风电科普知识

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1、风电科普知识一、风电行业一些基础知识风能是一种干净的、储量丰富、可再生的能源。风能发电的主要 形式有三种：一是独立运行；二是风力发电与其他发电方式（如柴油 机发电）相结合；三是风力并网发电。小型独立风力发电系统一般不并网发电，只能独立使用，单台装机 容量约为100 瓦-5 千瓦，通常不超过10 千瓦。它的构成为：风力发 电机充电器数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片 组成。叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着 来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾 翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生 电能。因风量不稳定，故小型风力发电

2、机输出的是1325v变化的交 流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能 变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变 成交流220v市电，才能保证稳定使用。德国、丹麦、西班牙等国家的企业开发建立了评估风力资源的测 量及计算机模拟系统，发展变桨距控制及失速控制的风力机设计理 论，采用新型风力机叶片材料及叶片翼型，研制出变极、变滑差、变 速恒频及低速永磁等新型发电机，开发了由微机控制的单台及多台风 力发电机组成的机群的自动控制技术，从而大大提高了风力发电的效 率及可靠性。在此基础上，风力发电机单机装机容量可以达到600 千 瓦以上。不少国家建立了众多的中型及大型

3、风力发电场，并实现了与 大电网的对接。 现代风力发电机多为水平轴式。一部典型的现 代水平轴式风力发电机包括叶片、轮毂（与叶片合称叶轮）、机舱罩、 齿轮箱、发电机、塔架、基座、控制系统、制动系统、偏航系统、液 压装置等。其工作原理是：当风流过叶片时，由于空气动力的效应带 动叶轮转动，叶轮透过主轴连结齿轮箱，经过齿轮箱（或增速机）加速 后带动发电机发电。目前也有厂商推出无齿轮箱式机组，可降低震动、 噪音，提高发电效率，但成本相对较高。风力发电机并不能将所有流经的风力能源转换成电力，理论上最 高转换效率约为 59%，实际上大多数的叶片转换风能效率约介于 30-50%之间，经过机电设备转换成电能后的总

4、输出效率约为 20-45%。 一般市场上风力发电机的启动风速约为米/秒，于风速 12-15 米/秒时 达到额定的输出容量。当风速更高时，风力发电机的控制机构将电力 输出稳定在额定容量左右，为避免过高的风速损坏发电机，大多于风 速达 20-25 米/秒范围内停机。一般采用旋角节制或失速节制方式来 调节叶片之气动性能及叶轮的输出。依据目前的技术，3 米/秒左右的 风速（微风的程度）便可以进行发电。但在进行风场评估时，通常要求 离地 10 米高的年平均风速达到米/秒以上。风机叶片从风的流动获得的能量与风速的三次方成正比。风速之 外，叶轮直径决定了可撷取风能的多寡，约与叶轮直径平方成正比。 叶片的数量

5、也会影响到风机的输出。一般来说，2 叶、3 叶风机效率 较高，力矩较低，适用于发电。此外。现代风机的叶片多采用机翼的 翼型。近年来，风电机组技术改进的主要方向是降低制造成本、提高单 机容量、提高风能转换效率、自动控制等。主流风电机组的单机容量 为 600-2000 千瓦，容量越大，发电效率越高，技术难度越大。目前， 国内单机容量 750-2000 千瓦的机组最受欢迎。国外正在开发、应用 的机组单机容量是3000-5000千瓦。2003 年，德国 enercon 公司安装 了第一台 4500 千瓦的风电机组样机。风电的优劣之处风电的优点包括：(1)、利用自然界的可再生能源，干净无污染，无须 燃料

6、；(2)、运行成本低，风电机组的设计寿命约为 20-25 年，运行和 维护的费用通常相当于机组总成本的3%-5%；(3)、建设周期短，若不 计测风，快者一年左右可建成。它的主要不足有三：(1) 、选址时对自然环境(风速)要求较高，光测风阶段就要历时一 年以上；风场占地面积通常在几百亩到几千亩，与火电相比，单位土 地面积的发电出力相差较大(尽管风机塔架周围的土地仍可进行其它 利用)；风力大的地区通常人口稀少，离电力负荷中心较远，对电网 输送要求较高；(2) 、出力不稳定(取决于不可控的风速)，利用小时数低(通常为 2000 小时/年左右)，通常认为风力发电量占电网总电量的比重不能过 高(10-1

7、2%，也有人说是 20%)，否则会影响电网稳定。2003 年德国曾经因为风电出力骤减导致电价上涨20%。有些人 认为，丹麦的经验表明，风电能占到电网20%以上的发电量比重。其 实不尽然。丹麦也有它的特殊情况。它的风电夏季发电量仅为冬季的 一半，而夏季用电需求弱于冬季；夏季白天发电量较夜间大，白天用 电需求正好也高于夜间；冬季夜间发电量最大，此时的用电需求正好 也在高位。而在台湾，夏天白天是全年用电高峰，此时风电出力反而 最低，仅及冬季的 10%左右。我国大陆多数地区也是冬春季节风速高， 夏季风速小；沿海地区还经常受到台风的侵扰（台风风速过大，不利 于发电）。（3）、一次性投资较火电大，上网电价

8、高于火电、水电。目前国内 风电场的千瓦造价通常要 800012000 元，比西方还高，原因之一是进口设备价格较贵。2002 年，采用当时先进的风电机组在最佳条 件下，欧洲每千瓦装机的投资成本为 832 欧元（现价折人民币 8428 元），每度电的成本为欧元合人民币不到元/度，我国火电成本通常为 元/度左右）。随着技术的进步，风电成本将会下降。有研究称，预期 风电成本会从欧元/度，下降至 2010 年的欧分/度（假设装机成本降至 628 欧元/千瓦）；到 2020 年，再降低至欧元/度（装机成本为 497 欧元 /千瓦）。届时，风力发电的成本已跟燃煤机组的成本相近。二、世界风电及风电设备发展概况

9、2006 年全球新装风电设备价值达 230 亿美元，已经形成了一个 很大的产业，行业规模的增大和快速发展吸引了更多的企业投入风电 设备制造行业。预计至 2010 年和 2020 年全球风电设备市场容量将分 别达到 320 亿美元和 1200 亿美元。世界风能资源储量丰富斯坦福大学土木和环境系根据国家气象数据中心和预警实验室 19982002 年的风速和温度数据，得出：按80 米高度处米/秒的风速 计算，全球风能可利用资源量为72 万亿千瓦时。预计到 2020 年世界 电力需求上升到约 26 万亿千瓦时，到时即使只成功利用了三分之一 的风能资源，即可满足世界电力需求。目前，风能利用已经取得很大

10、进展，但仍然有许多技术难题需要克服，才能真正充分发挥利用风能 的潜力。风电成本持续下降由于技术的进步和产品批量的增加，风电的成本持续下降，每千 瓦时风电成本由20世纪80 年代的20美分下降到21世纪初的5美分 左右。随着技术的进步和风机制造中规模效应的发挥，风力发电成本 尚有很大的下降空间。预计到2010年，风力发电成本还可以下降30%， 风电成本持续下降，已经接近常规能源成本。根据风电发展的迅猛势 头，机构预计2020 年前，全球风电累计装机将以20%的复合增长率 增长。欧洲风能协会和绿色和平组织曾发表题为风力 12：关于 2020 年风电达到世界电力总量 12%的蓝图的报告，这份情景报告

11、认为， 世界风能资源足够，风电上网没有实质性障碍，到2020 年风电装机 可达到亿千瓦，风电电量达万亿千瓦时，占 2020 年总发电量的 12%； 这是一个惊人的数字，是目前风电总装机的17 倍，能否实现取决于 世界各国政府的决策。2006 年全球新装风电设备价值达230 亿美元，已经形成了一个 很大的产业，行业规模的增大和快速发展吸引了更多的企业投入风电 设备制造行业。预计至2010年和2020 年全球风电设备市场容量将分 别达到 320 亿美元和1200 亿美元。世界各国风电发展现状世界风电装机容量的增长，20 世纪 80 年代主要集中在美国。但 从 1986 年起，美国过早地停止了对发展

12、风电的优惠政策，而 90 年代 初，欧洲一些国家却建立了较全面的支持可再生能源政策，所以，90 年代以后，欧洲取得了更快的发展，至2006年底，约48000mw风机 安装在欧洲，占全球%。另外在发展中国家，印度的风力发电也得到 了迅速发展， 2006 年以 6270mw 的总装机容量居全球第四。尽管全世界风能发电去年增长幅度很大，但各地区发展并不平 衡，与其他地区相比，欧洲的风能发电发展最快，其中，德国的风能 发电能力为兆瓦，占全欧洲风能发电能力的一半左右。美国：发挥技术和装备优势。据报道，美国将利用其技术和装备 优势，使风能发电发挥更重要的作用。美国能源部新能源管理机构最 近指出，尽管目前风

13、能发电仅占全美电力生产比重的，但这一比重 在 2010 年可达， 2020 年后可达 15。近年来，美国风力发电技术已有重大改进，主要表现在：改进了 风力发电设备的叶片设计，普遍使用风向传感元件、采用自动控制系 统，减少了人力和降低了成本。据报道，美国政府正在大力推动风力发电设备制造业，使其成为 21世纪重要基础能源装备产业。据预测， 2010年以前，美国以及欧 洲将出现风力发电设备更新换代高潮，届时将有大批陈旧的风力发电 设备被淘汰，因此风力发电设备市场前景十分乐观。欧洲：进入快速增长时期在欧洲许多国家，人们均可看到高高耸立的风力发电设备。它们 犹如超级电线杆，静静地站在路旁、河边、农田里或

14、山岗上。近年来， 欧洲国家不断促进风能的发展，风能利用在一些国家已初具规模。德 国是发展和利用风能较早的国家，自上世纪90 年代以来，德国总共 建立了 6600 座风力电站。德国政府计划，今后每年都将以30的速 度增长，每年增长的风力发电量超过1000 兆瓦。丹麦靠近北海，是多风之国，也是最早发展风力发电站的国家。 20 多年来，丹麦在利用风能方面一直处于领先地位。20世纪90年代 以来，特别是近10 年，丹麦风力发电量的增长率均在30以上。欧洲近年来风力发电设备生产已进入快速增长时期。除德国外， 荷兰、丹麦、瑞典、法国、挪威、芬兰、意大利和西班牙等国家也出 台了5 年、10年风力发电普及计划

15、。亚洲、拉美：落后北美洲和西欧亚洲风力发电的发展目前明显落后于北美洲和西欧。但国际能源 专家认为，这并不意味着亚洲的风力发电设备市场就无所作为。日本 政府一再重申发展再生能源的重要性，仅 19992003 年日本与西欧有 关风能开发技术、开展合作的项目就达55 个。此外，亚洲的印度、 中国、巴基斯坦、泰国、印尼、韩国和菲律宾等国家，最近5 年在风 能开发应用方面的投资也有较大增长。印度过去 3 年利用世界银行亿 美元的贷款，用于建造风力发电设备制造工厂和引进技术。拉美也是世界上近几年风能开发利用进展较快的地区。该地区的 巴西、阿根廷、智利、委内瑞拉和巴拉圭，过去5 年在风能开发方面 的投资年均

16、增长，高于亚洲地区。全球风力发电2003年以前的5 年里，风电成本下降约20%，是可再生能源技 术中成本降低最快的技术之一。1997-2006 年，全球风电装机容量年 平均增长率约为 25%。至 2006 年底，全球风电装机容量约为 7400 万千瓦，其中欧洲最多，占比略高于50%。2006 年全球风电新增装 机 1500 万千瓦。目前，风力发电量约占世界总电量的% ，预计到 2020 年风力发电量比重可升至 12%。丹麦btm咨询公司2005年5月所做的市场预测报告称，全球2005 年至 2009 年新安装机组容量年平均增长率为%；亮点主要在于美国 市场和亚洲主要市场的增长；2009 年之后预计2010-2014 年的年增长 率为%。从全球范围来看，风力发电发展较好、较快的国家有德国、西班 牙、美国、丹麦、印度等，它们同时也是风电设备的制造大国。其中， 德国装机已超过1700万千瓦。2005 年底我