第1章 緒論

1.1 風能與風力發電

1.1.1 風能資源及分布

隨著煤、石油和天然氣等化石燃料資源的日益減少，空氣污染、水源枯竭、地球溫室效應等環境問題日趨嚴重，風力發電作為可再生的、無污染的、技術成熟的清潔能源，受到人們越來越多的重視。全球可利用的風能資源非常豐富，風能總量比地球上可開發利用的水能總量大10倍以上。

風能資源潛力的大小是風能利用的關鍵，收集能量的成本是由風力發電機組設備的成本、安裝費用和維護費等與實際的產能量所確定的。因此，選擇一種風力發電機組，不但要著重考慮節省基本投資，而且要根據當地風能資源選擇適當的風力發電機組。使風力發電機組與風能資源二者相匹配，才能獲得最大的經濟效益。評價風能資源的指標主要有風速、年利用小時數和平均風能密度等。

1981年，世界氣象組織（WMO）主持繪制了一份世界范圍的風能資源圖，該圖給出了不同區域的平均風速和平均風能密度。但由于風速會隨季節、高度、地形等因素的不同而變化，因此各地區風的資源量只是一個近似評估。風能利用是否經濟取決于風力發電機組輪轂中心高處最小年平均風速，這一界線值目前大約取為5m/s，根據實際的利用情況，這一界線值可能高一些或低一些，例如，由于風力發電機組制造成本降低以及常規能源價格的提高，或者考慮生態環境，這一界線值有可能會下降。

在全球范圍內，高風速從海面向陸地吹，由于地面的粗糙度，使風速逐步降低。在沿海地區，風能資源很豐富，向陸地不斷延伸。相等的年平均風速隨高度變化，其趨勢總是向上移動。根據風能資源估計，地球陸地表面1.07×108km2中27%的面積平均風速高于5m/s（距地面10m處），這部分面積總共約為3×107km2。表1-1給出了地面平均風速高于5m/s在世界各地區所占的比例和面積。

中國地域遼闊，風能資源豐富，據測算，在距地面10m高處我國風能理論資源儲量為32.26億kW。實際可供開發的量按風能資源儲量的1/10估計，則可開發量為3.226億kW?？紤]到風力發電機組風輪的實際掃掠面積為圓形，對于1m直徑風輪的面積為0.25 ×π=0.785（m2），再乘以面積系數0.785，即為經濟可開發量。由此，得到全國風能經濟可開發量為2.53億kW。可利用小時數和有效風功率密度代表了風能資源豐歉的指標值。如果年利用小時數按2000～2500h計，風電的發電量可達5060億～6325億kW·h。

一般認為，可將風電場分為三類：年平均風速達6m/s時為較好；年平均風速達7m/s為好；年平均風速達8m/s以上為很好。我國現有風電場場址的年平均風速均達到6m/s以上。在全國范圍內相當于6m/s以上的地區，僅限于較少數幾個地帶。特別是東南沿海及其附近島嶼，不僅風能密度大，年平均風速也高，發展風能利用的潛力很大。就內陸而言，大約占全國總面積的1/100。這些地區是我國最大的風能資源區，包括山東半島、遼東半島、黃海之濱、南澳島以西的南海沿海、海南島和南海諸島、內蒙古從陰山山脈以北到大興安嶺以北、新疆達坂城和阿拉山口、河西走廊、松花江下游、張家口北部等地區以及分布各地的高山山口和山頂。

中國沿海水深在2～10m的海域面積很大，而且風能資源好，靠近我國東部主要用電負荷區域，適宜建設海上風電場。

由于我國風能豐富的地區主要分布在東南沿海和島嶼，以及西北、華北和東北的草原或戈壁，這些地區一般都缺少煤炭等常規能源。在時間上，冬春季風大、降雨量少，夏季風小、降雨量大，與水電的枯水期和豐水期有較好的互補性。表1-2列出了我國風能資源比較豐富的?。ㄗ灾螀^），可以看出，我國有比較大的發展利用風能的潛能。

1.1.2 風力發電原理及風力發電機組系統構成

把風能轉變為電能是風能利用中最基本的一種方式。風力發電機組一般由風輪、發電機（包括傳動裝置）、調向器、塔架、限速安全機構、儲能裝置和基礎等構件組成。風力發電的原理比較簡單，風輪在風力的作用下旋轉，把風的動能轉變為風輪軸的機械能，發電機在風輪軸的帶動下旋轉發電。風力發電機組有很多種分類方式，目前普遍流行的是水平軸風力發電機組，如圖1-1所示。

水平軸風力發電機組主要由風輪、輪轂、機艙、塔架和基礎幾部分組成。風輪是集風裝置，它的作用是把流動空氣具有的動能轉變為風輪旋轉的機械能。一般風力發電機組的風輪由2個或3個葉片構成。葉片在風的作用下，產生升力和阻力，設計優良的葉片可獲得大的升力和小的阻力。風輪葉片的材料因風力發電機組的型號和功率大小不同而定，如玻璃鋼、碳素纖維等。

在風力發電機組的機艙里主要有發電機、齒輪箱、偏航裝置、風向標、控制柜等。發電機是風力機產生電能的設備，由于發電機轉速高，風輪轉速低，風輪需通過齒輪箱增加轉速后才能使發電機得以正常工作；風向標測量風向發出信號給控制柜；控制柜控制風輪的對風、轉速等；偏航裝置按控制柜的信號推動風力機對風。

塔架和基礎是風力發電機組的支撐機構，它們將風輪支撐到能良好地捕獲風能的高度，并將所有荷載傳遞到地基上，是風力發電機組的重要組成部分。

風力發電機組的輸出功率與風速的大小有關。風力發電機組的性能特性是由風力發電機組的輸出功率曲線來反映的。風力發電機組的輸出功率曲線是風力發電機組的輸出功率與場地風速之間的關系曲線，用計算公式表示為

式中 P——風力發電機組的輸出功率，kW；

ρ——空氣密度，kg/m3；

D——風力發電機組風輪直徑，m；

v——場地風速，m/s；

CP——風輪的功率系數，一般在0.2～0.5，最大為0.593；

ηt——風力發電機組傳動裝置的機械效率；

ηg——風力發電機組的機械效率。

因而風能利用系數是評價風力發電機組性能的非常重要的指標。