探讨风力发电现状及趋势

王明庆

山东电力建设第三工程有限公司，山东青岛 ，266100

摘要：今时代在不断的发展和进步，能源问题是各个国家发展需要进行迫切解决的问题。随着我国环境不断恶化，利用煤炭的火力发电等方式已经不被人们推崇，现代人们更多地希望利用风力发电、水能发电或者是太阳能光伏发电来获取更加环保、清洁的能源。我国近几年风电产业发展势头强劲，风电新增装机的容量稳居全球前茅，因此，对风力发电的技术现状和发展趋势进行研究具有重要意义。

        关键字：风力；发电；现状；发展趋势

1.风力发电机的种类

        风力发电机组由两部分组成，一部分是发电提供原动力的风力机，即风轮机，另一部分是将其转换为电能的发电机。

        1.1 风力机种类

        风力发电中所采用的风力机一般可分为常规型和新颖型两类。其中常规型即传统的螺旋桨式风力机，按其运动形式不同可分为振动式、平动式、固定式和旋转式4种。按样式不同又可分为螺旋桨式、荷兰式、多翼式、涡轮式、多风轮式和帆翼式等6种。

        新颖型是对常规型的革新，一般可分为竖轴风力机和增力水平轴风力机2种。其中竖轴风力机又可分为竖轴∮式风力机、旋转翼板风力机、环量控制型风力机和S型风力机4种。增力水平轴风力机可分为动力导流风力机和旋风型风力机2种。

        1.2 发电机种类

        用于风力发电的发电机，一般可分为直流发电机和交流发电机两类。其中，交流发电机又可分为同步交流发电机和异步交流发电机2种。如果把风力机和发电机作为一个整体系统来考虑，可以把风力发电机组分为恒速恒频、近恒速恒频、变速变频和变速恒频4种系统[1]。

2.国内外风力发电的现状

        以风力发电为导向的电网发电系统具有供电容量大、经济性好、电能质量高等特点，并且适于分布式电源和电动汽车等负荷的接入，具有广阔的发展前景。2011-2015年间，全球累计风电装机容量平均增长率为16%2017年全球风电市场新装机容量52.6GW，累计装机容量达到539.6GW。我国地理环境中，有着绵长的海岸线、广阔的草原和戈壁，风力资源十分充分。充分的资源对应着良好的发展环境，近年来我国风力发电技术和应用范围逐年增加，2013年底，我国风电新装机容量到达1.6万兆瓦，累计装机容量达9.1万兆瓦。2017年我国新装机容量19.7GW。在我国政府报告书中，预计2020年风电发电量确保4200亿千瓦时，约占全国总发电量的6%。我国风电产业逐年发展，世界前15风电企业中，中国占据7席。但是在蓬勃发展的现状下，依然存在着很多不可避免地问题[2]。

3.风力发电存在的问题

   3.1单机容量小，土地资源花费高

        风力发电的主要部分是风力发电机，而风力发电的效率和风力发电机的关系很大。但是当前风力发电机的单机容量很小，发电量较低。随着人们生活水平的提升，用电需求也在提高，风力发电场为了满足增长的发电需求，会采取增加发电机数量的策略，在风力发电场中设置大量的发电机。这样的方式会造成大量的土地资源使用，甚至会导致土地资源的浪费。

        3.2技术层面上存在的问题

        （1）与光伏发电类似，风力资源受季节和天气影响较大，风力发电输出功率不稳定，产生的电能功率和谐波含量等电能质量较低，大量的风电并网，会对大电网产生冲击，加大线路损耗。而且常规的火力发电电机需要几小时才能并网投产，很难在发电侧与风能发电配合，增加了风电发展的难度；（2）对电网潮流产生的影响，常规的电网电能从发电侧，经输配电网到负荷侧，但是风电等分布式电源往往在电网的末端，在并网后配电网的功率潮流呈双向流动。再加上风能的不确定性和不可控性，使其发电功率输出很难控制，往往会造成用电高峰供不应求，用电低谷供过于求的情况，增加了电力调度的难度；（3）在负荷侧的风电发电，会使电路模型变成双电源系统，从继电保护的角度来看，增加了线路保护整定值的难度，常规的电流保护会误动作，针对双电源线路的差动保护也会增加断路器，从而增加保护配置成本。

        3.3发电技术缺乏经济性

        风力发电主要是为了让电力的生产更加节能和清洁，但技术在使用过程中，存在经济性不足的问题，导致风力发电的成本增加，影响到风力发电的发展。这种问题对风力发电本身的可持续发展是十分不利的[3]。

4.风力发电技术的发展趋势

        4.1风电产业的科学精细化发展

        风电产业的科学精细化发展是我们迫切需要解决的问题。目前我国引进的都是欧洲海洋性气候发展起来的高风速风电机技术，自身就存在发电效率低、并网稳定性差、故障率高、成本高等问题，而我国的气候情况与北欧等地差别很大，在我国陆地使用问题更加突出。最主要是气候差异，欧洲属于季风频繁的海洋性气候，所以风能资源非常丰富，风速高，大风时间长，风电也就成为一项重要能源，所以欧洲国家风电发展最快。而我国新疆、甘肃、内蒙古地区都属于干燥的高原地区，风速低、大风时间短，空气密度小。进口风电机的设计风速一般在15m/s，低风速设计也在13m/s，而我国这些地区时间最长、最大的风速是6~8m/s。如果按我国陆地平均风速6米/秒计算，风电机的功率只能达到额定风速13米/秒的1/10以下，发电效率严重偏低。很显然进口风电机的设计值与我国实际情况差别很大，再加上空气密度的差别，必然造成发电量很低的现象。所以现有欧美风电技术是不适合我国陆地风电场的，造成风能资源的浪费，因此我们应该发展微风高效新型风电机。

        4.2 新型流体传动储能风电机

 目前世界上使用最多的是三桨式叶片和涡轮式叶片，而其中三桨式叶片应用为最多。其特点有以下几方面。阻风面积小(叶片面积总和不足旋转面积的25%)。且阻风面是斜坡，风压结构系数小于1，体积庞大，施工复杂。在风力的作用下，切割风向的运动，转速受限，风能利用率低。受风向的限制，即使有风向自动调节装置，反应滞后。叶片因为材料限制且体积庞大。而目前专家设计的新型储能式风力发电机与传统的叶片(螺旋桨式叶片及涡轮叶片)相比、有以下几个特点:全风向，无需风向调节装置；阻风面积大，叶片的阻风面积之和占旋转面积40%以上，且阻风面与风向垂直，风压结构系数大于等于1；叶片同长转矩最大化、且无负动。风能利用率非常高，设计多处洞孔能够增强助动力；总体重量大幅降低，独特的叶片材质使用寿命达20年且转速控制智能化。整体制造成本低，安装调整简单故障率低。集中度高，便于管理与维护。

        4.3改善叶片性能

        在高强度风速情况下，叶片抵抗空气动力的破坏能力不断减弱，叶片不仅不能起到稳定发电机频率的目的，反而变成了风力发电机需要经常维修和更换的部件。另外我们知道风力发电机的智能控制设备具有很强的卸荷能力，但这套控制系统在实践反馈方面会出现延迟现象，不可能将风力完全缓冲掉。这样巨大的风力载荷大具有很大的破坏力。从当前情况看没有哪一种机械设备可以承受如此大的冲击力。同时，目前我国风力发电所用的叶片再设计的初衷只注意到了要抵抗高强度的风力冲击，忽略了对低速风能的合理利用。导致，发电性能远远没有达到预期要求。所以说叶片性能的改变是风电产业发展的根本出路。

   4.4寻找更加轻盈、坚固的桨叶材质

        风车以转动转换风能是风吹向了桨叶的受风面，桨叶受风面面积的大小与吸收风能的多少是成正比的，是影响风车效率的重要因素。但是影响风车效率的因素是很多的。如桨叶受风面与风向的角度，气流通过风桨工作区间的方式、时间和流量以及桨叶自身的质量在运动时形成的惯性等都对风车效率有影响。因此桨叶自身的质量在运动时形成的惯性作用有利于风车调整瞬间风速的变化，同时更有利于实现桨叶对风车轴的力矩作用，至于这种惯性作用的源动力它必然是桨叶运行时运行速度低于风速的部分桨也受风面所吸收的风力，尤其是现有的三桨叶风车就是单一应用桨叶自身的质量在运动时形成的惯性作用应用到实际中的技术模式，其结果是：使风车真正吸收转换风能的能力没有被开发出来，也给桨叶叶片形成了自身扭矩太大，使桨叶形成了容易折损的问题。所以寻找新的桨叶制造材料是非常有必要的。

5.结束语

    总而言之，风力发电具有既能保证能源的有序利用，又能战胜全球气候变化，更有利于全球的环境资源保护的优点。通过对我国风能资源及利用状况的调查，我国的风能开发和利用已经进入一个崭新时期，尤其是小型风机的生产和应用已经相当广泛，效果也非常不错，并且前景非常广阔。我们要充分有效地利用风能这种可再生、无污染、环保节净的自然资源，通过致力于风力发电的技术创新与科研开发，使我国的风力发电得到长足发展，使风电在我国得到更加广泛的应用。我国把握机遇，加快能源结构调整，在积极实现火电、水电、核电、及潮汐能源、生物能源等多种能源发展过程中，实现风能服务于人类的特殊使命。

参考文献：

[1] 王珊珊.风力发电技术现状及发展趋势[J].电子技术与软件工程,2017(04):238.

[2] 张 海 锋.海上风力发电技术及研究[J].资源节约与环保,2017(06):15-16.

[3] 吴翔.我国风力发电现状与技术发展趋势[J].中国战略新兴产业，2017，（44）.