风力发电wind power generation

利用风能获得电能的转换过程。
简史 1890年丹麦制造出世界上第一台小型风力发电机。1941年美国在佛蒙特州建造了第一台大型风力发电机组，额定容量达1250千瓦。第二次世界大战后，丹麦等国进行了容量在100千瓦以上的风力发电装置的研究，同时，风力发电的理论逐渐系统化。60年代至70年代中期风力发电处于停滞状态，以后由于世界性石油危机的冲击，以及用矿物燃料发电对环境所带来的严重污染，风力发电又重新受到重视。美国、丹麦、瑞典、德国、英国、荷兰、加拿大等国对风力发电的研究与应用取得了很大进展。1987年美国研制出单机容量为3200千瓦(风速13.4米/秒时)的水平轴风力发电机组，风轮直径达97.5米。同年加拿大研制出功率为4000千瓦(风速20.7米/秒时)的立轴Φ型风力发电机组，风轮直径为64米。
中国于50年代开始进行风力发电的研究和试验工作，1983～1985年间安装在浙江省嵊泗岛上的18千瓦、22千瓦水平轴风力发电机及安装在福建省平潭岛上的55千瓦水平轴风力发电机组皆并入当地电网运行。1980年中国与联邦德国合作，研制了20千瓦Φ型立轴风力发电机组。到1988年底， 全国累计生产50瓦、100瓦的微型机9.56万余台，对解决内蒙古、甘肃、新疆等牧区和东南沿海岛屿居民照明用电起了很大作用。
国际上通常按照机组容量的大小将风力发电机组分为大型(1000千瓦以上)、中型(100千瓦至1000千瓦)、小型(1千瓦至100千瓦)。中国目前将小于1千瓦的机组列为微型，1～10千瓦为小型，10～100千瓦为中型，100千瓦以上为大型。
风力发电系统的组成 风力发电系统是由风力发电机组、控制装置、储能装置及电能负荷等组成，有的风力发电系统中还包括备用电源，如图1所示。

图1 风力发电系统的组成

风力发电机组 由风力机、发电机、变速器等组成。100瓦左右的小容量风力发电机一般不设置变速器。风力机在结构型式上可分为水平轴和垂直轴两种（见风力机）。图2表明少叶片螺旋桨及Φ型风轮的功率系数。其运转速度高，适合于风力发电。
独立运行的微型及小型风力发电机组采用永磁式和自励交流发电机。并网运行的风力发电机普遍应用同步发电机和感应发电机。
控制装置 对风力发电机组实行调节转速、电压、频率，防止超速、振动、过负荷或停机的装置。小型风力发电机组一般均附设有控制机构和安全装置。容量较大的风力发电系统多采用微机控制。
储能装置 由于风能的不稳定性，必须配备储能装置。风力发电通常采用蓄电池储能。在地形条件合适的地点可设水库，采用抽水蓄能。与电网并联运行的风力发电系统，不需要另外配备储能装置。

图2 风力机功率系数与叶尖速比的关系

1.隆波尼乌斯型；2.荷兰4叶片式；3.自行车轮式；4.美国多叶片式；5.达里厄型(Φ)型；6.2叶片高速螺旋桨式；7. 3叶片螺旋桨式；8.螺旋桨式风力机理论效率

风力发电的运行方式 风力发电的运行方式分为独立运行、联网运行、组成集群式风力发电站（或称风电场）运行、风力-柴油联合发电系统运行等。
独立运行的风力发电系统 适用于偏远农村、牧区、沿海岛屿、边防哨所、气象台站、电视差转站、导航灯塔等电网达不到的地区。微型及小型风力发电机组多采用蓄电池储能再向负荷供电。如负荷需要交流电，则在蓄电池与负荷之间加入逆变器(图3)。在容量较大的独立运行系统中，不采用蓄电池储能而采取负载开关控制器，按风速变化自动接通与断开负荷(图4)，在这种运行方式中，负荷按供电的重要性分类。重要的负荷应保持连续获得电能，次要的负荷则不断地接通与断开，以适应风力机输出能量的变化。

图3 独立运行的风力发电系统

图4 具有负荷调节的独立运行风力发电系统

联网运行的风力发电系统 这种运行方式不存在由于风的随机性而带来的储能问题。中、小容量直至大容量(1000千瓦以上)的风力发电机组皆可采用这种运行方式。联网运行的方式有两种：一种是恒速恒频，即风力发电机组的转速不因风速的波动而变化，从而能维持输出恒定频率的交流电。这种方式简单可靠，是普遍采用的，其缺点是不能充分地利用风能，因为风力机只有在一定的叶尖速比下才能达到最高的风能利用率。另一种方式是变速恒频，即风力发电机的转速随风速的起伏作变速运转，通过在发电机端配置特殊功率电子装置以获得恒定频率的交流电。这种方式比较复杂，其优点是可以提高风能的利用率，因此成为发展的方向。采用这种方式必须注意解决由于变速运行而在机组及其支撑结构上出现的共振现象。
集群式风力发电场 在风能资源良好的地区将数十台、数百台或数千台单机容量为数十千瓦至数百千瓦甚至1000千瓦以上的风力发电机组按一定的阵列布局方式成群按装，即可组成集群式风力发电站（或称风电场）。这是一种大规模开发利用风能的有效形式，有利于降低风力发电设备投资费用及发电成本。
风电场内风力发电机组的排列方式目前仍处于研究阶段，已经建造的风电场所遵循的原则是在平坦地面上，机组按矩阵分布排列，机组沿盛行风向前后间距离约为机组风轮直径的7～10倍。与盛行风向垂直方向上机组间距离约为风轮直径的1.5～2倍；在地形起伏不平的地面上，机组在等风能密度线上按装，机组之间的距离比在平坦地形上的要小。在地形复杂的丘陵或山地，除按以上原则考虑风力机尾流的影响外，还要考虑地形造成的端流的影响。
风力机、柴油机联合发电系统 可以实现稳定持续的供电，具有两种不同的运行方式，即切换运行及并联运行。切换运行是风力发电装置及柴油发电装置在机械上及电气上无任何联系，有风时由风力发电机供电，无风时由柴油发电机供电。并联运行则是风力发电机与柴油发电机在电路上并联后向负荷供电(图5)。这种运行方式在技术上比较复杂，当风况及负荷变化时需及时调节风力及柴油发电机的出率并维持系统的稳定，同时应尽量降低柴油机的起动与停机的次数及轻负载下运转。采用短时蓄电池储能或配备储能飞轮，可以减少柴油机起停次数。

图5 风力发电机-柴油发电机并联运行系统

风能是可再生能源，具有很大的发展潜力。但由于风能具有间歇性，风力发电必须和一定的储能方式结合，或与其他发电方式组成联合运行系统，才能实现持续的供电，因而增加了复杂性。风能的能量密度低，风力发电装置的体积较大，造价也较高。风力发电不会造成空气污染，但风力机运转时产生的噪声对环境有一定的影响，有金属包层或骨架的风力机叶片旋转时对电磁波产生干扰。

风力发电

将风能转换为电能的技术。19世纪末丹麦开始研制风力发电机，以后的70多年欧美许多国家曾制造过各种风力发电设备。1973年石油危机后，风力发电受到重视。到1993年底，全世界风力发电装机容量超过300万kW，其中美国约175万kW，西欧120万kW。1993年全世界风力发电量约51亿kW·h。中国在50年代开始研制风力发电机，80年代初得到发展。中国开发的100～500W风力发电机产品趋于成熟，已投入批量生产，1995年销售量约1万台，处于国际领先地位，并开始少量出口。1995年底全国已推广应用风力发电机约14万台，主要用于内蒙古草原牧区，解决了50万～60万居民的生活用电问题。中国还研制了20～200kW的并网型样机。到1995年底，全国并网机组约160多台，总装机容量2.9万kW。广东南澳岛风电场装机4680kW，风力发电占全县用电量的50%。

风力发电

利用风能使风力机运转，带动发电机发电。适用于风力较强而持续的地区。

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风力发电

见“工程技术”中的“风力发电”。

风力发电

利用风能，使风力机旋转带动发电机发电。

风力发电

参见 《知识经济卷》 中 “风力发电”。

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风力发电

在风吹草低见牛羊的内蒙古草原上，20世纪80年代出现了一种新气象，一座座蒙古包旁架起了风力发电机。祖祖辈辈缺油无电的广大牧民一改千年习俗在茫茫草原上的蒙古包里亮起了电灯，看上了电视。生产上也用风力发电来剪羊毛、磨面、架设电围栏。有远见的人甚至预言，牧区普及中小学教育必走电视教学之路。借助风力正为草原牧民开创着一代文明。
“风能” 是古老而永恒的能源，人类利用 “风能” 有着悠久的历史，早在公元前1000年左右古埃及的亚历山大就建造过农用风车。我国在2000年前的汉朝风车提水已很盛行，最早利用风力发电的是丹麦，据记载1891年在丹麦的阿斯克福建造了5—30千瓦的风力发电机，距今已经一个世纪了。但以前风力发电机一直未能得到发展，其关键在于技术问题。1973年出现国际性石油危机后，眼见得经济发展对能源需求激增又面临矿物燃料有朝一日将会枯竭的威胁，在世界范围内又一次兴起了开发风力资源的热朝。特别是风力发电，凭借现代新技术发展很快，具有建设投资少，建造周期短，成本低的优点，已经成为具有竞争力的可再生能源而发达起来。
风力发电是靠风力使风轮叶片转动带动涡轮旋转来发电的。风是空气运动形成，因此风能的功率取决于单位时间内传送到风轮叶片上的空气运动量。据测算风能密度与叶片扫过的面积成正比，与风速的立方成正比，也就是说随着风速加大和叶片半径增大风能密度增加特别快，然而风速有了随机性，经常变幻不定。风速过小而叶片太大是启动不了的，反之风速过大叶片太小势必转动太快而损坏风机。因此风力发电机必须适应风速变化能稳定发电才行。这就需要开发与各地区风速风向地理条件相适应的效率高、结构简单、自动启动、自动调速的风轮转换系统。
我国幅员辽阔风力资源丰富，据估算约有109千瓦。特别是内蒙草原、青藏高原、东南沿海一带风能密度高是优良的风场。目前主要因地制宜地在草原牧区、沿海岛屿、山区哨所推广普及10千瓦以下的微型、小型风力机。还以内蒙草原为例，到1987年29个旗将有11台30—100千瓦的微型风力发电机，解决70%牧户的日常生活和简单生产用电问题。而且投资少、见效快、装卸携带方便，适于游牧搬迁。我国长远的风电发展目标是研制中大型风力发电机。为此已在八达岭长城、内蒙古自治区锡盟、江苏兴化、浙江笠山建立了4个全国性试验风场，配备了由微型电子计算机控制的检测、记录和数据处理系统。考核和测定风力发电机的性能和可靠性。烟台附近还建造一座由4台风力机构成的风力机田试验场。经过各风场的运行试验制定与各地区风况、地理环境、生产和生活方式相适应的风能利用计划。
当前，国际上引人注目的大规模开发途径是光建风力机田，这种风力机田是选择风口地带设置几百台乃至上千台50千瓦以上的风力发电机组成风力机群，所发的电与大电网并网供电。
在美国，兴建风力机田已成为风力发电的主流。现在美国本土投入商业电网并网发电的大型风力机田就有3处，即阳尔蒙特川、圣·格尔岗尼川和德哈哈普山风力机田。据美国风能协会公布的资料，到1985年8月1日止美国风力机电装机容量已达65万千瓦，1985年总发电量可达6.5亿度。这样大规模并网发电使风电的成本大大降低，那时美国每度风电为10—11美分，1990年降到了7.5—10美分。比矿物燃料发的电还要便宜，这使经营风力机田的公司和投资者有利可图，因此大有扩展的趋势。
北欧、西欧一些有风能利用传统的国家如丹麦、荷兰、瑞典、英、法等国也十分注重发展现代化的风力发电技术。仅以丹麦为例，在奥泽海峡南风场已安装有22台55千瓦的风力发电机组和13台10千瓦的风力发电机。据悉是目前欧洲最大的风力机田。而且，据报导丹麦的Bo-nusx100千瓦风力机能大幅度提高发电效率，在美国很有市场。
从各国的能源对策和风力资源开发情况来看，世界范围内的风能利用热潮不会是 “一阵风”，风力发电已成为一种不可缺少的可再生能源并将得到持续发展。