风力发电的原理及推广应用

时玉强*，鲁绪强



风力发电的原理及推广应用

时玉强1*，鲁绪强2

(1.临邑禹王植物蛋白有限公司，山东临邑，251500；2.德州清大禹王能源技术研究院有限公司，山东临邑，251500)

本文介绍了风力发电的基本结构和原理，科学普及了风力发电的基础知识。通过对风力发电的可持续性和资源来源的环保性和丰富性等优越性的阐述，得出了发展风力发电的理论可行性，并且是环境友好性能源开发技术的结论，为大力推广风力发电提供了理论和数据依据，通过对国内外的政策支持和发展现状的探讨和总结，对未来风力发电的发展方向和前景进行了预测，为大力推广风力发电提供了政策支持和发展方向。风力发电将成为未来洁净能源的重要组成部分，为解决未来能源短缺问题提供一种安全可靠的能源来源。

风力发电；政策；绿色能源；可再生能源

引言

为了减缓温室气体效应导致的气候变化，探索国民经济可持续发展的道路，世界各国宣布了温室气体排放和化石能源消耗的削减目标，丹麦成为首个承诺到2050年100%使用可再生能源的国家[1]。在全球生态环境恶化和化石能源不可再生性的双重压力下，对新能源的研究和利用已成为全球各国关注的焦点。除水力发电和核发电技术外，风力发电是新能源发电技术中最成熟、最具大规模开发和最有商业化发展前景的发电方式。由于在改善生态环境、优化能源结构、促进社会经济可持续发展等方面的突出作用，目前世界各国都在大力发展和研究风力发电及其相关技术。

1 风力发电的原理

1.1 风力发电机组的基本结构和工作原理

风能源于太阳辐射使地球表面受热不均、导致大气层中压力分布不均而使空气沿水平方向运动所获得的动能。据估计，地球上可开发利用的风能约为2×107MW，是水能的10倍，只要利用1%的风能即可满足全球能源的需求[2]。

典型的风力发电机组主要由风轮(包括叶片、轮毂)、(增速)齿轮箱、发电机、对风装置(偏航系统)、塔架等构成(图1)。其工作原理为:风以一定的速度和攻角流过桨叶，使风轮获得旋转力矩而转动，风轮通过主轴联接齿轮箱，经齿轮箱增速后带动发电机发电[3]。

由于风力发电机组频繁起停，风轮转动惯量又很大(大型风力发电机组的单个叶片重达数吨)，故风轮的转速设计值较低，通常为20～30r/min(机组容量越大，转速越低)[3]；另一方面，为了限制发电机的体积和重量，其极对数较少，故在风轮与发电机间通常设置增速齿轮箱，将风轮输入的较低转速增速到1000～1500r/min[1]以满足发电机所需。

1.2 风力发电系统的基本结构和工作原理

风力发电系统从形式上有离网型、并网型。离网型的单机容量小(约为0.1～5kW，一般不超过10kW)，主要采用直流发电系统并配合蓄电池储能装置独立运行；并网型的单机容量大(可达MW级)，且由多台风电机组构成风力发电机群(风电场)集中向电网输送电能。另外，中型风力发电机组(几十kW到几百kW)可并网运行，也可与其它能源发电方式相结合(如风电-水电互补、风电-柴油机组发电联合)形成微电网。并网型风力发电的频率应保持恒等于电网频率，按其发电机运行方式可分为恒速恒频风力发电系统和变速恒频风力发电系统两大类[3]。

恒速恒频风力发电系统具有电机结构简单、成本低、可靠性高等优点，其主要缺点为:运行范围窄；不能充分利用风能(其风能利用系数不可能保持在最大值)；风速跃升时会导致主轴、齿轮箱和发电机等部件承受很大的机械应力。

变速恒频风力发电系统，其主要特点为：低于额定风速时，调节发电机转矩使转速跟随风速变化，使风轮的叶尖速比保持在最佳值，维持风电机组在最大风能利用率下运行；高于额定风速时，调节桨距以限制风力机吸收的功率不超过最大值；恒频电能的获得是通过发电机与电力电子变换装置相结合实现的[4]。

风力发电原理目前已经获得了巨大的进步，并且实现了风力发电应用，得到了全世界范围的认可和使用，这与风力发电本身具有的先天优势是分不开的。

2 风力发电的优越性

2.1 风能是可持续发展的绿色能源

可持续性(sustainability)发展是指所采用的技术和发展方式在获取社会财富的同时，不损害未来人们的生活质量、不冲击未来人类的生存环境，是一个关系到社会(society)、环境(environment)和经济(economy)3个方面的复杂问题[5]。.

环境友好是风力发电的首要优势，一组风力发电系统在20年生命周期中消耗的总能量约为0.051GWh，排放CO2约为42.1吨，而它生产的发电量为17.5GWh，可减少CO2排放11600吨[6].经济性是可持续性的又一个重要指标.只有在商业上获得成功，才能有持续发展的动力.近30年来，随着风力机技术的发展，风力机发电成本显著下降为原来的三分之一，每兆瓦时从150美元降为50美元(美国)，使得风力发电成为水电之后又一种成功商业化的可再生能源[1]，在社会接受度方面，相对于公众对于核电站安全的担心和水电对于环境的改变，风电对自然和社会的干预度较小，易于为公众理解.特别是日本福岛核电事故以后，引发了人们对于核电的担忧。

作为可持续发展的绿色能源的风能是太阳能的一种转化形式，对其进行大力开发和应用具有对环境影响小，社会认同度高，经济价值突出的特点，因此具有市场和社会双重优势。

2.2 中国风资源极为丰富，可成为国民经济中的重要能源

中国气象局风能太阳能资源中心利用400个测风塔连续两年的实测数据对数值模拟结果进行检验订正，得出中国陆地上的风能资源参数.根据目前中国风能资源开发的技术水平和主要技术经济指标，综合考虑自然、地理和政策等对风电开发的制约因素，结合大型风电场建设对连片风能资源分布的要求，，计算得出中国陆地离地面50m，70m和100m等高度层上的风能资源技术开发量分别为20亿千瓦，26亿千瓦和34亿千瓦[7]。由此可以看出我国的风能资源极为丰富，充分开发和利用我国的风能资源可谓我国的经济和国民生活带来极大的促进作用，有利于降低国民的生活成本，经济实体的生产成本，使我国整体经济成本下降，提高国际竞争力和大国形象。

目前世界各国对风力发电具有可持续性，绿色和资源丰富等诸多优势越来越重视，为了大力发展风力发电，国内外对风力发电的政策越来越优越。

3 风力发电的国内外政策[8]

3.1 目标引导

制定发展战略或发展路线图是世界上大多数国家的成功经验。国家制定一定阶段的可再生能源的具体发展目标和计划，在发展目标框架之下，制定一系列的优惠政策，并通过市场经济的手段鼓励各界投资和利用可再生能源。所以，发展目标的制定，在一定程度上类似于我国制定发展规划，只是没有具体的项目安排。但是，发展目标是确立具体的优惠政策的依据和目的。2001年欧盟部长理事会提出了关于使用可再生能源发电的共同指令，要求欧盟国家到2010年，可再生能源在其全部能源消耗中占12%，在其电量消耗中可再生能源的比例达到22.1%的总量控制目标。欧盟成员国根据该指令，制定了本国的发展目标，如英国和德国都承诺2010年和2020年可再生能源的比例将分别达到10%和20%，北欧部分国家提出了利用风力发电和生物质发电逐步替代核电的战略目标。美国能源部提出了逐步提高绿色电力的发展计划，制定了风力发电的技术发展路线图，希望通过风力发电等来提高绿色能源的比例。

我国在早期通过的《电力法》、《节约能源法》、《大气污染防治法》等法律中，都作出了有关鼓励开发利用清洁能源，包括可再生能源的原则规定。在国务院有关部门发布的“国家能源技术政策”、“当前国家重点鼓励发展的产业、产品和技术目录”、“关于进一步支持可再生能源发展有关问题的通知”、“并网风力发电的管理规定”等行政规章中，也都作出了鼓励开发利用可再生能源，实施强制上网和经济激励等方面的政策，鼓励可再生能源的发展。2016年国家能源局下发《全国风电开发建设方案的通知》指出各省（区、市）发展改革委（能源局）要高度重视项目建设过程中的质量监督、环境保护和项目建成后的运行管理工作，采取有效措施确保项目建成之后所发电量的全额上网。

3.2 价格激励

在不考虑常规能源的环境成本情况下，目前大多数可再生能源产品的成本高于常规能源产品的成本，因此许多国家都采取了价格政策鼓励可再生能源的发展。德国是这类价格政策的代表国家，德国通过法律的形式，根据风力发电的技术类型和项目资源条件，制定了风力发电的电价，世界上大约有10多个国家采用这种价格机制，主要在欧洲.在制定固定价格的同时，也推出了浮动价格，市场价格和绿色能源价格等多种激励形式。

我国国家发展和改革委2005年印发的“上网电价管理暂行办法”规定：风电、地热等新能源和可再生能源企业暂不参与市场竞争，电量由电网企业按政府定价或招标价格优先购买，适时由政府规定供电企业售电量中新能源和可再生能源电量的比例，建立专门的竞争性新能源和可再生能源市场。根据《可再生能源法》实施的要求，国家发展和改革委正在制定有关可再生能源发电的价格政策，可望近期出台。

3.3 财政补贴

财政补贴政策是最为常见的经济激励措施，形式多样，主要有投资补贴、产品补贴和用户补贴，通过多种补贴形式，促进风力发电的发展。2002-2003年期间完成的“送电到乡”工程，中央和地方财政筹集了40多亿资金支持了无电地区1000多个乡（镇）政府所在地的太阳能发电、风力发电和小水电等独立电站的建设，解决了约40万人的生活用电问题一些地方政府也对可再生能源的开发和利用提供了补贴支持，例如，新疆、青海、内蒙古等地对边远地区农牧民购买小型风力发电系统给予每套100-300元的财政补贴。

3.4 税收优惠

税收优惠是推动风力发电的有效手段

税收政策有两大类：一类是直接对风能能源实施税收优惠政策，包括减免关税、减免形成固定资产税、减免增值税和所得税（企业所得税和个人收入税）等；另一类是对非可再生能源实施强制性税收政策，如碳税政策等。

我国对风力发电实施风力发电增值税减半征收、对部分国内尚不具备生产能力的风力发电设备和零部件进口实行免税或低税率。一些地方政府在其职权范围内，也对可再生能源开发和利用提供了优惠的税收政策，例如，新疆、内蒙古等地方政府对可再生能源生产企业按高新技术产业减免所得税；广东省规定2000年起可再生能源项目还贷期所得税全部返还。但是和世界大多数国家相比，我国在利用税收手段鼓励可再生能源发展方面，与发达国家尚有相当大的差距，甚至和印度、巴西等发展中国家相比也有一定的距离。

3.5 信贷支持

低息或贴息贷款等金融政策可以减轻企业还本期利息的负担，有利于降低生产成本，但政府需要筹集一定的资金以支持贴息或减息，贷款数量越大，贴息量越大，需要筹集的资金也越多。因此，资金供应状况是影响这一政策持续进行的关键性因素。目前德国对风电项目正在实施低利率贷款，利率从2.5%-5.1%不等。

3.6 科研和产业化共同促进

发达国家在科技和研发方面投入很大，如建立国家实验室和研究中心，为机构和企业提供技术指导、研发资金和补贴等技术支持。丹麦为了占领风力发电制造技术的制高点，累计投入了大约20多亿欧元的研发经费，支持研究机构和企业开展风力发电设备与零部件的研发和产业化。丹麦和西班牙在其风力发电设备制造业发展的初期，均要求电力公司每年必须安装一定数量的风力发电机，支持设备制造企业迅速形成规模化生产能力。

我国政府对可再生能源的技术研发、产业化发展也予以支持。自“六五”开始，我国就通过国家攻关计划、863计划、973计划安排了一定数量的资金，支持风能海洋能等可再生能源的开发和利用技术的研究及产业化发展的前期准备。近年来，国家在产业化发展专项方面也开始关注和扶持大型风力发电装备产业化发展项目，初步奠定了我国风能源产业化的基础。

4 风力发电的应用现状

进入21世纪，陆地风力发电机组的主力机型单机容量为2MW，风轮直径为60～80m，近海风力发电机组的主力机型单机容量多为3MW以上；大型变速恒频风力发电技术已成为主要发展方向。其中，双馈型变速恒频风力机组是目前国际风力发电市场的主流机型，直驱型风力发电机组以其固有的优势正日益受到关注[3]。2001年以来，全球每年风电装机容量增长速度为20%～30%，风力发电已成为世界上增长速度最快的清洁能源。到2008年底，全球风电装机容量已达1.20亿kW，前3位的国家分别是美国、德国、西班牙。我国的风电发展主要集中在2003年以后。近年来，显示出前所未有的发展势头。到2008年底，风电机组总装机容量达1215.3万kW，位列全球第4。随着我国风电装备制造业的快速发展，我国的华锐风电、金风科技两家企业进入2008年全球大型风电机组制造商前10名[9]。

随着国内风力发电技术的成熟[10]，在国际市场上，中国小型风机由于技术上的领先带来了成本的降低，同时中国一直是“世界工厂”，国内的劳动力成本相对于其他各国比较低廉，基于这两方面的原因使得中国出口的小型风机均价仅仅是国外价格的2/3，价格优势非常明显[11]。

我国东北、西北、华北地区以及东南沿海地区是我国风能资源最丰富的地区[12]，当前“三北”地区陆上风资源已经高度开发利用。同时，我国在小型风机的开发上已积累了丰富的开发经验，与国外相比差距并不大。目前我国大风机的研发，走的是技术引进、与国际大公司联合开发之路，技术水平与研究开发能力与国外相比都存在较大的差距。然而，我国生产小型风力发电机组的历史由来已久，拥有研发、生产小型风机的自由和新技术，风电产品种类齐全、质量过硬。同时，我国具有多年的应用基础，产业化生产的规模已经基本形成[13]。

此外除了单纯的风力发电外，风光互补性技术也在有了一定的应用。风光互补发电技术在通信基站中的应用逐渐由最初的城市内建设向城镇乡村发展。无论移动通信、微波、广播和电视转发，还是卫星通信，都各自在全国建立了一定数量的通信基站。今后将更多地向不发达的西部地区、偏远农村地区发展。这些基站负荷较小，若采用市电供电，架设输电线路代价很大。而采用风光互补发电系统可很好解决供电问题，可利用当地清洁能源实现用电自给自足。在重要的基站，则可配备备用的柴油发电机，形成风光柴油混合发电系统，提高供电可靠性，保证实时通信[14]。

5 结束语

风力发电是一个集计算机技术、空气动力学、结构力学和材料科学等综合性学科的技术。我国有丰富的风能资源，因此风力发电在我国有着广阔的发展前景，而风能利用必将为我国的环保事业、能源结构的调整，减少对进口能源依赖作出巨大的贡献[15]。

综观世界风力发电近几年迅猛发展的轨迹，呈现出如下发展趋势及发展动态：1)大型化；2)定桨距、定速恒频向变桨距、变速恒频方向发展；3)海上专用风电机组研究及近海风电大规模开发[16]；4)多级增速齿轮箱传动向直驱型(无齿轮箱，风轮直接驱动多级发电机)、半直驱型(风轮经单级增速齿轮箱驱动多级发电机)方向发展；5)应用全功率变流的并网技术；6)低电压穿越技术；7)实现风力发电系统功率优化、稳定可靠运行的智能控制技术；8)桨叶的空气动力特性、新材料新工艺应用及控制策略研究；9)风电场远程监控系统及无线网络技术应用。

风力发电目前发展迅速，日趋成熟，越来越多的国家加大了风力发电的研究与推广，并取得了趋势瞩目的成就，我国不但着力于陆基大型风力发电的开发，而且对于海上，区域性小风力发电设备设施，风光互补发电技术也进行了大力的开发，风力发电将成为未来绿色新能源的重要开发方向，市场前景广阔。

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Introduction of the Principle and Application of Wind Power Generation

SHI Yuqiang1*, LU Xuqiang2

(1.Lin Yi Yu Wang Plant Protein Industry Co., Ltd. Lin Yi, 251500, China; 2.De Zhou qing da Yu Wang Energy Research Institute Co., Ltd. Lin Yi 251500, China)

The basic structure and principle of wind power generation was introduced, and the basics of wind power was also stated in this paper. Based on wind power source of sustainability and resource superiority, such as environmental protection and richness, the theoretical feasibility of the development of wind power was obtained and is environmental friendly performance source development technology which provided theoretical and data basis for the promotion of wind power. By discussing and summarizing the current situation of domestic and foreign policy support and development, the future development direction and prospect of wind power generation were predicted which provided policy support and development direction for the promotion of wind power. Wind power generation will be an important part of future clean energy, providing a safe and reliable source of energy for future energy shortage.

wind power generation; policy; green energy resource; renewable energy sources

时玉强, 鲁绪强. 风力发电的原理及推广应用[J]. 数码设计, 2017, 6(5): 152-154.

SHI Yuqiang, LU Xuqiang. Introduction of the Principle and Application of Wind Power Generation[J]. Peak Data Science, 2017, 6(5): 152-154.

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.05.063

TM614

A

1672-9129(2017)05-0152-03

2017-01-25；

2017-02-28。

时玉强（1982-），男，工程师，主要从事粮食油脂及植物蛋白工程研究工作。E-mail:shiyuqiang@yuwangcn.com。