第1章 绪论

1.1 风能与风力发电

1.1.1 风能资源及分布

随着煤、石油和天然气等化石燃料资源的日益减少，空气污染、水源枯竭、地球温室效应等环境问题日趋严重，风力发电作为可再生的、无污染的、技术成熟的清洁能源，受到人们越来越多的重视。全球可利用的风能资源非常丰富，风能总量比地球上可开发利用的水能总量大10倍以上。

风能资源潜力的大小是风能利用的关键，收集能量的成本是由风力发电机组设备的成本、安装费用和维护费等与实际的产能量所确定的。因此，选择一种风力发电机组，不但要着重考虑节省基本投资，而且要根据当地风能资源选择适当的风力发电机组。使风力发电机组与风能资源二者相匹配，才能获得最大的经济效益。评价风能资源的指标主要有风速、年利用小时数和平均风能密度等。

1981年，世界气象组织（WMO）主持绘制了一份世界范围的风能资源图，该图给出了不同区域的平均风速和平均风能密度。但由于风速会随季节、高度、地形等因素的不同而变化，因此各地区风的资源量只是一个近似评估。风能利用是否经济取决于风力发电机组轮毂中心高处最小年平均风速，这一界线值目前大约取为5m/s，根据实际的利用情况，这一界线值可能高一些或低一些，例如，由于风力发电机组制造成本降低以及常规能源价格的提高，或者考虑生态环境，这一界线值有可能会下降。

在全球范围内，高风速从海面向陆地吹，由于地面的粗糙度，使风速逐步降低。在沿海地区，风能资源很丰富，向陆地不断延伸。相等的年平均风速随高度变化，其趋势总是向上移动。根据风能资源估计，地球陆地表面1.07×108km2中27%的面积平均风速高于5m/s（距地面10m处），这部分面积总共约为3×107km2。表1-1给出了地面平均风速高于5m/s在世界各地区所占的比例和面积。

中国地域辽阔，风能资源丰富，据测算，在距地面10m高处我国风能理论资源储量为32.26亿kW。实际可供开发的量按风能资源储量的1/10估计，则可开发量为3.226亿kW。考虑到风力发电机组风轮的实际扫掠面积为圆形，对于1m直径风轮的面积为0.25 ×π=0.785（m2），再乘以面积系数0.785，即为经济可开发量。由此，得到全国风能经济可开发量为2.53亿kW。可利用小时数和有效风功率密度代表了风能资源丰歉的指标值。如果年利用小时数按2000～2500h计，风电的发电量可达5060亿～6325亿kW·h。

一般认为，可将风电场分为三类：年平均风速达6m/s时为较好；年平均风速达7m/s为好；年平均风速达8m/s以上为很好。我国现有风电场场址的年平均风速均达到6m/s以上。在全国范围内相当于6m/s以上的地区，仅限于较少数几个地带。特别是东南沿海及其附近岛屿，不仅风能密度大，年平均风速也高，发展风能利用的潜力很大。就内陆而言，大约占全国总面积的1/100。这些地区是我国最大的风能资源区，包括山东半岛、辽东半岛、黄海之滨、南澳岛以西的南海沿海、海南岛和南海诸岛、内蒙古从阴山山脉以北到大兴安岭以北、新疆达坂城和阿拉山口、河西走廊、松花江下游、张家口北部等地区以及分布各地的高山山口和山顶。

中国沿海水深在2～10m的海域面积很大，而且风能资源好，靠近我国东部主要用电负荷区域，适宜建设海上风电场。

由于我国风能丰富的地区主要分布在东南沿海和岛屿，以及西北、华北和东北的草原或戈壁，这些地区一般都缺少煤炭等常规能源。在时间上，冬春季风大、降雨量少，夏季风小、降雨量大，与水电的枯水期和丰水期有较好的互补性。表1-2列出了我国风能资源比较丰富的省（自治区），可以看出，我国有比较大的发展利用风能的潜能。

1.1.2 风力发电原理及风力发电机组系统构成

把风能转变为电能是风能利用中最基本的一种方式。风力发电机组一般由风轮、发电机（包括传动装置）、调向器、塔架、限速安全机构、储能装置和基础等构件组成。风力发电的原理比较简单，风轮在风力的作用下旋转，把风的动能转变为风轮轴的机械能，发电机在风轮轴的带动下旋转发电。风力发电机组有很多种分类方式，目前普遍流行的是水平轴风力发电机组，如图1-1所示。

水平轴风力发电机组主要由风轮、轮毂、机舱、塔架和基础几部分组成。风轮是集风装置，它的作用是把流动空气具有的动能转变为风轮旋转的机械能。一般风力发电机组的风轮由2个或3个叶片构成。叶片在风的作用下，产生升力和阻力，设计优良的叶片可获得大的升力和小的阻力。风轮叶片的材料因风力发电机组的型号和功率大小不同而定，如玻璃钢、碳素纤维等。

在风力发电机组的机舱里主要有发电机、齿轮箱、偏航装置、风向标、控制柜等。发电机是风力机产生电能的设备，由于发电机转速高，风轮转速低，风轮需通过齿轮箱增加转速后才能使发电机得以正常工作；风向标测量风向发出信号给控制柜；控制柜控制风轮的对风、转速等；偏航装置按控制柜的信号推动风力机对风。

塔架和基础是风力发电机组的支撑机构，它们将风轮支撑到能良好地捕获风能的高度，并将所有荷载传递到地基上，是风力发电机组的重要组成部分。

风力发电机组的输出功率与风速的大小有关。风力发电机组的性能特性是由风力发电机组的输出功率曲线来反映的。风力发电机组的输出功率曲线是风力发电机组的输出功率与场地风速之间的关系曲线，用计算公式表示为

式中 P——风力发电机组的输出功率，kW；

ρ——空气密度，kg/m3；

D——风力发电机组风轮直径，m；

v——场地风速，m/s；

CP——风轮的功率系数，一般在0.2～0.5，最大为0.593；

ηt——风力发电机组传动装置的机械效率；

ηg——风力发电机组的机械效率。

因而风能利用系数是评价风力发电机组性能的非常重要的指标。