探究當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢

陳堅(jiān)

（中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長沙 410014）

0 引言

風(fēng)力發(fā)電可以最大限度地減少耕地占用，不需要燃料，無污染，成本低，無大氣污染和輻射，最重要的是我國風(fēng)能資源非常豐富，屬于非常環(huán)保的可再生的能源。因此，我國風(fēng)能具有非常廣闊的發(fā)展前景。然而，由于這些優(yōu)點(diǎn)，風(fēng)力發(fā)電的效率較低且非常昂貴，針對于風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)也需要逐步改變、加強(qiáng)和完善。

1 風(fēng)力發(fā)電原理與發(fā)展現(xiàn)狀分析

1.1 風(fēng)能發(fā)電原理

風(fēng)力發(fā)電的基本原理是利用風(fēng)產(chǎn)生的動(dòng)能使風(fēng)車的葉片旋轉(zhuǎn)，然后用增速器提高風(fēng)車的轉(zhuǎn)速，最后風(fēng)車通過電磁效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能。根據(jù)現(xiàn)代風(fēng)能技術(shù)，發(fā)電僅需每秒三米的風(fēng)速就能產(chǎn)生電能，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能是現(xiàn)代風(fēng)能的一種比較簡單的利用方式，一般的風(fēng)能發(fā)電機(jī)主要包括風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)等。風(fēng)中的能量是巨大的，根據(jù)研究，在風(fēng)速為10m/s 時(shí)作用到物體表面的力約為10kg。在風(fēng)速為20m/s 時(shí)，它對物體表面的作用力約為50kg。如果風(fēng)速超過50m/s，相當(dāng)于颶風(fēng)或臺(tái)風(fēng)，它對物體表面的作用力至少200kg，能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于我們目前能夠管理和使用的能源。如果能夠合理地開發(fā)利用風(fēng)能，將會(huì)給社會(huì)的發(fā)展和人民的生活帶來很多好處[1]。

1.2 當(dāng)下風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀

隨著國家科技的飛速發(fā)展，風(fēng)能生產(chǎn)逐漸提上日程，并在近幾年加速發(fā)展，但由于各種因素的限制，我國風(fēng)能發(fā)電仍處于發(fā)展初期，還有很多問題沒有解決。

（1）我國風(fēng)能資源豐富，面積遼闊，陸上國界線總長度約2.2 萬km，大陸海岸線總長約為1.8 萬km。根據(jù)氣象局的一項(xiàng)研究，我國風(fēng)能資源和陸地風(fēng)能資源僅開發(fā)利用就達(dá)253GW，海洋風(fēng)能資源是陸地風(fēng)能資源的3 倍。可以說，從東南沿海到西北的川藏高原和青藏高原具有豐富的風(fēng)能資源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，年平均風(fēng)速超過6m/s 的地區(qū)占我國陸地總面積的1%，風(fēng)能資源十分豐富，居世界第三位。

（2）我國風(fēng)能發(fā)電加速擴(kuò)張，早在2009 年，我國已成為世界上第一個(gè)新建風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目的國家。近年來，它一直保持高速發(fā)展。2010—2012 年，我國新增20 個(gè)風(fēng)力電場，單個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)的裝機(jī)容量超過100MW。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2020 年，我國風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量已達(dá)到2.81 億kW。

（3）風(fēng)能發(fā)電受體質(zhì)的限制，目前，我國風(fēng)能開發(fā)投資制度、風(fēng)能公共采購政策和國內(nèi)風(fēng)能開發(fā)激勵(lì)制度等風(fēng)能產(chǎn)業(yè)政策法規(guī)對風(fēng)能項(xiàng)目的發(fā)展起到了推動(dòng)作用，風(fēng)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展受限，導(dǎo)致風(fēng)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展不平衡、不合理，這種情況顯著限制了風(fēng)能在國內(nèi)的快速發(fā)展。

2 我國發(fā)展風(fēng)力發(fā)電技術(shù)存在的主要問題

2.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)管理不靈敏

風(fēng)能發(fā)電時(shí)，技術(shù)人員需要關(guān)注大量數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)的風(fēng)能管理系統(tǒng)靈敏度較低，難以有效控制風(fēng)能技術(shù)的高效利用，對整個(gè)電力的控制效果較差。近年來，由于風(fēng)力發(fā)電管理制度失誤，技術(shù)水平不足，導(dǎo)致近幾年發(fā)生了多起電氣事故，十分不便，不利于風(fēng)能項(xiàng)目的順利實(shí)施。

2.2 機(jī)組的安全性不高

安全是發(fā)電技術(shù)使用中的關(guān)鍵問題，由于我國風(fēng)能技術(shù)研究起步較晚，風(fēng)能技術(shù)壽命短，風(fēng)能技術(shù)的安全性不高，尤其是在并網(wǎng)、輸電方面另一方面，風(fēng)能生產(chǎn)存在事故多發(fā)的問題，導(dǎo)致安全隱患多，技術(shù)員的人身安全健康難以保障[2]。

2.3 發(fā)電設(shè)備國產(chǎn)化水平較低

雖然電力部在1995 年就提出發(fā)展壯大風(fēng)力發(fā)電，但近十年來風(fēng)力發(fā)電并沒有得到足夠的重視和支持，所以發(fā)展非常緩慢，這也是我國在風(fēng)力發(fā)電方面落后于發(fā)達(dá)國家的原因。產(chǎn)業(yè)落后限制了我國風(fēng)電設(shè)備技術(shù)的研究潛力，導(dǎo)致國內(nèi)風(fēng)電場設(shè)備市場壟斷。我國是從國外進(jìn)口的，這會(huì)大大增加我國風(fēng)電建設(shè)項(xiàng)目的成本。總的來說，我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的技術(shù)水平和絕緣水平都比較低，限制了國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。圖1 為風(fēng)力發(fā)電設(shè)備。

圖1 風(fēng)力發(fā)電設(shè)備

3 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢

3.1 中壓變流器拓?fù)湫阅懿粩嗵嵘?/h3>

根據(jù)近年來的不斷研究，為降低風(fēng)資源成本、改造風(fēng)資源效率，風(fēng)力發(fā)電量迅速增加。器件的額定功率在不斷提高，電路和吞吐量也在逐步提高，所以多級轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢在于人們不斷挖掘。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)劣是由電導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗系數(shù)決定的。風(fēng)電機(jī)組發(fā)電市場將逐步將風(fēng)電機(jī)組的額定容量提高到電壓和電流的額定值。在標(biāo)稱電壓不斷升高的過程中，多電平變流器可以將風(fēng)電場中變流器與風(fēng)機(jī)之間的功率分配并網(wǎng)，從而使用處低的表壓器逐步淘汰[3]。

3.2 風(fēng)力電廠的儲(chǔ)能技術(shù)

風(fēng)力電場可以讓風(fēng)力發(fā)電在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都極具吸引力，儲(chǔ)能在維持電壓和頻率方面發(fā)揮著重要作用，不僅可以在15min 內(nèi)儲(chǔ)存大量能量，而且還可以吸收和泵送一定量的能量，在很短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的能量。整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)種類很多，最常見的就是鉛酸電池、鎳電池和鋰電池的儲(chǔ)能系統(tǒng)。蓄電池的缺點(diǎn)是其放電速率在化學(xué)反應(yīng)和放電過程中受電池類型的影響，優(yōu)點(diǎn)是其放電速率非常快。蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢是其他類型的儲(chǔ)能系統(tǒng)和多種能源的集成。此外，許多研究人員都在不斷研究電芯優(yōu)化，以降低電池維護(hù)成本，提高使用過程中的電池壽命。液體儲(chǔ)能是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中最好的儲(chǔ)能系統(tǒng)，因?yàn)榕c以往的儲(chǔ)能系統(tǒng)相比，它可以提供儲(chǔ)能單元的最佳狀態(tài)和交付點(diǎn)的成本。液態(tài)電池系統(tǒng)的優(yōu)勢在于溴和鋅這兩種化學(xué)材料之間的化學(xué)反應(yīng)結(jié)合良好，與鉛酸電池系統(tǒng)相比，這種電池可以提高能量密度，并且在一定程度上保留了體積和重量。重要的是，它的性能特征可以通過各種效果不同地改變性能。因此，液態(tài)溴化鋅電池體系具有良好的再生資源開發(fā)前景[4]。

3.3 海上風(fēng)力發(fā)電

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電技術(shù)會(huì)不斷發(fā)展，因?yàn)楹Ｉ巷L(fēng)能資源非常豐富，風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以安裝在淺海水中發(fā)電，最重要的是海上發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量非常大，渦輪發(fā)電機(jī)將幾乎翻倍。通過使用傳統(tǒng)的循環(huán)熱能，可以更好地控制輸電網(wǎng)絡(luò)，從而解除電閥與風(fēng)電場之間的連接。

高壓直流輸電引入電網(wǎng)技術(shù)時(shí)，具備一定的特點(diǎn)：①發(fā)射器和接收器的頻率不互斥，效果相對獨(dú)立；②電纜功率的損耗較低；③控制箱可有效確定系統(tǒng)的功率流向；④運(yùn)輸距離不受電流影響。圖2 為海上風(fēng)力發(fā)電。

圖2 海上風(fēng)力發(fā)電

4 國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)未來發(fā)展趨勢

4.1 市場發(fā)展趨勢

目前，國家對新能源發(fā)展的支持力度不斷加大，對風(fēng)能發(fā)展給予一定的政策引導(dǎo)、財(cái)稅補(bǔ)貼，這也是國內(nèi)風(fēng)能發(fā)展非常活躍的原因。當(dāng)前，風(fēng)力發(fā)電發(fā)展步伐加快，發(fā)展范圍不斷擴(kuò)大，發(fā)展前景非常好。此外，鑒于建設(shè)小型風(fēng)電場和開發(fā)低速風(fēng)資源的重要性，海上發(fā)電已成為當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電的生力軍，將決定我國風(fēng)能未來的發(fā)展方向。到2020 年，我國海上風(fēng)電裝機(jī)容量計(jì)劃達(dá)到3280 萬kW。

4.2 增加風(fēng)力發(fā)電機(jī)的容量

隨著我國科技水平的不斷發(fā)展，近年來風(fēng)力發(fā)電的最大容量可達(dá)50MW，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量可以保證風(fēng)能更好的轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存，有助于風(fēng)能技術(shù)的發(fā)展，全面提高我國風(fēng)能利用速度，大大提高風(fēng)能項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。

4.3 變漿距長成為發(fā)展的主流

提高風(fēng)力發(fā)電技術(shù)水平的關(guān)鍵在于改進(jìn)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，在風(fēng)力發(fā)電的實(shí)際過程中，當(dāng)電網(wǎng)因風(fēng)電不穩(wěn)定而出現(xiàn)故障，需要緊急停機(jī)時(shí)，風(fēng)機(jī)必須能夠通過改變漿距角來最佳地保持轉(zhuǎn)速比，為提高風(fēng)力發(fā)電的安全性，優(yōu)化停機(jī)策略，有效管理風(fēng)力發(fā)電過程中的低電壓。圖3 為自動(dòng)變漿距。

圖3 自動(dòng)變漿距

4.4 提高風(fēng)力資源利用率

由于海上風(fēng)能資源遠(yuǎn)大于陸上風(fēng)能，當(dāng)今世界風(fēng)能技術(shù)先進(jìn)的國家通常利用陸上風(fēng)能資源以海上風(fēng)能替代陸上風(fēng)能。還可以有效減少土地消耗，提高風(fēng)資源利用率，促進(jìn)能源效率和減排，海上風(fēng)力渦輪機(jī)可以定期接管發(fā)電任務(wù)。

4.5 明確基于區(qū)域風(fēng)況的技術(shù)設(shè)計(jì)

在技術(shù)設(shè)計(jì)方面，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將向高輸出、低風(fēng)速、高效方向發(fā)展，在生產(chǎn)技術(shù)上，關(guān)鍵部件和生產(chǎn)材料將進(jìn)一步取得突破，國產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備也逐漸取代進(jìn)口設(shè)備，并發(fā)展成為國內(nèi)市場的主流。在未來風(fēng)能技術(shù)的發(fā)展中，相關(guān)技術(shù)研究人員將根據(jù)不同地區(qū)的氣候條件，進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)設(shè)計(jì)。例如，我國新疆、甘肅、內(nèi)蒙古等地屬于干旱高原，風(fēng)速低、風(fēng)時(shí)短、空氣密度低，進(jìn)口時(shí)盲目求助于大風(fēng)速和強(qiáng)力電風(fēng)扇，發(fā)電效率會(huì)顯著降低。因此，地方風(fēng)電技術(shù)和裝備應(yīng)立足于低風(fēng)速、低空氣密度，提高風(fēng)力發(fā)電速度，避免浪費(fèi)風(fēng)電資源，積極開發(fā)新型高效風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，根據(jù)各地區(qū)風(fēng)能，設(shè)置不同的技術(shù)安排。

4.6 現(xiàn)代信息技術(shù)的引入

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，為提高風(fēng)力發(fā)電的可靠性和安全性，我國的風(fēng)力發(fā)電管理技術(shù)正逐步向現(xiàn)代計(jì)算機(jī)化進(jìn)程發(fā)展。其中，自適應(yīng)控制技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的產(chǎn)物，在風(fēng)力發(fā)電中應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)，使控制系統(tǒng)能夠有效地管理發(fā)電設(shè)備的變化、自動(dòng)報(bào)警和有效的控制措施。這不僅有效保證了風(fēng)力發(fā)電的可持續(xù)性，而且提高了風(fēng)力發(fā)電管理系統(tǒng)的靈敏度，保證了風(fēng)力發(fā)電的安全性，填補(bǔ)了系統(tǒng)中相關(guān)控制技術(shù)的空白，增加了科學(xué)性，風(fēng)能技術(shù)的普遍部署和風(fēng)能生產(chǎn)效率的提高對風(fēng)能項(xiàng)目的發(fā)展起到了積極的推動(dòng)作用[4]。圖4 為風(fēng)電場集群控制技術(shù)與信息系統(tǒng)。

圖4 風(fēng)電場集群控制技術(shù)與信息系統(tǒng)

5 結(jié)語

風(fēng)能是環(huán)保的可再生能源，對風(fēng)能的合理利用能夠使得減少傳統(tǒng)能源和不可再生能源的過度消耗成為可能，因此，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展對我國節(jié)能減排意義重大。在風(fēng)電技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，工作人員要注重根據(jù)特定區(qū)域的風(fēng)況進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，積極引進(jìn)先進(jìn)的信息技術(shù)，提高風(fēng)力發(fā)電的科學(xué)性，充分利用我國的網(wǎng)絡(luò)資源，推廣我國的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，采取更佳的舉措。