风力发电科普知识系列一

什么是风能？
风能就是空气的动能 , 是指风所负载的能量，风能的大小决定于风速和空气的密度。

风功率如何计算？
      风的能量指的是风的动能。特定质量的空气的动能可以用下列公式计算。能量= 1/2×质量×( 速度 ) ²吹过特定面积的风的功率可以用下列公式计算。
       功率 =1/2×空气密度X面积×( 速度)³其中，功率单位为瓦特；空气密度单位为千克/立方米；面积指气流横截面积，单位为平方米；速度单位为米/秒。在海平面高度和摄氏15度的条件下，干空气密度为1.225千克/立方米。空气密度随气压和温度而变。随著高度的升高，空气密度也会下降。于上述公式中可以看出，风功率与速度的三次方〔立方〕成正比，并与风轮扫掠面积成正比。不过实际上，风轮只能提取风的能量中的一部分，而非全部。
风能总量有多大？
     的风能约为2.74×10⁹MW，其中可利用的风能为2×10⁷MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。
我国风能总量有多少？
    我国10米高度层的风能资源总储量为32.26亿千瓦，其中实际可开发利用的风能资源储量为2.53亿千瓦。而据估计，中国近海风能资源约为陆地的3倍，所以，中国可开发风能资源总量约为10亿千瓦。其中青海、甘肃、新疆和内蒙可开发的风能储量分别为1143万千瓦、2421万千瓦、3433万千瓦和6178万千瓦，是中国大陆风能储备*丰富的地区。
风是怎样形成的 ?
      简单的说,太阳的辐射造成地球表面受热不均,引起大气层中压力分布不均;空气沿水平方向运动形成风，风的形成就是空气流动的结果。

发展风力发电具有什么优势？

　　风电技术日趋成熟，产品质量可靠，可用率已达95%以上，已是一种安全可靠的能源，风力发电的经济性日益提高，发电成本已接近煤电，低于油电与核电，若计及煤电的环境保护与交通运输的间接投资，则风电经济性将优于煤电。风力发电场建设工期短，单台机组安装仅需几周，从土建、安装到投产，只需半年至一年时间，是煤电、核电的。投资规模灵活，有多少钱装多少机。对沿海岛屿，交通不便的边远山区，地广人稀的草原牧场，以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、边疆来说，可作为解决生产和生活能源的一种有效途径。
人类利用风能的历史

　　人类利用风能的历史可以追溯到公元前。我国是世界上*早利用风能的国家之一。公元前数世纪我国人民就利用风力提水、灌溉、磨面、舂米，用风帆推动船舶前进。埃及尼罗河上的风帆船、中国的木帆船，都有两三千年的历史记载。唐代有“乘风破浪会有时，直挂云帆济沧海”诗句，可见那时风帆船已广泛用于江河航运。到了宋代更是我国应用风车的全盛时代，当时流行的垂直轴风车，一直沿用至今。在国外，公元前2世纪，古波斯人就利用垂直轴风车碾米。10世纪人用风车提水，11世纪风车在中东已获得广泛的应用。13世纪风车传至欧洲，14世纪已成为欧洲的原动机。在荷兰风车先用于莱茵河三角洲湖地和低湿地的汲水，其风车的功率可达50马力，以后又用于榨油和锯木。到了十八世纪二十年代，在北美洲风力机被用来灌溉田地和驱动发电机发电。从1920年起，人门开始研究利用风力机作大规模发电。1931年，在苏联的CrimeanBalaclava 建造了一 座100kW容量的风力发电机，这是*早商业化的风力发电机。
什么是风电场？

　　风力发电场（简称风电场），是将多台大型并网式的风力发电机安装在风能资源好的场地，按照地形和主风向排成阵列，组成机群向电网供电。风力发电机就像种庄稼一样排列在地面上，故形象地称为“风力田”。风力发电场于20世纪80年代初在美国的加利福尼亚州兴起，现在被大力发展风电的各个国家广泛采用。

　　风电场的风力发电机相互之间需要有足够的距离，以免造成过强的湍流相互影响，或由于尾流效应而严重减低后排风电机的功率输出。为了配合运送大型设备（特别是叶片）到安装现场，须要建设道路。另外亦须要建设输电线，把风电场的输出连接到电网接入点。

中国风力资源分布

　　东南沿海及其附近岛屿是风能资源丰富地区，有效风能密度大于或等于200瓦/平方米，沿海岛屿有效风能密度在300瓦/平方米以上，全年中风速大于或等于3米/ 秒的 时数 约为7000～8000 小时，大于或等于6 米/秒的时数为4000小时。新疆北部、内蒙古、甘肃北部也是中国风能资源丰富的地区，有效风能密度为200～300瓦/平方米 ，全年中风速大于或等于3米/秒的时数为5000小时以上，全年中风速大于或等于6米/秒的时数为3000小时以上。黑龙江、吉林东部、河北北部及辽东半岛的风能资源也较好，有效风能密度在200瓦/平方米以上，全年中风速大于和等于3米/秒的时数为5000小时，全年中风速大于和等于6米/秒的时数为3000小时。

　　青藏高原北部有效风能密度在150～200瓦/平方米之间，全年风速大于和等于3米/秒的时数为4000～5000小时，全年风速大于和等于6米/秒的时数为3000小时；但青藏高原海拔高、空气密度小，所以有效风能密度也较低。云南、贵州、四川、甘肃、陕西南部、河南、湖南西部、福建、广东、广西的山区及新疆塔里木盆地和西藏的雅鲁藏布江为风能资源贫乏地区，有效风能密度在50瓦/平方米以下，全年中风速大于和等于3米/秒的时数在2000小时以下，全年中风速大于和等于6米/秒的时数在150小时以下，风能潜力很低。

风力发电的经济性

　　由于风电市场的扩大、风电机组产量和单机容量的增加以及技术上的进步，使风电机组每千瓦的生产成本在过去近20年中稳定下降。以美国为例，风力发电的成本降低了80％。上世纪80年代安装*批风力发电机时，每发一度电的成本为30美分，而现在只需4美分。另一方面，由于风电机组设计和工艺的改进（如叶片翼型改进等），性能和可靠性提高，加上塔架高度增加以及风场选址评估方法的改进等，使风电机组的发电能力有相当大的增长，每平方米叶轮扫掠面积的年发电量从80年代初期的400～500kW.h提高到目前的1000kW.h以上。一台标准的600KW风力发电机，当各种条件都是*佳状态时，每年可发电约2000万kW.h，即每平方米叶轮扫掠面积的年发电量可达1400～1500kW.h。目前风电场的容量系数（即一年的实际发电量除以装机额定功率与一年8760小时的乘积）一般约为0.25～0.35。综合上述史以及风电场的风力资源、规模、运行维护成本和融资因素（如利率、偿还期等），目前在较好的风场，风力发电的成本约为４美分/kW.h左右，已具备与火电竞争的能力。

　　从风电场的造价方面看，中国风电场的造价比欧洲高，基本上是欧洲5年前的水平，单位千瓦平均造价为8500元/千瓦左右，建设一座装机10万千瓦的风电场，成本大约在8亿到10亿元，而同样规模的火电厂成本约为5亿元，水电站为7亿元。当然，独立运行的非并网班车风电系统，由于需要蓄电池和逆变器等，同时容量系数较小，所以发电成本比并网型机组要高。
建立风电场的应用考虑有哪些方面？

　　1.由于风力资源随地点而变，因此即使在很相近的两个地点，风力资源特性也会很不相同，因此，对于任何风力发电项目，必须进行实地短期风力测量、长期风力资源预测、风流模拟计算和产电量估算等等。

　　2.如果需要安装超过一台风力发电机，每台风电机在特定风向下都可能成为其他风电机的障碍物，造成尾流效应。风电场总产电量估算须考虑尾流效应的影响。这可以用电脑软件来做出估算
    3.根据当地风力特征选择适当的风力发电机。风力资源中等的地方，使用可变速型号比固定速度型号能够有更好的产电量。考虑到部分地区有台风，因此应选择市场上*牢固的风力发电机。国际电工协会标准分级中，1级风电机可以抵受*高的负荷（设计能抵受每秒70米的3秒阵风）。此外，湍流强度也影响风力发电机的选择。
     4.如果风力发电机由电力公司以外机构所装设，那么便须要向电力公司咨询关于与接驳电网的要求。

　　须要注意通往安装场地道路的要求（宽度和转弯半径）。这是因为需要运送很长的叶片和其他很重的部件到安装场地，另外还需要运送起重机入场。

　　须要注意从风力发电机到*近的电网接入点之间架空电缆或地底电缆路线的要求。

须要注意飞行高度限制的要求。
须要注意环境影响评估的要求
须要注意土地申请的要求。
须要注意航空标志和警告灯的要求。
须要注意对雷达和其他及航海设备的影响。

风力发电机噪音大么？风力发电机转得比较慢，因而噪音相对较低。风力发电机的噪音源有两个，机械转动部位的噪音以及旋转叶片和空气之间的互动的噪音。因为机械部位和电力电子控制设计优良，加上慢速转动，可以把现代风力发电机的噪音尽量减少。
风力发电机组的分类及各自特点
风力发电机组主要由两大部分组成：
风力机部分――它将风能转换为机械能； 发电机部分――它将机械能转换为电能。
根据风机这两大部分采用的不同结构类型、以及它们分别采用的技术方案的不同特征，再加上它们的不同组合，风力发电机组可以有多种多样的分类。
1.如依风机旋转主轴的方向（即主轴与地面相对位置）分类，可分为：“水平轴式风机”――转动轴与地面平行，叶轮需随风向变化而调整位置；“垂直轴式风机”――转动轴与地面垂直，设计较简单，叶轮不必随风向改变而调整方向。

　　2. 按照 桨叶受力方式可分成“升力型风机”或“阻力型风机 ” 。
      3.按照桨叶数量分类可分为“单叶片”﹑“双叶片”﹑“三叶片”和“多叶片”型风机；叶片的数目由很多因素决定，其中包括空气动力效率、复杂度、成本、噪音、美学要求等等。大型风力发电机可由1、2或者3片叶片构成。叶片较少的风力发电机通常需要更高的转速以提取风中的能量，因此噪音比较大。而如果叶片太多，它们之间会相互作用而降低系统效率。目前3叶片风电机是主流。从美学角度上看，3叶片的风电机看上去较为平衡和美观。

　　4. 按照风机接受风的方向分类 ， 则有“上风向型”――叶轮正面迎着风向（即在塔架的前面迎风旋转）和“下风向型”――叶轮背顺着风向，两种类型。上风向风机一般需要有某种调向装置来保持叶轮迎风。

　　而下风向风机则能够自动对准风向 , 从而免除了调向装置。但对于下风向风机,由于一部分空气通过塔架后再吹向叶轮 ,这样,塔架就干扰了流过叶片的气流而形成所谓塔影效应, 使性能有所降低。

　　5.按照功率传递的机械连接方式的不同，可分为“有齿轮箱型风机”和无齿轮箱的“直驱型风机”。有齿轮箱型风机的桨叶通过齿轮箱及其高速轴及弹性联轴节将转矩传递到发电机的传动轴,联轴节具有很好的吸收阻尼和震动的特性，可吸收适量的径向、轴向和一定角度的偏移，并且联轴器可阻止机械装置的过载。

　　而直驱型风机则另辟蹊径，配合采用了多项*技术，桨叶的转矩可以不通过齿轮箱增速而直接传递到发电机的传动轴，使风机发出的电能同样能并网输出。这样的设计简化了装置的结构，减少了故障几率，优点很多，现多用于大型机组上。

　　6. 根据按桨叶接受风能的功率调节方式可分为：“定桨 距 （失速型 ）机组”――桨叶与轮毂的连接是固定的 。当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。由于定桨距（失速型）机组结构简单、性能可靠，在20年来的风能开发利用中一直占据主导地位。“变桨距机组”――叶片可以绕叶片中心轴旋转，使叶片攻角可在一定范围内（一般0～90度）调节变化，其性能比定桨距型提高许多，但结构也趋于复杂，现多用于大型机组上。

　　7.按照叶轮转速是否恒定可分为：“恒速风力发电机组”――设计简单可靠，造价低，维护量少，直接并网缺点是：气动效率低，结构载荷高，给电网造成电网波动，从电网吸收无功功率。“变速风力发电机组”――气动效率高，机械应力小，功率波动小，成本效率高，支撑结构轻。缺点是：功率对电压降敏感，电气设备的价格较高，维护量大。现常用于大容量的主力机型。

　　8. 根据风力发电机组的发电机类型分类，可分为两大类：

　　“异步发电机型”“同步发电机型”只要选用适当的变流装置，它们都可以用于变速运行风机。异步发电机按其转子结构不同又可分为：

　　（1）笼型异步发电机――转子为笼型。由于结构简单可靠、廉价、易于接入电网，而在小、中型机组中得到大量的使用；

　　（2）绕线式双馈异步发电机――转子为线绕型。定子与电网直接连接输送电能，同时绕线式转子也经过变频器控制向电网输送有功或无功功率。同步发电机型按其产生旋转磁场的磁极的类型又可分为：

　　（1）电励磁同步发电机――转子为线绕凸极式磁极，由外接直流电流激磁来产生磁场。

　　（2）永磁同步发电机――转子为铁氧体材料制造的永磁体磁极，通常为低速多极式，不用外界激磁，简化了发电机结构，因而具有多种优势。

　　9. 如根据风机的输出端电压高低化分，一般可分为：“高压风力发电机”――风力发电机输出端电压为10～20kV，甚至40kV，可省掉风机的升压变压器直接并网。它与直驱型，永磁体磁极结构一起组成的同步发电机总体方案，是目前风力发电机中一种很有发展前途的机型。

　　“低压风力发电机”――输出端电压为1kV以下，目前市面上大多为此机型。

　　10. 如根据风机的额定功率化分，一般可分为：微型机：10kW以下

　　小型机： 10 kW 至 100kW
中型机： 100 kW 至 1000 kW
大型机： 1000kW 以上（ MW 级风机）