海上风力发电概述

第一节 风能资源

一、风能

地球表面大量空气流动所产生的动能。由于地面各处受太阳辐照后气温变化不同和空气中水蒸气的瑞典奥兰岛的风车含量不同，因而引起各地气压的差异，在水平方向高压空气向低压地区流动，即形成风。风能资源决定于风能密度和可利用的风能年累积小时数。风能密度是单位迎风面积可获得的风的功率，与风速的三次方和空气密度成正比关系。据估算，全世界的风能总量约1300亿千瓦，中国的风能总量约16亿千瓦。风能资源受地形的影响较大，世界风能资源多集中在沿海和开阔大陆的收缩地带，如美国的加利福尼亚州沿岸和北欧一些国家，中国的东南沿海、内蒙古、新疆和甘肃一带风能资源也很丰富。中国东南沿海及附近岛屿的风能密度可达300瓦／米2（W／m2）以上，3～20米／秒风速年累计超过6000小时。内陆风能资源最好的区域，沿内蒙古至新疆一带，风能密度也在200～300W／m2，3～20米／秒风速年累计5000～6000小时。这些地区适于发展风力发电和风力提水。新疆达坂城风力发电站1992年已装机5500千瓦，是中国最大的风力电站。

二、风能的优缺点

1、风能的优点

1）风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。

2）风力仪器比太阳能仪器便宜九成多。

3）风能和阳光一样，是取之不尽，用之不竭的再生能源。

4）风力分布广泛，蕴量巨大。

2、风能的缺点

1）风能密度低

这是风能的一个重要缺陷，由于风能来源于空气的流动，而空气的密度是很小的，因此风力的能量密度也很小，给其利用带来一定的困难。

2）风力不稳定

由于气流瞬息万变，因此风的脉动、日变化、季变化以至年际的变化都十分明显，波动很大，极不稳定。正是由于风力的这一特性，造成了风机利用小时数明显低于水电或火电机组。我国风电场的利用小时数一般为2300-2700小时/年，部分地区能够达到3100小时/年。

3）风能分布地区差异大

由于地形的影响，风力的地区差异非常明显。邻近的区域，有利地形下的风力往往是不利地形下的几倍甚至几十倍。因此，风电场的选址非常重要。

4）环境问题

风电最大的环境问题主要有噪音、观瞻、鸟类三个方面。1台1兆瓦的风机，在方圆300米内的噪音是45分贝。有一些人坚持认为风电有碍观瞻。尽管缓慢转动的叶片很少伤及鸟类，但是在候鸟大批经过时难免发生事故。

三、风能的利用方式

风能利用的三种主要方式，即风力发电、风力提水与风力制热。目前，风能开发利用的主要方式是风力发电，通过在风电场中布置的风电机组将风的动能转换成电能并输入电网，提供用户使用。因此，风电市场将直接影响风能的发展。

1、采用风力机械设备，把风能转变成机械能，直接为人们所利用，像风力提水灌溉、饮牲畜。

2、采用风力发电设备，把风能转变为机械能，然后再将机械能转变成电能，这就是风力发电。

不过，新一代的风力机与老式的风力机相比，有着独特的优点，这主要表现为：抗风暴的能力强，耐久可靠；可自动调节功能，采用计算机控制转速；运用近代航空技术，机械效率大大提高。新型风轮机非常灵巧，采用高科技的玻璃纤维制成，具有先进的变速装置和电子控制装置。稍大一些的风轮机还有长达5米，甚至更长的叶片。目前，最新型的风轮机每转可发电300－750千瓦，而其体积大小只相当于普通火力发电的千分之一。发展风力发电，储能是关键，因为风是间歇性的。简单的办法是用蓄电池。强风时发出的电输入其中，风不足时，再借助蓄电池带动直流电机并带动发电机发电，但几百瓦的还可以，上千瓦的，甚至更大的，此法实为不便。另一种办法是抽水法。强风时带动抽水机，将水抽到高处的水库，电力不足时，再把水库的水放出来，通过水力发电来补充。目前，科学家正在研究压缩空气储能和超导体储能等方法，一旦成功，多变的风将更加有效地被人类所使用，给人们送来光明和温暖。巨大的风车，在运行中要受到空气动力、重力和惯性力的作用，很容易产生破坏性振动。近年来新崛起的非金属复合材料，它重量轻，强度高，抗疲劳，耐腐蚀，可解决桨叶问题。

我国的风力资源十分丰富，仅次于俄罗斯和美国，居世界第三位。20世纪50年代，我国开始研究风力发电，已研制出风力发电机和风力拉水机。近年来，功率在千瓦以下的家用微型风力发电机，已在北京、内蒙、新疆、青海、山西、浙江等地成批生产。我国幅员辽阔，海岸线长，风力资源十分丰富。据有关气象资料表明，我国大部分省、市、自治区，都有雄厚的风力资源，尤其是西南边疆。沿海地带和东北、西北、华北地区，终年多风，有的地方一年内1／3的时间是大风天。有人粗略估计，我国风能总储量为16亿千瓦，其中可以利用的占10％。

四、世界各国大力开发风能的原因

1、能源问题已成为当今世界瞩目的大事

煤、石油、天然气等常规能源发生危机，供不应求，不久即将枯竭，因此，各国都在大力开发太阳能、生物能、核能、氢能等新能源。

2、风能为太阳能的一种形式，只要太阳不灭，它就取之不尽，用之不竭。据估计全世界可利用的风能约为10亿千瓦，比水利资源多10倍。光陆地上的风能就相当于目前全部火力发电量的一半。

3、投资少，建成后使用价廉，且无污染

因此，古老的风能焕发了青春，必将成为最有希望的能源之一。有人说：“来之即可用，用后去无踪，做功不受禄，世代无尽穷”。

五、风能:最具开发前景的新能源

风能是最具开发前景的新能源，风能资源全球储量为水能资源储量的10倍，高达53万亿千瓦时/年，其中，海上风能资源的储量远远高于陆上风能资源。理论上只要开发风能资源的50%即可满足全球电力能源需求。风能资源具有可再生、永不枯竭、无污染的特点，风能资源开发的综合社会效益高。风电技术是目前开发最成熟、成本最低廉、商业化运作最成功的新能源技术。风机大型化发展，到目前为止，风电机组大型化进程仍在加快，这是风力发电成本下降的重要原因之一。目前风电机组的寿命普遍达不到20年，维护成本较高，提高机组可靠性也是风电成本下降的重要因素之一。海上风电开发，海上风速高于陆地并且稳定，可利用风能资源更丰富，但开发难度增加，随着风电技术的进步，海上风电开发前景光明。

六、全球风能资源状况及分布

1、全球范围内距离地面80米处的观测点中，有13%可以达到3级风以上，即风速为6.9米/秒，非常适合风能的采集利用。据保守估计，地表可利用风能被低估了19.8%。另外，在以前对风能的研究中均有些低估了风能资源在全球能源总资源中所占有的地位。

2、全球范围内距离地面80米处的观测点中，平均风速将达到4.59米/秒，其中3级及以上风区地带可达到8.44米/秒。在距离地面10米高处的观测点中，整体平均风速为3.31米/秒，3级及以上风区平均风速为6.53米/秒。

3、欧洲和北美有着较强的风力（3级以上），海洋和南极洲则有着极广的风能覆盖面，北海沿岸的北欧地区，南美的最南端及澳大利亚的塔斯马尼亚岛、加拿大和美国的东北及西海岸均属于暴风区领域，在利用风能方面具有极大的潜力。

4、在80米高处，海上比陆地上的观测点多90%符合利用风能的要求；在80米高处，白天风速要高于夜间，分别为4.96米/秒和4.85米/秒。只有当观测点高度为120米时，夜间风速才超过白天。

采用最小平方原理处理所采集到的数据比使用守恒系数法所得到的结果更具有权威性，同时最小平方原理预测的风速值也要比守恒系数曲线所预测的值要大得多。据此，按在80米高度处6.9米/秒的风速来计算，全球风能可利用资源量为72万亿千瓦。即使只成功利用了其中的20%，依然相当于世界能源消费量的总和或电力需求的7倍，但仍然有许多技术难题需要克服，才能真正充分发挥利用风能的潜力。

七、中国风能资源状况及分布

1、风能储量

我国幅员辽阔，海岸线长，风能资源比较丰富。根据全国900多个气象站陆地上离地10m高度资料进行估算，全国平均风功率密度为100W/m2，风能资源总储量约32.26亿kW，可开发和利用的陆地上风能储量有2.53亿kW，近海可开发和利用的风能储量有7.5亿kW，共计约10亿kW。如果陆上风电年上网电量按等效满负荷2000小时计，每年可提供5000亿千瓦时电量，海上风电年上网电量按等效满负荷2500小时计，每年可提供1.8万亿千瓦时电量，合计2.3万亿千瓦时电量。

2、风能资源分布

我国面积广大，地形条件复杂，风能资源状况及分布特点随地形、地理位置不同而有所不同。风能资源丰富的地区主要分布在东南沿海及附近岛屿以及北部地区。另外，内陆也有个别风能丰富点，海上风能资源也非常丰富。北部地区风能丰富带包括东北三省、河北、内蒙古、甘肃、青海、西藏和新疆等。

中国有效风功率密度分布图

第二节 风力发电特点、历史与前景

一、风力发电的历史

世界风力发电自70年代石油危机以后,发展速度开始加快,各国都在积极研制、开发100kW级以上的大型风力发电机。由于各国政府重视程度的不同,投入资金的多寡,风电发展速度有快、有慢,技术水平有高、有低。其中发展较快的国家有:美国、德国、丹麦、荷兰等。丹麦是世界上大型风力发电机产量最多的国家,出口量也居世界首位。装机容量最多的国家是美国,占世界风电装机容量的30%。近年来,印度的风电发展比较快,装机容量仅次于美国、德国,已跃居世界第三位。从目前来看,风力发电机的技术是成熟的、质量是可靠的,风电发展潜力也是巨大的。

二、风力发电特点

1、风能是取之不尽，用之不竭的清洁，无污染，可再生能源

用它发电十分有利。与火力发电，燃油发电，核电相比它无需购买燃料，也无需支付运费，更无需对发电残渣，大气进行环保治理。风力发电是绿色能源。风力发电是财神爷。风来，发电，生财。风是财富。风是大自然对人类的无私奉献。

2、风力发电有很强的地域性

不是任何地方都可以建站的。它必须建在风力资源丰富的地方。即风速大，持续时间长。风力资源大小与地势，地貌有关，山口，海岛常是优选地址。如新疆达板城，年平均风速6。2米/秒，内蒙古辉腾锡勒，年平均风速为7。2米/秒，江西鄱阳湖，年平均风速7。6米/秒，河北张北，年平均风速6。8米/秒，辽宁东港，年平均风速6。7米/秒，广东南澳，年平均风速8。5米/秒，福建平潭岛全县年平均风速8。4米/秒，平潭县海潭岛，年平均风速为8。5米/秒，年可发电风时数为3343小时，为目前中国之冠。(以上数字引自"全国风力发电信息中心的并网风电场介绍")。南海的南沙群岛，该岛一年连续刮六级以上大风有160天。在我国这样的地方还有许多许多正等待我们去探索，发现。

3、风的季节性，决定了风力发电在整个电网中处于"配角〃地位。对它的使用有三种运行方式：

1）能源利用

风力发电机，机群并网运行。有风发电，电能送入电网。无风不发电。

2）无电网的高山，海岛，牧区

风力发电机与柴油发电机并联运行。有风时风力发电，无风时柴油发电机发电，对用户来说时时都有电。

3）同上无电网地区，要求不使用柴油发电，时时有电供应

采用蓄电池储能的AC-DC-AC，即交，直，交风力发电系统。也就是有风时，风力发电机发出交流电，经整流为直流电对蓄电池充电。再利用电力电子器件制造的"逆变器〃将蓄电池中的直流电转化为三相恒频恒压的交流电。这种系统多用在高山雷达站，微波中继站，海洋灯塔，航标灯场合。

三、风力发电的原理

风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；我国也在西部地区大力提倡。小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统：风力发电机＋充电器＋数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。

风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。通常人们认为，风力发电的功率完全由风力发电机的功率决定，总想选购大一点的风力发电机，而这是不正确的。目前的风力发电机只是给电瓶充电，而由电瓶把电能贮存起来，人们最终使用电功率的大小与电瓶大小有更密切的关系。功率的大小更主要取决于风量的大小，而不仅是机头功率的大小。在内地，小的风力发电机会比大的更合适。因为它更容易被小风量带动而发电，持续不断的小风，会比一时狂风更能供给较大的能量。当无风时人们还可以正常使用风力带来的电能，也就是说一台200W风力发电机也可以通过大电瓶与逆变器的配合使用，获得500W甚至1000W乃至更大的功率出。使用风力发电机，就是源源不断地把风能变成我们家庭使用的标准市电，其节约的程度是明显的，一个家庭一年的用电只需20元电瓶液的代价。而现在的风力发电机比几年前的性能有很大改进，以前只是在少数边远地区使用，风力发电机接一个15W的灯泡直接用电，一明一暗并会经常损坏灯泡。而现在由于技术进步，采用先进的充电器、逆变器，风力发电成为有一定科技含量的小系统，并能在一定条件下代替正常的市电。山区可以借此系统做一个常年不花钱的路灯；高速公路可用它做夜晚的路标灯；山区的孩子可以在日光灯下晚自习；城市小高层楼顶也可用风力电机，这不但节约而且是真正绿色电源。家庭用风力发电机，不但可以防止停电，而且还能增加生活情趣。在旅游景区、边防、学校、部队乃至落后的山区，风力发电机正在成为人们的采购热点。无线电爱好者可用自己的技术在风力发电方面为山区人民服务，使人们看电视及照明用电与城市同步，也能使自己劳动致富。

四、风能发电的主要形式

风能是一种干净的、储量丰富、可再生的能源。风能发电的主要形式有三种：一是独立运行；二是风力发电与其他发电方式(如柴油机发电)相结合；三是风力并网发电。由于并网发电的单机容量大、发展潜力大。

1、小型独立风力发电系统

小型独立风力发电系统一般不并网发电，只能独立使用，单台装机容量约为100瓦-5千瓦，通常不超过10千瓦。它的构成为：风力发电机＋充电器＋数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。因风量不稳定，故小型风力发电机输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。

2、并网风力发电系统

德国、丹麦、西班牙等国家的企业开发建立了评估风力资源的测量及计算机模拟系统，发展变桨距控制及失速控制的风力机设计理论，采用新型风力机叶片材料及叶片翼型，研制出变极、变滑差、变速恒频及低速永磁等新型发电机，开发了由微机控制的单台及多台风力发电机组成的机群的自动控制技术，从而大大提高了风力发电的效率及可靠性。在此基础上，风力发电机单机装机容量可以达到600千瓦以上。不少国家建立了众多的中型及大型风力发电场，并实现了与大电网的对接。

五、风电的优劣之处

1、风电的优点包括：

1）利用自然界的可再生能源，干净无污染，无须燃料；

2）运行成本低，风电机组的设计寿命约为20-25年，运行和维护的费用通常相当于机组总成本的3%-5%；

3）建设周期短，若不计测风，快者一年左右可建成。

2、它的主要不足有三：

1）选址时对自然环境(风速)要求较高

光测风阶段就要历时一年以上；风场占地面积通常在几百亩到几千亩，与火电相比，单位土地面积的发电出力相差较大(尽管风机塔架周围的土地仍可进行其它利用)；风力大的地区通常人口稀少，离电力负荷中心较远，对电网输送要求较高；

2）出力不稳定(取决于不可控的风速)

利用小时数低(通常为2000小时/年左右)，通常认为风力发电量占电网总电量的比重不能过高(10-12%，也有人说是20%)，否则会影响电网稳定。2003年德国曾经因为风电出力骤减导致电价上涨20%。有些人认为，丹麦的经验表明，风电能占到电网20%以上的发电量比重。其实不尽然。丹麦也有它的特殊情况。它的风电夏季发电量仅为冬季的一半，而夏季用电需求弱于冬季；夏季白天发电量较夜间大，白天用电需求正好也高于夜间；冬季夜间发电量最大，此时的用电需求正好也在高位。而在台湾，夏天白天是全年用电高峰，此时风电出力反而最低，仅及冬季的10%左右。我国大陆多数地区也是冬春季节风速高，夏季风速小；沿海地区还经常受到台风的侵扰(台风风速过大，不利于发电)。

3）一次性投资较火电大，上网电价高于火电、水电

目前国内风电场的千瓦造价通常要8000-12000元，比西方还高，原因之一是进口设备价格较贵。2002年，采用当时先进的风电机组在最佳条件下，欧洲每千瓦装机的投资成本为832欧元(现价折人民币8428元)，每度电的成本为0.0388欧元(合人民币不到0.4元/度，我国火电成本通常为0.15-0.25元/度左右)。随着技术的进步，风电成本将会下降。有研究称，预期风电成本会从0.04欧元/度，下降至2010年的0.03欧分/度(假设装机成本降至628欧元/千瓦)；到2020年，再降低至0.0234欧元/度(装机成本为497欧元/千瓦)。届时，风力发电的成本已跟燃煤机组的成本相近。

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