關(guān)于國內(nèi)外風(fēng)能技術(shù)的研究開發(fā)現(xiàn)狀

【專家解說】：國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展 來源：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)新能源技術(shù)研究所 作者：田德 發(fā)布時間：2007.09.11 風(fēng)能是一種可再生的清潔能源。近30年來，國際上在風(fēng)能的利用方面，無論是理論研究還是應(yīng)用研究都取得了重大進步。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)日臻完善，并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機單機額定功率最大已經(jīng)到5MW，葉輪直徑達到126m。截止2005年世界裝機容量已達58,982MW，風(fēng)力發(fā)電量占全球電量的1%。中國成為亞洲風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要推動者之一，其總裝機容量居世界第8位，2005年新增裝機容量居世界第6位。今后，國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度將明顯加快。 1 引 言 風(fēng)是最常見的自然現(xiàn)象之一，是太陽對地球表面不均衡加熱而引起的“空氣流動”，流動空氣具有的動能稱之為風(fēng)能。因此，風(fēng)能是一種廣義的太陽能。據(jù)世界氣象組織（WMO）和中國氣象局氣象科學(xué)研究院分析，地球上可利用的風(fēng)能資源為200億kW，是地球上可利用水能的20倍。中國陸地10m高度層可利用的風(fēng)能為2.53億kW，海上可利用的風(fēng)能是陸地上的3倍，50m高度層可利用的風(fēng)能是10m高度層的2倍，風(fēng)能資源非常豐富。 風(fēng)能是一種技術(shù)比較成熟、很有開發(fā)利用前景的可再生能源之一[1]。風(fēng)能的利用方式不僅有風(fēng)力發(fā)電、風(fēng)力提水，而且還有風(fēng)力致熱、風(fēng)帆助航等。因此，開發(fā)利用風(fēng)能對世界各國科技工作者具有極強的魅力，從而喚起了世界眾多的科學(xué)家致力于風(fēng)能利用方面的研究。在本文中，將對國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行論述。 2 風(fēng)力發(fā)電基本知識 2.1 風(fēng)能的計算公式 空氣運動具有動能。風(fēng)能是指風(fēng)所具有的動能。如果風(fēng)力發(fā)電機葉輪的斷面積為A，則當(dāng)風(fēng)速為V的風(fēng)流經(jīng)葉輪時，單位時間風(fēng)傳遞給葉輪的風(fēng)能為 （1） 其中：單位時間質(zhì)量流量m=ρAV （2） 在實際中， （3） 式中： PW—每秒空氣流過風(fēng)力發(fā)電機葉輪斷面面積的風(fēng)能，即風(fēng)能功率，W； Cp—葉輪的風(fēng)能利用系數(shù)； hm—齒輪箱和傳動系統(tǒng)的機械效率，一般為0.80—0.95，直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機為1.0； he—發(fā)電機效率，一般為0.70—0.98； r—空氣密度，kg/m3； A—風(fēng)力發(fā)電機葉輪旋轉(zhuǎn)一周所掃過的面積，m2； V—風(fēng)速，m/s。 2.2 貝茨（Betz）理論 第一個關(guān)于風(fēng)輪的完整理論是由德國哥廷根研究所的A·貝茨于1926年建立的。 貝茨假定風(fēng)輪是理想的，也就是說沒有輪轂，而葉片數(shù)是無窮多，并且對通過風(fēng)輪的氣流沒有阻力。因此這是一個純粹的能量轉(zhuǎn)換器。此外還進一步假設(shè)氣流在整個風(fēng)輪掃掠面上的氣流是均勻的，氣流速度的方向無論在風(fēng)輪前后還是通過時都是沿著風(fēng)輪軸線的。 通過分析一個放置在移動空氣中的“理想”風(fēng)輪得出風(fēng)輪所能產(chǎn)生的最大功率為 （4） 式中：Pmax—風(fēng)輪所能產(chǎn)生的最大功率； —空氣密度，kg/m3； A—風(fēng)力發(fā)電機葉輪旋轉(zhuǎn)一周所掃過的面積，m2； V—風(fēng)速，m/s。 這個表達式稱為貝茨公式。其假定條件是風(fēng)速與風(fēng)輪軸方向一致并在整個風(fēng)輪掃掠面上是均勻的[2]。 將(4)式除以氣流通過掃掠面A時風(fēng)所具有的動能，可推得風(fēng)力機的理論最大效率 （5） (5)式即為有名的貝茲（Betz）理論的極限值。它說明，風(fēng)力機從自然風(fēng)中所能索取的能量是有限的，其功率損失部分可以解釋為留在尾流中的旋轉(zhuǎn)動能。 能量的轉(zhuǎn)換將導(dǎo)致功率的下降，它隨所采用的風(fēng)力機和發(fā)電機的型式而異，因此，風(fēng)力機的實際風(fēng)能利用系數(shù)Cp<0.593[3]。 2.3 溫度、大氣壓力和空氣密度 通過溫度計和氣壓計測試出實驗地點的環(huán)境溫度和大氣壓，由下式計算出空氣密度。 （6） 式中：ρ—空氣密度，kg/m3； h—當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?，Pa； t—溫度，℃。 從空氣密度公式可以看出，空氣密度的大小與大氣壓力、溫度有關(guān)。 2.4 風(fēng)力機的主要組成 1) 小型風(fēng)力發(fā)電機 小型水平軸風(fēng)力機主要組成部分有：風(fēng)輪、發(fā)電機、塔架、調(diào)向機構(gòu)、蓄能系統(tǒng)、逆變器等。 （1）風(fēng)輪 風(fēng)輪是風(fēng)力機從風(fēng)中吸收能量的部件，其作用是把空氣流動的動能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的機械能。水平軸風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)輪是由1~3個葉片組成的。葉片的結(jié)構(gòu)形式多樣，材料因風(fēng)力機型號和功率大小而定，如木心外蒙玻璃鋼葉片、玻璃纖維增強塑料樹脂葉片等。 （2）發(fā)電機 在風(fēng)力發(fā)電機中，已采用的發(fā)電機有3種，即直流發(fā)電機、同步交流發(fā)電機和異步交流發(fā)電機。小型風(fēng)力發(fā)電機多采用同步或異步交流發(fā)電機，發(fā)出的交流電通過整流裝置轉(zhuǎn)換成直流電。 （3）塔架 塔架用于支撐 發(fā)電機和調(diào)向機構(gòu)等。因風(fēng)速隨離地面的高度增加而增加，塔架越高，風(fēng)輪單位面積捕捉的風(fēng)能越多，但造價、安裝費等也隨之加大。 （4）調(diào)向機構(gòu) 垂直軸風(fēng)力機可接受任何方向吹來的風(fēng)，因此不需要調(diào)向機構(gòu)。對于水平軸風(fēng)力機，為了得到最高的風(fēng)能利用效率，應(yīng)用風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)面經(jīng)常對準(zhǔn)風(fēng)向，需要對風(fēng)裝置。常用的調(diào)向機構(gòu)主要有尾舵、舵輪、電動對風(fēng)裝置。 （5）限速機構(gòu) 當(dāng)風(fēng)速高于風(fēng)力機的設(shè)計風(fēng)速時，為了防止葉片損壞，需要對風(fēng)輪轉(zhuǎn)速進行控制。 （6）貯能裝置 貯能裝置對獨立運行的小型風(fēng)力機是十分重要的。其貯能方式有熱能貯能、化學(xué)能貯存。 （7）逆變器 用于將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，以滿足交流電氣設(shè)備用電的要求。 2) 大型風(fēng)力發(fā)電機 大型風(fēng)力發(fā)電機組由兩大部分組成：氣動機械部分和電氣部分。氣動機械部分包括風(fēng)輪、低速軸、增速齒輪箱、高速軸，其功能是驅(qū)動發(fā)電機轉(zhuǎn)子，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能。電氣部分包括異步發(fā)電機、電力電子變頻器、變壓器和電網(wǎng)，其功能是將機械能轉(zhuǎn)換為頻率恒定的電能。近年來，又研制成功了直驅(qū)式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組（無增速齒輪箱）。 3 風(fēng)力機與風(fēng)力發(fā)電技術(shù) 3.1 風(fēng)力機與風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展史 風(fēng)能，是人類最早使用的能源之一。遠在公元前2000年，埃及、波斯等國已出現(xiàn)帆船和風(fēng)磨，中世紀(jì)荷蘭與美國已有用于排灌的水平軸風(fēng)車。我國是世界上最早利用風(fēng)能的國家之一，早在距今1800年前，我國就有風(fēng)力提水的記載。1890年丹麥的P·拉庫爾研制成功了風(fēng)力發(fā)電機，1908年丹麥已建成幾百個小型風(fēng)力發(fā)電站。自二十世紀(jì)初至二十世紀(jì)六十年代末，一些國家對風(fēng)能資源的開發(fā)，尚處于小規(guī)模的利用階段[4]。 隨著大型水電、火電機組的采用和電力系統(tǒng)的發(fā)展，1970年以前研制的中、大型風(fēng)力發(fā)電機組因造價高和可靠性差而逐漸被淘汰，到二十世紀(jì)六十年代末相繼都停止了運轉(zhuǎn)。這一階段的試驗研究表明，這些中、大型機組一般在技術(shù)上還是可行的，它為二十世紀(jì)七十年代后期的大發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 1980年以來，國際上風(fēng)力發(fā)電機技術(shù)日益走向商業(yè)化。主要機組容量有300kW、600kW、750kW、850kW、1MW、2MW。1991年丹麥在Vindeby建成了世界上第一個海上風(fēng)電場，由11臺丹麥Bonus 450kW單機組成，總裝機4.95MW。隨后荷蘭、瑞典、英國相繼建成了自己的海上風(fēng)電場。 目前，已經(jīng)備離岸風(fēng)力發(fā)電設(shè)備商業(yè)生產(chǎn)能力的廠家，主要有丹麥的Vestas（包括被其整合的NEG-Micon），美國的GE風(fēng)能，德國的Nordex、Repower、Pfleiderer/Prokon、Bonus和德國著名的Enercon公司。單機額定功率覆蓋范圍從2MW、2.3MW、3.6MW、4.2MW、4.5MW到5MW。葉輪直徑從80m、82.4m、100m、110m、114m、116m到126m。 3.2 風(fēng)力機的種類 風(fēng)力發(fā)電機是把風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，鑒于風(fēng)力發(fā)電機種類繁多，因此分類法也是多種。按葉片數(shù)量分，單葉片，雙葉片，三葉片，四葉片和多葉片；按主軸與地面的相對位置分，水平軸、垂直軸(立軸)式；按槳葉工作原理分，升力型、阻力型。目前風(fēng)力發(fā)電機三葉片水平軸類型居多。 水平軸風(fēng)力機，風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向平行，如圖1所示；垂直軸風(fēng)力機，風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直于地面或氣流方向，如圖2所示。 4 國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀 4.1 世界風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀 目前，中、大型風(fēng)力發(fā)電機組已在世界上40多個國家陸地和近海并網(wǎng)運行，風(fēng)電增長率比其它電源增長率高的趨勢仍然繼續(xù)。如表1所示，截止2005年12月31日世界裝機容量已達58,982MW，年裝機容量為11,310MW，增長率為24%；風(fēng)力發(fā)電量占全球電量的1%，部分國家及地區(qū)已達20%甚至更多。2005年世界風(fēng)電累計裝機容量最多的十個國家見表2，前十名合計51750.9MW，約占世界總裝機容量的87.7%。 2005年國際風(fēng)電市場份額的分布多樣化進程呈持續(xù)發(fā)展趨勢：有11個國家的裝機容量已高于1,000MW，其中7個歐洲國家（德國、西班牙、意大利、丹麥、英國、荷蘭、葡萄牙），3個亞洲國家（印度、中國、日本），還有美國。亞洲正成為發(fā)展全球風(fēng)電的新生力量，其增長率為48%[5]。 2002年歐洲風(fēng)能協(xié)會（EWEA）與綠色和平組織（Greenpeace International）發(fā)表了一份標(biāo)題為“風(fēng)力 12（Wind Force 12）”的報告，勾畫了風(fēng)電在2020年達到世界電量12%的藍圖。報告聲明這份文件不是預(yù)測，而是從世界風(fēng)能資源、世界電力需求的增長和電網(wǎng)容量、風(fēng)電市場發(fā)展趨勢和潛在的增長率、與核電和大水電等其他電源技術(shù)發(fā)展歷程的比較以及減排CO2等溫室氣體的要求，論證了風(fēng)電達到世界電量12%的可能性。報告還指出中國2020年風(fēng)電裝機有可能達到1.7億千瓦[6]、[7]。 4.2 國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀 根據(jù)國家氣象科學(xué)院的估算[8]，我國陸地地面10米高度層風(fēng)能的理論可開發(fā)量為32億kW，實際可開發(fā)量為2.53億kW。海上風(fēng)能可開發(fā)量是陸地風(fēng)能儲量的3倍。 內(nèi)蒙古 實際可開發(fā)量 0.618億kW 西藏 實際可開發(fā)量 0.408億kW 新疆 實際可開發(fā)量 0.343億kW 青海 實際可開發(fā)量 0.242億kW 黑龍江 實際可開發(fā)量 0.172億kW 2005年中國除臺灣省外新增風(fēng)電機組592臺，裝機容量50.3萬kW。與2004年當(dāng)年新增裝機19.8萬kW相比，2005年當(dāng)年新增裝機增長率為254%。 截至2005年底，中國除臺灣省外累計風(fēng)電機組1864臺，裝機容量126.6萬kW，風(fēng)電場62個。分布在15個?。ㄊ小⒆灾螀^(qū)、特別行政區(qū)），它們按裝機容量排序如表3所示。與2004年累計裝機76.4萬kW相比，2005年累計裝機增長率為65.6%。2005年風(fēng)電上網(wǎng)電量約15.3億kW.h[9]。 中國“十一五”國家科技支撐計劃重大項目“大功率風(fēng)電機組研制與示范”支持1.5~2.5MW、2.5MW以上雙饋式變速恒頻風(fēng)電機組的研制；1.5~2.5MW、2.5MW以上直驅(qū)式變速恒頻風(fēng)電機組的研制；1.5MW以上風(fēng)電機組葉片、齒輪箱、雙饋式發(fā)電機、直驅(qū)式永磁發(fā)電機的研制及產(chǎn)業(yè)化；1.5MW以上雙饋式風(fēng)電機組控制系統(tǒng)及變流器、直驅(qū)式風(fēng)電機組控制系統(tǒng)及變流器的研制及產(chǎn)業(yè)化；近海風(fēng)電場建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)的研究；近海風(fēng)電機組安裝及維護專用設(shè)備的研制；大型風(fēng)電機組相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定及風(fēng)電技術(shù)發(fā)展分析等16個課題的研究[10]?！笆晃濉蹦覈L(fēng)電技術(shù)的自主研發(fā)能力將接近世界前沿水平。 4.3小型風(fēng)力發(fā)電機 4.3.1小型風(fēng)力發(fā)電機行業(yè)現(xiàn)狀 作為農(nóng)村可再生能源主要支柱之一的小型風(fēng)力發(fā)電行業(yè)在2005年度得到長足的發(fā)展，從事小型風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的開發(fā)、研制、生產(chǎn)單位達到70家。據(jù)23個生產(chǎn)企業(yè)報表統(tǒng)計，2005年共生產(chǎn)30kW以下獨立運行的小型風(fēng)力發(fā)電機組共33,253臺，比上年增長34.4%，其中200W、300W、500W機組共生產(chǎn)24,123臺，占全年總產(chǎn)量的72.5%；15個單位共出口小型風(fēng)力發(fā)電機組5,884臺，比上年增長40.7%，創(chuàng)匯282.7萬美元，主要出口到菲律賓、越南等24個國家和地區(qū)。并且，由于汽油、柴油、煤油價格飛漲，且供應(yīng)渠道不暢通，內(nèi)陸、江湖、漁船、邊防哨所、部隊、氣象站和微波站等使用柴油發(fā)電機的用戶逐步改用風(fēng)力發(fā)電機或風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)。 4.3.2小型風(fēng)力發(fā)電機行業(yè)發(fā)展趨勢 1) 由于廣大農(nóng)牧民生活水平提高、用電量不斷增加，因此小型風(fēng)力發(fā)電機組單機功率在繼續(xù)提高，50W機組不再生產(chǎn)，100W、150W機組產(chǎn)量逐年下降，而200W、300W、500W和1kW機組逐年增加，占總年產(chǎn)量的80%。 2) 由于廣大農(nóng)民迫切希望不間斷用電，因此“風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)”的推廣應(yīng)用明顯加快，并向多臺組合式發(fā)展，成為今后一段時間的發(fā)展方向。 3) 隨著國家《可再生能源法》及《可再生能源產(chǎn)業(yè)指導(dǎo)目錄》的制定，相繼還會有多種配套措施及稅收優(yōu)惠扶植政策出臺，必將提高生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)積極性，促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展。 4) 目前我國尚有2.8萬個村、700萬戶、2,800萬人口沒有用上電，且分散居住在邊遠山區(qū)、農(nóng)牧區(qū)、常規(guī)電網(wǎng)很難達到，有關(guān)專家分析700萬無電用戶中、300萬戶可用微水電解決用電，而400萬戶可以用小型風(fēng)力發(fā)電或風(fēng)光互補發(fā)電，滿足農(nóng)牧民用電需要[11]。 4.3.3濃縮風(fēng)能型風(fēng)力發(fā)電機 濃縮風(fēng)能型風(fēng)力發(fā)電機由內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)新能源技術(shù)研究所研制，已獲得中國實用新型專利（專利號：ZL94244155.9）。該型風(fēng)電機組將稀薄的風(fēng)能經(jīng)濃縮風(fēng)能裝置加速、整流和均勻化后驅(qū)動葉輪旋轉(zhuǎn)發(fā)電，從而提高了風(fēng)能的能流密度，降低了自然風(fēng)的湍流度，改善了風(fēng)能的不穩(wěn)定等弱點，提高了風(fēng)能品位，降低了風(fēng)電度電成本。該風(fēng)力發(fā)電機具有的切入風(fēng)速低、發(fā)電量大、噪音低、安全性高、壽命長、度電成本低等特點。 濃縮風(fēng)能型風(fēng)力發(fā)電機可獨立運行、風(fēng)光互補運行、多機聯(lián)網(wǎng)運行和并入低壓電網(wǎng)運行?，F(xiàn)已研制開發(fā)的系列產(chǎn)品有200W、300W、600W、1kW、2kW等機組。濃縮風(fēng)能型風(fēng)力發(fā)電機經(jīng)過中試后，可以向中、大型機組發(fā)展。這種新型風(fēng)電技術(shù)在中國和世界的應(yīng)用，將有效地提高風(fēng)電系統(tǒng)的供電水平和質(zhì)量，有效地利用低品位的風(fēng)能，提高風(fēng)電商品競爭力，具有重要的經(jīng)濟益和生態(tài)環(huán)保效益[12]。 5 結(jié) 論 在今后的20年內(nèi)，國際上風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)將是增長速度最快的產(chǎn)業(yè)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也將進入快速發(fā)展的黃金時期；在中國，并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機組裝機容量增長速度將明顯加快，令世界矚目，離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機組發(fā)展的地域廣、潛力大，裝機總?cè)萘孔罱K將超過并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機組。