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        淺談風力發(fā)電及其發(fā)展

        2013-06-04 07:09:12潘廣德張鐵林子超
        關鍵詞:發(fā)展趨勢

        潘廣德 張鐵 林子超

        【摘 要】風力發(fā)電系統(tǒng)(wind power generation )通過風力發(fā)電機實現(xiàn),利用風力帶動 風車葉片旋轉(zhuǎn),再透過增速機將旋轉(zhuǎn)的速度提升,來促使發(fā)電機發(fā)電。目前我國的風力發(fā)電技術 還與國外有一定差距,但是發(fā)展很快,無論是發(fā)展規(guī)模上還是發(fā)展水平上。

        【關鍵詞】風能利用潛力;關鍵技術;發(fā)展趨勢

        21世紀是可在生能源的世紀,由于風能非常豐富,價格非常便宜,又不會枯竭,還可以在大范圍內(nèi)獲取,干凈為污染,不會對氣候造成影響。因此風力發(fā)電具有極大的推廣價值。

        1.風能利用潛力

        風能是地球上重要的可再生能源之一,它具有儲藏量巨大、可在生、分布廣、無污染 的特性,是我國乃至世界可再生能源開發(fā)利用的重點。目前,風力發(fā)電是風能利用的主要形式,受到各國的高度重視,并且正在飛速發(fā)展與熱力發(fā)電設施有所區(qū)別,風力發(fā)電不需冷卻水,使用風力發(fā)電可是公用水系統(tǒng)用水減少17%,等價于不需在建設80GW新的燃煤電廠。風力發(fā)電無需燃燒燃料,更不會產(chǎn)生輻射和空氣污染;另外,從經(jīng)濟的角度講,風力儀器要比太陽能儀器便宜90%多。我國風能儲量相當大,分布面廣,甚至比水能還豐富。合理利用風能,既能解決目前能源短缺的壓力,又能解決環(huán)境污染問題。風能還是極為清潔高效的能源。每10MW風電入網(wǎng)可節(jié)約3.73t煤炭,同時減少排放粉塵0.498t、CO29.35t、NOX 0.049t和上SO2 0.078t。例如,2000年,我國風力發(fā)電9.65億千瓦時,共節(jié)煤35萬t;2002年德國風力發(fā)電170千瓦時,節(jié)煤442萬t,減少CO2排放1428萬t。

        我國能源資源雖然豐富但是人均資源先對匱乏,遠低于世界平均水平。2000年全國人均煤,石油,天然氣可采儲量與人均水電資源占世界平均值的55.4%、11.1%、4.3%和70%。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展,能源瓶頸對經(jīng)濟發(fā)展的制約越來越明顯。預計我國國內(nèi)能源供應的缺口量,在21世紀初期將超過100Mt標準煤,2030年為250Mt標準煤,到2050年為460Mt標準煤,大約占年供應需求量了10%,因此未來我國能源供應形勢不容樂觀。正是這種能源短缺的局面給風力風力帶來了前所未有的機遇與挑戰(zhàn)。

        2.風力發(fā)電的關鍵技術

        風力發(fā)電系統(tǒng)中的兩個重要部件是風力機和發(fā)電機。風力機面臨著變漿距調(diào)節(jié)技術難題,發(fā)電機面臨著變頻恒速發(fā)電技術難題。這是當今風力發(fā)電的最為核心的技術,也是現(xiàn)代風力發(fā)電系統(tǒng)技術大的發(fā)展趨勢。

        2.1風力機的變槳距調(diào)節(jié)

        風力機通過風輪捕獲風能,并將風能轉(zhuǎn)換為作用在輪轂上的機械轉(zhuǎn)矩。變槳距調(diào)節(jié)方式是通過改變?nèi)~片迎風角與縱向旋轉(zhuǎn)軸的夾角,影響葉片的受力和阻力,限制大風時風輪輸出功率的增加,保持輸出功率的恒定。采用變槳距調(diào)節(jié)方式,風力機輸出功率曲線比較平滑。在額定風速以下時,控制器將葉片攻角置于零度附近,不做變化,近似等同于定槳距調(diào)節(jié);在額定風速以上時控制器調(diào)節(jié)葉片攻角,控制輸出功率在額定范圍之內(nèi),變槳距風力機的啟動速度比定槳距風力機的低,停機時傳遞沖擊應力相對比較緩和。由于變槳距風力機受到的沖擊比定槳距風力機要小的多,可減少材料使用率,降低風輪的重量與成本。且變槳距風力機在低風速時可以使槳葉維持良好的攻角,比定槳距風力機有更高的能量輸出。因此,變槳距風力機適合于平均風速較低的地區(qū)使用安裝。另外,當風速達到一定值時,定槳距風力機必須停機,而變槳距風力機可以將槳葉調(diào)到全翼展開無負載模式,無需停機,進而提高了發(fā)電時間。

        對陣風反應要求靈敏是變槳距風力機的主要缺點。定槳距風力機由于風的震動引起的功率脈動比較小,而變槳距調(diào)節(jié)風力機則較大,尤其是采用變距方式的恒速風力發(fā)電機,這種現(xiàn)象更明顯。要想克服這個困難,就必須使變槳距系統(tǒng)的反應速度加快。

        2.2變速恒頻風力發(fā)電機

        變速恒頻風力發(fā)電機常采用交流勵磁雙饋型發(fā)電機。它的結構與繞線型感應發(fā)電機類似,只是轉(zhuǎn)子繞組上加有滑環(huán)和電刷,這樣一來,這樣轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和勵磁的頻率有關,從而,使得雙饋型發(fā)電機的內(nèi)部電磁關系既不同與異步發(fā)電機,又不同于同步發(fā)電機,但它卻具有異步發(fā)電機和同步發(fā)電機的某些特性。

        交流勵磁雙饋變速恒頻風力發(fā)電機不僅可以通過控制交流勵磁的幅值,相位,頻率來實現(xiàn)變速恒頻,還可以實現(xiàn)有功,無功功率控制,對電網(wǎng)而言還能起到無功補償?shù)淖饔谩?/p>

        交流勵磁雙饋變速恒頻風力發(fā)電機有如下優(yōu)點:

        ①原動機可以在一定范圍內(nèi)變速運行,簡化了調(diào)整裝置,減小了變速調(diào)節(jié)時的機械應力。同時使機組控制更靈活,方便,提高了機組運行功率。

        ②應用矢量控制可實現(xiàn)無功,有功功率的獨立調(diào)節(jié);調(diào)節(jié)勵磁電流相位,可調(diào)節(jié)發(fā)出的有功功率;調(diào)節(jié)勵磁電流幅值,可調(diào)節(jié)輸出的無功功率。

        ③需要變頻調(diào)節(jié)的功率僅是電機額定容量的一部分使投資減小成本低,變頻設備體積也相應減小。

        3.我國風力發(fā)電的發(fā)展

        據(jù)統(tǒng)計,2005年底,中國的風電總裝機連續(xù)五年實現(xiàn)翻番,截至2010年底,中國以4182.7萬千瓦的累積風電裝機容量首次超越美國位居世界第一,較2009年同比大增62按照國家電網(wǎng)此前出具的報告,到2015年電網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)可吸納風電上網(wǎng)的規(guī)模達1億千瓦,到2020年可達1.5億千瓦。

        風電投資企業(yè)包括開發(fā)商和風機裝機制造企業(yè)。從風電開發(fā)商的角度來看,能源投資型企業(yè)居多,2009年能源投資型企業(yè)的風機裝機容量也占全部風電裝機容量的90%。其他國有投資商,外資和民企比例之和還不到10%。而且其中許多企業(yè)都紛紛退出,僅剩下中國風電,天潤等少數(shù)企業(yè)還在勉強維持,當年新增份比例也很小。從風機制造企業(yè)來看,主要以國內(nèi)整機制造企業(yè)為主,,2009年累計和新增市場份額中,前三名,前五名和前十名的企業(yè)市場占有率分別是55.5%和59.7%、70.7%和70.4%以及85.3%和84.4%。目前,風電并網(wǎng)主要存在兩大技術難題:風電異地發(fā)電機組技術對電廠安全穩(wěn)定產(chǎn)生影響,風的波動性使風電場的輸出功率的波動性難以對電廠實施準確的發(fā)電計劃。他們使得風電發(fā)展受到嚴重影響。對于這種現(xiàn)狀,國家和電網(wǎng)企業(yè)都在做過于風電輸出穩(wěn)定性的研究。風電場投資成本是風電成本的主要組成部分之一。風電場投資成本是衡量風電場建設經(jīng)濟性的主要因素,歸納起來有一下三個因素:固定資產(chǎn)投資,建設期利息,流動資金。以內(nèi)蒙古烏蘭察布市某風電場為例,其總投資214236萬元,其中固定資產(chǎn)投資為206715萬元,建設期利息為7018萬元,流動資金為503萬元。從上訴數(shù)據(jù)不難看出,風電場的投資成本很高,但若考慮風電的社會成本,將其潛在價值計算在內(nèi),風電成本是很低的。

        在過去,風力發(fā)電在增漲速度上一直是低于水利和火力發(fā)電的能源投資熱點。但是近年來,風電項目以成為各大發(fā)電集團激烈追逐的目標。2007年—2012年是我國風電產(chǎn)業(yè)規(guī)?;l(fā)展的關鍵性階段,我國陸續(xù)超過德國,荷蘭等風電大國成為最大的風電市場之一。業(yè)界普遍認同的觀點是在風電產(chǎn)業(yè)鏈的各個環(huán)節(jié)中,只有風機制造業(yè)可能會出現(xiàn)產(chǎn)能過剩的現(xiàn)象,在其他環(huán)節(jié)基本不會出現(xiàn)這種現(xiàn)象特別是整個風電產(chǎn)業(yè)的主要環(huán)節(jié)——風電場的投資。因此我國的風電產(chǎn)業(yè)還有很大的提升空間。

        【參考文獻】

        [1]趙振宇等.風力機原理與應用[M].北京:中國水利水電出版社,2011.1.

        [2]馮飛,張蕾等.新能源技術與應用概論[M].北京:化學工業(yè)出版社,2011.1.

        [3]錢伯章.風能技術與應用[M].北京:化學出版社,2010.6.

        [4]黃素逸,王曉墨.能源與節(jié)能技術[M].北京:中國電力出版社,2008.

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