风力发电

技术概述

风力发电是把风能转变为电能的技术。通过风力发电机实现，[1]

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。[1] 技术原理

风力发电的基本原理是风的动能通过风轮机转换成机械能，[1]再带动发电机发电转换成电能。目前主导的风力发电机组一般为水平轴式风力发电机，它由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件所组成。风轮的作用是将风能转换为机械能，它由气

动性能优异的叶片装在轮毂上所组成，低速转动的风轮由增速齿轮箱增速后，将动力传递给发电机。上述这些部件都布置在机舱里，整个机舱由塔架支起。为了有效地利用风能，偏航装置根据风向传感器测得的风向信号，由控制器控制偏航电机，驱动与塔架上大齿轮咬合的小齿轮转动，使机舱始终对向风。由于齿轮箱是在目前MW级风力发电机组 中过载和过早损坏率较高的部件，国外开始研制一种直接驱动型的风力发电机组（亦称：无齿轮风力发电机），这种机组采用多级异步电 机与叶轮直接连接进行驱动的方式，免去齿轮为了跟踪最佳叶片尖速比，使风电机组在 较大的风速范围内获得最佳功率输出，须对转 速或功率进行调节。常用的调节方式有两种：一种是失速调节，另一种是变桨距调节一即叶片可以绕叶片上的轴转动，改变叶片气动数据，实现功率调节。

风力发电技术

风力发电机一般有风轮、发电机（包括装置）、调向器（尾翼）、塔架、限速安全机构和储能装置等构件组成。风力发电机的工作原理比较简单，风轮在风力的作用下旋转，它把风的动能转变为风轮轴的机械能。发电机在风轮轴的带动下旋转发电。 风轮是集风装置，它的作用是把流动空气具有的动能转变为风轮旋转的机械能。一般风力发电机的风轮由2个或3个叶片构成。在风力发电机中，已采用的发电机有3种，即直流发电机、同步交流发电机和异步交流发电机。 风力发电机中调向器的功能是使风力发电机的风轮随时都迎着风向，从而能最大限度地获取风能。一般风力发电机几乎全部是利用尾翼来控制风轮的迎风方向的。尾翼的材料通常采用镀锌薄钢板。 限速安全机构是用来保证风力发电机运行安全的。限速安全机构的设置可以使风力发电机风轮的转速在一定的风速范围内保持基本不变。 塔架是风力发电机的支撑机构，稍大的风力发电机塔架一般采用由角钢或圆钢组成的桁架结构。风力机的输出功率与风速的大小有关。（由于自然界的风速是极不稳定的，风力发电机的输出功率也极不稳定。风力发电机发出的电能一般是不能直接用在电器上的，先要储存起来。目前风力发电机用的蓄电池多为铅酸蓄电池。）

风机叶片

风机叶片是风力发电技术进步的关键核心

风力机部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素。我国风机叶片行业由于起步较晚，我国风机叶片最初主要是依靠进口来满足市场需求的。随着国内企业和科研院所的共同努力，我国风机叶片行业的供给能力迅速提升。 直驱式风力发电机（Direct-driven Wind Turbine Generators），是一种由风力直接驱动发电机，亦称无齿轮风力发动机，这种发电机采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，免去齿轮箱这一传统部件。由于齿轮箱是目前在兆瓦级风力发电机中属易过载和过早损坏率较高的部件，因此，没有齿轮箱的直驱式风力发动机，具备低风速时高效率、低噪音、高寿命、减小机组体积、降低运行维护成本等诸多优点。

传统涡轮式风力发电机与直驱式风力发电机示意图

风力发电市场介绍

目前，我国风机叶片市场已经形成外资企业、民营企业、研究院所、上市公司等多元化的主体投资形式。截至到2008年5月，中国境内的风电机组叶片厂商共有31家。其中，已经进入批量生产阶段的公司有10家。2008年，已经批量生产的叶片公司生产能力为460万千瓦。预计2010年，这些叶片公司全部进入批量生产阶段后，综合生产能力将达到900万千瓦。

风电设备一般都很大，以我们公司产的1.5MW风力发电机组为例，高70米，风轮70米。

目前风机的发展开始向更大的风力机发展，目前国外有5mw风机了。 具体问题还得具体谈。

风力发电机的原理和组成

原理：风轮在风力的推动产生旋转，实现了风能向机械能的转换，旋转的风轮通过传动系统驱动发电机旋转，并在控制系统的作用下实现发电机的并网及电能的输出，完成机械能向电能的转换，这就是风力发电机将风能转换成电能的原理。 并网型风力发电机组由以下部分组成：

1、风轮(叶片和轮毂)：捕获风能的关键设备。一般由3个叶片组成，所捕获的风能大小直接决定风轮的转速。

2、传动系统：风轮与发电机的连接纽带。齿轮箱是其关键部件。通过齿轮箱，风轮的低转速才能使发电机以接近额定的转速旋转，达到并网发电的目的。

3、偏航系统：使风轮的扫掠面始终与风向垂直，以最大限度地提升风轮对风能的捕获能力，并同时减少风轮的载荷。 4、液压系统：为变矩机构和制动系统提供动力来源。 5、制动系统：使风轮减速和停止运转的系统。 6、发电机：其作用是将风轮的机械能转化为电能。

7、控制与安全系统：控制系统包括控制和监测两部分。监测部分将采集到的数据送到控制器，控制器以此为依据完成对风力发电机组的偏航控制、功率控制、开停机控制等控制功能。

8、塔筒：风力发电机组的支撑部件。它使风轮到达设计中规定的高度。其内部还是动力电缆、控制电缆、通讯电缆和人员进出的通道。 9、基础：为钢筋混凝土结构，承载整个风力发电机组的重量。基础

周围设置有预防雷击的接地系统。

10、机舱：风力发电机组的机舱承担容纳所有的机械部件，承受所有外力（包括静负载及动负载）的作用。 风力发电的主要特点：

⑴风能是取之不尽，用之不竭的清洁，无污染，可再生能源。用它发电十分有利。与火力发电、燃油发电、核电相比它无需购買燃料，也无需支付运费，更无需对发电残渣,大气进行环保治理.风力发电是绿色能源.风力发电是财神爺。风来、发电、生财。风是财富。风是大自然对人类的无私奉献。

⑵风力发电有很強的地域性。不是任何地方都可以建站的。它必須建在风力资源丰富的地方。即风速大、持续时间长。风力资源大小与地势、地貌有关,山口、海岛常是优选地址。如新彊达板城、年平均风速6。/秒，内蒙古辉腾锡勒，年平均风速为7。/秒，江西鄱阳湖，年平均风速7。/秒，河北张北，年平均风速6。/秒，辽宁东港，年平均风速6。/秒，广东南澳，年平均风速8。/秒，福建平潭岛全县年平均风速8。/秒，平潭县海潭岛，年平均风速为8。/秒，年可发电风时数为3343小时，为目前中国之冠。（以上数字引自“全国风力发电信息中心的并网风电场介绍”）。南海的南沙群岛，该岛一年连续刮六级以上大风有160天。在我国這样的地方还有许多许多正等待我们去探索、发现。

⑶风的季节性，决定了風力发电在整个电网中处于＂配角″地位。对它的使用有三种运行方式：

A:能源利用：风力发电机,机群并网运行。有风发电，电能送入电网。无风不发电。

B:无电网的高山，海岛，牧区:风力发电机与柴油发电机并联运行。有风时风力发电,无风时柴油发电机犮电。对用户来説时时都有电。 C:同上无电网地区，要求不使用柴油发电，时时有电供应:採用蓄电池儲能的AC-DC-AC，即交，直，交风力发电系统。也就是有风时,风力发电机发出交流电,经整流为直流电对蓄电池充电。再利用电力电子器件制造的＂逆变器″将蓄电池中的直流电转化为三相恒频恒压的交流电。这种系统多用在高山雷达站、微波中继站，海洋灯塔,航标灯场合。 风力发电优缺点

优点：1、清洁，环境效益好。

2、可再生，永不枯竭。（利用可再生的能源，减少碳排放。是一种可持续发展的能源利用。 3、基建周期短、投资少。 4、装机规模灵活。 5、技术相对成熟。

缺点：1、噪声，视觉污染。 2、占用大片土地。 3、不稳定，不可控。 4、目前成本仍然很高。

（电源频率需要变频，一般先整流在逆变成50HZ交流。在采用失速型风机时，对电网冲击太大。现在采用变桨风机，对电网的冲击减少，但是还是有一定的冲击。风电的波形不是标准的正弦函数波形，这对电网的承受能力是一个考验).

二、中国风力发电的现状

风电大国

如今的中国风电业山雨欲来，明显不同于之前一片看好的装机容量世界第一的“美好前景”。

据统计数据，2010年中国风电新增装机量达到1600万千瓦（1万千瓦=10兆瓦），累计装机容量达4182.7万千瓦，已经超过美国成为风电装机容量的世界第一。据国家能源局发布的消息称，截至今年3月中旬，我国风电装机累计容量已经达4450万千瓦。

“十一五”期间是中国风电发展的高速增长期，也被人形容为“风驰电掣”的五年。从2005年开始，国内的风机总装容量连续五年每年都翻番。2009年超过德国成为世界第二，2010年又超过美国成为世界

第一。行业的飞速发展也让中国的风电设备制造企业和风电运营商在世界上崭露头角，地位排名也在向前递进。据全球权威风电业咨询机构BTM发布的2010年度《世界风能发展》报告显示，依据2010年新增装机容量和市场占有率等数据统计，中国的华锐风电以4386兆瓦新增装机量和11.1%市场份额超过GE，位居全球第二，与排名世界第一的丹麦维斯塔斯（Vestas）的14.8%相差无多。之前，华锐风电在2009年的排名是全球第三，2008年是第七。而龙源电力依据累计装机容量6969兆瓦成为排名在西班牙Iberdrola、美国NextEra之后世界第三大风电运营商，其占全球前15家风电运营商总装机量的10.4%。 这些数据是否足以说明中国已经是一个风电大国？这个问题的答案虽然只有“是”或“否”，但回答起来仍然十分困难，因为如果要在“大国”之前加上不同的限定词，最终的答案是不一样的。 中国肯定是一个风电装机量大国，但并不是一个风电利用大国。在4450万千瓦累计装机量的背后，装机并网量只有3107万千瓦，有26%～30%的风电被“遗弃”而无法并网。但依照国际先进水平的标准，未并网容量一般不会超过10%。

装机量排名世界第一的光环固然鲜亮，但支持这一光环的却是巨额的投资。据中国工业节能与清洁生产协会称，2010年中国风电项目总投资额近3000亿元。另据彭博社新能源财经的数据，2010年第一季度中国风电投资额为100亿美元，而中国今年第一季度同比又增长了25%。这样来看，中国又是风电投资大国，但不是风电消费大国。

早在2008年，花旗银行的一项分析便指出，中国有1/3的风能资源都没有被使用。很显然，装机量第一并不代表发电量第一。中国资源综合利用协会可再生能源专业委员会秘书长李俊峰之前曾对媒体表示：“虽然2010年中国风电装机容量超过了美国，但是发电量只有500亿千瓦时，仍低于美国。”

而在“世界第一”的光环背后，更有一个风机质量差距的问题，国外的风机设备的质量和可利用率要比国内的高。在发电效率上，同样功率的风机，国外的产品要比国内的高出10%～20%。以德国Enercon公司的产品为例，其价格要比业界平均水平高出10%～30%，但就因为产品的质量和可利用率高，很多客户宁愿等上一至两年的时间来订购。

“在风电发展上，中国用5年的时间走完了欧美发达国家近30年的路程，也取得了一些成绩。但比较而言，在发展过程中必定要碰到的一系列并网、风机质量、发电能力等问题，欧美国家是在相对较长的时间段内来释放并被解决的，而我们需要在短时期内解决，就难免会‘萝卜快了不洗泥’。”国内一家大型风机制造企业的高级副总裁如是说。

中国风电的分布：

补充：

我国海上风电产业发展概要解析

日前，国家能源局启动了江苏省4个海上风电项目的招标工作，这也让不少企业看到海上风电市场蕴含的巨大商机。华能、中广核、神华等电力巨头都已购买了标书，而各地、大小设备制造商、配套商等也都积极跃身其中。这个被业界期待已久的招标项目，被看成是我国风电产业启动的第一声发令。

更大的发展空间

虽然首轮招标的“谜底”还需等待，但海上风电却已经在我国正式“上岗”了——2010年7月六日，作为上海世博会的重头戏之一，上海东海大桥风电场全部风机并网发电。这个我国乃至亚洲首座大型海上风电场的横空出世，被看成了我国海上风电热的一个缩影。现在，海上风电正在成为风电领域域的新宠。

“中国新能源产业发展看风能，风能发展前景在海上，海上风能将成为中国风能未来发展方向和制高点。”对我国海上风电目前的地位，中国风能协会的一位专家如此评价。这位专家表示，相比陆上风电，海上风电具有风能资源非常稳定、不占用土地资源、对环境影响很小等优点。同时，我国海上风资源储量非常丰富。根据最新风能资源评价，全国陆地可利用风能资源3亿千瓦，加上近岸海域可利用风能资源，共计约10亿千瓦，发展潜力巨大。今年年初，据国家气象局完成的我国首次风能资源详查和评价，测得我国5米到25米水深线以内近海区域、海平面以上50米高度可装机容量约两亿千瓦。

海上风能的广阔前景让面临可再生能源配额压力的电力巨头展开了激烈争夺。由于东部沿海特别是江苏等沿海滩涂及近海具有开发风电非常好的条件，各大电力企业“跑马圈海”，中电投、国电、华电、中广核、大唐、华润电力、江苏国信集团、德国索拉CCE纷纷

介入。“海上风电目前受到追捧的一个重要原因是有市场。”中航重机股份有限公司运营管控部赵松说，“首先，海上风电以东南沿海为主，这些地区大多属于国内经济比较发达的地区，用电需求也很大，因此电力市场非常巨大。其次，海上风电的发电量也比较大，毕竟海上的风力资源比陆地更为丰富，这也使得海上风电项目的装机容量较陆上风电要大。”

更新的技术难

随着中国海上风电特许权招标工作的启动，业界认为2010年将成为中国海上风电的发展元年。虽然前景美妙，但我国海上风电面临的困难也不少。在很多业内人士看来，海上风电犹如一个“早产的婴儿”，在还没有“发育完全”的情况下就匆匆面世，很多方面都潜藏着巨大的风险。

这其中，海上风电新的技术难题就是当前亟待解决的问题之一。“相较于陆上风电，海上风电的使用环境大不相同，这就对风电设备等提出了不同的要求，从技术的角度来说，这种要求要更苛刻一些。从另一种角度来看，其实相当于设置了新的技术门槛。”赵松说，“海上风电的主要特点是装机容量更大、风机更大以及抗腐蚀等。”今年6月份，世界银行还专门出版报告，认为由于海洋环境远比陆地复杂，解决海上风电的任何小问题都要付出很大代价。

目前中国国产风机的性能尚不尽如人意，而进口风机采用的设计标准多是按北欧的风场条件制定的，完全依赖进口不现实也不可持续。中国能源网首席信息官韩晓平接受采访时认为，虽然目前海上风电发展前景很好，但其开发难度要远大于陆上风电。海上风力发电技术落后陆上风力发电近10年，成本也要高2～3倍。同时，海上风电相比太阳能产业技术门槛较高，在电网配套方面，接纳大容量风电的技术还没有突破，与常规电源的利益分摊矛盾尚未解决。因此，目前进行大规模产业化建设还很困难。

与陆上风电发展相似，技术从一开始就是制约海上风电发展的因素之一。首先，海上风电场建设前期工作非常复杂，需要在海上竖立70米甚至100米的测风塔，并对海底地形及其运动、工程地质等基本情况进行实地观测。更关键的是，海上风电机组的单机容量更大，对风电机组防腐蚀等要求更为严格，一点瑕疵都将造成机组的停转。其次，环境是另一个不得不面对的问题。2006年，台风“桑美”登陆时，台风中心正面袭击苍南风电场，导致28台风机倒了20台，对风电场几乎造成毁灭性打击。如果说南方台风成为风电场安全的“第一杀手”的话，那么在北方，每年冬季海面上的浮冰将会是风机安全的最大威胁。“后期的维护也很重要，海上的风中是含盐的，所以腐蚀性很强，这对海上风电设备的抗腐蚀提出了新的要求，也为后期的维护提出了新的要求，所以必须有相应的方案来解决这些问题，其中最重

要的是，新的环境对设备的质量要求更高了。”

更高的质量要求

近年，在大力支持下，通过技术引进，我国基本掌握了兆瓦级风电机组制造技术，初步形成了叶片、齿轮箱、发电机和控制系统等主要部件的风电设备产业链。但是由于大多数风电企业重制造、轻创新、重引进、轻吸收，使风电的关键设备及核心技术受制于国外，风电技术自主创新能力成为软肋，设备质量特别是关键部件的质量亟待提高。再加上我国风电产业急速发展，大量风机匆忙上马，设备从研发到实际运行的时间大大缩短，这样由于研发技术准备不足而导致风机在运行中出现了一系列问题。

据了解，虽然目前我国已经实现1兆瓦风机的国产化，并拥有自有技术，但如果大规模开发海上风电，我国3兆瓦甚至更大容量的风机技术与国外还存在一定的差距。“其实整个海上风电在国外也是近两年才稍微多一些，但技术也不能说已经很成熟。即使是目前海上风电比较领先的荷兰，也主要是在近海。我国的风电设备质量、技术与国外相比还有差距，特别是在电器、基础材料方面，海上风电的质量要求更高，而我们恰恰在这些方面存在不小的差距。”业内人士指出，越是大型的风机，质量问题越重要，因为风机叶片大，齿轮箱重，负荷也比较大。

“设备可靠性问题将是影响我国风电发展的巨大隐忧。我国的风电设备制造企业必须注重风电的整机优化和主辅匹配，在提高设备可靠性上要下大工夫。”中国风能协会的专家表示，“我国海上风电既要着眼于容量，又要向提高设备质量、性能、水平等方向努力。”迄今我国真正并网的海上风电场仅有上海东海大桥一处，近期才全部安装完成，实际运营不过一年，尚未经历过恶劣气候的考验，没有应用中的不断改善，还远不成熟，并且国际上考核风电场的重要指标是20年效益。因此，算上到华东沿海的输配电费用，风电成本究竟是海上高、还是陆上高？这都需要冷静客观的测算和思考。

海上风机也不是越大越好，发电的效率、技术的稳定性是第一位的。风电作为新兴产业，必然会存在一些问题，但这是产业本身发展过程当中的问题，是前进道路中的矛盾，风电产业还需要几年时间才能进入到成熟期。对于海上风电，既要对其前景持乐观态度，又要对其困难有充分认识，坚持质量第一的原则，让海上风电在未来发挥更大的作用。