中国风力发电行业历程

风力发电历程

一、引言

风能是一种洁净的可再生能源。利用风力发电是一种不消耗矿物质资源、污

染物排放少、建设周期短、建设规模灵活，具有良好的环境效益、社会效益和经济效益的新型能源项目。随着能源的紧缺，人们对环境保护意识的增强，以及国家有关部门对风力发电工程项目在政策方面的扶持，近些年来风力发电在我国得到了迅速发展。辽宁省是从2005 年开始进行大规模的风电项目的建设，截至2009年底，已开工建设或建成风电场近20个，在未来3—5年内还将陆续建设近30个风电场。

人们普遍认为风力发电项目与火电项目相比，其在生产过程中没有废气、废水、固废等染物产生，可以说是环保型项目。但从辽宁省已建和在建的一些风电项目来看，风电项目在运行过程中虽没有三废污染物产生，但在建设和运行期间产生的噪音污染、农田及植被破坏、生态系统影响、水土流失、伤害鸟类等飞行动物、光影、闪烁污染和弃渣等环境问题，给当地环境和居民造成较大的影响。我国风电规划制定的发展目标是，到2015年底总装机容为1000万Kw，到2020年底总装机容量为2000万Kw，据最新统计数据显示，2008年我国总装机容量已达到1221万KW，占全球总装机容量的10％，发展速度已大大超过规划目标。未来3至5年将是我国风电行业飞速发展的时期，对拟建风力发电项目进行规范的环境影响评价，从而减少其在建设和运营过程中的环境污染显得尤为重要。但是，目前对于风电类项目还没有相关的环境评价技术规范，因此研究探讨该行业的环境影响评价技术方法有着重要的理论和实际应用意义。本文在大量风力发电环境影响价实践的基础上，结合我省已建、在建和拟建的风电项目，对此类项目在建设和运营过程中产生的各类环境问题进行深入细致的分析，研究风力发电项目环境影响评价内容、技术方法，探讨符合实际情况，技术、经济可行的预防和治理措施。本课题的研究成果对风力发电类项目在选址、工程设计、施工及运行管理等方面的环境保护具有指导意义和规范的作用，为制定该行业的环境影响技术规范提供理论支持，促进能源开发和环境保护协调发展，有利于经济发展与环境保护的协调统一。风力发电项目环境影响评价技术方法研究

二、国内外相关领域研究进展

能源是现代社会赖以生存和发展的基础，清洁能源的供给能力与国民经济的可持续发展密切相关，是国家安全战略保障的基础之一。我国是能源消耗大国，但人均能源资源严重不足，人均煤炭储量仅为世界平均值的l／2，人均石油储量不到世界平均水平的1／10。我国目前正面临资源和环境容量不足的巨大压力，因此，开发洁净可再生能源已成为紧迫的课题。近年来，对风能的研究及开发利用得到了空前的重视和发展，为调整能源结构，提高能源效率和改善环境，国家发展和改革委员会从国家和民族长远利益出发，提出从2003年开始，在全国范围内建设20个100MW以上的大型风电场，到2020年全国风电装机要达到20×103MW的目标。

风是人们熟悉的一种自然现象，它是由太阳辐射热引起的。太阳照射到地

球表面，地球表面各处受热不同，产生温差，从而引起大气的对流运动形成风。

风能就是大气流动所产生的动能。大风所具有的能量是很大的。风速9-10m／s的5级风，

吹到物体表面上的力，每平方米面积上约有10kg。风速20m／s的9级风，吹到物体表面上的力，每平方米面积可达50kg左右。台风的风速可达50一60m／s，它对每平方米物体表面上的压力，可高达200kg以上。汹涌澎湃的海浪，是被风激起的，它对海岸的冲击力是相当大的，有时可达每平方米20—30t的压力，最大时甚至可达每平方米60t左右的压力。风不仅能量很大，而且它在自然界中所起的作用也是很大的。它可使山岩发生侵蚀，造成沙漠，形成风海流，它还可在地面作输送水分的工作，水汽主要是由强大的空气流输送的，从而影响气候，造成雨季和旱季。据估计到达地球的太阳能中虽然只有大约2％转化为风能，但其总量仍是十分可观的。全球的风能约为2．74×109MW，其中可利用的风能约为2×10 7MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。据专家们估计，风中含有的能量，比人类迄今为止所能控制的能量高得多。全世界每年燃烧煤炭得到的能量，还不到风力在同一时间内所提供给我们的能量的1％。可见，风能是地球上重要的能源之一。风能与其它能源相比，既有其明显的优点，又有其突出的局限性。风能具有四大优点和三大弱点。

(1)四大优点是：

①蕴量巨大；②可以再生；③分布广泛；④没有污染。

(2)三大弱点是：

①密度低。②不稳定。③地区差异大。

三、风力发电机的构成与分类及技术

3.1风力发电机的构成与分类

风力发电的原理说起来非常简单，基本工作原理是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。现代风力发电机采用空气动力学原理，就像飞机的机翼一样。风并非”推”动风轮叶片，而是吹过叶片形成叶片正反面的压差，这种压差会产生升力，令风轮旋转并不断横切风流，从而带动发电机发电。风力发电机的风轮并不能提取风的所有功率。根据BetZ定律，理论上风电机能够提取的最大功率，是风的功率的5 9．6％。大多数风电机只能提取风的功率的4 0％或者更少。风力发电机按叶片固定轴的方位，可以分为横轴和竖轴两类；按对风方式可分为逆风和顺风风力发电机；按叶片的数量可分为单叶片、双叶片和三叶片风力发电机等。(1)横轴风力发电机和竖轴风力发电机

横轴式风电机工作时转轴方向与风向一致，竖轴式风电机转轴方向与风向成直角。横轴式风电机通常需要不停地变向以保持与风向一致。而竖轴式风电机则不必如此，因为它可以收集不同来向的风能。横轴式风电机在世界上占主流位置。

(2)逆风风力发电机和顺风风力发电

逆风风电机是一种风轮面向来风的横轴式风电机。而对于顺风风电机，来风是从风轮的背后吹来。大多数的风力发电机是逆风式的。

(3)单叶片、双叶片和三叶片风力发电机

叶片的数目由很多因素决定，其中包括空气动力效率、复杂度、成本、噪音、美学要求3.2风电机组调节技术

风电机组通过不同的调节方式，以提高发电效率，目前有2种主要的风力发

电机组调节技术。

①定桨距失速调节早期的风电机组都以定桨距失速调节技术为主，通常采用同步电机或鼠笼式异步电机，利用桨叶失速控制。在风速超过额定值后，叶片发生失速，使发电机的转速保持恒定，将输出功率限制在一定范围内。其优点是调节简单、控制简化，并能提高风电机组的可靠性和寿命：其缺点是风机启动风速较高，同时需要叶间刹车装置，机组动态负荷较大。

②变速变桨距调节目前风电机组以变速变桨距调节技术为主，通过调速器和变桨距控制技

术，使叶轮转速在较宽范围内变化，以取得风能利用率最高。其优点是机组启动性能好，风能转换效率高，提供更好的电能质量，降低风电机组负荷，停机方便安全：缺点是增加了变桨距装置，造成结构复杂，增加了故障率。目前采用变速变桨距调节的风电机组是世界主流技术。

3.3风电机组发电机的驱动方式目前，风电机组发电机驱动方式主要有以下3种。

①双馈式叶轮通过齿轮箱多级变速驱动双馈异步发电机

通过控制转子侧滑差功率改变转速，以提高风力发电效率，确保发电质量。其优点是电机质量轻、效率高、价格低，缺点是齿轮箱不可失噪音大。这是目前市场上的主流产品。

②直驱式叶轮直接驱动多级同步发电机

通过全功率变频器装置并网，其优点是具有节约投资，减少传动链损失和停机时间，以及维护费用低，可靠性好等，在市场上正占有越来越大的份额。德国2004年所安装的风电机组，有40．9％采用了直驱式。缺点是直驱发电机体积大而笨重，逆变器需全功率，成本高。

③混合式叶轮通过齿轮箱多级变速驱动同步发电机通过控制发电机定子侧有功率的控制，改变其转速以达到风电机组最优控制。该装置介于双馈式和直驱式之间，旨在融合两者的优点而避免其缺点。从国际趋势看，风电机组发电机驱动方式由直驱式和混合式取代双馈式已成为主流。

四、风力发电技术的发展趋势

世界风力发电技术已逐渐完善，就其发展趋势而言主要反映在小容量向大容量发展，定桨矩向变桨、变速恒频发展，陆上风电向海上风电发展，结构设计向紧凑、柔性、轻盈化发展等方面。业界关注的焦点在于5MW风电技术，并且目前商业化的风力机的叶轮直径已经超过100m。变桨变速设计成为主流，同时直接驱动发电机技术的创新变得十分引人注目。

最近的一个趋势是海上数兆瓦级的风机的出现瞄川。随着风电的发展，风电场规模和单机容量越来越大，陆上风电场因受环境因素的制约(占地、运输、吊装、噪声等)，人们很自然把目光放到海上风电场。一般认为2MW是陆上风电机发展的极限。巨型风电机其桨叶长度将达60—70m，陆上运输极为困难，安装用的吊车容量将超过1200-1400t，大部分地区不具备这个条件。而这些问题对于海上风电来说相对比较容易解决，海上运输方便(制造厂在海边)，海上浮吊容量大(超过1500t的浮吊已比较普遍)。更重要的是，海上风电场的风能资源好，风速大且稳定，年平均利用小时可达3000h以上，每年的发电量可比陆上高出50％。随着风电单机容量的不断增大，为了便于运输和吊装，要求风电机在结构设计上做到紧凑、柔性和轻盈化。特别是其顶部的结构设计，因为巨大型风电机如果按常规计，5MW级的风电机其顶部的重300-500t，因此在设计上要简化系统的结构。如充分利用高新复合材料的叶片，以加长风机叶片长度；省去发电机轴承，发电机直接与齿轮箱相连，被直接置于驱动系统，同时使转矩引起振动最小；无变速箱系统，采用多极发电机与风轮直连；发电机中的中速永久磁铁采用水冷方式；调向系统放在塔架底部，整个驱动系统被置于紧凑的整铸框架上，使荷载力以最佳方式从轮彀传导到塔筒上等。因此，各风电机制造商都在结构设计的紧凑、柔性和轻盈化做了大量工作。我国海岸线较长，可利用的海洋风能资源丰富，发展海上风电场也是我国风力发电的一个发展方向。