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风力发电技术

风能是大气运动形成的一种能源形式,其能量来自于大气所吸收的太阳能。人类对风能的利用历史久远,早在公元10世纪,波斯就出现了水平转动的风磨。公元12世纪,欧洲开始使用风车抽水、碾磨谷物,此后风车一直是主要的动力机械之一。

我国开始利用风能作为动力大约在13世纪中叶。现在所说的风能利用主要是指风力发电。采用风力涡轮机发电的设想始于1890年丹麦的一项风力发电计划,到1918年丹麦已经投入运行了120台风力发电机。风力发电走向规模化应用还是在20世纪90年代以后,风力发电的装机容量开始以每年平均20%以上的速度增长,已成为世界上各种能源中增长最快的一种。据统计,2007年底,全球风力发电新增装机容量19791MW,总装机容量达到94005MW,比2006年增加了27%,风力发电的总量已占全球电力消费总量的1%以上。

我国风能资源非常丰富。 2006年国家气候中心研究结果表明,我国陆地10米高度层可开发和利用的风能储量除青藏高原外总量约为25亿kW,海上可开发和利用的风能储量约为7.5亿kW,共计约32.5亿kW。

我国风电开发的空间十分巨大。目前,风力发电只占在全国电力装机总容量的1.2%。而根据国家发改委的长期产业规划,2020年10000万kW,占全国电力总装机的2%。

一、世界风能发电概述

20世纪末,由于能源危急和全球环境保护的影响,欧洲、美国及亚洲的印度、中国风力发电出现强劲势头,其中丹麦的风电量已经超过了总发电量的20%。目前, 欧洲最大的风力发电国是德国,西班牙居第二。全球风力发电保持高速发展的势头,预计到2010年,全球风力发电装机总量可以达到160GW。

风力发电快速增长的原因在于两个方面:一是经济发展对电力需求的快速增长和可持续发展的要求;二是风力发电技术的不断进步,促进了发电价格不断降低。风电价格不断降低的同时,化石燃料的价格呈总体上升趋势,加之环保和二氧化碳减排的要求,化石燃料发电的价格总体是上涨的。因此风力发电将称为21世纪重要的能源形式之一。就风能资源的储量来说,地球上风力资源的利用才刚刚开始,发电技术的发展就是风力发电机技术的发展。

目前,风力发电机在叶片材料、气体动力学特性、控制方式等方面不断进步的同时,主要是向大型化的方向发展。世界风能市场上风力发电机的主要供应商来自欧洲和美国,其中丹麦一直居世界领先地位,占全部市场份额的60%以上。

德国一直引领着世界风电市场的发展。

德国2006年底发电装机容量2194MW,是目前世界上发电装机容量最多和风力发电机组技术最先进的国家。德国风力发电的制造技术和生产规模都处于世界领先水平,目前世界上在运行的最大的商用风力发电机组就产自德国。德国Enercon E112型风力发电机最大输出功率达到6MW,风力发电机全高186m,风轮直径为114m,切出风速为28~34m/s,是目前世界上最大的风轮机。

丹麦和西班牙----紧随德国之后

丹麦和西班牙的风电也在高速发展。西班牙的2006年装机容量达到11.6GW,欲挑战德国争夺欧洲之冠的地位。丹麦已经成功地用风电来满足国内23%的电力需求,是世界上风电贡献率最高的国家。丹麦在风电机组制造、风能资源评价和风电场接入电网等领域的技术均居世界领先地位。

美国的风力发电

美国的风能资源丰富,据估算,如果全部开发美国三个州(得克萨斯州等)的风电就可以满足全美的电力需求。在美国,风能发电已经很有竞争力,其成本相等甚至低于传统电力的平均价格。

目前,美国最大的风电场是位于德克萨斯州的马谷风能中心,该中心建有 421台风力发电机组,装机容量达到735MW,于2006年9月全部建成。美国新建风电场普遍使用GE公司1.5MW风力发电机,其次是西门子公司的 2.3MW风力发电机。

印度--发展中国家的先锋

从20世纪80年代起,印度就启动了风电项目。在20世纪90年代后期印度风电市场一度低靡,但最近却开始复苏。截至2006年底,风电装机容量已达6270MW,印度已经成为全球第五大风电生产国。在过去几年,政府积极推动风电产业的发展,鼓励大型私有和公有企业投资,并同时给予当地制造基地同样的政策激励。

在印度,有的公司现在已经可以生产70%的风电机组零件,不需要从主要的欧洲制造商进口,从而大大降低了风电机组生产成本,并给当地创造出额外的就业机会。印度还建立了两百多个风力监测站,为风能资源的开发利用提供基础数据支持。


二、我国风力发电概况

我国的风电事业起步较晚,在20世纪末,风力发电机组的制造还主要在于简单的小型家用风力发电机组。进入21世纪以来,我国的风电装机容量开始快速增长,2006年底,装机容量上升到将近260万kW。我国国土面积辽阔,风能资源丰富,目前风电装机容量还相对较低。规划预计到2010年风电装机总容量达到2500万kW, 2020年风电装机总容量达到10000万kW。

中国的风能资源主要集中在两个带状地区,一条是“三北(东北、华北、西北)地区丰富带”,其风能功率密度在200瓦/平方米~300瓦/平方米以上,有的可达500瓦/平方米以上,如阿拉山口、达坂城、辉腾锡勒、锡林浩特的灰腾梁等,这些地区每年可利用风能的小时数在5000小时以上,有的可达7000小时以上。从新疆到东北,面积大、交通方便、地势平,风速随高度增加很快,三北地区风能在上百万千瓦的场地有四五个,这是欧洲没法比的。而这个地带的缺点是建网少,发出的电上不了网。一条是东部沿海风带,主要位于沿海几十公里的大陆海岸和海道,其风能资源比三北风带还好,海道煤和石油依靠大陆,电力联网困难,发展发电迫在眉睫。




中国现代风电技术的开发利用始于20世纪70年代,0.1~15kW离网型风力发电机组开始试验、示范、应用推广。

“六五”、“七五”、“八五”期间,国家和地方政府把22kW、30kW、55 kW、75kW、120kW、200kW 风电机组列入重点科技攻关项目,但由于诸多原因,都未商业化运行。

规模化的风力发电场80年代后期投入运行。截至2006年底,我国除台湾外累计安装风电机组3311台,装机容量259.9万kW,共建设91个风电场,分布在16个省。


“九五”期间,并网型风电机组得到快速发展

→ 定桨距失速型200kW、250kW、 300kW 、600kW风电机组;

→ 变桨距双速型600 kW风电机组;

→ 中国一拖和西班牙Made合资建立一拖美德风电设备公司,生产660kW风电机组;

→ 中国西航和德国Nordex合作建立西安维德风电设备公司,生产600kW风电机组。

“十五”期间,国家提出研制“兆瓦级风电机组”的攻关目标,有如下3个课题:

→ 1.3MW 定桨距失速型风电机组;

→ 1MW 双馈型变速恒频风电机组;

→ 1.2MW 直驱型变速恒频风电机组。

风力发电机组经过二十余年的发展,容量从十千瓦级增大到兆瓦级,从90年代定桨距失速型风电机组为主导机型,向变速变距型风电机组为主流机型的方向发展,且随着电力电子技术的发展,变速恒频的风力发电技术已经成了风力发电的大势所趋。兆瓦级机组的市场份额1997年及以前还不到10%,2001年则超过一半,2002年达到62.1%。风电装机容量约以平均每年增幅30%的速度在增长,成为增长速度最快的清洁能源。

【新疆达坂城风电一场】

新疆达坂城是我国最早建设规模化风电场的地区,于1989年建成的达坂城风电一场是我国第一个风能发电场,所有设备全部从丹麦引进。

【广东省南澳岛风电场】

广东省南澳岛风电场是我国第一个海岛风电场。南澳岛是广东唯一一个岛县,东南季风长,风力资源丰富,风况属世界最佳之列。到2005年底,装机容量达到5.6万kW,是亚洲最大的海岛风电场。

【内蒙古的辉腾锡勒风电场】

2007年6月,我国最大的风电场是内蒙古的辉腾锡勒风电场,总装机容量189MW,为第29界奥运会输送绿色电力。同时还有两个风电项目在建,到2010年将建成百万千瓦级的风电场。


【北京市官厅水库】

官厅位于北京市官厅水库南岸,是北京主要的风口之一,一期项目总装机容量49.5MW,2007年底竣工、并网发电,生产的电能直接输入北京电网,供给市民和奥运场馆使用。



三、我国风力发电工业的现状

我国在20世纪50年代开始风力发电机的研制。目前大功率风力发电机组还依靠进口。与国际水平相比,我国风力发电机的单机容量较小,关键部件需要进口,整机质量还有差距。海上发电的资源勘察、设备制造、施工安装工艺和运行管理方面还比较落后。

2007年,国内风力发电机组生产厂家通过引进技术、合资、合作方式,可以批量生产600kW、660kW和750kW的风力发电机组,同时也研发了兆瓦级风力发电机组。2006年10月,我国首台自主研制的1.5MW变速恒频风力发电机组在沈阳华创风能有限公司正式出厂。对于我国实现大型风力发电机组的国产化具有重要意义, 1.5MW变速恒频风力发电机组的研制填补了我国该项技术的空白。

我国风电产业的自主研发道路还十分漫长,一些领域与国外先进水平差距甚至在拉大。风电产业的发展应该是以我为主,中外合作,通过合资、合作的方式引进国外先进技术,同时大力开展风电领域的基础研究,逐步形成风电产业的自主研发能力。


四、风力发电的优点以及负面影响

风力发电的优点

→ 风能是可再生能源形式,有利于可持续发展。

→ 有利于环境保护。

→ 随着风电技术的日趋成熟,风电成本越来越低,可以和其他能源形式相竞争。

风力发电的负面影响

→ 间接的不可再生能源利用和污染物排放。机组生产过程中造成的污染物的排放是风电的间接污染物排放。

→ 风电可能对鸟类造成伤害

→ 噪声问题

→ 对无线电通信的干扰

→安全问题,叶片折断伤人等


五、并网发电风力机的总发电成本的影响因素

1、投资成本成是影响风力发电成本的主要因素,投资成本包括制造加工费、基建费等

2、系统寿命

3、运行费和维修成本

4、风系特性。风能潜力与风速的三次方成正比,平均风速高则电站经济性好

5、系统的能量转换效率

6、技术利用率,即正常发电时间在一年中占的比例

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