热能与动力工程09-1

李方遒

【摘要】由于风能非常丰富、价格非常便宜、能源不会枯竭，又可以在很大范围内取得、非常干净、没有污染，不会对气候造成影响，因此风电一直是世界上增长最快的能源。本文分析了国内外凤能发电的现状，阐述了风能发电的发展趋势，最后给出了我国企业未来的应对策略。

【关键词】国内外 风能发电 研究方向 现状 企业对策

21世纪是可再生能源的世纪，由于风能非常丰富、价格非常便宜、能源不会枯竭，又可以在很大范围内取得，非常干净、没有污染，不会对气候造成影响。风电一直是世界上增长最快的能源，在过去10年间，世界风能发电厂以每年30％的增长速度在发展。由于风力发电开发方面有明显优势，因此世界各国都争相投资，研究和开发新型风力发电设备。

1．1 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）

其中：单位时间质量流量m=ρAV

                                        （2）

在实际中，                              （3）

式中：

—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；

—叶轮的风能利用系数；

—齿轮箱和传动系统的机械效率，一般为0.80—0.95，直驱式风力发电机为1.0；

—发电机效率，一般为0。70—0。98；

—空气密度，kg/；

A—风力发电机叶轮旋转一周所扫过的面积，；

V—风速，m/s。

1．2 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。

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

                                             （4）

式中：—风轮所能产生的最大功率；

—空气密度，kg/；

A—风力发电机叶轮旋转一周所扫过的面积，；

V—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。

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

                        （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<0.593。

1．3 温度、大气压力和空气密度

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。

                                        （6）

式中：

ρ—空气密度，kg/；

h—当地大气压力，Pa；

t—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。

2．国外风能发电的现状

    全球风能1700太瓦，大洋、高山和保护区域的风力是采集不到的，除去这些以及一些风力达不到开发要求的地区，依然有40～85太瓦的风能，目前世界只利用了0.02太瓦的风能。风力发电是风能利用的主要形式，风力发电成本低于其他新能源，并有进一步降低成本的可能；风力发电是最清洁最安全的，目前世界风力发电发展速度超过其他新能源发展，未来风力发电很可能成为全球电力的主要来源之一。据我国专家估算，我国可开发利用风能至少十几亿千瓦，快速推进风力发电是我国实现减排目标的必要途径之一。 

    根据美国发布的可再生能源标准（RES），到2012年美国可再生能源占10%，2025年占25%。2004～2008年美国新安装风力发电机新增风电年均增长率为29%。2008年新增风电占新增可再生能源的42%。美国承诺长期支持风力发电，投资数十亿美元制造风电涡轮机和建设智能电网，2009～2029年安装风力发电机将每年新增风力发电能力4亿瓦～16亿瓦，到2030年风力发电总容量累计增加到305亿瓦，届时风力发电满足电力需求的20%。欧盟风力发电装机总容量56535兆瓦。丹麦风力发电占本国电力的20%，西班牙占13%，葡萄牙占12%，爱尔兰9%，德国8%。德国规划到2020年可再生能源发电占25～30%，德国于1991年制定法律鼓励发展可再生能源，主要是风力发电，德国风力发电涡轮机生产能力占世界22%，未来几年内将在海岸建成大型风力发电场。 

   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。风能发电技术日臻完善，风能发电机单机额定功率最大已经到5MW，叶轮直径达到126m。

1998年-2009年全球风电累计装机容量统计

全球风电装机容量统计（MW）

2009年世界前10位新设置风能发电能力的国家排名

     2006年我国风电装机总容量仅2588兆瓦，2008年增加到12121兆瓦，年均增长率为116%。据中国风能协会预测，2010年我国风电总装机容量达20亿瓦，2020年达到80亿瓦，2030年达到180亿瓦，2050年达到500亿瓦。我国将强力支持建设智能电网，解决风电输送问题，未来风电将成为我国电力的主要来源之一。 

一台大型风力发电涡轮机需要稀土2吨，铜5吨，铝3吨，钢300吨；3兆瓦大型风机转子叶片长约54米，玻璃纤维/碳纤维混合增强复合材料叶片最轻的达13.4吨，单只叶片需要玻璃纤维和碳纤维约6吨。2009年我国风电装机总容量已经达到22亿瓦，根据我国风电发展规划，到2020年风电装机总容量达到80亿瓦，需新增风电装机容量58亿瓦，若以3兆瓦风力发电涡轮机计算，2010～2020年期间我国需要新安装大型风力发电涡轮机19333台，累计需要稀土金属4万吨，铜10万吨，铝6万吨，钢600万吨，玻璃纤维和碳纤维约36万吨。到2030年风电装机总容量达到180亿瓦，需新增风电装机容量122亿瓦，已3兆瓦风力发电涡轮机计算，2020～2030年我国需要新安装大型风力发电涡轮机40666台，累计需要稀土金属约8.2万吨，铜20.33万吨，铝12.19万吨，钢1219.98万吨，玻璃纤维和碳纤维约73.2万吨，所需稀土主要是钕，用于生产稀土永磁材料。2009年我国风电装机总容量已经超过2010年的规划目标，估计我国风力发电规模会远远超过规划目标，2010～2020年期间我国风力发电行业对稀土金属实际需求量很可能是按规划估算需求量的2倍以上，对玻璃纤维和碳纤维实际需求量是估算的2倍多。为此建议国土资源部相关部门应充分调查我国风力发电行业现状和发展计划，准确的估算我国风力发电行业对稀土金属等产品的需求量，以保证正确控制稀土金属及其氧化物生产总量，为风电行业发展提供足够的高质量的矿物原料。

然而长期以来,人们以风电电价高于火电电价为由，一直忽视风电作为清洁能源对于能源短缺和环境保护的意义，忽视了风电作为一项高新技术的巨大产业前景，更忽视了对于促进边远地区经济发展所能带来的巨大作用。

在上，

一是缺乏风电发展目标和可实行的战略规划；

二是缺乏有效的经济激励和强有力的保障；

三是缺乏鼓励风机国产化的措施；

四是缺乏有效的投融资；

五是中国的电网公司垄断性很强，缺乏指导下的风电采购，民营企业投资的“风电上网”还存在性障碍；

六是缺乏强有力的宣传，公众对可再生资源的认识不足。

其次，在技术上．

一是目前还没有中国风力资源的全面监测分析报告，大规模商业化风力发电缺乏科学性风场评估的可行性论证支持；

二是风力资源发电时段比较集中，由于风电的不稳定性使其电网的终端机无法解决电力峰谷的巨大落差；

三是中国风力资源主要集中在内蒙古，西北地区，以及沿海等地区，存在风电和电网的连接以及储能问题，大量风电输送到电力需求企业面临困难；

四是季风气候对风力发电上存在影响；

五是我国风机设备制造水平较低，已经成为国际主流机型的兆瓦级机组在我国尚处于研制阶段，大型风机只能依赖进口或与外商合作生产。

目前，中国除省外累计风电机组1 8台，装机容量1.266万kW，风电场62个。中国“十一五”国家科技支撑计划重大项目“大功率风电机组研制与示范”支持1.5～2.5MW、2.5MW以上双馈式变速恒频风电机组的研制;1.5～2.5MW、2.5MW以上直驱式变速恒频风电机组的研制；1.5MW以上风电机组叶片，齿轮箱、双馈式发电机，直驱式永磁发电机的研制及产业化;1．5MW以上双馈式风电机组控制系统及变流器、直驱式风电机组控制系统及变流器的研制及产业化；近海风电场建设关键技术的研究；近海风电机组安装及维护专用设备的研制；大型风电机组相关标准制定及风电技术发展分析等1 6个课题的研究。“十一五”末，我国风电技术的自主研发能力将接近世界前沿水平。 

2009年中国分省市风电累计装机容量统计

中国气象局透露，下一阶段我国将在深入分析各详查区风能资源特点、潜在风电场分布和气象风险的基础上，全面完成对全国31 个省(区、市)风能资源详查区的综合评估，并为风电场运行提供专业服务。

此外，中国气象局还将结合风电事业发展的实际需求，不断提高风能资源监测、预报、评估的综合能力和水平，逐步形成我国风能资源开发利用的科技支撑体系和符合我国风能资源特点的风电开发技术标准体系。

4．我国风能发电的发展趋势及企业对策

风能发电的发展趋势：

一是风电电价快速下降，已日趋接近燃煤发电成本，经济效益凸现。

二是建设工期短，见效快，火电、水电的建设工期需要用年来计算．而在有风场数据的前提下，风电项目只需要以周、月来计算。

三是遏制温室效应发展，大力发展风能可以大幅度削减造成温室效应的二氧化碳，缓解气候变暖的状况，能够有效地遏制沙尘暴灾害，抑制荒漠化的发展。

四是边远农村供电，开发风力发电这样的分散供电系统，可以较好地满足这些地区发展对能源的要求。

五是风场也成旅游项目，风电场还能带动当地经济发展，比如内蒙古风电场虽然不大，但场面很壮观，已发展成为旅游区。

在国内，企业要积极跟进世界先进技术，不断推进技术进步、降低成本、建立高效的销售体系。在质量、价格和服务方面形成自己的核心竞争力，在技术、研发、管理及生产效率上达到一流水平。加快研发技术转化和应用，抓住市场的真正需求，快速将适销对路的新技术产品投放市场，才能使公司有更快的发展。不断以创新技术和创新产品来满足日新月异的市场变化需求。建立和完善企业人才引进、使用、报酬等制度，尤其要高度重视研发团队的培养和企业科技能力建设。在各个环节上制定严密有效的事先防范和事后防范措施，建立完善的企业风险管理流程和预警处理机制，及时有效地转移、降低或化解风险。

综上所述，随着我国市场经济的不断深入、风能发电产业法律法规的不断完善，将面临更加激烈的国际竞争市场，风能发电企业只有制定和实施正确的发展策略及目标，及时调整产品结构、优化资源配置，推动企业的产品创新，提高企业的市场竞争力，才能在未来的风能发电市场竞争中占据主动地位，获得长足发展。

参考文献：

【1】李德孚：2005年小型凤力发电行业现状与发展【J】，中国风能，2006，(2)：9～11

【2】贺德馨：2020年中国的科学和技术发展研究【J】，科技和产业，2004，4(1)：36

【3】世界风能协会．2005年全球风能统计【J】，中国风能，2006 (1)：17～20

【4】国际新能源网、豆丁网

【5】D·勒古里雷斯(著)，施鹏飞(译)．风力机的理论与设计【M】．北京：机械工业出版社，1987：31—33．

【6】叶杭冶．风力发电机组的控制技术【M】．北京：机械工业出版

社．2006：11～13．

【7】刘垠。 大众科技报/2010 年/1 月/8 日/第A03 版。下载本文