风力发电技术在中国的应用前景
摘 要：
能源危机的日趋严重，优化能源结构、发展清洁环保的可再生能源迫在眉睫。风能是一种清洁环保的可再生能源，随着国家政策的支持和风力发电技术的不断发展，风力发电越 来越得到人们的重视，并将在新能源发电中扮演重要的角色。概述了我国风能资源的储量和分布，介绍了近年来我国风力发电的总体情况、各省(自治区)风力发电的发展概况以及我国风电 企业的发展现状，最后指出了我国风力发电目前出现的一些问题，并进行了分析。 关键词：
风；风能；风力发电；风力发电机；风电企业 引言：
在当今社会存在两大主要矛盾就是：越来越受重视的环境以及越来越少的资源之间的矛盾，这一矛盾促使世界各国都在寻求新型能源去替代传统能源。常规的能源主要是一些不可再生的，例如，煤炭，石油，天然气等以牺牲环境作为代价的能源。它在数量方面存量十分有限，并且资源分布不均，常常是对环境有重大的破坏作用，而新兴能源则主要是以可再生，能循环为主要特点。例如，风电，太阳能，水能，核能等一些用之不尽取之不竭的能源。特别是风能作为可再生绿色 能源的标志，其资源丰富且无污染，早已受到世界各国的高度青睐。以下笔者就我国风能的利用及风力发电的应用，进行粗浅的探讨。
1风力发电概述
1.1风能和风能发电的定义原理
风能，地球表面大量空气流动所产生的动能。风力发电技术就是利用风力带动风车的叶轮旋转，进而在增速机的带动下大幅度提升旋转速度，从而带动电圈旋转而产生电能。
风力发电是一种主要的风能利用形式，风力发电相对于太阳能、生物质等可再生能源技术更为成熟、成本更低，对环境破坏更小 风力发电是世界电力发展的潮流和趋势。据估计，全世界风能的蕴含总量大约在200亿千瓦，相当于全世界总发电量的8倍多，风电的发展不仅可以极大地减小资源的破坏能力，而且可以持续的维持供电。
风力发电是利用风的动能带动风车叶片让其旋转，从而将动能转换为机械
能。同时，为了提高旋转的速度，将叶轮的转轴与增速机连接，通过转轴来带动发电机旋转，从而有效促使电机发电。根据当前的风车技术，以每秒三公尺的微 风速度就可以推动发电，例如儿童所玩的纸质风 车就是风力机的雏形，在其轴上面装设一个微型的发电机就可以完成发电。 风力发电装置又称为风力发电机组，大致可以划分为风轮、发电机和铁塔三部分，一般大型风力发电站没有尾舵，小型的才会有。风
轮是将风转化为机械能的重要构成部件，由两只或两支以上的
螺旋桨性叶轮所 组成。当桨叶通过风的吹动时会产生气动力，从而推动风轮转动。桨叶的 材料要求强度要高、质量要轻；为了解决风轮所受风力大小方向变化所带来的转速不稳定，必须增加一个调速机来提高风轮转速，以确保其保 持稳定。同时，在风轮后装置风标尾舵，让风轮始终对准风向获取最大功率；风轮、尾舵和发电机需要一个构架支撑，铁塔就是起到对这些部件的支撑作用。为了获取一定强度和均匀的风力，一般将铁塔修建的比较高， 其高度根据地面障碍物对风速的影响及风轮的直径而定。 2 我国风能资源
风能是太阳能的一种转化形式，太阳辐射到地球的能量中约有2％转化为风能 。地球上蕴有风能约为2．74万亿kW，可利用的风能约为200亿kW，装机容量可达100亿kW，每年可发电13万亿kWh。 地球上的风能资源是地球上水能资源的10倍，已经利用的不足千分之一。在技术上，全球风能资源是整个世界预期电力需求的2倍，也就是说只要利用地球上50％的风能资源就能 满足全球对于能源的需求。 2.1我国风能资源总量
我国的风能资源十分丰富。根据全国第
2次风能资源普查结果，全国陆地风能离地面10 m高度的经济可开发量达2．53亿kW[41，近海资源估计是陆上资源的3倍，10 m高经济可开发量 约7．5亿kW，全国陆地、海上风能离地面10 m高度的经济可开发量总共约l0亿kW。全国陆 地10 13．高度风能资源总量估算如下：风能理论可开发总量 ，全国为32．26亿kW，实际可开发利用量 ，按总量的1／10估计，并考虑风轮实际扫掠面积为计算气流正方形面积的0．785倍 (1 rn直径风轮面积为0．785 m2) 根据2004～2006年第3次风能资源普查结果，中国陆地、海上10 m以上高度的风能可开发量为7-12亿kW 。2007年中国气象局实施了中国风能资源详查与评价工程，并于2010年首次公布了中国风能资源研究的重要成果：中国海、陆距地50 m以上的高度，风速达3级以上风力资源的潜在可开发量约为25亿kW。在风电五大国中，中国风电资源与美国接近，远 远高于印度、德国和西牙。
2.2我国风能资源分布
我国的几个风能丰富带主要分布在东南沿海地区、“三北”地区和内陆局部地区。三北地区包括东北三省、内蒙古、甘肃、青海、西藏和新疆等省(自治区)。这一风能丰富带可开发利用的风能储量约2亿kW，占全国可利用储量的80％。另外，该地区风电场地形 平坦，交通便利，是中国最大的连片风能资源区，有利于大规模开发风电场。东南沿海受台湾海峡的影响，每当冷空气南下到达海峡时，由于峡管效应使风速增大。春季的冷空气、夏秋的台风，都能影响到沿海及其岛屿，是中国风能最佳丰富区。中国有海 岸线约1 800 km，岛屿6 000多个，是风能大有开发利用前景的地区。
除了上述两个风能丰富带之外，内陆的一些地区由于湖泊山川和特殊地形的影响，风能储量也较丰富。
3我国的风力发电发展现状 3.1我国总体风力发电发展现状
近年来，我国风电产业发展势头强劲。2009年 中国新增风电装机容量为1 380_3万kW，超越美国成为全球新增风电装机容量最多的国家。 2009年中国是全球累计风电装机容量仅次于美国的国家，累计风电装机2 580．5万kW；2010年，全球每新安装3台机组，就有1台在中国，当年新增风电装机容量1 892．8万kW，累计风电装机容量为4 473．3万kW，超越美国成为全球新增和累计风电装机容量最多的国家。 3.2我国各地风力发电发展现状
截止2010年底，中国累计风力发电装机超过100万kW的省份超过10个，超过200万kW 的7个，内蒙古无论新增还是累计装机容量均位居全国第1。目前，中国正 大力投资在甘肃、新疆、河北、蒙东、蒙西、 吉林和江苏沿海建设七大“千万千瓦级”风电基 地；2010年6月，中国第1座千万千瓦级风电基地在甘肃酒泉正式竣工并投入运营；2010年 7月，亚洲首座大型海上风电场——上海东海大桥海上风电场竣工投产，成为至今欧洲之外的第1个大型海上风电场。
在国家政策的带动下，各地政府表现积极，江苏、山东、甘肃和宁夏等省、区、市相继出台新能源发展规划，相关的产业投资也不断出现。在国家的新能源战略版图中，江苏省与甘肃、内蒙古、吉林等内陆省份同被列入七大“风电三峡”基地。2010年，江苏省的风电装机容量己超过1 000万kW。
在我国26个省、区、市的风能资源中，大约有32亿kW装机容量可供开发，而内蒙古可供开发风能就达14．6亿kW。这就意味着内蒙古的风能资源可开发量约占全国的一半。2004年以来，达茂旗政府在1．8万km 的辖区中，重点规划了五个风电场，规划面积达2 800 km ，达茂旗计划在“十二五”期间建立600万kW的风电场，相当于三峡水电站总发电量的1／3。
祁连山脉以北和北山山系以南的河西走廊这块甘肃省西北部的狭长高平地，蕴藏巨大的风能资源。玉门和瓜州这两地的年平均风能总储量均在2 000万kW以上。甘肃省计划在“十一五” 和“十二五”期问，在酒泉市所辖的瓜州县、玉门市和肃北县建设千万千瓦级特大型风电基地，2010年完成装机容量516万kW，2015年达到1 271万
kW，工程静态总投资约1 200亿元。规划报告于2008年4月通过国家发展改革委员会审查。如果全部开发完成，酒泉风电基地的总装 机容量，将超过长江三峡水利枢纽工程发电量，当地将之定义为“陆上三峡”。 3.3我国风电企业的发展现状 《可再生能源法》、《可再生能源中长期发展规划》、《关于完善风力发电上网电价政策的通知》、《可再生能源发展“十一五”规划》、《可再生能源发展“十二五”规划》等政策颁布大大刺激了风电企业的发展，提高了它们的积极性，由风电企业的发展带动整个风电行业的发展。
3.3.1风电企业的装机容量
在投资风电的企业中，国字号电力企业占了绝大部分。因为国家发展改革委员会对可再生能源的扶持政策中有一条硬性规定，对几大发电公司，要求它们必须按照火电的装机匹配5％到10％的可再生能源，否则不给它们核定新的火电项目。所以众多的火电投资商为了满足发展的需要，争相投资风力发电。目前，中国50％以上的风电装机是由国有五大发电集团投资并运营的。
2010年五大发电集团无论新增装机还是累计装机都超过半数。新增装机为10 626．49 Mw，占全部新增装机的56．2％，其中国电集团为3 490．49 Mw，华能集团为3 171．15 Mw，大唐集团为2 268 MW，华电集团为925．1 MW，中电投集团为771．75 MW。累计装机为25 156．84 MW，占全国风电的56．3％，其中国电集团风电装机为8 941．09 MW，华能集团为6 330．98 MW，大唐集团公司为5 619．75 MW，华电集团为2 556．9 Mw，中电投集团为1 708．12Mw。
开发商对风力发电机日益增长的需求刺激了整机制造商的发展，国内整机制造商的整体 实力得到迅速增强。2010年，新增装机以及累计装机的数据显示，华锐、金风、东汽位列前 三甲。三家公司新增市场份额总和达到56．8％，累计市场份额则为56％；与2009年相比，三 家公司的市场份额总和增加了1.5％。 3.3.2风电企业的技术水平
我国风电整机制造技术同国外先进技术水平存在很大差距，我国国内风电整机制造主要 通过许可证生产、联合开发、合资生产等方式获得生产技术，绝大多数企业还不具备独立开发 设计风电整机的能力。近几年来，通过引进、消化、吸收，我国已可以生产50 kW、600 kW 和1 500 kW的风力发电机，并形成了一定的规模，产业化工作落实程度比较好，2 000 kW或 更大功率的风力发电机正在试制样机或已具备小批量生产能力，风电技术水平和装备能力基本 达到国际水平。而小风力发电机在1 000 W以下，已完全可以批量生产，并形成一定的出口能力，1 kW以上到10 kW的风力发电机，也有企业小批量生产。
2009年我国在多兆瓦级(>2 Mw)风电机组研制方面出现新的成果。金风科技股份有限公司研制的2．5 Mw和3 MW风电机组已在风电场投入试运行；华锐风电科技股份有限公司研制 的3 MW海上风电机组已在东海大桥海上风电场并网发电；由沈阳工业大学研制的3 MW风电机组也已经成功下线。此外，我国华锐、金风、东汽、海装、湘电等企业已开始研制单机功率为5 MW的风电机组。我国开始迈进多兆瓦级风电机组研制的门槛。
2010年3月，湘电股份宣布5 Mw直驱海上风电机组正式下线。2010年5月30日华锐风电对外宣布，由其自主研发的中国首台6 MW风电机组近日正式下线。第三方权威机构公 开资料显示，目前全球还没有一台6 Mw及以上级风机进入商用阶段。 3.3.3风电企业的效益
2005年，全国当年只有50万kW的装机容量，而政策规划是到2020年实现3000万kW 的装机容量，这就意味着市场有60倍的巨大发展空间。而在利润率方面，2007年国内最大的风机制造企业一金风科技整机的毛利率达到了29％。大批央企、国企、民问资本冲进这一市 场，风机企业也从2004年的6家猛增至现在的70多家。
随着风电企业的增多，风电产业的竞争也就越激烈。WIND统计数据显示，截至
2011年 8月29日，两市已有40家涉及风电概念的上市公司公布了201 1年中报。从披露的数据来看，风电企业尤其是风电设备制造商的净利润集体出现了大幅滑坡。
从总体情况来看，上述40家涉及风电概念企业今年上半年共计实现净利润80．2亿元，同 比下滑8．7％。但在一些以风电为主营业务的上市公司中，净利润的下滑尤为明显。其中，作为风电设备制造商，泰胜风能、华锐风电和金风科技的净利润同比下滑了61．5％、48．3％和 45．0％。除了净利润集体出现了大幅度的下滑之外，风电概念上市公司的现金流状况也格外堪忧。据统计，上述40家上市公司2012年上半年经营活动现金流量净额为一106亿元，较去年 同期的71亿元大幅减少了177亿元。其中，吉鑫科技、上海电气、华锐风电、天顺风能、泰胜风能等近20家风电概念企业的经营活动现金流量净额同比下滑幅度均超过了lOO％。
风力发电项目无论国外和国内目前仍然是政策支持和补贴的盈利模式，行业收益较低。据中电联报告显示，五大发电集团在火电亏损扩大的同时，风电业务也出现了亏损。报告显示，7月份，五大发电集团的风电业务亏损1．4亿元，为2012年以来首次出现亏损，利润环比6月降低8.2亿元。 4风力发电技术的应用 4.1风力发电的技术问题 4.1.1系统调频
由于风力发电机组所输出的有效功率是随着风能的变化而进行调 整，但是我国当前所实行的规定还没有对风力发电机组参与到系统调频 制定标准，其均不参与系统调整频率。 4.1.2系统调峰
风力发电具有即随意性、间歇性、反调节性及波动性大的特点，因而对系统调峰会造成一定的影响，主要有两点表现：①将大规模的风力发电接入会导致电网等效负荷峰谷差加大，从而客观上必须对调峰容量进行增大；②风力发电的反调节性对系统调峰容量的需求进一步扩大。由 于我国快速调节机组所占比例较小，大规模风力发电的集中接入会导致调往调峰的压力增加，所以必
须采用风火及风水打捆外送方式来进行配 套建设容量调峰电源。 4.1.3低电压穿越
在电网运行中，由于系统受到干扰或者出现远端故障时，就会引起局部电压瞬问跌落，在这期间，电源会对并网运行进行维持。在此种情况 下，常规机组均可以通过快速励磁调节，对电压提供支撑，从而会保持系统低压期间的机组的可靠联网运行，低电压的穿越能力较强。风力发电 机组为了防止系统出现扰动，应该具有低电压穿越能力，从而降低电网造成的更大冲击。 4.1.4风电功率预测
当前我国电网只可接受风电穿透功率不能大于8％，如果可以对风速及风力发电功率进行准确的预测，会有利于及时调整调度计划，有效 地减轻对电网的影响，同时还能降低电力系统运行的成本，增加风电穿 透功率极限。
4.2风力发电技术的应用 4.2.1风电功率预测技术
风电功率预测通过对天气预报数值的采用，来进行对风力电场输出功率的预测。数值天气预报是对大气动力学和热力学的基本原理及天气 实验的经验利用，通过采用数值计算的方式所做出天气预报的一门科 学。当前我国国内对于外风电功率预测的手段还不成熟，与电网负荷预 测的预测精度还有一定的差距。当前，我国已经合作开发了风电功率预 测系统，并已经将其投入到了工程应用。 4.2.2并网技术
风力发电机组的并网技术是通过风力发电机组所发出的电流送入到电网中，将电网的电供应给电力用户使用，从而不仅有效解决了风力 发电的问断性、电压频率的不稳定性及电能存储的问题，还保证了向电 网所输送的电能质量的可靠性。风力发电机组通过将机组发出的交流电 直接输入到电网，以及先将机组发出的交流电通过整成直流再变换成与 电力系统相同的交流电输入电网的两种送电方式。要实现并网运行，就 必须输入要求的电网交流电，其电压与电嘲
电压的大小要相等，频率也要与电网的频率相同，电压与电网电压的相序要保持一致，此外，电压与 电网电压的相位也要相吻合，以及电压同电网电压的波形相同等。
但是电力部门的发电量要达到一定规模才能申请并网运行，风力发 电机组要实现并网运行就必须对设备容量大小、操作管理水平、发电成 本及调控机构的精度进行全面统筹考虑。风力发电机组可以通过恒速恒 频并网运行，即风力发电的转速始终维持恒速，保持波动的平衡，从而输 出恒定频率的交流电。恒速恒频并网运行由于具有简单、可靠的优点已 经得到普遍应用，但是也有其缺点，其不能充分发挥对风能的利用。
4.2.3可再生能源联合发电技术
虽然风能和太阳能都是取之不尽的环保清洁能源，但是他们缺乏一定的稳定性和连续性。如果将风和光相结合，利用联合发电便能起到一 种互补发电的作用。尤其我国处于季风气候地区，夏季所受到的风力较 小且太阳辐射较大，冬季受到的风力较大，且受到太阳辐射较小，互补性比较明显。风和光联合发电具有一定的优点，可以在适宜的气候资源条 件下提高系统的供电连续性、可靠性及稳定性，其发电成本与单位容量 系统初投资都低于独立的光伏系统，具有很好的社会效益和经济效益。但是风和光联合发电系统也有一定的缺点，其系统的设计较为复杂，对单系统的控制和管理的要求比较高。 4.3储能技术
风能由于随机性、间歇性的特点，其本身是一种不稳定的能源。如果 在没有储能装置或者同其他的发电运行装置互补的情况下运行，风力发 电的自身装置很难进行稳定的电能输出。储能电池可以对风力发电的间 歇性进行很好的解决，降低对电网的冲击，从而对电网输入的稳定性和 连续性有很好的保证。当电网系统的并网式大型风能发电场撞击总容量 超过10％时，就必须要储能电池来对电压进行稳定。同时，储能电池在风发电配套产业中具有很大的投资商机，当前常用的储能装置主要有飞 轮储能、超导磁场储能、蓄电池储能、超级电容、高压储气及抽水蓄能等等，其中超导磁场储能、超级电容、潮水蓄能、高压储气为风力发电的储能装置。
5 我国的风力发电问题分析 5.1风能资源探测数据的准确性
风作为一种气候要素，不仅具有日、月、年变化的特点，同时还具有年际变化的特征，一个地区少风年的风能有时是多风年的风能的一半[12]。因此，要估算一个区域的风能潜力， 如果仅凭某一年或几年的数据，其结果肯定是不可靠的。 目前，我国风能资源评估主要利用离地10 m高的测风资料，但随着风机高度的逐步提高， 由过去的几十米达到如今的百米以上，这一数据发生了很大的变化，10 m高的测风资料已经 不能完全满足风电场的需求。 5.2风电上网问题
风电场的建设风风火火，但另一方面，不少建成的风电场却被闲置，利用率较低。风电“发 得出，送不出”的情况并非个别现象，粗略估算，全国有1／3的风电装机并网项目处于空转状态，造成巨额投资闲置。制约风电发展的最主要瓶颈是上网问题。 国家在政策上要求电网企业无条件接纳风电入网，但实际上电网企业表现并不积极。电 网企业限制风电上网的一个重要原因认为风电不稳定，时有时无、时强时弱，对电网形成冲击。
风电的间歇性和不稳定性，而且在并入电网后会对电网造成一定的冲击，使电的品质下降， 有人甚至将风电戏称为“垃圾电”。为了使风电满足入网条件，使上网的电尽可能稳定，电网运 营商需要在风机和电网之间加入调峰电源(调节电力负荷峰谷差的发电机组)，建设500万kW的风电，理论上需1 000万kW调峰电源调峰，而这无疑将增加企业的成本，企业积极性不高也就理所当然了。“上网难”的根本原因还是风电缺乏规划、无序开发。
5.3风电企业的不良竞争
中国大力发展风电创造了巨大的市场需求，国内大批企业进驻风电行业。在市场竞争初期，拿到更高的市场份额，将有利于
遏制竞争对手，获得更大的市场利益。为了迅速实现生产，很多风电企业到国外去买技术。风力发电机虽是高科技产品，生产却很容易，买来图纸，和风电场签订供货合同后，把四处采购的配件装在一起，就成了一台台能够赚取利润的风力发电机。
大批企业买来图纸后，很短时间就开始大规模生产，并且签下巨额订单，这也导致目前一些国产兆瓦级风机已经出现问题，达不到标准，返修率很高。由于没有掌握核心技术，当风机出现问题自己也无法进行维修，请外国专家来维修，又是一大笔巨额的维修费。
大批风机企业的大规模生产必然导致产能过剩，产能过剩就直接引发了风机行业的价格战，以金风科技为例，风机的毛利润率已经从2007年的29．46％，下降到2012年上半年的23．4％。价格方面，一年前，金风科技单机容量1．5 MW的GW77—1500机型，价格是6 400元•kW，同样的产品，在2012年5月价格却变成了5 400元•kW，下跌了将近16％。这也是风机制造商今年利润大幅降低的主要原因。 5.4风机质量问题
已投入运营的风机质量问题将在今后5年凸显出来，对未来风力发电的发展带来困扰。风力发电在最近几年发展过快，国外成熟市场中一台风机从研发、实验到实际进入市场开始发电需要5～10年的时间。而中国市场最近5年风力发电市场的急速发展导致众多风机从研发到实际运行的时间缩短为1～3年。风机在运行中的不稳定和研发时期的准备不足导致的一系列问题将在今后几年中暴露出来，成为风电发展的主要障碍。 6结论
我国是个风电大国，从能源、环境和可持续发展的角度出发，发展风力发电势在必行。大力发展风电，给风电行业带来了发展良机，同时也滋生出了很多的问题，完善体制，建立一流的风能评估和风电技术研究基地，善于应用国家调控，风电发电一定会朝着更好更强的方向不断发展。总之，风电以其丰富的资源、良好的环境效益和逐步降低的发电成本，必将成为21世纪中国重要的电源。
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