论文部分内容阅读
我国是世界上少数几个以煤为主要能源的国家之一，这对环境造成的巨大压力是不言而喻的；同时，随着国民经济的飞速发展，电力需求与电力供应能力之间的矛盾越来越大.因此，逐步优化能源结构、提高能源效率、发展可再生能源，已成为我国可持续发展战略中不可缺少的重要组成部分.风能作为一种清洁、可再生能源，它的开发利用已经受到电力部门的高度重视.
一、风力发电的优势
风力发电之所以获得快速发展，是因为这种发电方式具有很多独到的优点：（1）除水力发电外，风力发电是当今世界上可再生能源开发利用中技术最成熟、最具有规模开发和商业化发展前景的发电技术；（2）全球风能资源丰富，其潜力约为目前全球用电量的5倍；（3）常规化石能源终将耗尽，而风能作为可再生源，可谓取之不尽、用之不竭；（4）风能是一种绿色环保型清洁能源，清洁无污染；（5）风力发电场施工周期很短，单台风力发电机组的安装时间不超过三个月，10MW级风电场建设期不到一年；（6）风力发电场对土地要求低，相关建筑设备实际占地仅占风电场地1%，其余空地仍可供农、牧、渔使用.
二、我国风力资源分布
我国风力资源丰富，陆地离地10米高度可开发的风能总储量约有43.5亿千瓦，其中，可开发和利用的陆地风能储量有6亿到10亿千瓦，近海风能储量有1亿到2亿千瓦，共计约7亿到12亿千瓦.风力资源主要分布在“三北”（西北大部、华北北部、东北北部）地区、青藏高原腹地、东部沿海陆地、岛屿及近岸海域.风力强度受季节的影响尤为明显，冬春两季受西伯利亚高气压的影响，风力较夏秋两季强，在一定程度上可弥补冬春两季枯水期水电发电量的不足.
三、我国风力发电状态
我国风力发电起步于20世纪80年代初，主要是满足广大牧民生活用电的需求，主要为离网型小型风力发电机，单机容量为几十瓦至几百瓦.随后开始研制、开发和应用并网型中型风力发电机，并在边疆、海岛、偏远地区以及少数民族地区广泛推广应用.近20年来，我国已经在河北张家口、辽宁营口、黑龙江富锦等等地区建成10多个百万千瓦级的大型风电基地，并初步形成几个千万千瓦级风电基地.2009年，我国风电装机总容量超过德国和西班牙，世界排名从第四位升到第二位.
四、风力发电基本原理
如左下图所示，当闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，导体中就会产生电流，这就是发电机的基本原理.如右下图所示，矩形线圈放在支架上，在它下面放一块小磁体，用纸做一个小风轮固定在转动轴上，把小发电机与小量程电流表相接，吹动小风轮使之转动，可观察到小量程电流表的指针发生左右摆动，这就是风能转化为电能的过程.由于线圈中的导线切割磁感线的方向发生周期性变化，发电机发出的是交流电.实用性风力发电机，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电.风力发电机因风量不稳定，输出的是13V～25V变化的交流电，需经整流、升压，转化为50Hz的220V交流电，才能保证稳定使用.
五、我国风力发电技术
（一）并网型风力发电成为主流
风力发电通常有独立运行和并网运行两种运行方式.独立运行的风力发电机组又称为“离网型风力发电机组”，利用一台小型风力发电机向一户或几户提供电力，在有风期间将多余的风电向蓄电池充电，在电力供应不足时由蓄电池向负荷供电，适合在偏远农牧区、海岛等地利用.并网型风力发电运行方式是将风力发电并入常规电网运行，向大电网提供电力，常常是一处风电场安装几十台甚至几百台风力发电机，可以克服由于风的随机性带来的储能问题，具有投资集中、装机容量大、见效快、受益面广等优点.
（二）水平轴风电机组成为主流
水平轴风电机组技术，因其具有风电转换效率高、转轴较短，在大型风电机组上更显出经济性等优点，日渐成为世界风电发展的主流机型.竖直轴风电机组因转轴过长、风能转换效率不高，启动、停机和变桨困难等问题，目前市场份额很小、应用数量有限，但由于其全风向对风、变速装置及发电机可以置于风轮下方或地面等优点，近年来，国际上相关研究和开发也在不断发展.
（三）变桨调节技术成为主流
1.变桨调节原理
功率调节是风力发电的核心技术之一，风力发电机在超过额定风速（一般为12～16m／s）以后，由于机械强度及其零部件承受能力的限制，必须降低风能捕获量，使输出功率保持在额定值附近，从而减少叶片承受载荷和整个风机受到的冲击，保证设施设备不受损害.
变桨调节根据风速的变化来调整叶片的安装角，从而稳定风力发电机组的输出功率.风速低于额定风速时，调整叶片的安装角，适度增大桨叶的有效迎风面积，达到尽可能多地吸收风能的目的.风速超过额定风速时，调整叶片的安装角，适度减小桨叶的有效迎风面积，达到适度吸收风能，保持发电机发电功率平稳的目的.变桨调节方式具有载荷平稳、安全运营等优点，现有绝大多数风力发电机普遍采用这种技术.
2.变桨控制方式
风力发电机变桨控制主要有两种方式：即统一变桨控制和独立变桨控制.统一变桨控制是最先发展起来的控制方法，是指机组的所有桨叶都由一个执行机构控制，进行相同的安装变化.独立变桨控制是在统一变桨的基础上发展起来的，是指风机的每个叶片都由独立的执行机构控制.统一变桨控制具有控制简单，成本相对较低等优点，但是一旦执行机构出现故障，只能停机维修.独立变桨控制成本较前者高，且在控制上较复杂，但是可以很好地应付自然界中风力在各个叶片上分布不均的问题，提高风能的利用率，减小叶片的拍打震动，降低风力对机组的冲击，同时也可以避免一个执行机构出现故障就必须停机的问题，所以说独立变桨比统一变桨更具有优势.
六、近期两大发展趋势
（一）从内陆风力发电走向沿海
我国东南沿海地区由于经济发达，用电缺口尤为明显，拓展沿海地区风力发电的规模已是大势所趋.沿海地区的海陆风把含有盐分的水汽吹向风力发电场，盐分与设备元器件大面积接触，使之腐蚀的速度大大加快.科研人员相对应地提出系列防腐保护措施：使用锌铬膜（达克罗）涂层工艺技术对设备金属表面处理，使工件表面形成不易被腐蚀的稠密氧化膜；在叶片表面喷涂光触媒涂料，它利用阳光、雨水、空气作为基本反应介质，使污染物附着后被分解；对电气元器件集中的区域进行密封防潮、降温保护以减缓腐蚀速度……
（二）风电场的环境影响渐受关注
近年来，风力发电场建设过程中的环境友好性日益受到重视.选址过程中，应以最大限度减小地表扰动为原则，尽量减少耕地占用，规避生态保护地区.在鸟类繁殖和迁徙的重要场所，应尽量减少风电场开发，同时，可以在风机上描绘鹰眼和不同颜色彩条，警示鸟类绕行，有效降低鸟类碰撞风机的概率.
一、风力发电的优势
风力发电之所以获得快速发展，是因为这种发电方式具有很多独到的优点：（1）除水力发电外，风力发电是当今世界上可再生能源开发利用中技术最成熟、最具有规模开发和商业化发展前景的发电技术；（2）全球风能资源丰富，其潜力约为目前全球用电量的5倍；（3）常规化石能源终将耗尽，而风能作为可再生源，可谓取之不尽、用之不竭；（4）风能是一种绿色环保型清洁能源，清洁无污染；（5）风力发电场施工周期很短，单台风力发电机组的安装时间不超过三个月，10MW级风电场建设期不到一年；（6）风力发电场对土地要求低，相关建筑设备实际占地仅占风电场地1%，其余空地仍可供农、牧、渔使用.
二、我国风力资源分布
我国风力资源丰富，陆地离地10米高度可开发的风能总储量约有43.5亿千瓦，其中，可开发和利用的陆地风能储量有6亿到10亿千瓦，近海风能储量有1亿到2亿千瓦，共计约7亿到12亿千瓦.风力资源主要分布在“三北”（西北大部、华北北部、东北北部）地区、青藏高原腹地、东部沿海陆地、岛屿及近岸海域.风力强度受季节的影响尤为明显，冬春两季受西伯利亚高气压的影响，风力较夏秋两季强，在一定程度上可弥补冬春两季枯水期水电发电量的不足.
三、我国风力发电状态
我国风力发电起步于20世纪80年代初，主要是满足广大牧民生活用电的需求，主要为离网型小型风力发电机，单机容量为几十瓦至几百瓦.随后开始研制、开发和应用并网型中型风力发电机，并在边疆、海岛、偏远地区以及少数民族地区广泛推广应用.近20年来，我国已经在河北张家口、辽宁营口、黑龙江富锦等等地区建成10多个百万千瓦级的大型风电基地，并初步形成几个千万千瓦级风电基地.2009年，我国风电装机总容量超过德国和西班牙，世界排名从第四位升到第二位.
四、风力发电基本原理
如左下图所示，当闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，导体中就会产生电流，这就是发电机的基本原理.如右下图所示，矩形线圈放在支架上，在它下面放一块小磁体，用纸做一个小风轮固定在转动轴上，把小发电机与小量程电流表相接，吹动小风轮使之转动，可观察到小量程电流表的指针发生左右摆动，这就是风能转化为电能的过程.由于线圈中的导线切割磁感线的方向发生周期性变化，发电机发出的是交流电.实用性风力发电机，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电.风力发电机因风量不稳定，输出的是13V～25V变化的交流电，需经整流、升压，转化为50Hz的220V交流电，才能保证稳定使用.
五、我国风力发电技术
（一）并网型风力发电成为主流
风力发电通常有独立运行和并网运行两种运行方式.独立运行的风力发电机组又称为“离网型风力发电机组”，利用一台小型风力发电机向一户或几户提供电力，在有风期间将多余的风电向蓄电池充电，在电力供应不足时由蓄电池向负荷供电，适合在偏远农牧区、海岛等地利用.并网型风力发电运行方式是将风力发电并入常规电网运行，向大电网提供电力，常常是一处风电场安装几十台甚至几百台风力发电机，可以克服由于风的随机性带来的储能问题，具有投资集中、装机容量大、见效快、受益面广等优点.
（二）水平轴风电机组成为主流
水平轴风电机组技术，因其具有风电转换效率高、转轴较短，在大型风电机组上更显出经济性等优点，日渐成为世界风电发展的主流机型.竖直轴风电机组因转轴过长、风能转换效率不高，启动、停机和变桨困难等问题，目前市场份额很小、应用数量有限，但由于其全风向对风、变速装置及发电机可以置于风轮下方或地面等优点，近年来，国际上相关研究和开发也在不断发展.
（三）变桨调节技术成为主流
1.变桨调节原理
功率调节是风力发电的核心技术之一，风力发电机在超过额定风速（一般为12～16m／s）以后，由于机械强度及其零部件承受能力的限制，必须降低风能捕获量，使输出功率保持在额定值附近，从而减少叶片承受载荷和整个风机受到的冲击，保证设施设备不受损害.
变桨调节根据风速的变化来调整叶片的安装角，从而稳定风力发电机组的输出功率.风速低于额定风速时，调整叶片的安装角，适度增大桨叶的有效迎风面积，达到尽可能多地吸收风能的目的.风速超过额定风速时，调整叶片的安装角，适度减小桨叶的有效迎风面积，达到适度吸收风能，保持发电机发电功率平稳的目的.变桨调节方式具有载荷平稳、安全运营等优点，现有绝大多数风力发电机普遍采用这种技术.
2.变桨控制方式
风力发电机变桨控制主要有两种方式：即统一变桨控制和独立变桨控制.统一变桨控制是最先发展起来的控制方法，是指机组的所有桨叶都由一个执行机构控制，进行相同的安装变化.独立变桨控制是在统一变桨的基础上发展起来的，是指风机的每个叶片都由独立的执行机构控制.统一变桨控制具有控制简单，成本相对较低等优点，但是一旦执行机构出现故障，只能停机维修.独立变桨控制成本较前者高，且在控制上较复杂，但是可以很好地应付自然界中风力在各个叶片上分布不均的问题，提高风能的利用率，减小叶片的拍打震动，降低风力对机组的冲击，同时也可以避免一个执行机构出现故障就必须停机的问题，所以说独立变桨比统一变桨更具有优势.
六、近期两大发展趋势
（一）从内陆风力发电走向沿海
我国东南沿海地区由于经济发达，用电缺口尤为明显，拓展沿海地区风力发电的规模已是大势所趋.沿海地区的海陆风把含有盐分的水汽吹向风力发电场，盐分与设备元器件大面积接触，使之腐蚀的速度大大加快.科研人员相对应地提出系列防腐保护措施：使用锌铬膜（达克罗）涂层工艺技术对设备金属表面处理，使工件表面形成不易被腐蚀的稠密氧化膜；在叶片表面喷涂光触媒涂料，它利用阳光、雨水、空气作为基本反应介质，使污染物附着后被分解；对电气元器件集中的区域进行密封防潮、降温保护以减缓腐蚀速度……
（二）风电场的环境影响渐受关注
近年来，风力发电场建设过程中的环境友好性日益受到重视.选址过程中，应以最大限度减小地表扰动为原则，尽量减少耕地占用，规避生态保护地区.在鸟类繁殖和迁徙的重要场所，应尽量减少风电场开发，同时，可以在风机上描绘鹰眼和不同颜色彩条，警示鸟类绕行，有效降低鸟类碰撞风机的概率.