国内外风力发电技术的现状与发展趋势
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
１ ７１７．４ １ ３５３ ０ ｌ ２６０ ０ ｌ ２１９．０ １ ０４０．０
５４『新能源产业２００７年第１期
万方数据
２ ００ ２年欧洲风能协会（ＥＷＥＡ）与绿色和平组织 （Ｇｒｅｅｎｐｅａｃｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）发表了一份标题为“风力１２（Ｗｉｎｄ Ｆｏｒｃｅ １２）”的报告，勾画了风电在２０２０年达到世界电量１２％的 蓝图。报告声明这份文件不是预测，而是从世界风能资源、世界 电力需求的增长和电网容量、风电市场发展趋势和潜在的增长 率、与核电和大水电等其他电源技术发展历程的比较以及减排 ＣＯ。等温室气体的要求，论证了风电达到世界电量１２％的可能 性。报告还指出中国２０２０年风电装机有可能达Ｎ１．７亿千瓦…”。
ｎ莳南＝努寺跏 （５）
（５）式即为有名的贝兹（Ｂｅｔｚ）理论的极限值。它说明，风力 机从自然风中所能索取的能量是有限的，其功率损失部分可以解 释为留在尾流中的旋转动能。
能量的转换将导致功率的下降，它随所采用的风力机和发电
机的型式而异，因此，风力机的实际风能利用系数Ｃｐ＜Ｏ．５９３ Ｅ”。
２．３温度、大气压力和空气密度
２风力发电基本知识
２．１风能的计算公式
空气运动具有动能。风能是指风所具有的动能。如 果风力发电机叶轮的断面积为Ａ，则当风速为Ｖ的风流 经叶轮时，单位时间风传递给叶轮的风能为
１
，
Ｐ２＝ｍＶ２
（１）
Ｚ
其中：单位时间质量流量ｍ－－－Ｐ ＡＶ
风能是一种可再生的清洁能源。近３０年来，国际上在 风能的利用方面。无论是理论研究还是应用研究都取得了重 大进步。风力发电技术日臻完善。并网型风力发电机单机额 定功率最大已经到５ＭＷ，叶轮直径达到１２６ｍｏ截止２００５年 世界装机容量已达５８，９８２ＭＷ，风力发电量占全球电量的 １％。中国成为亚洲风电产业发展的主要推动者之一，其总装 机容量居世界第８位，２００５年新增装机容量居世界第６位。 今后。国内外风力发电技术和产业的发展速度将明显加快。
万方数据
燃ｎｄｕｓｔｒｙ Ｄ憨ｙｎａｍ囊ｉ端濯鋈
Ｆｉｇ．２
图２垂直轴风力机
ｖｅｒｔｉｃａｌ—ａｘｉＳ－－ｒｏｔｏｒ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅｓ
２００７．０１ Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ ５３
鋈墓劳熟癃
世界风电累计装机容量最多的十个国家见表２，前十名合计 ５１７５０．９ＭＷ，约占世界总装机容量的８７．７％。
愆ｎｄｕｓ业ｔｒＶ Ｄ碧ｙｎａ。ｍ囊ｉ灞＊鋈
●田德（内蒙古农业大学新能源技术研究所，呼和浩特０１００１８）
１引言
风是最常见的自然现象之一，是太阳对地球表面不 均衡加热而引起的“空气流动”，流动空气具有的动能 称之为风能。因此，风能是一种广义的太阳能。据世界 气象组织（ＷＭＯ）和中国气象局气象科学研究院分析， 地球上可利用的风能资源为２００亿ｋＷ，是地球上可利 用水能的２０倍。中国陆地１０ｍ高度层可利用的风能为 ２．５３亿ｋＷ，海上可利用的风能是陆地上的３倍，５０ｍ 高度层可利用的风能是１０ｍ高度层的２倍，风能资源非 常丰富。
水平轴风力机，风轮的旋转轴与风向平行，如图１所示；垂 直轴风力机，风轮的旋转轴垂直于地面或气流方向，如图２所示。
４国内外风力发电的现状
４．１世界风力发电的现状
目前，中、大型风力发电机组已在世界上４０多个国家陆地和 近海并网运行，风电增长率比其它电源增长率高的趋势仍然继 续。如表ｌ所示，截止２００５年１２月３１日世界装机容量已达５８， ９８２ＭＷ，年装机容量为１１，３１０ＭＷ，增长率为２４％；风力发电量 占全球电量的ｌ％，部分国家及地区已达２０％甚至更多。２００５年
１ ７９８．８ １ ７６４．０ ２４２４．０ １ ４３０．０
４．Ｏ ４５２．４ ４６５．０ ４９６．０ １４１．０ １４３ ８
１０ ８％ ２１３％ ３６ Ｏ％ ４７．７％
０．１％ ３５．８％ ５２．４％ ６４．９％ １３ １％ １６ ０％
１８４２７．５ １０ ０２７．０ ９１４９．０ ４４３０．０ ３１２８．０
万方数据
ＡＶＰＡＶ
ＰＰ＝＝ｉ三１ Ｖ２２芝 ＡＶ ｖ２：ｉｌ ｐＡＶ３３
（２）
在实际中，Ｐｗ：＝１ Ｃｐ ｑｍ ｒｌ ｅＰＡＶ３
（３）
式中： Ｐｗ一每秒空气流过风力发电机叶轮断面面积的风 能，即风能功率，ｗ；
ｃＰ一叶轮的风能利用系数； １１。一齿轮箱和传动系统的机械效率，一般为ｏ．踟一 ０．９５，直驱式风力发电机为１．ｏ； Ｔ１。一发电机效率，一般为ｏ．７０一ｏ．９８； ｐ一空气密度，ｋｇ／ｍ３； Ａ一风力发电机叶轮旋转一周所扫过的面积，
１００ｍ、１１０ｍ、１１４ｍ、１１６ｍ到１２６ｍ。
３．２风力机的种类
风力发电机是把风能转换为电能的装置，鉴于风力发电机种 类繁多，因此分类法也是多种。按叶片数量分，单叶片，双叶片， 三叶片，四叶片和多叶，片；按主轴与地面的相对位置分，水平轴、 垂直轴（立轴）式；按桨叶工作原理分，升力型、阻力型。目前风 力发电机三叶片水平轴类型居多。
风能是一种技术比较成熟、很有开发利用前景的可 再生能源之一Ⅲ。风能的利用方式不仅有风力发电、风 力提水，而且还有风力致热、风帆助航等。因此，开发 利用风能对世界各国科技工作者具有极强的魅力，从而 唤起了世界众多的科学家致力于风能利Leabharlann Baidu方面的研究。 在本文中，将对国内外风力发电技术的现状和发展趋势
进行论述。
１）小型风力发电机 小型水平轴风力机主要组成部分有：风轮、发电机、塔架、 调向机构、蓄能系统、逆变器等。 （１）风轮 风轮是风力机从风中吸收能量的部件，其作用是把空气流动 的动能转变为风轮旋转的机械能。水平轴风力发电机的风轮是由 １－３个叶片组成的。叶片的结构形式多样，材料因风力机型号和 功率大小而定，如木心外蒙玻璃钢叶片、玻璃纤维增强塑料树脂 叶片等。 （２）发电机 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。小型风力发电机多采用 同步或异步交流发电机，发出的交流电通过整流装置转换成 直流电。 （３）塔架 塔架用于支撑发电机和调向机构等。因风速随离地面的高度 增加而增加，塔架越高，风轮单位面积捕捉的风能越多，但造价、 安装费等也随之加大。 （４）调向机构 垂直轴风力机可接受任何方向吹来的风，因此不需要调向机 构。对于水平轴风力机，为了得到最高的风能利用效率，应用风 轮的旋转面经常对准风向，需要对风装置。常用的调向机构主要 有尾舵、舵轮、电动对风装置。 （５）限速机构 当风速高于风力机的设计风速时，为了防止叶片损坏，需要 对风轮转速进行控制。 （６）贮能装置 贮能装置对独立运行的小型风力机是十分重要的。其贮能方 式有热能贮能、化学能贮存。 （７）逆变器 用于将直流电转换为交流电，以满足交流电气设备用电的 要求。 ２）大型风力发电机 大型风力发电机组由两大部分组成气动机械部分和电气部 分。气动机械部分包括风轮、低速轴、增速齿轮箱、高速轴，其 功能是驱动发电机转子，将风能转换为机械能。电气部分包括异 步发电机、电力电子变频器、变压器和电网，其功能是将机械能 转换为频率恒定的电能。近年来，又研制成功了直驱式变速恒频 风力发电机组（无增速齿轮箱）。
３风力机与风力发电技术
３．１风力机与风力发电技术的发展史
风能，是人类最早使用的能源之一。远在公元前２０００年，埃 及、波斯等国已出现帆船和风磨，中世纪荷兰与美国已有用于排 灌的水平轴风车。我国是世界上最早利用风能的国家之一，早在 距今１８００年前，我国就有风力提水的记载。１８９０年丹麦的Ｐ·拉 库尔研制成功了风力发电机，１９０８年丹麦已建成几百个小型风力 发电站。自二十世纪初至二十世纪六十年代末，一些国家对风能 资源的开发，尚处于小规模的利用阶段［４］。
４．２国内风力发电的现状
根据国家气象科学院的估算【８］，我国陆地地面ｌｏ米高度层 风能的理论可开发量为３２亿ｋＷ，实际可开发量为２．５３亿ｋＷ。 海上风能可开发量是陆地风能储量的３倍。
内蒙古实际可开发量ｏ．６１８亿ｋＷ 西藏实际可开发量ｏ．４０８亿ｋＷ 新疆实际可开发量ｏ．３４３亿ｋＷ 青海实际可开发量ｏ．２４２亿ｋＷ 黑龙江实际可开发量ｏ．１７２亿ｋＷ ２００５年中国除台湾省外新增风电机组５９２台，装机容量５０． ３万ｋＷ。与２００４年当年新增装机１９．８万ｋＷ相比，２００５年当年 新增装机增长率为２５４％。 截至２００５年底，中国除台湾省外累计风电机组１８６４台，装 机容量１２６．６万ｋＷ，风电场６２个。分布在１５个省（市、自治区、 特别行政区），它们按装机容量排序如表３所示。与２００４年累计 装机７６．４万ｋＷ相比，２００５年累计装机增长率为６５．６％。２００５年 风电上网电量约１５．３亿ｋＷ·ｈ［９１。
目前，已经备离岸风力发电设备商业生产能力的厂家，主要 有丹麦的Ｖｅｓｔａｓ（包括被其整合的ＮＥＧ－Ｍｉｃｏｎ），美国的ＧＥ风 能，德国的Ｎｏｒｄｅｘ、Ｒｅｐｏｗｅｒ、Ｐｆｌｅｉｄｅｒｅｒ／Ｐｒｏｋｏｎ、Ｂｏｎｕｓ和德国 著名的Ｅｎｅｒｃｏｎ公司。单机额定功率覆盖范围从２ＭＷ、２．３ＭＷ、 ３．６ＭＷ、４．２ＭＷ、４．５ＭＷ到５ＭＷ。叶轮直径从８０ｍ、８２．４ｍ、
随着大型水电、火电机组的采用和电力系统的发展，１９７０年 以前研制的中、大型风力发电机组因造价高和可靠性差而逐渐被 淘汰，到二十世纪六十年代末相继都停止了运转。这一阶段的试 验研究表明，这些中、大型机组一般在技术上还是可行的，它为 二十世纪七十年代后期的大发展奠定了基础。
１９８０年以来，国际上风力发电机找，Ｓｔｌ３益走向商业化。主要 机组容量有３００ｋＷ、６００ｋＷ、７５０ｋＷ、８５０ｋＷ、１ＭＷ、２ＭＷ。 １９９１年丹麦在Ｖｉｎｄｅｂｙ建成了世界上第一个海上风电场，由ｌｌ 台丹麦Ｂｏｎｕｓ ４５０ｋＷ单机组成，总装机４．９５ＭＷ。随后荷兰、瑞 典、英国相继建成了自己的海上风电场。
Ｔａｂｌｅ １ Ｇｌｏｂａｌ ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ ｉｎｓｔａｌｌｅｄ ｃａｐａｃｉｔｙ ｂｅｔｗｅｅｎ １９９７ ａｎｄ ２００５
年份
累计装机 （ＭＷ）
１９９７ １９９８ １９９９ ２０００ ２００１ ２００２ ２００３ ２００４ ２００５
７４７５ ９ ６６３ １３ ６９６ １８ ０３９ ２４ ３２０ ３１ １６３ ３９２８８ ４７ ６７ｌ ５８ ９８２
ｍ２；
ｖ一风速，ｍ／ｓ。
２００７．０１ Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ｝卯
鳖黔ｃ熟鹿
２．２贝茨（Ｂｅｔｚ）理论
第一个关于风轮的完整理论是由德国哥廷根研究所的Ａ·贝 茨于１９２６年建立的。
贝茨假定风轮是理想的，也就是说没有轮毂，而叶片数是 无穷多，并且对通过风轮的气流没有阻力。因此这是一个纯粹 的能量转换器。此外还进一步假设气流在整个风轮扫掠面上的 气流是均匀的，气流速度的方向无论在风轮前后还是通过时都 是沿着风轮轴线的。
表２ ２００５年世界风电累计装机容量最多的十个国家［５］
Ｔａｂｌｅ ２ Ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｔｅｎ ｃｏｕｎｔｒｉｅｓ ｏｆｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ ｉｎｓｔａｌｌｅｄ ｃａｐａｃｉｔｙ ｉｎ ２００５
２００５年新增装
２００５住
２００５年累积装机
国家
机容量（ＭＷ） 增长率（％）
容量（ＭＷ）
德国 西班牙
美国 印度 丹麦 意大利 英国 中国 荷兰 日本
通过分析一个放置在移动空气中的“理想”风轮得出风轮所 能产生的最大功率为
８
．
Ｐ一２万ｐ Ａｖ３
ｆ４）
式中：Ｐ一一风轮所能产生的最大功率； ｐ一空气密度，ｋｇ／ｍ３； Ａ一风力发电机叶轮旋转一周所扫过的面积，ｍ２； Ｖ一风速，ｍ／ｓ。 这个表达式称为贝茨公式。其假定条件是风速与风轮轴方向 一致并在整个风轮扫掠面上是均匀的［２］。 将（４）式除以气流通过扫掠面Ａ时风所具有的动能，可推得风 力机的理论最大效率
２００５年国际风电市场份额的分布多样化进程呈持续发展趋 势：有１１个国家的装机容量已高于１，０００ＭＷ，其中７个欧洲国 家（德国、西班牙、意大利、丹麦、英国、荷兰、葡萄牙），３个 亚洲国家（印度、中国、日本），还有美国。亚洲正成为发展全 球风电的新生力量，其增长率为４８％Ｅｚｌ。
表１ １９９７年到２００５年世界风电累计装机情况［５】
通过温度计和气压计测试出实验地点的环境温度和大气压，
由下式计算出空气密度。
ｐ：望：塑—Ｌ
（２７３＋ｎ １０１３２５
（一６）
式中：ｐ一空气密度，ｋｇ／ｍ３；
ｈ一当地大气压力，Ｐａ； ｔ一温度，℃。
从空气密度公式可以看出，空气密度的大小与大气压力、温
度有关。
５２｜新能源产业２００７年第１期
万方数据
２．４风力机的主要组成
５４『新能源产业２００７年第１期
万方数据
２ ００ ２年欧洲风能协会（ＥＷＥＡ）与绿色和平组织 （Ｇｒｅｅｎｐｅａｃｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）发表了一份标题为“风力１２（Ｗｉｎｄ Ｆｏｒｃｅ １２）”的报告，勾画了风电在２０２０年达到世界电量１２％的 蓝图。报告声明这份文件不是预测，而是从世界风能资源、世界 电力需求的增长和电网容量、风电市场发展趋势和潜在的增长 率、与核电和大水电等其他电源技术发展历程的比较以及减排 ＣＯ。等温室气体的要求，论证了风电达到世界电量１２％的可能 性。报告还指出中国２０２０年风电装机有可能达Ｎ１．７亿千瓦…”。
ｎ莳南＝努寺跏 （５）
（５）式即为有名的贝兹（Ｂｅｔｚ）理论的极限值。它说明，风力 机从自然风中所能索取的能量是有限的，其功率损失部分可以解 释为留在尾流中的旋转动能。
能量的转换将导致功率的下降，它随所采用的风力机和发电
机的型式而异，因此，风力机的实际风能利用系数Ｃｐ＜Ｏ．５９３ Ｅ”。
２．３温度、大气压力和空气密度
２风力发电基本知识
２．１风能的计算公式
空气运动具有动能。风能是指风所具有的动能。如 果风力发电机叶轮的断面积为Ａ，则当风速为Ｖ的风流 经叶轮时，单位时间风传递给叶轮的风能为
１
，
Ｐ２＝ｍＶ２
（１）
Ｚ
其中：单位时间质量流量ｍ－－－Ｐ ＡＶ
风能是一种可再生的清洁能源。近３０年来，国际上在 风能的利用方面。无论是理论研究还是应用研究都取得了重 大进步。风力发电技术日臻完善。并网型风力发电机单机额 定功率最大已经到５ＭＷ，叶轮直径达到１２６ｍｏ截止２００５年 世界装机容量已达５８，９８２ＭＷ，风力发电量占全球电量的 １％。中国成为亚洲风电产业发展的主要推动者之一，其总装 机容量居世界第８位，２００５年新增装机容量居世界第６位。 今后。国内外风力发电技术和产业的发展速度将明显加快。
万方数据
燃ｎｄｕｓｔｒｙ Ｄ憨ｙｎａｍ囊ｉ端濯鋈
Ｆｉｇ．２
图２垂直轴风力机
ｖｅｒｔｉｃａｌ—ａｘｉＳ－－ｒｏｔｏｒ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅｓ
２００７．０１ Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ ５３
鋈墓劳熟癃
世界风电累计装机容量最多的十个国家见表２，前十名合计 ５１７５０．９ＭＷ，约占世界总装机容量的８７．７％。
愆ｎｄｕｓ业ｔｒＶ Ｄ碧ｙｎａ。ｍ囊ｉ灞＊鋈
●田德（内蒙古农业大学新能源技术研究所，呼和浩特０１００１８）
１引言
风是最常见的自然现象之一，是太阳对地球表面不 均衡加热而引起的“空气流动”，流动空气具有的动能 称之为风能。因此，风能是一种广义的太阳能。据世界 气象组织（ＷＭＯ）和中国气象局气象科学研究院分析， 地球上可利用的风能资源为２００亿ｋＷ，是地球上可利 用水能的２０倍。中国陆地１０ｍ高度层可利用的风能为 ２．５３亿ｋＷ，海上可利用的风能是陆地上的３倍，５０ｍ 高度层可利用的风能是１０ｍ高度层的２倍，风能资源非 常丰富。
水平轴风力机，风轮的旋转轴与风向平行，如图１所示；垂 直轴风力机，风轮的旋转轴垂直于地面或气流方向，如图２所示。
４国内外风力发电的现状
４．１世界风力发电的现状
目前，中、大型风力发电机组已在世界上４０多个国家陆地和 近海并网运行，风电增长率比其它电源增长率高的趋势仍然继 续。如表ｌ所示，截止２００５年１２月３１日世界装机容量已达５８， ９８２ＭＷ，年装机容量为１１，３１０ＭＷ，增长率为２４％；风力发电量 占全球电量的ｌ％，部分国家及地区已达２０％甚至更多。２００５年
１ ７９８．８ １ ７６４．０ ２４２４．０ １ ４３０．０
４．Ｏ ４５２．４ ４６５．０ ４９６．０ １４１．０ １４３ ８
１０ ８％ ２１３％ ３６ Ｏ％ ４７．７％
０．１％ ３５．８％ ５２．４％ ６４．９％ １３ １％ １６ ０％
１８４２７．５ １０ ０２７．０ ９１４９．０ ４４３０．０ ３１２８．０
万方数据
ＡＶＰＡＶ
ＰＰ＝＝ｉ三１ Ｖ２２芝 ＡＶ ｖ２：ｉｌ ｐＡＶ３３
（２）
在实际中，Ｐｗ：＝１ Ｃｐ ｑｍ ｒｌ ｅＰＡＶ３
（３）
式中： Ｐｗ一每秒空气流过风力发电机叶轮断面面积的风 能，即风能功率，ｗ；
ｃＰ一叶轮的风能利用系数； １１。一齿轮箱和传动系统的机械效率，一般为ｏ．踟一 ０．９５，直驱式风力发电机为１．ｏ； Ｔ１。一发电机效率，一般为ｏ．７０一ｏ．９８； ｐ一空气密度，ｋｇ／ｍ３； Ａ一风力发电机叶轮旋转一周所扫过的面积，
１００ｍ、１１０ｍ、１１４ｍ、１１６ｍ到１２６ｍ。
３．２风力机的种类
风力发电机是把风能转换为电能的装置，鉴于风力发电机种 类繁多，因此分类法也是多种。按叶片数量分，单叶片，双叶片， 三叶片，四叶片和多叶，片；按主轴与地面的相对位置分，水平轴、 垂直轴（立轴）式；按桨叶工作原理分，升力型、阻力型。目前风 力发电机三叶片水平轴类型居多。
风能是一种技术比较成熟、很有开发利用前景的可 再生能源之一Ⅲ。风能的利用方式不仅有风力发电、风 力提水，而且还有风力致热、风帆助航等。因此，开发 利用风能对世界各国科技工作者具有极强的魅力，从而 唤起了世界众多的科学家致力于风能利Leabharlann Baidu方面的研究。 在本文中，将对国内外风力发电技术的现状和发展趋势
进行论述。
１）小型风力发电机 小型水平轴风力机主要组成部分有：风轮、发电机、塔架、 调向机构、蓄能系统、逆变器等。 （１）风轮 风轮是风力机从风中吸收能量的部件，其作用是把空气流动 的动能转变为风轮旋转的机械能。水平轴风力发电机的风轮是由 １－３个叶片组成的。叶片的结构形式多样，材料因风力机型号和 功率大小而定，如木心外蒙玻璃钢叶片、玻璃纤维增强塑料树脂 叶片等。 （２）发电机 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。小型风力发电机多采用 同步或异步交流发电机，发出的交流电通过整流装置转换成 直流电。 （３）塔架 塔架用于支撑发电机和调向机构等。因风速随离地面的高度 增加而增加，塔架越高，风轮单位面积捕捉的风能越多，但造价、 安装费等也随之加大。 （４）调向机构 垂直轴风力机可接受任何方向吹来的风，因此不需要调向机 构。对于水平轴风力机，为了得到最高的风能利用效率，应用风 轮的旋转面经常对准风向，需要对风装置。常用的调向机构主要 有尾舵、舵轮、电动对风装置。 （５）限速机构 当风速高于风力机的设计风速时，为了防止叶片损坏，需要 对风轮转速进行控制。 （６）贮能装置 贮能装置对独立运行的小型风力机是十分重要的。其贮能方 式有热能贮能、化学能贮存。 （７）逆变器 用于将直流电转换为交流电，以满足交流电气设备用电的 要求。 ２）大型风力发电机 大型风力发电机组由两大部分组成气动机械部分和电气部 分。气动机械部分包括风轮、低速轴、增速齿轮箱、高速轴，其 功能是驱动发电机转子，将风能转换为机械能。电气部分包括异 步发电机、电力电子变频器、变压器和电网，其功能是将机械能 转换为频率恒定的电能。近年来，又研制成功了直驱式变速恒频 风力发电机组（无增速齿轮箱）。
３风力机与风力发电技术
３．１风力机与风力发电技术的发展史
风能，是人类最早使用的能源之一。远在公元前２０００年，埃 及、波斯等国已出现帆船和风磨，中世纪荷兰与美国已有用于排 灌的水平轴风车。我国是世界上最早利用风能的国家之一，早在 距今１８００年前，我国就有风力提水的记载。１８９０年丹麦的Ｐ·拉 库尔研制成功了风力发电机，１９０８年丹麦已建成几百个小型风力 发电站。自二十世纪初至二十世纪六十年代末，一些国家对风能 资源的开发，尚处于小规模的利用阶段［４］。
４．２国内风力发电的现状
根据国家气象科学院的估算【８］，我国陆地地面ｌｏ米高度层 风能的理论可开发量为３２亿ｋＷ，实际可开发量为２．５３亿ｋＷ。 海上风能可开发量是陆地风能储量的３倍。
内蒙古实际可开发量ｏ．６１８亿ｋＷ 西藏实际可开发量ｏ．４０８亿ｋＷ 新疆实际可开发量ｏ．３４３亿ｋＷ 青海实际可开发量ｏ．２４２亿ｋＷ 黑龙江实际可开发量ｏ．１７２亿ｋＷ ２００５年中国除台湾省外新增风电机组５９２台，装机容量５０． ３万ｋＷ。与２００４年当年新增装机１９．８万ｋＷ相比，２００５年当年 新增装机增长率为２５４％。 截至２００５年底，中国除台湾省外累计风电机组１８６４台，装 机容量１２６．６万ｋＷ，风电场６２个。分布在１５个省（市、自治区、 特别行政区），它们按装机容量排序如表３所示。与２００４年累计 装机７６．４万ｋＷ相比，２００５年累计装机增长率为６５．６％。２００５年 风电上网电量约１５．３亿ｋＷ·ｈ［９１。
目前，已经备离岸风力发电设备商业生产能力的厂家，主要 有丹麦的Ｖｅｓｔａｓ（包括被其整合的ＮＥＧ－Ｍｉｃｏｎ），美国的ＧＥ风 能，德国的Ｎｏｒｄｅｘ、Ｒｅｐｏｗｅｒ、Ｐｆｌｅｉｄｅｒｅｒ／Ｐｒｏｋｏｎ、Ｂｏｎｕｓ和德国 著名的Ｅｎｅｒｃｏｎ公司。单机额定功率覆盖范围从２ＭＷ、２．３ＭＷ、 ３．６ＭＷ、４．２ＭＷ、４．５ＭＷ到５ＭＷ。叶轮直径从８０ｍ、８２．４ｍ、
随着大型水电、火电机组的采用和电力系统的发展，１９７０年 以前研制的中、大型风力发电机组因造价高和可靠性差而逐渐被 淘汰，到二十世纪六十年代末相继都停止了运转。这一阶段的试 验研究表明，这些中、大型机组一般在技术上还是可行的，它为 二十世纪七十年代后期的大发展奠定了基础。
１９８０年以来，国际上风力发电机找，Ｓｔｌ３益走向商业化。主要 机组容量有３００ｋＷ、６００ｋＷ、７５０ｋＷ、８５０ｋＷ、１ＭＷ、２ＭＷ。 １９９１年丹麦在Ｖｉｎｄｅｂｙ建成了世界上第一个海上风电场，由ｌｌ 台丹麦Ｂｏｎｕｓ ４５０ｋＷ单机组成，总装机４．９５ＭＷ。随后荷兰、瑞 典、英国相继建成了自己的海上风电场。
Ｔａｂｌｅ １ Ｇｌｏｂａｌ ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ ｉｎｓｔａｌｌｅｄ ｃａｐａｃｉｔｙ ｂｅｔｗｅｅｎ １９９７ ａｎｄ ２００５
年份
累计装机 （ＭＷ）
１９９７ １９９８ １９９９ ２０００ ２００１ ２００２ ２００３ ２００４ ２００５
７４７５ ９ ６６３ １３ ６９６ １８ ０３９ ２４ ３２０ ３１ １６３ ３９２８８ ４７ ６７ｌ ５８ ９８２
ｍ２；
ｖ一风速，ｍ／ｓ。
２００７．０１ Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ｝卯
鳖黔ｃ熟鹿
２．２贝茨（Ｂｅｔｚ）理论
第一个关于风轮的完整理论是由德国哥廷根研究所的Ａ·贝 茨于１９２６年建立的。
贝茨假定风轮是理想的，也就是说没有轮毂，而叶片数是 无穷多，并且对通过风轮的气流没有阻力。因此这是一个纯粹 的能量转换器。此外还进一步假设气流在整个风轮扫掠面上的 气流是均匀的，气流速度的方向无论在风轮前后还是通过时都 是沿着风轮轴线的。
表２ ２００５年世界风电累计装机容量最多的十个国家［５］
Ｔａｂｌｅ ２ Ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｔｅｎ ｃｏｕｎｔｒｉｅｓ ｏｆｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ ｉｎｓｔａｌｌｅｄ ｃａｐａｃｉｔｙ ｉｎ ２００５
２００５年新增装
２００５住
２００５年累积装机
国家
机容量（ＭＷ） 增长率（％）
容量（ＭＷ）
德国 西班牙
美国 印度 丹麦 意大利 英国 中国 荷兰 日本
通过分析一个放置在移动空气中的“理想”风轮得出风轮所 能产生的最大功率为
８
．
Ｐ一２万ｐ Ａｖ３
ｆ４）
式中：Ｐ一一风轮所能产生的最大功率； ｐ一空气密度，ｋｇ／ｍ３； Ａ一风力发电机叶轮旋转一周所扫过的面积，ｍ２； Ｖ一风速，ｍ／ｓ。 这个表达式称为贝茨公式。其假定条件是风速与风轮轴方向 一致并在整个风轮扫掠面上是均匀的［２］。 将（４）式除以气流通过扫掠面Ａ时风所具有的动能，可推得风 力机的理论最大效率
２００５年国际风电市场份额的分布多样化进程呈持续发展趋 势：有１１个国家的装机容量已高于１，０００ＭＷ，其中７个欧洲国 家（德国、西班牙、意大利、丹麦、英国、荷兰、葡萄牙），３个 亚洲国家（印度、中国、日本），还有美国。亚洲正成为发展全 球风电的新生力量，其增长率为４８％Ｅｚｌ。
表１ １９９７年到２００５年世界风电累计装机情况［５】
通过温度计和气压计测试出实验地点的环境温度和大气压，
由下式计算出空气密度。
ｐ：望：塑—Ｌ
（２７３＋ｎ １０１３２５
（一６）
式中：ｐ一空气密度，ｋｇ／ｍ３；
ｈ一当地大气压力，Ｐａ； ｔ一温度，℃。
从空气密度公式可以看出，空气密度的大小与大气压力、温
度有关。
５２｜新能源产业２００７年第１期
万方数据
２．４风力机的主要组成