风能技术的发展和最新趋势

风能技术的发展和最新趋势

M.R. Islam，S.Mekhilef，R.Saidur

论文信息

论文记录：2012年10月8号收到论文，2013年1月3日修订，2013年1月4日通过审核，2013年2月9号发表在网络上。

关键词：风能、鱼群概念、垂直轴风力发电机、能源存储系统、技术生命周期

摘要

在这篇论文中，随着现代风能技术的发展，风能技术的趋势和潜在的挑战经过深入研究。据估计，在未来二三十年之间，垂直轴风力发电机（VAWT）可以支配的风能技术。垂直轴风力发电机需要较少的土地空间，并使用相同的空间；相比于其他种类发电机它能获得更多的风能。通过有效和成功地引入鱼群概念，能更多地促进风能技术的发展。在过去的三四十年间，风力涡轮机的容量增长了大概

30

到40倍。随着风力发电容量的增加，能量储存系统的需求一直在显著增加。随着大量的能源储存系统，燃料电池和电池组是满足可再生能源系统的最有前途的两个设备。风力发电技术是建立本身，但尚未完全成熟，因而存在其中的改进是必需的，以减少风能的成本的许多领域。

1.简介

能源是支配我们生活和促进文明的不可分割的部分。在大多数的情况下，现代世界的社会和经济的健康发展依赖于能源的可持续供应。然而，人类文明和工业化的深入和无法控制的事态发展对环境和能源有极大的负面影响。为了防止环境的恶化和自然资源的进一步枯竭，未来的技术必须包括可持续发展的原则和技术处理，产品和运营的标准执行。

根据国际能源署的能源技术角度(ETP)公布的估计，如果没有新技术带来的影响，到2050年，从能源部门排出的温室气体量将比2005年增长130%。为了摆脱温室气体的排放，需要一场能源的革命，包括提高能源效率，可再生能源，核能和化石燃料为基础的脱碳发电。ETP BLUE情景表明，风电将有助于必要的电力部门减少12％。图1显示了各个能源部门减排的贡献值。除了二氧化碳以外，如硫和氮的氧化物的排放，也可由风能技术减少。像其他再生能源发电技术一样，风能在世界范围内广泛适应，并有利于减少对能源进口的依赖。如今，目前在火力发电厂广泛使用淡水冷却，这在干旱地区导致严重问题。与火力发电厂相比，风电场消耗非常低量的水。淡水问题在有些国家变成了非常重要的问题，例如中国、印度、美国等等。

由于现代技术的发展，风电已经取得了显着的进步。自1980年以来，先进的空气动力学，结构动力学和微气象学已经促成了生产能源的涡轮机的每年以5%增加。随着涡轮机的能量输出的巨大增长，涡轮机和它所发出的噪音的比重在过去的数年减少了一半。也可以通过用合适的风力发电机选择的风电场，采用大容量机和更快的基于计算机的机械加工技术，提高功率因数和更多的政府支持。相对于其他可再生能源技术的应用，风力发电具有由于其技术成熟，良好的基础

设施和相对有竞争力的成本等优势。在多风的地方，风能已经能与传统化石燃料发电相竞争。由于风能发电技术正在不断改进，专家预测，到2020年，风能将占据世界能源市场的5%。先进的风力发电机组技术必须更高效，更强大，比目前的涡轮技术的成本更低。在这篇论文中，主要的风电技术（风力发电机）的进展和趋势已经深入讨论。

鱼群概念的垂直轴风力发电机及其效益超过水平风力发电机已例证。连同这一点，如能量存储系统这种非常有用的附属物也已经简要讨论。虽然几部关于风力能源政策、发展、现状和技术，海上风电技术等的作品已经完成，但风能技术的进度和最新趋势还没完成。可预计的是本研究将对风能领域的研究人员和专业人员非常有用。

风能12%

CCS26% PV 太阳能7% CSP 太阳能7% 水电2% 先进燃煤

8%

地热3% 生物能8% 燃气12%

and efficiency) 核能15%

图-1 各电源领域在二氧化碳减排量的贡献

2.全球风能鸟瞰

从表1可以看出，全球风电装机容量238,351兆瓦，2011年比2005-2011期间总发电装机容量增加了近75％。在排名前十的风能国家中，最大的发展中国家——中国2011年底的装机容量是62733兆瓦，比2005-2011年期间大约增长了98%。接下来发展最快的国家是法国、加拿大、美国和英国，他们比2005-2011期间分别增长88％，87％，80％和90%。但是从图2，可以发现，在1996年底，累计风电装机容量仅为6.1兆瓦，在2004年底的风电装机容量为47.6兆瓦。

根据2011年世界风能报告（图2），可以得出下面的全球风能总结：

●2011年，全球风电装机容量达到238,351 MW，其中40,714兆瓦加2010至

2011年，比2009年至2010年稍大。

●在2010年底，全球所有安装的风力涡轮发电机可以产生430亿千瓦时的电

量，相当于全球电力消费的2.5%。

●中国在风能总装机容量上超过美国，并且以每年18928兆瓦的速度增长，占

全球增长量的50%。

●德国保持其在欧洲的头号位置，其风能装机容量是27,215兆瓦，其次是西

班牙，比德国少6539兆瓦。

●亚洲占新风机安装的最大份额，大约是54.6％，而欧洲停留则以27％左右

的份额占据第2个位置。

●据世界风能协会估计，到2015年之前全球装机容量可达60万兆瓦，按此发

展速度下去，到2020年可达到150万兆瓦的容量。

图-2全球风力发电累计容量(GW)

3.风力涡轮机

风力涡轮机主要分为水平轴型和垂直轴型，可以将风能转换成机械能。虽然水平轴风力发电机（HAWT）是一种常见的类型，但是垂直轴风力发电机（VAWT）以其低成本、维修方便的优势在全球范围内被日益重视，尤其是直刃垂直轴风力发电机更是如此。基于风能转换系统的工作原理，风能涡轮机可分为基于空气气动助力和气动扬力两种。拖拽原理被应用于早期波斯VAWT轮毂，这种轮毂具有非常低的功率系数，CP值最大值大约是0.16。但是，现代风力涡

轮机的主要基于气动升力。HAWT与VAWT的优缺点和比较在表-2中已给出。

3.1.现代风力发电机组技术和挑战

由于风力发电机组技术在20世纪80年代初期的商业化，很多东西有极大的发展，但主流设计的架构已经变化不大。现代的HAWT，风能由水平转子的装置提取，在上风塔上，装有可倾斜的三个叶片，可以以控制链接的轴的旋转速度。在三叶片转子增殖，并且通常有一个单独的前轴承，连接到齿轮箱，可提供适用于最流行的四极或二极发电机的输出速度低速轴。在HAWT中，轴被安装在一垂直轴，垂直于地面。垂直轴风力发电机始终对准着风向。图-3同时显示了现代化的水平轴风力机和垂直轴风力发电机。然而，对于现代风电行业最大的挑战是设计高效的风力涡轮机利用风能，并把它转化为电能。在过去的30年中，风力涡轮机的尺寸增加了100倍，而能源成本减少了超过5倍，而行业已经从一个理想主义的边缘活动转移到发电行业。同时，工程基础和计算工具已经发展到足以匹配机器尺寸和体积的地步。目前，这是风力涡轮机的非凡故事，但它远远没有结束行;许多技术挑战依然存在，甚至更加辉煌的成就将紧随其后。一些风力涡轮机的重要特征将在下文中讨论。

图-3 水平轴和垂直轴风力发电机

3.1.1．叶片数

叶片的数量的确定涉及空气动力学效率，元件成本，系统的可靠性和美学等