国内外风能发电技术现状

国内外风能发电技术现状热能与动力工程09-1李方遒国内外风力发电技术现状热工09-1李方遒1【摘要】由于风能非常丰富、价格非常便宜、能源不会枯竭，又可以在很大范围内取得、非常干净、没有污染，不会对气候造成影响，因此风电一直是世界上增长最快的能源。本文分析了国内外凤能发电的现状，阐述了风能发电的发展趋势，最后给出了我国企业未来的应对策略。【关键词】国内外风能发电研究方向现状企业对策21世纪是可再生能源的世纪，由于风能非常丰富、价格非常便宜、能源不会枯竭，又可以在很大范围内取得，非常干净、没有污染，不会对气候造成影响。风电一直是世界上增长最快的能源，在过去10年间，世界风能发电厂以每年30％的增长速度在发展。由于风力发电开发方面有明显优势，因此世界各国都争相投资，研究和开发新型风力发电设备。1．1风能的计算公式空气运动具有动能，风能是指风所具有的动能。如果风力发电机叶轮的断面积为A，则当风速为V的风流经叶轮时，单位时间风传递给叶轮的风能为P=12mV2（1）其中：单位时间质量流量m=ρAVP=ρAV3（2）在实际中，PW=12CPŋmŋeρAV3（3）式中：PW—每秒空气流过风力发电机叶轮断面面积的风能，即风能功率，W；国内外风力发电技术现状热工09-1李方遒2CP—叶轮的风能利用系数；ŋm—齿轮箱和传动系统的机械效率，一般为0.80—0.95，直驱式风力发电机为1.0；ŋe—发电机效率，一般为0。70—0。98；ρ—空气密度，kg/m3；A—风力发电机叶轮旋转一周所扫过的面积，m2；V—风速，m/s。1．2贝茨（Betz）理论第一个关于风轮的完整理论是由德国哥廷根研究所的A•贝茨于1926年建立的。贝茨假定风轮是理想的，也就是说没有轮毂，而叶片数是无穷多，并且对通过风轮的气流没有阻力。因此这是一个纯粹的能量转换器。此外还进一步假设气流在整个风轮扫掠面上的气流是均匀的，气流速度的方向无论在风轮前后还是通过时都是沿着风轮轴线的。通过分析一个放置在移动空气中的“理想”风轮得出风轮所能产生的最大功率为Pmax=827ρAV3（4）式中：Pmax—风轮所能产生的最大功率；ρ—空气密度，kg/m3；A—风力发电机叶轮旋转一周所扫过的面积，m2；V—风速，m/s。这个表达式称为贝茨公式。其假定条件是风速与风轮轴方向一致并在国内外风力发电技术现状热工09-1李方遒3整个风轮扫掠面上是均匀的。将(4)式除以气流通过扫掠面A时风所具有的动能，可推得风力机的理论最大效率ŋmax=Pmax12ρAV13=827ρAV1312ρAV13=1627=0.593（5）(5)式即为有名的贝兹（Betz）理论的极限值。它说明，风力机从自然风中所能索取的能量是有限的，其功率损失部分可以解释为留在尾流中的旋转动能。能量的转换将导致功率的下降，它随所采用的风力机和发电机的型式而异，因此，风力机的实际风能利用系数CP0.593。1．3温度、大气压力和空气密度通过温度计和气压计测试出实验地点的环境温度和大气压，由下式计算出空气密度。ρ=352。99（273+t）h101325（6）式中：ρ—空气密度，kg/m3；h—当地大气压力，Pa；t—温度，℃。从空气密度公式可以看出，空气密度的大小与大气压力、温度有关。2．国外风能发电的现状全球风能1700太瓦，大洋、高山和保护区域的风力是采集不到的，除去这些以及一些风力达不到开发要求的地区，依然有40～85国内外风力发电技术现状热工09-1李方遒4太瓦的风能，目前世界只利用了0.02太瓦的风能。风力发电是风能利用的主要形式，风力发电成本低于其他新能源，并有进一步降低成本的可能；风力发电是最清洁最安全的，目前世界风力发电发展速度超过其他新能源发展，未来风力发电很可能成为全球电力的主要来源之一。据我国专家估算，我国可开发利用风能至少十几亿千瓦，快速推进风力发电是我国实现减排目标的必要途径之一。根据美国发布的可再生能源标准（RES），到2012年美国可再生能源占10%，2025年占25%。2004～2008年美国新安装风力发电机新增风电年均增长率为29%。2008年新增风电占新增可再生能源的42%。美国政府承诺长期支持风力发电，投资数十亿美元制造风电涡轮机和建设智能电网，2009～2029年安装风力发电机将每年新增风力发电能力4亿瓦～16亿瓦，到2030年风力发电总容量累计增加到305亿瓦，届时风力发电满足电力需求的20%。欧盟风力发电装机总容量56535兆瓦。丹麦风力发电占本国电力的20%，西班牙占13%，葡萄牙占12%，爱尔兰9%，德国8%。德国规划到2020年可再生能源发电占25～30%，德国于1991年制定法律鼓励发展可再生能源，主要是风力发电，德国风力发电涡轮机生产能力占世界22%，未来几年内将在海岸建成大型风力发电场。近30年来，国际上在风能的利用方面，无论是理论研究还是应用研究都取得了重大进步。风能发电技术日臻完善，风能发电机单机额定功率最大已经到5MW，叶轮直径达到126m。国内外风力发电技术现状热工09-1李方遒51998年-2009年全球风电累计装机容量统计全球风电装机容量统计（MW）全球风电装机容量统计（MW）—按地区分布截至到2007年总计2008年新增截止到2008年总计非洲和中东埃及31055365摩洛哥12410134伊朗671785突尼斯203454其它（1）171431总计539130669亚洲中国5910630012210印度784518009645日本15283561880台湾28181358韩国19343236菲律宾25833其它（2）516总计15787858924368欧洲020000400006000080000100000120000140000160000199820002002200420062008年份累计装机容量国内外风力发电技术现状热工09-1李方遒6德国22247166523903西班牙15145160916754意大利272610103736法国24549503404英国24068363241丹麦3125773180葡萄牙21507122862荷兰17475002225瑞典7882361021爱尔兰7952081002奥地利98214995希腊871114985波兰276196472挪威326102428土耳其47286433欧洲其它国家（3）9553621305欧洲总计57139887765946其中27国总计(4)56531848464948拉丁美洲和加勒比海地区巴西24794341墨西哥85085哥斯达黎加70070加勒比海55055阿根廷29029其它（5）45045总计53194625今天，欧洲的风电已经能够满足4000万人生活的需要。欧洲风能协会预计2020年欧洲会有近两亿人完全使用风电，占欧洲人口的一半。德国的风电设备制造业已经取代了汽车制造业和造船业，成为德国第一大钢材用户，近日德国制定了一个新的风电发展长远规划，设定到2025年风电至少占总用量的25％，到2050年占总用量的50％。丹麦已经成功地用风电来满足国内的电力需求，过去一直提倡核能运用的法国，也开始制定长远规划来发展风能发电。国内外风力发电技术现状热工09-1李方遒72009年世界前10位新设置风能发电能力的国家排名国家MW占%中国1300034.7美国992226.5西班牙24596.6德国19175.1印度12713.4意大利11143法国10882.9英国10772.9加拿大9502.5葡萄牙6731.8前10国合计3347189.3世界其他399410.7世界总计374661003．国内风能发电的现状2006年我国风电装机总容量仅2588兆瓦，2008年增加到12121兆瓦，年均增长率为116%。据中国风能协会预测，2010年我国风电总装机容量达20亿瓦，2020年达到80亿瓦，2030年达到180亿瓦，2050年达到500亿瓦。我国政府将强力支持建设智能电网，解决风电输送问题，未来风电将成为我国电力的主要来源之一。一台大型风力发电涡轮机需要稀土2吨，铜5吨，铝3吨，钢300吨；3兆瓦大型风机转子叶片长约54米，玻璃纤维/碳纤维混合增强复合材料叶片最轻的达13.4吨，单只叶片需要玻璃纤维和碳纤维约6吨。2009年我国风电装机总容量已经达到22亿瓦，根据我国风电发展规划，到2020年风电装机总容量达到80亿瓦，需新增风电装机容量58亿瓦，若国内外风力发电技术现状热工09-1李方遒8以3兆瓦风力发电涡轮机计算，2010～2020年期间我国需要新安装大型风力发电涡轮机19333台，累计需要稀土金属4万吨，铜10万吨，铝6万吨，钢600万吨，玻璃纤维和碳纤维约36万吨。到2030年风电装机总容量达到180亿瓦，需新增风电装机容量122亿瓦，已3兆瓦风力发电涡轮机计算，2020～2030年我国需要新安装大型风力发电涡轮机40666台，累计需要稀土金属约8.2万吨，铜20.33万吨，铝12.19万吨，钢1219.98万吨，玻璃纤维和碳纤维约73.2万吨，所需稀土主要是钕，用于生产稀土永磁材料。2009年我国风电装机总容量已经超过2010年的规划目标，估计我国风力发电规模会远远超过规划目标，2010～2020年期间我国风力发电行业对稀土金属实际需求量很可能是按规划估算需求量的2倍以上，对玻璃纤维和碳纤维实际需求量是估算的2倍多。为此建议国土资源部相关部门应充分调查我国风力发电行业现状和发展计划，准确的估算我国风力发电行业对稀土金属等产品的需求量，以保证正确控制稀土金属及其氧化物生产总量，为风电行业发展提供足够的高质量的矿物原料。然而长期以来,人们以风电电价高于火电电价为由，一直忽视风电作为清洁能源对于能源短缺和环境保护的意义，忽视了风电作为一项高新技术的巨大产业前景，更忽视了对于促进边远地区经济发展所能带来的巨大作用。在政策上，一是缺乏风电发展目标和可实行的战略规划；二是缺乏有效的经济激励政策和强有力的体制保障；国内外风力发电技术现状热工09-1李方遒9三是缺乏鼓励风机国产化的政策措施；四是缺乏有效的投融资体制；五是中国的电网公司垄断性很强，缺乏政府指导下的风电采购政策，民营企业投资的“风电上网”还存在体制性障碍；六是缺乏强有力的宣传，公众对可再生资源的认识不足。其次，在技术上．一是目前还没有中国风力资源的全面监测分析报告，大规模商业化风力发电缺乏科学性风场评估的可行性论证支持；二是风力资源发电时段比较集中，由于风电的不稳定性使其电网的终端机无法解决电力峰谷的巨大落差；三是中国风力资源主要集中在内蒙古，西北地区，以及沿海等地区，存在风电和电网的连接以及储能问题，大量风电输送到电力需求企业面临困难；四是季风气候对风力发电上存在影响；五是我国风机设备制造水平较低，已经成为国际主流机型的兆瓦级机组在我国尚处于研制阶段，大型风机只能依赖进口或与外商合作生产。目前，中国除台湾省外累计风电机组1864台，装机容量1.266万kW，风电场62个。中国“十一五”国家科技支撑计划重大项目“大功率风电机组研制与示范”支持1.5～2.5MW、2.5MW以上双馈式变速恒频风电机组的研制;1.5～2.5MW、2.5MW以上直驱式变速恒频风电机组的研制；1.5MW以上风电机组叶片，齿轮箱、双馈式发电机，直国内外风力发电技术现状热工09-1李方遒10驱式永磁发电机的研制及产业化;1．5MW以上双馈式风电机组控制系统及变流器、直驱式风电机组控制系统及变流器的研制及产业化；近海风电场建设关键技术的研究；近海风电机组安装及维护专用设备的研制；大型风电机组相关标准制定及风电技术发展分析等16个课题的研究。“十一五”末，我国风电技术的自主研发能力将接近世界前沿水平。2009年中国分省市风电累计装机容量统计省（自治区、直辖市）2008年累计（MW）2009新增（MW）2009年累计（MW）内蒙古3650.995545。179196.16河北1107.71680.42788.1辽宁1224.261201.052425.31吉林1