風力發電:利用風能發電方式-中文百科頻道

資源

中國風能資源豐富，可開發利用的風能儲量約10億kW，其中，陸地上風能儲量約2.53億kW（陸地上離地10m高度資料計算），海上可開發和利用的風能儲量約7.5億kW，共計10億kW。而2003年底全國電力裝機約5.67億kW。

風是沒有公害的能源之一。而且它取之不盡，用之不竭。對于缺水、缺燃料和交通不便的沿海島嶼、草原牧區、山區和高原地帶，因地制宜地利用風力發電，非常适合，大有可為。海上風電是可再生能源發展的重要領域，是推動風電技術進步和産業升級的重要力量，是促進能源結構調整的重要措施。中國海上風能資源豐富，加快海上風電項目建設，對于促進沿海地區治理大氣霧霾、調整能源結構和轉變經濟發展方式具有重要意義。

國家能源局2015年9月21日發布數據顯示，到2015年7月底，納入海上風電開發建設方案的項目已建成投産2個、裝機容量6.1萬千瓦，核準在建9個、裝機容量170.2萬千瓦，核準待建6個，裝機容量154萬千瓦。這與2014年末國家能源局《全國海上風電開發建設方案（2014-2016）》規劃的總裝機容量1053萬千瓦的44個項目相距甚遠。為此，國家能源局要求，進一步做好海上風電開發建設工作，加快推動海上風電發展。

利用

風是一種潛力很大的新能源，十八世紀初，橫掃英法兩國的一次狂暴大風，吹毀了四百座風力磨坊、八百座房屋、一百座教堂、四百多條帆船，并有數千人受到傷害，二十五萬株大樹連根拔起。僅就拔樹一事而論，風在數秒鐘内就發出了一千萬馬力(即750萬千瓦；一馬力等于0．75千瓦)的功率!有人估計過，地球上可用來發電的風力資源約有100億千瓦，幾乎是現在全世界水力發電量的10倍。目前全世界每年燃燒煤所獲得的能量，隻有風力在一年内所提供能量的三分之一。因此，國内外都很重視利用風力來發電，開發新能源。

利用風力發電的嘗試，早在二十世紀初就已經開始了。三十年代，丹麥、瑞典、蘇聯和美國應用航空工業的旋翼技術，成功地研制了一些小型風力發電裝置。這種小型風力發電機，廣泛在多風的海島和偏僻的鄉村使用，它所獲得的電力成本比小型内燃機的發電成本低得多。不過，當時的發電量較低，大都在5千瓦以下。

目前，據了解，國外已生産出15，40，45，100，225千瓦的風力發電機了。1978年1月，美國在新墨西哥州的克萊頓鎮建成的200千瓦風力發電機，其葉片直徑為38米，發電量足夠60戶居民用電。而1978年初夏，在丹麥日德蘭半島西海岸投入運行的風力發電裝置，其發電量則達2000千瓦，風車高57米，所發電量的75%送入電網，其餘供給附近的一所學校用。

1979年上半年，美國在北卡羅來納州的藍嶺山，又建成了一座世界上最大的發電用的風車。這個風車有十層樓高，風車鋼葉片的直徑60米；葉片安裝在一個塔型建築物上，因此風車可自由轉動并從任何一個方向獲得電力；風力時速在38公裡以上時，發電能力也可達2000千瓦。由于這個丘陵地區的平均風力時速隻有29公裡，因此風車不能全部運動。據估計，即使全年隻有一半時間運轉，它就能夠滿足北卡羅來納州七個縣1%到2%的用電需要。

曆史

風很早就被人們利用--主要是通過風車來抽水、磨面……。現在，人們感興趣的，首先是如何利用風來發電。

風是一種潛力很大的新能源，人們也許還記得，十八世紀初，橫掃英法兩國的一次狂暴大風，吹毀了四百座風力磨坊、八百座房屋、一百座教堂、四百多條帆船，并有數千人受到傷害，二十五萬株大樹連根拔起。僅就拔樹一事而論，風在數秒鐘内就發出了一千萬馬力(即750萬千瓦；一馬力等于0．75千瓦)的功率!有人估計過，地球上可用來發電的風力資源約有100億千瓦，幾乎是現在全世界水力發電量的10倍。目前全世界每年燃燒煤所獲得的能量，隻有風力在一年内所提供能量的三分之一。因此，國内外都很重視利用風力來發電，開發新能源。

原理

把風的動能轉變成機械動能，再把機械能轉化為電力動能，這就是風力發電。風力發電的原理，是利用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機将旋轉的速度提升，來促使發電機發電。依據目前的風車技術，大約是每秒三米的微風速度（微風的程度），便可以開始發電。風力發電正在世界上形成一股熱潮，因為風力發電不需要使用燃料，也不會産生輻射或空氣污染。

風力發電所需要的裝置，稱作風力發電機組。這種風力發電機組，大體上可分風輪(包括尾舵)、發電機和鐵塔三部分。（大型風力發電站基本上沒有尾舵，一般隻有小型（包括家用型）才會擁有尾舵）

風輪是把風的動能轉變為機械能的重要部件，它由兩隻（或更多隻）螺旋槳形的葉輪組成。當風吹向漿葉時，槳葉上産生氣動力驅動風輪轉動。槳葉的材料要求強度高、重量輕，目前多用玻璃鋼或其它複合材料(如碳纖維)來制造。（現在還有一些垂直風輪，s型旋轉葉片等，其作用也與常規螺旋槳型葉片相同）

由于風輪的轉速比較低，而且風力的大小和方向經常變化着，這又使轉速不穩定；所以，在帶動發電機之前，還必須附加一個把轉速提高到發電機額定轉速的齒輪變速箱，再加一個調速機構使轉速保持穩定，然後再聯接到發電機上。為保持風輪始終對準風向以獲得最大的功率，還需在風輪的後面裝一個類似風向标的尾舵。

鐵塔是支承風輪、尾舵和發電機的構架。它一般修建得比較高，為的是獲得較大的和較均勻的風力，又要有足夠的強度。鐵塔高度視地面障礙物對風速影響的情況，以及風輪的直徑大小而定，一般在6-20米範圍内。

發電機的作用，是把由風輪得到的恒定轉速，通過升速傳遞給發電機構均勻運轉，因而把機械能轉變為電能。

風力發電在芬蘭、丹麥等國家很流行；中國也在西部地區大力提倡。小型風力發電系統效率很高，但它不是隻由一個發電機頭組成的，而是一個有一定科技含量的小系統：風力發電機+充電器+數字逆變器。風力發電機由機頭、轉體、尾翼、葉片組成。每一部分都很重要，各部分功能為：葉片用來接受風力并通過機頭轉為電能；尾翼使葉片始終對着來風的方向從而獲得最大的風能；轉體能使機頭靈活地轉動以實現尾翼調整方向的功能；機頭的轉子是永磁體，定子繞組切割磁力線産生電能。

一般說來，三級風就有利用的價值。但從經濟合理的角度出發，風速大于每秒4米才适宜于發電。據測定，一台55千瓦的風力發電機組，當風速為每秒9.5米時，機組的輸出功率為55千瓦；當風速每秒8米時，功率為38千瓦；風速每秒6米時，隻有16千瓦；而風速每秒5米時，僅為9.5千瓦。可見風力愈大，經濟效益也愈大。

在中國，現在已有不少成功的中、小型風力發電裝置在運轉。

中國的風力資源極為豐富，絕大多數地區的平均風速都在每秒3米以上，特别是東北、西北、西南高原和沿海島嶼，平均風速更大；有的地方，一年三分之一以上的時間都是大風天。在這些地區，發展風力發電是很有前途的。

風力發電的輸出

風力發電機因風量不穩定，故其輸出的是13～25V變化的交流電，須經充電器整流，再對蓄電瓶充電，使風力發電機産生的電能變成化學能。然後用有保護電路的逆變電源，把電瓶裡的化學能轉變成交流220V市電，才能保證穩定使用。

通常人們認為，風力發電的功率完全由風力發電機的功率決定，總想選購大一點的風力發電機，而這是不正确的。

目前的風力發電機隻是給電瓶充電，而由電瓶把電能貯存起來，人們最終使用電功率的大小與電瓶大小有更密切的關系。功率的大小更主要取決于風量的大小，而不僅是機頭功率的大小。在内地，小的風力發電機會比大的更合适。因為它更容易被小風量帶動而發電，持續不斷的小風，會比一時狂風更能供給較大的能量。當無風時人們還可以正常使用風力帶來的電能，也就是說一台200W風力發電機也可以通過大電瓶與逆變器的配合使用，獲得500W甚至1000W乃至更大的功率輸出。

使用風力發電機，就是源源不斷地把風能變成家庭使用的标準市電，其節約的程度是明顯的，一個家庭一年的用電隻需20元電瓶液的代價。

而現在的風力發電機比幾年前的性能有很大改進，以前隻是在少數邊遠地區使用，風力發電機接一個15W的燈泡直接用電，一明一暗并會經常損壞燈泡。而現在由于技術進步，采用先進的充電器、逆變器，風力發電成為有一定科技含量的小系統，并能在一定條件下代替正常的市電。山區可以借此系統做一個常年不花錢的路燈；高速公路可用它做夜晚的路标燈；山區的孩子可以在日光燈下晚自習；城市小高層樓頂也可用風力電機，這不但節約而且是真正綠色電源。

家庭用風力發電機，不但可以防止停電，而且還能增加生活情趣。在旅遊景區、邊防、學校、部隊乃至落後的山區，風力發電機正在成為人們的采購熱點。無線電愛好者可用自己的技術在風力發電方面為山區人民服務，使人們看電視及照明用電與城市同步，也能使自己勞動緻富。

種類

概述

盡管風力發電機多種多樣，但歸納起來可分為兩類：①水平軸風力發電機，風輪的旋轉軸與風向平行；②垂直軸風力發電機，風輪的旋轉軸垂直于地面或者氣流方向。

水平軸風力發電機

水平軸風力發電機科分為升力型和阻力型兩類。升力型風力發電機旋轉速度快，阻力型旋轉速度慢。對于風力發電，多采用升力型水平軸風力發電機。大多數水平軸風力發電機具有對風裝置，能随風向改變而轉動。對于小型風力發電機，這種對風裝置采用尾舵，而對于大型的風力發電機，則利用風向傳感元件以及伺服電機組成的傳動機構。

風力機的風輪在塔架前面的稱為上風向風力機，風輪在塔架後面的則成為下風向風機。水平軸風力發電機的式樣很多，有的具有反轉葉片的風輪，有的再一個塔架上安裝多個風輪，以便在輸出功率一定的條件下減少塔架的成本，還有的水平軸風力發電機在風輪周圍産生漩渦，集中氣流，增加氣流速度。

垂直軸風力發電機

垂直軸風力發電機在風向改變的時候無需對風，在這點上相對于水平軸風力發電機是一大優勢，它不僅使結構設計簡化，而且也減少了風輪對風時的陀螺力。

利用阻力旋轉的垂直軸風力發電機有幾種類型，其中有利用平闆和被子做成的風輪，這是一種純阻力裝置；S型風車，具有部分升力，但主要還是阻力裝置。這些裝置有較大的啟動力矩，但尖速比低，在風輪尺寸、重量和成本一定的情況下，提供的功率輸出低。

達裡厄式風輪

是法國G.J.M達裡厄于19世紀30年代發明的。在20世紀70年代，加拿大國家科學研究院對此進行了大量的研究，現在是水平軸風力發電機的主要競争者。達裡厄式風輪是一種升力裝置，彎曲葉片的剖面是翼型，它的啟動力矩低，但尖速比可以很高，對于給定的風輪重量和成本，有較高的功率輸出。現在有多種達裡厄式風力發電機，如Φ型，Δ型，Y型和H型等。這些風輪可以設計成單葉片，雙葉片，三葉片或者多葉片。

雙饋型發電機

随着電力電子技術的發展，雙饋型感應發電機（Double-Fed Induction Generator）在風能發電中的應用越來越廣。這種技術不過分依賴于蓄電池的容量，而是從勵磁系統入手，對勵磁電流加以适當的控制，從而達到輸出一個恒頻電能的目的。雙饋感應發電機在結構上類似于異步發電機，但在勵磁上雙饋發電機采用交流勵磁。

一個脈振磁勢可以分解為兩個方向相反的旋轉磁勢，而三相繞組的适當安排可以使其中一個磁勢的效果消去，這樣一來就得到一個在空間旋轉的磁勢，這就相當于同步發電機中帶有直流勵磁的轉子。

雙饋發電機的優勢就在于，交流勵磁的頻率是可調的，這就是說旋轉勵磁磁動勢的頻率可調。這樣當原動機的轉速不定時，适當調節勵磁電流的頻率，就可以滿足輸出恒頻電能的目的。由于電力電子元器件的容量越來越大，所以雙饋發電機組的勵磁系統調節能力也越來越強，這使得雙饋機的單機容量得以提高。雖然，部分理論還在完善當中，但是雙饋反應發電機的廣泛應用這一趨勢将越來越明顯。

馬格努斯效應風輪

馬格努斯效應風輪，由自旋的圓柱體組成，當它在氣流中工作時，産生的移動力是由于馬格努斯效應引起的，其大小與風速成正比。有的垂直軸風輪使用管道或者漩渦發生器塔，通過套管或者擴壓器使水平氣流變成垂直氣流，以增加速度，偶寫還利用太陽能或者燃燒某種燃料，是水平氣流變成垂直方向的氣流。

徑流雙輪效應風輪

徑流雙輪效應或叫雙輪效應是一種新型風能轉化方式。

首先它是一種雙輪結構，相對于水平軸流式風機，它是徑流式的，同已有的立軸式風機一樣都是沿長軸布設槳葉的，直接利用風的推力旋轉工作的，單輪立軸風輪因軸兩側槳葉同時接受風力而扭矩相反，相互抵消，輸出力矩不大。

設計為雙輪結構并靠近安裝，同步運轉，就将原來的立軸力矩輸出對槳葉流體力學形狀的依賴進而改變為雙輪間的利用轉動産生渦流力的利用，兩輪相互借力，相互推動；而對吹向兩輪間的逆向風流可以互相遮擋，進而又依次輪流将其分撥于兩輪的外側，使兩輪外側獲得有疊加的風流，因此使雙輪的外緣線速度可以高于風速，雙輪結構的這種互相助力，主動利用風力的特點産生了“雙輪效應”。

相比有些單輪式結構風機中采用外加的遮擋法、活動式變槳矩等被動式減少葉輪回轉複位阻力的設計，體現了積極利用風力的特點。因此這一發明的不僅具有實用作用，促進風力利用的研究和發展，而且具有新的流體力學方面的意義。它開辟了風能發展的新空間，是一項帶有基礎性質的發明，這種雙輪風機具有的設計簡捷，易于制造加工，轉數較低，重心下降，安全性好，運行成本低，維護容易，無噪音污染等明顯特點，可以廣泛普及推廣，适應中國節能減排需求，大有市場前景。

檢測方

1.風力機運行狀态的監控.

2.單個風電機組的信息，風電機組轉子，傳動鍊，發電機，變換器，變壓器，艙室，偏航系統，塔架，氣象站狀态監控。

3.風速，風向，葉輪轉速，電網頻率，三相電壓，三相電流，發電機繞組溫度，環境溫度，機艙溫度，出力等監控！

4.保證風電廠數據的實時性和可靠性。實時調整風能的最優性，實現風電綠色能源，滿足國家電力系統二次防護要求。

優缺點

優點

1、清潔，環境效益好；

2、可再生，永不枯竭；

3、基建周期短；

4、裝機規模靈活。

缺點

1、噪聲，視覺污染；

2、占用大片土地；

3、不穩定，不可控；

4、目前成本仍然很高。

5、影響鳥類。

風能市場

市場狀況

風能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。其蘊量巨大，全球的風能約為2.74×109MW，其中可利用的風能為2×107MW，比地球上可開發利用的水能總量還要大10倍。中國風能儲量很大、分布面廣，僅陸地上的風能儲量就有約2.53億千瓦。

随着全球經濟的發展，風能市場也迅速發展起來。自2004年以來，全球風力發電能力翻了一番，2006年至2007年間，全球風能發電裝機容量擴大27%。2007年已有9萬兆瓦，這一數字到2010年将是16萬兆瓦。預計未來20-25年内，世界風能市場每年将遞增25%。随着技術進步和環保事業的發展，風能發電在商業上将完全可以與燃煤發電競争。

中國市場

“十五”期間，中國的并網風電得到迅速發展。2006年，中國風電累計裝機容量已經達到260萬千瓦，成為繼歐洲、美國和印度之後發展風力發電的主要市場之一。2007年中國風電産業規模延續暴發式增長态勢，截至2007年底全國累計裝機約600萬千瓦。2008年8月，中國風電裝機總量已經達到700萬千瓦，占中國發電總裝機容量的1%，位居世界第五，這也意味着中國已進入可再生能源大國行列。

2008年以來，中國風電建設的熱潮達到了白熱化的程度。2009年，中國（不含台灣地區）新增風電機組10129台，容量13803.2MW，同比增長124%；累計安裝風電機組21581台，容量25805.3MW。2009年，台灣地區新增風電機組37台，容量77.9MW；累計安裝風電機組227台，容量436.05MW。

區域發展

從各地區發展來看，截止到2009年12月31日，中國風電累計裝機超過1000MW的省份超過9個，其中超過2000MW的省份4個，分别為内蒙古（9196.2MW）、河北（2788.1MW）、遼甯（2425.3MW）和吉林（2063.9MW）。内蒙古2009年當年新增裝機5545.2MW，累計裝機9196.2MW，實現150%的大幅度增長。

資料來源：中國風能專業委員會2010年統計。