新能源風力發電技術發展及關鍵問題探討

鄭哲

摘要：當今時代，隨著世界人口的增加及社會經濟的發展，人均用電量不斷提高，人們對于能源的需求量日益增加，傳統單一的能源供給已經不能滿足人們的需求，同時由于全球氣候變暖、環境污染日益嚴重以及傳統能源價格不斷走高等大背景，節能減排、降低化石能源比重、研究并開發可再生的新能源已經成為當今世界的共同目標。目前，新能源的開發尚且處于初級階段，各種新能源在實際應用中還存在一些問題，在這其中由于風能具有成本低、可靠性高等特點，在發電方面具有極大的潛力，并且有較為廣闊的發展空間，同時我國擁有的風能資源十分豐富，更加利于風能在我國的發展。

關鍵詞：風能;新能源;發展

0 引言

我國在2006出臺了《“十一五”十大重點節能工程實施意見》后，我國的風力發電領域得到了飛速的發展。風力發電過程較為容易理解，就是讓風能轉化為機械能，再通過做功將機械能轉化為電能存儲起來。對于風力發電存在的風力資源分布不均勻現象，企業無法保證風力發電機組的安全性能等問題，我國也進行了更深的發展研究，進一步推動了風電技術的提高。

1 我國風力發電發展現狀

1.1 我國的風能資源的儲備及分布

我國幅員遼闊，陸疆總長達2萬多公里，還有18000多公里的海岸線，邊緣海中有島嶼5000多個，風能資源豐富。我國現有風電場場址的年平均風速均達到6米/秒以上。一般認為，可將風電場風況分為三類：年平均風速6米/秒以上時為較好;7米/秒以上為好;8米/秒以上為很好?？砂达L速頻率曲線和機組功率曲線，估算國際標準大氣狀態下該機組的年發電量。我國相當于6米/秒以上的地區，在全國范圍內僅僅限于較少數幾個地帶。就內陸而言，大約僅占全國總面積的1/100，主要分布在長江到南澳島之間的東南沿海及其島嶼，這些地區是我國最大的風能資源區以及風能資源豐富區，包括山東、遼東半島、黃海之濱，南澳島以西的南海沿海、海南島和南海諸島，內蒙古從陰山山脈以北到大興安嶺以北，新疆達板城，阿拉山口，河西走廊，松花江下游，張家口北部等地區以及分布各地的高山山口和山頂。

東南沿海及其附近島嶼是風能資源豐富地區，有效風能密度大于或等于200W/m2的等值線平行于海岸線;沿海島嶼有效風能密度在300W/m2以上，全年中風速大于或等于3m/s的時數約為7000～8000h，大于或等于6m/s的時數為4000h。

酒泉市、新疆北部、內蒙古也是中國風能資源豐富地區，有效風能密度為200～300W/㎡，全年中風速大于或等于3m/s的時數為5000h以上，全年中風速大于或等于6m/s的時數為3000h以上。酒泉市現已建起中國第一個千萬千瓦級超大型風電基地，為中國最重要的風電基地。

云南、貴州、四川、甘肅（除酒泉市）、陜西南部、河南、湖南西部、福建、廣東、廣西的山區及新疆塔里木盆地和西藏的雅魯藏布江，為風能資源貧乏地區，有效風能密度在50W/㎡以下，全年中風速大于和等于3m/s的時數在2000h以下，全年中風速大于和等于6m/s的時數在150h以下，風能潛力很低。

1.2 我國的風力發電現狀

2006年發布的《中華人民共和國可再生能源法》有效的促進了我國可再生能源的發展，為我國的可再生能源發展指明了方向，將可再生能源作為了我國能源發展的重要組成部分。目前，我國的風力發電水平以處于世界前列，在2010年我國已經超越美國了風電產能，截至2016年，我國累計裝機容量已達168.732GW，占全球裝機總量的34.7%，風電增長率和總裝機量都占全世界第一，成為世界規模最大的風能生產國。根據《中國能源發展報告2018》，在2018年我國風電發展繼續保持快速發展勢頭，全年發電量3660億千瓦時，同比增長21%，發電量占一次能源生產的比重約為3%。2018年，全國風電平均利用小時數2095小時，同比增加147小時，且全國棄風量從2017年的419億千瓦時下降到277億千瓦時，全國棄風率下降至7%，下降約5個百分點，實現了棄風電量和棄風率雙降。

我國的風電發展表現在如下方面：

1）我國風力發電企業數量增加，規模擴大。國家不斷推廣新能源，人們對新能源有了新的認識，環保理念不斷提升，風力發電在電力行業占據比重加大，越來越多的風力發電企業涌現，且規模也在擴大。

2）單機容量逐漸增加。隨著風力發電技術水平的提升，風力發電企業獲得突飛猛進的技術成果，單機容量不斷提升，這也是我國未來風力發電技術發展的必然趨勢。

3）風力發電技術趨于穩定化。我國對新能源企業十分重視，風力發電技術本身穩定性較高，使風力發電技術的發展越來越穩定，特別是海風發電技術，由于海風強度較大，抗干擾性較強，技術穩定性更加明顯。

4）風力發電技術趨于商業化。風力發電技術在我國發展態勢良好，企業獲得可觀的經濟收益，商家紛紛將該技術作為營銷手段，導致風力發電技術趨于商業化，推動技術在我國的可持續發展。

2 風力發電技術問題及解決方案

2.1 風電齒輪箱易損壞

風力發電機一般安裝在地處戈壁、荒野、高山等風能資源較好的偏遠區域，運行環境較為惡劣。風電齒輪箱作為風力發電機中的核心部件，長期運行于劇烈的交變載荷工況下。此外，偏遠地區的晝夜溫差、風沙影響，風電齒輪箱制造、裝配誤差以及自身的磨損、潤滑不良的因素，均會造成風電齒輪箱部件的損傷。一旦設備因故障而發生停機，不僅維修難度較大且維修成本高昂，造成的經濟損失亦不可估量面對上述風力發電過程中可能出現的問題，有必要采取相關技術手段避免風機重大故障的發生，降低故障帶來的損失，延長齒輪箱的運行壽命，從而保障風力發電機組的安全可靠性，提升風力發電的效益。

1）作為對風電機組進行監視、檢測、分析的一種技術，狀態監測（Condition monitoring）和故障診斷（Fault diagnosisl）旨在發現風力發電設備的早期故障隱患，通過對已經存在的故障進行精確定位診斷，將傳統的被動性甚至是事后維修模式轉換成主動的預防性維修。結合機組的現狀特征、歷史數據以及運行環境，綜合判斷機組當前狀況，狀態監測和故障診斷可以及早發現設備存在的故障，簡化維修工作，提高維修效率，排除機組的故障隱患，進而避免災難性的嚴重事故發生，將機組的運營維護成本控制在最經濟的條件下，最終提升機組風能發電的經濟效益。

2）風電齒輪箱的狀態監測系統（Conditionmonitoring system）主要包括兩個方面：風電齒輪的信息數據采集、特征提取以及故障診斷、壽命預測。其中，狀態監測和故障診斷的數據來源主要包括風力發電系統的電壓、電流信號、箱體的振動信號、聲發射信號、應變信號以及潤滑系統的油溫信號、油成分變化等等。近些年來，隨著風機SCADA系統（數據采集及監控系統）技術的進一步發展，多數大型風力發電機通過安裝SCADA系統用來進一步提升風力發電機運行穩定性和可靠性。其中，振動信號分析作為一種有效的信號處理方法，被廣泛應用于風機的狀態監測和故障診斷中。通過在風電齒輪箱的關鍵部分針對性地部署加速度傳感器，獲取相應的振動信號，而后應用數字信號處理方法提取相關的數據特征。例如，采用時域分析統計方法提取風電齒輪箱振動信號的特征，常用的時域統計特征包括均方根值、方差統計、極值統計、峰態統計等等。

2.2 風速不穩定性

當風速發生變化時，會導致原動機輸出的機械功率發生變化，從而使發電機輸出功率產生波動而使電能質量下降。風力發電儲存技術能有效緩解風力不穩定性以及負荷峰谷比問題，對于削峰填谷具有很大的作用，同時也減少了能量轉換過程中的損耗。

（1）新型電池儲能技術。電池儲能技術是最簡單的電能儲存方法，主要應用于單獨運行的中小型風力發電機的電能儲存，以便根據風況以及負荷的變化進行電能補償?，F在采用的電池主要有鉛酸電池、釩電池、鎳鎘電池、鈉硫電池、鋰電池等。

（2）水利蓄能技術。水利儲能技術需要以豐富的水資源為前提，在風能過量時，利用風能帶動水泵將水位提高，將電能轉化為勢能。在風能不足時，將高水位的水進行泄放，帶動水力渦輪發電機發電，從而將勢能轉化為電能。

（3）壓縮空氣蓄能技術。壓縮空氣蓄能技術是主要應用于干旱地區的風力發電儲能技術。在風能過量時，利用風能帶動壓縮機，將空氣壓縮儲存到金屬器具內或者礦洞內，在風力不足或者負荷較大時，利用壓縮空氣帶動渦輪機發電。

（4）飛輪蓄能技術。飛輪儲能技術容量小、儲存時間短，適用于大容量的發電機。通過在發電機與風力機之間加裝飛輪，利用飛輪轉動的慣性儲存能量。在風速較高時，風能轉化為飛輪動能進行儲存，在風速不足時，飛輪的慣性帶動發電機轉動，將動能轉化為電能。

2.3 風力不穩定性

單獨的風力發電在資源利用上存在缺陷，在季節性方面，夏季風力較弱，冬季風力強，在時間性方面，白天風力較小，晚上風力較強。因此綜合考慮不同種的新能源在季節性、時間性等多方面資源的互補而建立互補發電系統。該系統是指兩種或多種能源組合起來的復合式發電系統。作用是在風力較弱的時候與其他形式的發電系統組合起來，使得電能輸出穩定，常見的互補發電系統主要由以下幾種：

（1）風光互補發電系統。風力資源易受地形地勢的影響，且與地域位置有關。我國的地域分布及季風氣候決定我國冬季風能豐富而太陽能不足，夏季太陽能豐富而風能不足。因此，可以將二者進行很好結合，利用風光互補的發電結構解決風能發電和太陽能發電的隨機性，實現電能輸出的穩定。該系統尤其適用于風能和太陽能都較為豐富的地方，如：海島、沙漠、草原、山區等。該系統還適用于小區和環境工程，如：路燈、觀景燈、廣告牌等。

（2）風水互補發電系統。風水互補發電系統就是將風能發電系統與水能發電相結合的發電系統，當風能發電出現波動時，水電站可以迅速調節輸出補償風能發電。另外，在我國部分地域風能和水能在分布上具有時間互補性，例如我國的新疆、內蒙古、青海等地區，夏秋季風速弱，風力發電輸出能力弱，但是這2個季節雨水量較大，水力發電可以補償部分負荷。春冬季節，雨水量較低，水力發電輸出能力較弱，但這2個季節風能較強，風力發電輸出較大，能夠對水力發電進行穩定性補償。

（3）風氣互補發電系統。風氣互補發電系統是指風力發電與燃氣發電相互補償。利用具有快速啟停和快速調節負荷特點的燃氣發電機補償風力發電機輸出的波動，使得整個發電系統的輸出能力在一段時間內保持穩定。目前，風氣互補發電系統在新疆地區已經得到了應用。

（4）風柴互補發電系統。風柴互補發電系統是利用柴油發電系統對風力發電系統進行補償的發電系統，該系統主要應用于孤島等較為偏僻地域的供電。

（5）風能和生物能互補發電系統。風能和生物能互補的發電系統是利用生物能發電對風力發電進行補償的發電系統。生物能與其他可再生資源相比可以以燃料的形式儲存起來，可以根據負荷的變化人為的改變發電輸出量。該系統具有輸出穩定、溫室氣體排放量小等優點，因此該系統具有良好的發展前景。

對于互補發電系統不僅限于兩種能源相互組合，還可以多種以上的能源相互組合，如：風能、太陽能和生物能互補發電系統，風能、水能和生物能發電互補系統等。

3 風力發電發展思路

3.1 政府加強支持

風力發電技術對于我國社會經濟發展以及人民群眾正常生活有著重要作用，風力發電是一項巨大的工程，我國自2011年起，就在逐步出臺風力發電幫扶政策。2013年3月財政部《關于預撥可再生能源電價附加補助資金的通知》。按照第一支第四批目錄，預撥付風力發電補助資金93.14億元（含風力發電項目和接網工程等）。截至2015年年底，中國新增風電裝機容量為30500MW，占據了全球新增風電裝機容量的28.4%。不過現行的政策大多都停留在工程建設層上，應該加強技術研究方面的支持，通過頂層技術發展來切實推動我國風力發電技術的發展，減少工程建設中的技術投入、專利投入，才是我國風力發電技術實現可持續發展的根本方向。

3.2 加快推進海上風電發展

作為大容量風力發電機組研發中非常重要的目標之一，海上風力發電目前是世界上各國都在研究和發展的重要課題，目前我國單機容量為5MW、6MW的風電機組已經進入商業化運營。美國已經研制成功7MW風電機組，并正在研發10MW機組;英國10MW機組也正在設計進行中，挪威正在研制14MW的機組，歐盟則正在考慮研制20MW的風電機組。能否不斷提升海上風力發電的建設規模以及發電能力，成為各國研究的核心目標。作為一個海上風電資源非常豐富的國家，我國的海上風力發電有效利用可以大幅度提升我國風力發電產業的整體發展，同時為我國的電力行業發展和節約能源做出巨大的貢獻。

3.3 加強能源市場監管

監管是保證行業穩定發展的前提，為確保我國風力發電的穩定發展，相關部門一定要將監管制度落到實處，一方面要推進風力發電產業化發展，建立一個公平、公正、公開的能源市場，為國內投資者提供一個良好的平臺;另一方面，要規范市場中的運作秩序，以此來為公平的市場競爭創造良好條件。另外，政府應該鼓勵多元化投資，持續對市場競爭主體進行培養，從而提高風力發電市場的活力。

4 結論

總而言之，隨著人們環保意識的增加及對能源需求的日益提高，新能源的研究開發已經受到了廣泛關注，雖然在應用新能源的過程中還存在很多問題，但新能源的發展已經成為人類能源發展進程中最重要的部分之一。而風能具有的低成本，無污染等特點，使風力發電技術成為新能源開發中的重要內容，也是未來電力企業的發展方向。我國對于風力發電項目的投入日益增大，對風電相關技術的研究，有利于我國風電的進一步發展，為后期針對實際情況采取相應對策提供有益參考。

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