调峰电源调峰，而这无疑将增加企业的成本，企业积极性不高也就理所当然了。“上网难”的根本原因还是风电缺乏规划、无序开发。3.2.3风电企业的不良竞争中国大力发展风电创造了巨大的市场需求，国内大批企业进驻风电行业。在市场竞争初期，拿到更高的市场份额，将有利于遏制竞争对手，获得更大的市场利益。为了迅速实现生产，很多风电企业到国外去买技术。风力发电机虽是高科技产品，生产却很容易，买来图纸，和风电场签订供货合同后，把四处采购的配件装在一起，就成了一台台能够赚取利润的风力发电机。大批企业买来图纸后，很短时间就开始大规模生产，并且签下巨额订单，这也导致目前一些国产兆瓦级风机已经出现问题，达不到标准，返修率很高。由于没有掌握核心技术，当风机出现问题自己也无法进行维修，请外国专家来维修，又是一大笔巨额的维修费。大批风机企业的大规模生产必然导致产能过剩，产能过剩就直接引发了风机行业的价格战[9]。3.2.4风机质量问题已投入运营的风机质量问题将在今后5年凸显出来，对未来风力发电的发展带来困扰。风力发电在最近几年发展过快，国外成熟市场中一台风机从研发、实验到实际进入市场开始发电需要5~10年的时间。而中国市场最近5年风力发电市场的急速发展导致众多风机从研发到实际运行的时间缩短为1~3年。风机在运行中的不稳定和研发时期的准备不足导致的一系列问题将在今后几年中暴露出来，成为风电发展的主要障碍。4我国风电发展趋势4.1单机容量继续快速稳步上升现在，风电市场上销售的商业化机组容量一般为600～2500kW，单机容量最大的风电机组是由德国Repower公司生产的，容量为5MW，预计2010年将开发出10MW的风电机组。目前，国内只能生产750kW以下的风力发电机组，兆瓦级风电设备主要依赖进口。值得可喜的是，由哈尔滨电站设备集团研发及生产制造，具有自主知识产权的1.2MW级风力发电机已经制造成功。此风力发电机是目前我国电机容量最大的风力发电机，标志着我国在该领域拥有了完全自主的知识产权，而且在一定程度上将摆脱大型风电机组依靠进口、依靠引我国风力发电现状及发展趋势-5-进技术、跟随国外产品技术的发展模式[10]。4.2变桨距调节方式将迅速取代定桨距失速调节方式定桨距失速调节型风电机技术是利用桨叶翼型本身的失速特性，即风速高于额定风速时，气流的功角增大到失速条件，使桨叶表面产生涡流，降低效率，从而达到限制功率的目的。其优点是调节可靠，控制简单，缺点是桨叶等主部件受力大，输出功率随风速的变化而变化。这种技术主要应用在几百千瓦的中小型风力发电机组上。变桨距调节型风电机技术是通过调节变距调节器，使风轮机叶片的安装角随风速的变化而变化，以达到控制风能吸收的目的。在额定风速以下时，它等同于定桨距风电机。当在额定风速以上时，变桨距机构发生作用，调节叶片功角，保证发电机的输出功率在允许的范围之内。变桨距风力机的起动风速较定桨距风力机低，停机时传动机械的冲击应力相对缓和。从目前风机单机容量快速上升的趋势看，变桨矩调节方式将迅速取代定桨距调节方式。4.3变速运行方式将迅速取代恒速运行方式目前市场上恒速运行的风电机组一般采用双绕组结构（4极/6极）的异步发电机，双速运行。在高风速段，发电机运行在较高转速上，4极电机工作；在低风速段，发电机运行较低转速上，6极电机工作。一般单机容量为600～750kW的风电机组多采用恒速运行方式，其优点是风力机控制简单，可靠性好，缺点是由于转速基本恒定，而风速经常变化，因此风力机经常工作在风能利用系数（Cp）较低的点上，风能得不到充分利用。变速运行的风电机组一般采用双馈异步发电机或多极同步发电机。双馈电机的转子侧通过功率变换器（一般为双PWM交直交型变换器）连接到电网。该功率变换器的容量仅为电机容量的1/3，并且能量可以双向流动，这是这种机型的优点。多极同步发电机的