1、电气导论论文风力发电现状概述本科论文风力发电现状概述摘要：随着环境和能源问题的日益严峻,能源多样化逐渐得到人们的关注。研究开发可再生能源来补充或替代常规能源,得到世界各国的广泛重视。风能作为取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源,已日益受到我国政府的重视,由于我国风力资源丰富,且风力发电机制造成本在逐年下降,因此风力发电前景广阔。本文主要介绍风力发电的现状、风力发电原理、风电自身的特点和对环境的影响及制约我国风力发电的因素并进一步阐述了风电目前亟待解决的问题。关键词：风力发电；技术原理；环境影响；制约因素；面临问题Abstract: with the increasingly serious en
2、vironmental and energy problems, energy diversification gradually get the attention of people. The research and development of renewable energy to complement or replace conventional energy, get extensive attention from all over the world. Wind energy as an inexhaustible, inexhaustible renewable clea
3、n energy, has been increasingly brought to the attention of the government in our country, because of my country is rich in wind resources, and wind turbine manufacturing costs decline year by year, so the broad prospect of wind power. This paper mainly introduces the current situation of wind power
4、, wind power generation principle, the characteristics of the wind itself and the impact on the environment and the factors restricting our wind power problem to be solved and further expounds the wind power at present.Keywords: wind power generation; Technical principle; The environmental impact; R
5、estricting factors; Facing problem1、风力发电的意义： 能源是国民经济发展和人民生活所必须的重要物质基础，对社会、经济发展和提高人民物质文化生活水平极为重要。现代社会的生产和生活，几乎完全依赖于能源的大量消耗1。在未来的能源结构中,煤炭、水能、核能都会受到资源的制约。火电方面,如果在2020年后维持年产40亿吨煤，并且不再增加,按已知探明可利用的煤炭储量1145亿吨计,我国经济可利用的煤炭资源仅能再维持30年;中国的水能资源经济可开采量约为4亿千瓦,当前水电装机约为1亿千瓦,即使在1520年内将剩余的经济可开采的3亿千瓦水电资源都开发出来,最终还将受到资源的制
6、约;核能方面,我国天然铀资源短缺,仅能支持50座标准的核电站连续运转40年。在我们进入21世纪的今天,世界能源结构也正在孕育着重大的转变,即由矿物能源系统向以可再生能源为基础的可持续能源系统转变。所谓可再生能源就是取之不尽、用之不竭、与人类共存的能源。它包括太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能等。在这众多的可再生能源中,目前发展最快、商业化最广泛、经济上最适用的,当数风力发电。 在各种能源中,风能是利用起来比较简单的一种,它不同于煤、石油、天然气,需要从地下采掘出来,运送到火力发电厂的锅炉设备中去燃烧;也不同于水能,必须建造坝,来推动水轮机运转;也不像原子能那样,需要昂贵的装置和防护设备。而
7、风能的利用由于简单,且机动灵活,因此有着广阔的前途。特别是在缺乏水力资源、缺乏燃料和交通不方便的沿海岛屿、山区和高原地带,都具有速度很高的风,这是很宝贵的能源,如果能利用起来发电对当地人民的生活和生产都会很有利。2、风电的优点：2.1成本低 风力发电是透过叶片，利用风能带动齿轮发电，只要风速超过3公尺/秒，它便可以开始发电。它的成本与平均风速成反比，平均风速越高，成本越低。根据工业杂志（WindpowerMonthly,Jan2006）的分析显示在平均风速7公尺/秒以上时1,000瓦的建造成本已降至1,300美元，这个价格已经比瓦斯，煤以及核能便宜了。 此外，风能随处可得，沒有取得成本与运输成
8、本；而风电机不像火力发电厂制造空气污染，或如核能发电厂产生辐射污染，因此它也不会对社会及环境产生如空气污染、辐射污染等额外成本，种种因素，让风力发电在价格上取得相当的优势。2.2创造就业机会 风力发电所提供的就业机会，比其他电力公司所能提供的就业机会多。德国在1998年曾经统计比较过各种能源的就业人口，占有率1.2%的风力发电，一共创造了15,000个就业机会；占有率31%的核能发电厂只有40,000个就业机会，两者相比，风电提供了约10倍的就业机会。在欧洲，平均每台风力发电机可以创造出三个工作机会，以发电发达的国家丹麦为例，风电工业的就业人口约有4000人，是造船业的3倍；在德国，2001年
9、底共有11,500台风机，风电就业人口人口有35,000人；全球风能协会甚至评估未来全球的风力发电相关从业人口将超过150,000人。 另外，风力发电虽然是一项新的工业技术，不过确可以为传统制造业者带来新希望，风力机相关零组件，如齿轮箱、发电机等，都可以找到一流供应商，替传统创造新的经济价值。2.3占地面积小 风力发电不需要一個占地面积大的工厂，或高压电塔进行输配电。例如占地36平方公尺的风电场，每年可产生120180万度电；太阳能则需要1.4公顷的面积才能产生同等度数的电。风能分布十分广泛，即使在偏远地区，也可进行供电。而一台1MW的发电机可以提供650户家庭电力，因此，一般小型社区，只需选
10、择一块开阔的空地架设风电机，便能提供住户一大半的用电量了。3、风力发电与环境的关系：3.1风电对环境的正面影响 由于风能是一种不消耗矿物燃料的可再能源。风电的使用，相当于节省相同数量电能所需的矿物燃料。（1）减少向大气排放粉尘，CO2、NOx、SOx。我们以煤电为例，根据我国当前最普遍使用的30万千瓦蒸汽轮发电机组的现状。每发1万kwh的电，消耗约4吨标准煤；向大气排放粉尘约0.5吨；CO2约10吨；NOx约0.05吨；SOx约0.08t。到2050年若风电的发电量占全国所需电量的5，即约4000亿kwh，风电的装机容量约为1.5亿千瓦(风电的容量系数小，相当于煤电的装机容量0.7亿千瓦)，则
11、每年可节省约1.6亿吨标准煤，可减少向大气排放粉尘约2000万吨；CO2约4亿吨；NOx约200万吨；SOx约320万吨。（2）减少因开发一次能源如煤、石油、天然气，所造成的环崐问题。一次能源的开采除了在砂漠地区外，通常要毁坏森林，良田和原有的各种植被。而海上油田的开采往往给海洋生态带来不可恢复的破坏。（3）与同样是可再生能源的水电相比较，风电没有水电所存在的问题。淤积问题拦河水库必须保持设计库容，而随地质条件不同，有的水库“淤积”发生较快，这就会降低工程的发电回收效益。较好的地区的水库寿命可达50年，但它不可能“无限期”的继续运行。 3.2风电对环境的负面影响（1）噪声 风力机的噪声主要来源
12、于发电机，齿轮箱和浆叶切割空气产生的噪声，当前风力机的噪声水平随着工艺水平的提高而有较大的改善，如国产200kw风力机的噪水平如表。国产200KW风力机噪声水平距风力机的距离r（m）噪声水平15046dB20043dB30039dB40037dB生活中常见的噪声源的噪声水平噪声源噪声水平飞机发动140dB汽车发动80dB办公室60dB风力机4050dB夜晚卧室40dB落叶10dB由于上二表可知，风力机的噪声对环境影响不大，在距风力机500m外已基本不受影响。（2）视觉影响国外有些环保工作者对在田园风景的地区建造风力机持反对意见，认为是对田园风光的破坏，是一种视觉污染，但最近有些研究表明在美景如
13、画的田园风光中点缀几台外观美丽的风力机将起到画龙点睛的作用，使美丽田园风光增添一些现代风味。（3）对鸟类生活的影响 由于风力机随着容量的增加其扫掠面积和高度都跟着增加。当风力机安装在鸟类飞行的通道上，产生鸟类在飞行过程中撞上运行的桨叶而命丧黄泉。尤其当风力机安装在鸟类活动频繁的地区。实际上这种情况也曾见于报道。最近有研究认为鸟类撞上风力机而死亡的事件从总体上来说是很稀少的，这还因为鸟类是有智力的动物，当事件发生后，其它鸟类会得到警告，避开运行中的风力机。（4）其它方面的负面影响建设风电厂需要占用土地来建筑风力机基础及道路，将风电输送到用电中需要架设输电线路等等。这些都是风电对环境的负面影响，虽
14、然这些影响可以随着技术的发展而减少。但人们必须考虑这些问题，使人类的经济活动建立在可持续发展的概念上。4、风力发电原理： 风力发电机的基本工作原理即,风轮在风力的作用下旋转,将风的动能转变为风轮轴的机械能,风轮轴带动发电机旋转发电。其中风能转化装置称为风力机。风力发电机，大体上可分为风轮(包括尾舵)、发电机和铁塔三部分。 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。依据目前的风车技术,大约是每秒三公尺的微风速度(微风的程度),便可以开始发电,我们把风的动能转变成机械能,再把机械能转化为电能,这就是风力发电。风力发电所需要的装置,称作风力发电机组。这种风力发电机组,
15、大体上可分风轮(包括尾舵)、发电机和铁塔三部分。(大型风力发电站基本上没有尾舵,一般只有小型(包括家用型)才会拥有尾舵)。风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件,它由两只(或更多只)螺旋桨形的叶轮组成。当风吹向浆叶时,桨叶上产生气动力驱动风轮转动。桨叶的材料要求强度高、重量轻,目前多用玻璃钢或其它复合材料(如碳纤维)来制造。(现在还有一些垂直风轮,s型旋转叶片等,其作用也与常规螺旋桨型叶片相同)。 由于风轮的转速比较低,而且风力的大小和方向经常变化着,这又使转速不稳定;所以,在带动发电机之前,还必须附加一个把转速提高到发电机额定转速的齿轮变速箱,再加一个调速机构使转速保持稳定,然后再联接到发电
16、机上。为保持风轮始终对准风向以获得最大的功率,还需在风轮的后面装一个类似风向标的尾舵。铁塔是支承风轮、尾舵和发电机的构架。它一般修建得比较高,为的是获得较大的和较均匀的风力,又要有足够的强度。铁塔高度视地面障碍物对风速影响的情况,以及风轮的直径大小而定,一般在6-20米范围内。发电机的作用,是把由风轮得到的恒定转速,通过升速传递给发电机构均匀运转,因而把机械能转变为电能5、世界风力发电概述： 风能的利用已有数千年的历史，埃及大约在几千年前就已经有了自己的风帆船，他们应该是资料可查的最早对风能展开利用的国家。风力发电是风能利用的 最重要的形式，1891 年，世界上首座风力发电站在丹麦诞生。不过由
17、于经济和技术的不成熟，风力发电一直没有被人类广泛利用起来。直到石油危机爆发之后，世界各国才开始对风电进行广泛而深入的研究，使得发电的成本有了很大程度的 下降。示范性的风力发电场逐步被建立起来，并且开始向电网供电，风力发电才 得以广泛应用。据统计，世界风电装机总容量在 1985 年达到了 694MW，比 1980年的 4MW 增长了将近二百倍。特别是二十世纪七十年代之后，世界各个地区建 立了许多大中型的风电场。经过了三十年的努力，风力发电在世界上得到了更进 一步的发展。 近十年来，世界风电装机容量一直保持在年平均 30%左右的发展速度，根据 全球风能协会 GWEC（Global Wind Ene
18、rgy Council）的年度报告，到 2009 年年 底为止，全球风电总的装机容量达到了 12121.6 万千瓦，比2008 年增加了3831.2 万千瓦，增长率达到了惊人的31.7%。目前，全世界风电装机容量超过100 万千瓦的国家就有十七个。 欧洲是世界风能利用最发达的地区之一，德国和西班牙的发电装机容量和发 电量都摇摇领先于欧洲的其他国家。而美国风电的增长速度也是令世界瞩目的， 美国在 2006 年的风力发电量占到了美国整个国家总发电量的 0.7%，这个可以保 证美国 290 万户居民的用电。美国政府的目标是风力发电能够满足他们未来五分 之一的用电量需求。 过去几年世界风力发电之所以能
19、得到长足而飞速的发展，是世界各国积极采 取各种激励政策加以鼓励和引导的结果。鼓励风能开发利用的政策有多种，按照 产业价值链划分，有研发鼓励政策、投资鼓励政策、生产鼓励政策和消费鼓励政 策四个大类别。最主要的四种措施有长期保护性电价、可再生能源配额制政策、 公共效益基金以及招投标政策几种 。 国际能源研究报告表明,如果各国采取有力措施,风力发电到2010年可提供世界电力需求的10%,创造170万个就业机会,并在全球范围内减少100多亿吨二氧化碳废气。风能将成为发展最快的能源,到2010年风电总装机容量达到40.00GW,2020年达到0.1TW,到2010年德国新增500万千瓦,西班牙新增520
20、万千瓦,年生产能力将达到800万千瓦,可满足全国电力需求的10%。美国和加拿大是北美利用风能最好的国家。在美国的50个州中,大约有30个州已经开始利用风能资源。在1998-2004年期间,美国风力发电的总装机容量已经超6740MW,可以满足160万个中等家庭的日常用电需求。随着技术的进步和规模的扩大,风电发电成本继续下降,估计10年后它完全可以和清洁的燃煤电厂竞争。风电技术开发的趋势是大容量和变转速运行。更大单机容量的机组仍在继续研制。随着风电容量在电力系统中的比例越来越大,对系统的影响日益明显。人们已经开始利用天气预报的技术来预测风电场功率输出,以优化运行速度。由于600kW级大型风力发电机
21、组技术已经成熟,正在大批量生产,2000kW级风力发电机组不久将投入商业运行,风力发电的造价由现在的1000美元/kW有可能下降为600-800美元/kW,发电成本从现在的4-5美分/(kWh),下降到3-4美分/(kWh),风力发电规模经济效益更加明显,可以和火电、水电、核电相竞争,这也是其它新能源所无法比拟的。由于风力发电是可再生洁净能源,其环境效益也十分明显,随着风力发电技术的日益成熟,发电成本的进一步降低,风力发电会越来越被更多的人认识和接受。这也是全世界很多国家都热衷风力发电的主要原因。风力发电的迅猛发展也使那些本地能源短缺的发展中国家收益,如巴西、阿根廷、摩洛哥、埃及和哥斯达黎加等
22、国是发展中国家风力发电的佼佼者。中国、印度也在积极发展风电。 随着世界各国对环境问题认识的不断深入，可再生能源综合利用的技术也在不断发展。在各国政府制订的相应政策支持和推动下，风力发电产业也在高速发展。截至2011年底，世界风电装机量达到237669MW，新增装机量43279MW，增长率22.3%，增速与2010年持平，低于2009年32%的增速。由表一，可以看出中国风电装机量62364MW，远远超过世界其他各国装机量，而德国依然是欧洲装机量最多的国家。从图表三中，很明显的看出，从2001年到2004年，风电装机增速是在下降的，2004年到2009年风电有处于一个快速发展期，直到近两年风电装机
23、的增速又降为22%左右，可见风电的发展正处在一个由快速扩张到技术提升的阶段。 6、我国风力发电现状概述： 我国幅员辽阔,陆疆总长2万多千米,海岸线1.8万多千米,是一个风力资源丰富的国家,全国约有2/3的地带为多风带。风能总储量为32.26亿千瓦,实际可开发的风能储量为2.53亿千瓦,为可再生能源和新能源利用技术提供了强大的资源条件。两大风能地带西北、华北、东北和东南沿海为风能资源丰富区,跨全国21个省、市、自治区。到1999年底已开发微小户用型风力发电机16万台,并网型风电场24座,总装机容量26万千瓦,其中绝大多数机组是从丹麦、德国、美国、比利时、瑞典引进的,最大单机容量为600kW。毫无
24、疑问,中国风能等可再生能源的利用也受到一系列因素的限制,其中包括资金和技术资源供应的不足、政策的不相配套等。和常规资源相比,它会缺乏竞争力。但从可持续发展的目的出发,从中央到地方的各级政府已对这些资源的开发给予了关注。 目前,我国国产化机组产量仍然偏小,远未达到规模效益,使得零部件采购价格偏高,利润空间很小。因此,我国的风力发电装备市场至今仍由国外风力发电机组占据。这一现实要求我国的风力发电设备制造企业应加快适合中国国情的新型风力发电装备的研制进度。尽快提高大型风力发电装备的设计和制造技术,加大风力发电装备国产化进程。还应注意稳定产品质量,提高国产机组可靠性,以取得风电场建设者的认可,逐步加大
25、市场份额。据相关资料报道,到2020年,预计我国将新增发电能力500GW,其中121GW为可再生能源。2010年以前,我国计划新建20座风力发电场,每座风场的发电能力达到100MW以上,且达到4000MW的风力发电总目标,风力发电设备将尽量达到本土化。 即便面临一些列因素的限制，中国的风电产业也得到了突飞猛进的发展：2009年当年的装机容量已超过欧洲各国，名列世界第二。2010年将新增1892.7万kW，超越美国，成为世界第一。2011年装机总量到达惊人的62364MW。在图6中可以看出，中国风电正经历一个跨越式发展，这对世界风电的发展起到了至关重要的作用。然而，图8中，我们能够清楚的看出自2
26、007年以后，虽然新增装机量很大，但增速却明显下降，而其他国家，比如美国、德国，这些年维持着一个稳定的增速。由此，我们应该意识到，我国风电，尤其是陆上风电，正在进入一个转型期，从发展期进入成熟期，从量的追求进入到对质的提升。 总装机量各国所占份额 7、中国的风能资源： 中国土地广阔富饶，一直以来都是一个资源大国，而风能资源也是较为丰富。中国的风能资源主要分布在两大风带：其一是“三北地区”(东北、华北以及西北地区)，具体为黑、吉、辽东北三省、河北省、青海省、西藏、新疆以及内蒙古等省区近200km宽的地带，可供利用及开发的风能约有2108 kW，占有全国风能可利用储量约百分之七十九。处于三北地区的
27、风电场地势平坦、交通便利且无具有破坏性的风速，它是中国最大的风能资源地，对风电场的大规模开发有着重要意义。其二是东部沿海的陆地、岛屿与近岸海域。沿海及岛屿在冬春季节会受到冷空气的影响，在夏秋季节会受到台风的影响，此地区的风能极为丰富，年有效风功率密度在200W/m之上。例如平潭、南鹿、嵊泗、马祖、东沙、台山、东山、大陈、南澳以及马公等地区，可以利用的小时大约是7000 h至8000h。此地区尤其是东南沿海，从海岸向内陆丘陵延伸，具有丰富风能的地区主要在距离海岸的50km范围之内。另外，中国内地还有局部地区有着丰富的风能。综上所述，中国整体上的风能资源遍布光且十分丰富，有着很强的开发潜力。风力资
28、源的分布： 中国10m高度层的风能资源总储量为32.26亿kW，其中实际可开发利用的风能资源储量为2.53亿kW。东南沿海及其附近岛屿是风能资源丰富地区，有效风能密度大于或等于200W/m2的等值线平行于海岸线；沿海岛屿有效风能密度在300W/m2以上，全年中风速大于或等于3m/s的时数约为70008000h，大于或等于6m/s的时数为4000h。新疆北部、内蒙古、甘肃北部也是中国风能资源丰富地区，有效风能密度为200300W/m2，全年中风速大于或等于3m/s的时数为5000h以上，全年中风速大于或等于6m/s的时数为3000h以上。黑龙江、吉林东部、河北北部及辽东半岛的风能资源也较好，有效
29、风能密度在200W/m2以上，全年中风速大于和等于3m/s的时数为5000h，全年中风速大于和等于6m/s的时数为3000h。青藏高原北部有效风能密度在150200W/m2之间，全年风速大于和等于3m/s的时数为40005000h，全年风速大于和等于6m/s的时数为3000h；但青藏高原海拔高、空气密度小，所以有效风能密度也较低。云南、贵州、四川、甘肃、陕西南部、河南、湖南西部、福建、广东、广西的山区及新疆塔里木盆地和西藏的雅鲁藏布江，为风能资源贫乏地区，有效风能密度在50W/m2以下，全年中风速大于和等于3m/s的时数在2000h以全年中风速大于和等于6m/s的时数在150h以下，风能潜力很
30、低。 我国风力资源分布图8、制约我国风力发电的因素： 风能作为一种清洁且取之不尽的资源日益受到世界的青睐。我国是资源最为丰富的国家，但风力发电总量与世界先进水平相比远有较大差距。政策扶植不到位、资金匮乏、电网条块分割、技术能力跟不上等因素还在制约着风电的发展。 8.1政策扶持不到位 风能开发在产业起步阶段由政府扶持是世界上通行的做法，而我国的风电在商业化重要关头时，缺乏政策扶持“內蒙古对风能的开发利用，是从发展小型风力发电机解決农牧民用电需求开始的。”內蒙古北方龙源风电公司总工程师徐成龙说，1986年，內蒙古电管局成立风电办，并开始了大型风电厂的建设。风能开发项目前期投入巨大、电价昂贵，在产业
31、起步阶段由政府扶持是世界上比较通行的做法。內蒙古北方龙源风电公司总工程师徐成龙认为，我国的风电商业化重要关头时，缺乏政策扶持。从我国已投产风电項目来看，建设资金主要依靠外国政府贷款和部分国內贷款，风电企业普遍负债较高。现在投资风电的企业基本上都利用国內贷款，目前贷款利率和其它工业项目相同，同为6左右的专家认为，风电作为可再生能源开发利用项目，国家应当适当降低贷款利率。8.2自主开发水平低 大型风力发电设备国产化水平低，技朮人才奇缺。据中国风能协会统计，2004年我国风电装机设备利用的市场份额中，国内生产的设备只占18，进口设备占82。輝騰锡勒电场的94台风机中仅有1台国产机，这台风机2000年
32、投入发电，中途出现故障后返修，直到2004年才重新使用。 因为风电具有不稳定性及不连续性，所以其所占比例和对电网的影响也不断加大，进而增加了电力系统在运行的过程中会遇到各种麻烦的可能性。就中国当前在电力发电的实际情况来看，大规模的风电开发无论是在技术方面还是在经济方面，都会促使电网在运行、规划以及管理上面临着巨大的挑战。 根据国家风电发展规划，2020年风电装机容量要达到2000万千瓦，因而带动国内风电设备行业的发展显得尤为迫切。去年7月，国家发改委发出关于风电建设管理有关要求的通知明确规定，设备国产化率达不到70以上的风电场不允许建设，进口设备关税不能減免。国外风电设备造价每千瓦在1万元左右，而国产设备的平均造价在8000元以下，对于设备成本占总成本6070的风电来说，采用国产设备对降低成本效果明显。但是，从目前的情況看，国产设备研发多数处于起步阶段，技朮
