第一章　緒論

第一節　風電能源的時代背景

一、風能

風能是空氣流動所產生的動能。由于地面各處受太陽輻照后氣溫變化不同和空氣中水蒸氣的含量不同，引起各地氣壓的差異，在水平方向高壓空氣向低壓地區流動，即形成風。

風就是水平運動的空氣。空氣產生運動，主要是由于地球上各緯度所接受的太陽輻射強度不同而形成的。在赤道和低緯度地區，太陽高度角大，日照時間長，太陽輻射強度大，地面和大氣接受的熱量多，溫度較高；高緯度地區太陽高度角小，日照時間短，地面和大氣接受的熱量小，溫度低。這種高緯度與低緯度之間的溫度差異，形成了南北之間的氣壓梯度，使空氣作水平運動，風應沿水平氣壓梯度方向吹，即垂直于等壓線從高壓向低壓吹。

由于地球的自轉，使空氣水平運動發生偏向的力，稱為地轉偏向力（科氏力），這種力使北半球氣流向右偏轉，南半球氣流向左偏轉。所以地球大氣運動除受氣壓梯度作用外，還要受地轉偏向力的影響，大氣運動是這兩個力綜合影響的結果。

實際上，地面風不僅受這兩個力的支配，而且在很大程度上受海洋、地形的影響。山隘和海峽不僅能改變氣流運動的方向，還能使風速增大；而丘陵、山地的摩擦使風速減小；孤立山峰卻因海拔高使風速增大。因此，風向和風速的時空分布較為復雜。

海陸的差異對氣流運動也會產生影響。在冬季，大陸比海洋冷，大陸氣壓比海洋高，風從大陸吹向海洋。夏季則相反，大陸比海洋熱，風從海洋吹向內陸。這種隨季節轉換的風稱為季風（圖1-1）。

所謂的海陸風，就是白晝時，大陸上的氣流受熱膨脹上升至高空流向海洋，到海洋上空冷卻下沉，在近地層海洋上的氣流吹向大陸，補償大陸的上升氣流，低層風從海洋吹向大陸稱為海風[圖1-2（a）]；夜間情況相反，低層風從大陸吹向海洋，稱為陸風[圖1-2（b）]。

在山區，白天山坡受熱快，溫度高于山谷上方同高度的空氣溫度，坡地上的暖空氣從山坡流向谷地上方，谷地的空氣則沿著山坡向上補充流失的空氣，這時由山谷吹向山坡的風稱為谷風[圖1-3（a）]。夜間山坡因輻射冷卻，其降溫速度較快，冷空氣沿坡地向下流入山谷，稱為山風[圖1-3（b）]。

此外，不同的下墊面對風也有影響，如城市、森林、冰雪覆蓋地區等都有相應的影響。光滑地面或摩擦小的地面使風速增大，粗糙地面使風速減小等。

風能資源決定于風能密度和可利用的風能年累積小時數。風能密度是單位迎風面積可獲得的風的功率，與風速的三次方和空氣密度成正比關系，即

v—風速，m/s。我國風能資源的分布與氣候背景有著非常密切的關系，我國風能資源豐富和較豐富的地區主要分布在兩個大帶里。

1.三北（東北、華北、西北）地區風能資源豐富區

三北地區風能資源豐富區，風能功率密度在200～300W/m2以上，有的可達500W/m2以上，如阿拉山口、達坂城、輝騰錫勒、錫林浩特的灰騰梁等，可利用的小時數在5000h以上，有的可達7000h以上。這一風能豐富帶的形成，主要是由于三北地區處于中高緯度的地理位置有關。

2.沿海及其島嶼風能資源豐富區

沿海及其島嶼風能資源豐富區，年有效風能功率密度在200W/m2以上，風能功率密度線平行于海岸線。沿海島嶼風能功率密度在500W/m2以上，如臺山、平潭、東山、南鹿、大陳、嵊泗、南澳、馬祖、馬公、東沙等，可利用小時數為7000～8000h。但是，在東南沿海，由于海岸向內陸是丘陵連綿，其風能豐富地區僅在海岸50km之內，再向內陸不但不是風能豐富區，反而成為全國最小風能區，風能功率密度僅50W/m2左右，基本上是風能不能利用的地區。

3.內陸風能資源豐富區

除兩個風能豐富帶之外，其余地區的風能功率密度一般在100 W/m2以下，可以利用小時數為3000h以下。但是在一些地區由于湖泊和特殊地形的影響，風能也較豐富，如鄱陽湖附近較周圍地區風能大，湖南衡山、安徽黃山、云南太華山等地較平地風能為大。但是這些只限于很小范圍之內，不像兩大帶那樣大的面積，特別是三北地區面積更大。

青藏高原海拔4000m以上，這里的風速比較大，但空氣密度小，如在海拔4000m的空氣密度大致為地面空氣密度的67%，也就是說，同樣是8m/s的風速，在平原上風能功率密度為313.6W/m2，而在海拔4000m處只為209.9W/m2，雖然這里年平均風速在3～5m/s，其風能仍屬一般地區。

二、風電的發展

風能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。其蘊量巨大，全球的風能約為9

2.7410×MW，其中可利用的風能為7 2.7410×MW，比地球上可開發利用的水能總量還要大10倍。風能很早就被人們利用，主要是通過風車來抽水、磨面等。而現在，人們感興趣的是如何利用風能來發電。

隨著現代工業的飛速發展，人類對能源的需求明顯增加，而地球上可利用的常規能源日趨匱乏。同時，人口的增加，對能源的需求也越來越大，而以燃煤為主的火力發電，會大量排放CO2、SO2以及NOX等污染氣體，造成越來越嚴重的環境污染。

因此，人類需要解決人口、資源、環境的可持續發展問題。開發、利用新能源是實現能源持續發展的方向之一。風力發電以其無污染、可再生、技術成熟備受世人青睞，近幾年風力發電的增長速度位居各類能源之首。

19世紀末，丹麥仿造飛機的螺旋槳制造了二葉、三葉高速風力發電機并網發電（圖1-4），裝機容量雖然都在5kW以下，但卻開拓了將風能轉換成電能的先河。

1973年發生石油危機以后，美國、西歐等發達國家為尋求替代化石燃料的能源，投入大量經費，動員高科技產業，利用計算機、空氣動力學、結構力學和材料科學等領域的新技術研制現代風力發電機組，開創了風能利用的新時期。

我國利用風能發電始自20世紀70年代，中國發展微小型風力發電機為內蒙古、青海的牧民提水飲畜及發電照明，容量在50～500W不等，制造技術成熟。但是我國中、大型風力發電機發展起步較晚，直到20世紀80年代才開始自行研制。

目前，世界上一些發達國家每年幾乎以20%的增容速度發展著風電。至2012年，全球風力發電機總裝機容量達282430MW，同比增長18.7%（圖1-5）。其中，累計裝機容量位居全球前十位的國家有：中國（75564MW，26.8%）、美國（60007MW，21.2%）、德國（31332MW，11.1%）、西班牙（22796MW，8.1%）、印度（18421MW，6.5%）、英國（8445MW，3.0%）、意大利（8144MW，2.9%）、法國（7196MW，2.5%）、加拿大（6200MW，2.2%）、葡萄牙（4525MW，1.6%）。

2012年全球風電產業新增裝機容量高達44711MW，同比增長10.1%（圖1-6）。其中，新增裝機容量排名前十位的國家分別是：中國（13200MW，30%）、美國（13124MW， 29%）、德國（2439MW，5%）、印度（2336MW，5%）、英國（1897MW，4.2%）、意大利（1273MW，2.8%）、西班牙（1122MW，2.5%）、巴西（1077MW，2.4%）、加拿大（935MW，2.1%）、羅馬尼亞（923MW，2.1%）。

我國風能儲量很大、分布面廣，開發利用潛力巨大，這為發展中國的風電事業創造了十分有利的條件。我國2020年風電規劃裝機目標1.5億kW，屆時風力資源開發比例將達到75 %。

“十二五”期間，國家加大了海上風電開發力度，2011年啟動第二輪江蘇100萬kW海上特許權招標，并推動河北、山東、浙江、福建等省海上風電發展，將給風電行業帶來新的增長點。2012年，中國海上風電新增裝機46臺，容量達到127MW（表1-1），其中潮間帶裝機量為113MW，占海上風電新增裝機總量的89%（潮間帶是指大潮期的最高潮位和最低潮位間的海岸，即海水漲至最高時所淹沒的地方開始至潮水退到最低時露出水面的范圍）。

截至2012年年底，中國已建成的海上風電項目共計389.6MW（圖1-7），是除英國、丹麥以外海上風電裝機最多的國家。

三、風力發電技術發展趨勢

隨著風電技術的發展，風電機組單機容量不斷增大，近海風電技術、新型結構和材料、直接驅動技術、變槳變速恒頻發電技術成為世界風電機組技術發展的新趨勢。

1.機組容量

近年來，國際風電市場中風電機組的單機容量持續增大。隨著單機容量不斷增大和利用效率提高，國際上主流機型已經從2000年的500～1000kW增加到2009年的2～3MW。

我國主流機型已經從2005年的600～1000kW增加到2009年的850～2000kW，2009年我國陸地風電場安裝的最大風電機組為2MW。

近年來，海上風電場的開發進一步加快了大容量風電機組的發展，2008年年底，國際上已運行的最大風電機組單機容量已達到6MW，風輪直徑達到127m。目前，已經開始8～10MW風電機組的設計和制造。我國華銳風電科技有限公司的3MW海上風電機組已經在上海東海大橋海上風電場成功投入運行，5MW海上風電機組已在2010年10月底下線。目前，華銳、金風、東汽、國電聯合、湖南湘電、重慶海裝等公司都在研制5MW或6MW的大容量風電機組。

2.水平軸風電機組技術成為主流

因水平軸風電機組具有轉軸較短、風能轉換效率高、經濟性好等優點，使水平軸風電機組成為世界風電發展的主流機型，并占到95%以上的市場份額。同期發展的垂直軸風電機組因轉軸過長、風能轉換效率不高，啟動、停機和變槳困難等問題，使其應用受到影響。但由于其全風向對風、變速裝置及發電機可以置于風輪下方或地面等優點，近年來，國際上相關研究和開發也在不斷進行并取得一定進展。

3.變槳變速功率調節技術得到廣泛應用

由于變槳距功率調節方式具有載荷控制平穩、安全和高效等優點，近年在大型風電機組上得到了廣泛應用。結合變槳距技術的應用以及電力電子技術的發展，大多風電機組開發制造廠商開始使用變速恒頻技術，并開發出了變槳變速風電機組，使得在風能轉換上有了進一步完善和提高。2009年，在全球所安裝的風電機組中有95%的風電機組采用了變槳變速方式，而且比例還在逐漸上升。我國2009年安裝的兆瓦級風電機組中，也全部是變槳距機組。2MW以上的風電機組大多采用三個獨立的電控調槳機構，通過三組變速電機和減速箱對槳葉分別進行閉環控制。

4.雙饋異步發電技術仍占主導地位

以丹麥Vestal公司的V80、V90為代表的雙饋異步發電型變速風電機組，在國際風電市場中所占的份額最大，德國Repower公司利用該技術開發的機組單機容量已經達到5MW。德國西門子股份公司、德國Nordex公司、西班牙Gamesa公司、美國GE風能公司和印度Suzlon公司都在生產雙饋異步發電型變速風電機組。2009年新增風電機組中，雙饋異步發電型變速風電機組仍然占80%以上。目前，歐洲正在開發10MW的雙饋異步發電型變速恒頻風電機組。

2009年我國新增風電機組中，雙饋異步發電型變速風電機組仍然占82%以上。

5.直驅式、全功率變流技術得到迅速發展

無齒輪箱的直驅方式能有效地減少由于齒輪箱問題而造成的機組故障，可有效提高設備的運行可靠性和壽命，減少維護成本，因而得到了市場的青睞。采用無齒輪箱系統的德國Enercon公司在2009年仍然是德國、葡萄牙風電產業的第一大供應商和印度風電產業的第二大供應商，在新增風電裝機容量中，Enercon公司已占本國市場份額的55%以上。德國西門子股份公司已經在丹麥的西部安裝了兩臺3.0MW的直驅式風電機組。其他主要制造企業也在積極開發研制直驅風電機組。我國新疆金風科技有限公司與德國Wensys公司合作研制的1.5MW直驅式風電機組，已有上千臺安裝在風電場。

2009年新增大型風電機組中，直驅式風電機組已超過17%。

伴隨著直驅式風電系統的出現，全功率變流技術得到了發展和應用。應用全功率變流的并網技術，使風輪和發電機的調速范圍擴展到0～150%的額定轉速，提高了風能的利用范圍。由于全功率變流技術對低電壓穿越技術有很好且簡單的解決方案，對下一步發展占據了優勢。與此同時，半直驅式風電機組也開始出現在國際風電市場上。在軸承支撐方式上，單個回轉支承軸承代替主軸和兩軸承成為某些2MW以上機組的選擇，如富蘭德的2.5MW機組，這說明無主軸系統正在成為歐洲風電機組發展的一個新動向。

6.大型風電機組關鍵部件的性能日益提高

隨著風電機組的單機容量不斷增大，各部件的性能指標都有了提高，國外已研發出3～12kV的風力發電專用高壓發電機，使發電機效率進一步提高，高壓三電平變流器的應用，大大減少了功率器件的損耗，使逆變效率達到98%以上。某些公司還對槳葉及變槳距系統進行了優化，如德國Enercon公司在改進槳葉后使葉片的功率系數CP值達到了0.5以上。從2007年胡蘇姆風能展的情況看，歐洲風電設備的產業鏈已經形成，為今后的快速發展奠定了基礎。

7.智能化控制技術的應用加速提高了風電機組的可靠性和壽命

風電機組的極限載荷和疲勞載荷是影響風電機組及部件可靠性和壽命的主要因素之一，近年來，風電機組制造廠家與有關研究部門積極研究風電機組的最優運行和控制規律，通過采用智能化控制技術，與整機設計技術結合，努力減少和避免風電機組運行在極限載荷和疲勞載荷，并逐步成為風電控制技術的主要發展方向。

8.葉片技術發展趨勢

隨著風電機組尺寸的增大，葉片的長度也變得更長，為了使葉片的尖部不與塔架相碰，設計的主要思路是增加葉片的剛度。為了減少重力和保持頻率，則需要降低葉片的重量。好的疲勞特性和好的減振結構有助于保證葉片長期工作的壽命。

葉片狀況檢測設備的開發和應用，可在葉片結構中的裂紋發展成致命損壞之前或風電機組整機損壞之前警示操作者。

為了增加葉片的剛度并防止它由于彎曲而碰到塔架，在長度大于50m的葉片上廣泛使用強化碳纖維材料。

智力材料例如壓電材料將被使用以使葉片的氣動外形能夠快速變化。

為了減少葉片和整機上的疲勞負荷，可控制的尾緣小葉會被逐步引入葉片市場。

熱塑材料的應用：用玻璃鋼、碳纖維和熱塑材料的混合紗絲制造葉片，這種紗絲鋪進模具，加熱模具到一定溫度后，塑料就會融化，并將紗絲轉化為合成材料，可使葉片生產工期縮短50%。

9.風電場建設和運營的技術水平日益提高

隨著投資者對風電場建設前期的評估工作和建成后運行質量的越來越高的要求，國外已經針對風資源的測試與評估開發出了許多先進測試設備和評估軟件，在風電場選址方面已經開發了商業化的應用軟件。在風電機組布局及電力輸配電系統的設計上也開發出了成熟軟件。國外還對風電機組和風電場的短期及長期發電量預測做了很多研究，取得了重大進步，預測精確度可達90%以上。

10.惡劣氣候環境下的風電機組可靠性得到重視

我國的北方具有沙塵暴、低溫、冰雪、雷暴，東南沿海有臺風、鹽霧，西南地區具有高海拔等惡劣氣候特點。惡劣氣候環境會對風電機組造成很大的影響，包括增加維護工作量，減少發電量，嚴重時還導致風電機組損壞。因此，在風電機組設計和運行時，必須要有一定的防范措施，以提高風電機組抗惡劣氣候環境的能力，減少損失。我國的風電機組研發單位在防風沙、抗低溫、防雷擊、抗臺風、防鹽霧等方面進行了研究，以確保風電機組在惡劣氣候條件下能可靠運行，提高發電量。

11.低電壓穿越技術得到應用

隨著風電機組單機容量的不斷增大和風電場規模的不斷擴大，風電機組與電網間的相互影響已日趨嚴重。一旦電網發生故障，迫使大面積風電機組因自身保護而脫網的話，將嚴重影響電力系統的運行穩定性。

隨著接入電網的風力發電機容量的不斷增加，電網對其要求越來越高，通常情況下，要求發電機組在電網故障出現電壓跌落的情況下不脫網運行，并在故障切除后能盡快幫助電力系統恢復穩定運行，也就是說，要求風電機組具有一定低電壓穿越能力。

隨著風力發電裝機容量的不斷增大，很多國家的電力系統運行導則對風電機組的低電壓穿越能力做出了規定。我國的風電機組在電網電壓跌落情況下，也必須采取相應的應對措施，確保風電系統的安全運行并實現低電壓穿越功能。

四、風電發展存在的問題

目前，風力發電技術、儲存技術、聯網控制技術，部分已得到了解決。風電已成為西歐各國實施減排的主要替代綠色能源，但仍存在一問題，制約著風電的發展。

1.風電投資成本高

風電投資成本是煤電的2倍。煤電平均投資為4500元/kW，風電約9000元/kW。風電平均電價高于煤電，煤電0.36元/（kW·h），而風電為0.56元/（kW·h）。電價高是影響并網發電積極性的原因之一。

2.風電是一種不穩定電源

風與季節、氣象有關。風小、無風發不了電，風太大也不行。煤電滿負荷發電4820h，設備使用效率約55%，而一般風電場發電效率相當于滿負荷2000h，設備使用效率約23%，還不到煤電發電的一半。也就是說風電每千瓦容量投資比煤電高一倍，而設備使用效率還不到煤電的一半。

3.風電對控制要求很高

由于風機隨風力大小發出不同頻率和電壓的電，難以入網和使用，需要變成直流，再換流成和電網一樣的頻率、相位和電壓才能入網。目前風力發電電子控制部分仍然是依靠引進和進口。

另外，風電入網會產生電壓閃變、高次諧波和無功功率需求等問題。一般認為風電占當地電網容量的10%～15%就會干擾電網正常運行，這是世界性技術難題，大家都在進行探索研究，丹麥風電已占其電網容量20%，但其風電入網容量僅占總容量的50%，其余50%是離網性容量，直接向企業、居民等供電。

風電機組運行時產生的噪聲、電磁輻射可能對環境有一定的影響。此外，風電機組旋轉的葉輪可能影響鳥類的棲息，如靠近風景區對景觀有一定的影響。

但是，風力發電過程不產生廢氣、廢水、固體廢棄物等污染物。風電作為可規模化開發的清潔可再生能源，開發利用可節約和替代大量化石能源，顯著減少溫室氣體和污染物排放，改善能源結構。按2015年發電量測算，年節能約6000萬t標準煤，減少二氧化碳排放1.5億t，減少硫化物排放150萬t，節約用水約5億m3，環境和社會效益顯著。我國風能資源主要分布在西北、東北和華北地區，通過大規模開發這些地區的風能資源，可以顯著促進當地經濟發展，加快落后地區脫貧致富，促進地區間經濟社會均衡和諧發展。