新能源风力发电技术发展及关键问题探讨

郑哲

摘要：当今时代，随着世界人口的增加及社会经济的发展，人均用电量不断提高，人们对于能源的需求量日益增加，传统单一的能源供给已经不能满足人们的需求，同时由于全球气候变暖、环境污染日益严重以及传统能源价格不断走高等大背景，节能减排、降低化石能源比重、研究并开发可再生的新能源已经成为当今世界的共同目标。目前，新能源的开发尚且处于初级阶段，各种新能源在实际应用中还存在一些问题，在这其中由于风能具有成本低、可靠性高等特点，在发电方面具有极大的潜力，并且有较为广阔的发展空间，同时我国拥有的风能资源十分丰富，更加利于风能在我国的发展。

关键词：风能;新能源;发展

0 引言

我国在2006出台了《“十一五”十大重点节能工程实施意见》后，我国的风力发电领域得到了飞速的发展。风力发电过程较为容易理解，就是让风能转化为机械能，再通过做功将机械能转化为电能存储起来。对于风力发电存在的风力资源分布不均匀现象，企业无法保证风力发电机组的安全性能等问题，我国也进行了更深的发展研究，进一步推动了风电技术的提高。

1 我国风力发电发展现状

1.1 我国的风能资源的储备及分布

我国幅员辽阔，陆疆总长达2万多公里，还有18000多公里的海岸线，边缘海中有岛屿5000多个，风能资源丰富。我国现有风电场场址的年平均风速均达到6米/秒以上。一般认为，可将风电场风况分为三类：年平均风速6米/秒以上时为较好;7米/秒以上为好;8米/秒以上为很好。可按风速频率曲线和机组功率曲线，估算国际标准大气状态下该机组的年发电量。我国相当于6米/秒以上的地区，在全国范围内仅仅限于较少数几个地带。就内陆而言，大约仅占全国总面积的1/100，主要分布在长江到南澳岛之间的东南沿海及其岛屿，这些地区是我国最大的风能资源区以及风能资源丰富区，包括山东、辽东半岛、黄海之滨，南澳岛以西的南海沿海、海南岛和南海诸岛，内蒙古从阴山山脉以北到大兴安岭以北，新疆达板城，阿拉山口，河西走廊，松花江下游，张家口北部等地区以及分布各地的高山山口和山顶。

东南沿海及其附近岛屿是风能资源丰富地区，有效风能密度大于或等于200W/m2的等值线平行于海岸线;沿海岛屿有效风能密度在300W/m2以上，全年中风速大于或等于3m/s的时数约为7000～8000h，大于或等于6m/s的时数为4000h。

酒泉市、新疆北部、内蒙古也是中国风能资源丰富地区，有效风能密度为200～300W/㎡，全年中风速大于或等于3m/s的时数为5000h以上，全年中风速大于或等于6m/s的时数为3000h以上。酒泉市现已建起中国第一个千万千瓦级超大型风电基地，为中国最重要的风电基地。

云南、贵州、四川、甘肃（除酒泉市）、陕西南部、河南、湖南西部、福建、广东、广西的山区及新疆塔里木盆地和西藏的雅鲁藏布江，为风能资源贫乏地区，有效风能密度在50W/㎡以下，全年中风速大于和等于3m/s的时数在2000h以下，全年中风速大于和等于6m/s的时数在150h以下，风能潜力很低。

1.2 我国的风力发电现状

2006年发布的《中华人民共和国可再生能源法》有效的促进了我国可再生能源的发展，为我国的可再生能源发展指明了方向，将可再生能源作为了我国能源发展的重要组成部分。目前，我国的风力发电水平以处于世界前列，在2010年我国已经超越美国了风电产能，截至2016年，我国累计装机容量已达168.732GW，占全球装机总量的34.7%，风电增长率和总装机量都占全世界第一，成为世界规模最大的风能生产国。根据《中国能源发展报告2018》，在2018年我国风电发展继续保持快速发展势头，全年发电量3660亿千瓦时，同比增长21%，发电量占一次能源生产的比重约为3%。2018年，全国风电平均利用小时数2095小时，同比增加147小时，且全国弃风量从2017年的419亿千瓦时下降到277亿千瓦时，全国弃风率下降至7%，下降约5个百分点，实现了弃风电量和弃风率双降。

我国的风电发展表现在如下方面：

1）我国风力发电企业数量增加，规模扩大。国家不断推广新能源，人们对新能源有了新的认识，环保理念不断提升，风力发电在电力行业占据比重加大，越来越多的风力发电企业涌现，且规模也在扩大。

2）单机容量逐渐增加。随着风力发电技术水平的提升，风力发电企业获得突飞猛进的技术成果，单机容量不断提升，这也是我国未来风力发电技术发展的必然趋势。

3）风力发电技术趋于稳定化。我国对新能源企业十分重视，风力发电技术本身稳定性较高，使风力发电技术的发展越来越稳定，特别是海风发电技术，由于海风强度较大，抗干扰性较强，技术稳定性更加明显。

4）风力发电技术趋于商业化。风力发电技术在我国发展态势良好，企业获得可观的经济收益，商家纷纷将该技术作为营销手段，导致风力发电技术趋于商业化，推动技术在我国的可持续发展。

2 风力发电技术问题及解决方案

2.1 风电齿轮箱易损坏

风力发电机一般安装在地处戈壁、荒野、高山等风能资源较好的偏远区域，运行环境较为恶劣。风电齿轮箱作为风力发电机中的核心部件，长期运行于剧烈的交变载荷工况下。此外，偏远地区的昼夜温差、风沙影响，风电齿轮箱制造、装配误差以及自身的磨损、润滑不良的因素，均会造成风电齿轮箱部件的损伤。一旦设备因故障而发生停机，不仅维修难度较大且维修成本高昂，造成的经济损失亦不可估量面对上述风力发电过程中可能出现的问题，有必要采取相关技术手段避免風机重大故障的发生，降低故障带来的损失，延长齿轮箱的运行寿命，从而保障风力发电机组的安全可靠性，提升风力发电的效益。

1）作为对风电机组进行监视、检测、分析的一种技术，状态监测（Condition monitoring）和故障诊断（Fault diagnosisl）旨在发现风力发电设备的早期故障隐患，通过对已经存在的故障进行精确定位诊断，将传统的被动性甚至是事后维修模式转换成主动的预防性维修。结合机组的现状特征、历史数据以及运行环境，综合判断机组当前状况，状态监测和故障诊断可以及早发现设备存在的故障，简化维修工作，提高维修效率，排除机组的故障隐患，进而避免灾难性的严重事故发生，将机组的运营维护成本控制在最经济的条件下，最终提升机组风能发电的经济效益。

2）风电齿轮箱的状态监测系统（Conditionmonitoring system）主要包括两个方面：风电齿轮的信息数据采集、特征提取以及故障诊断、寿命预测。其中，状态监测和故障诊断的数据来源主要包括風力发电系统的电压、电流信号、箱体的振动信号、声发射信号、应变信号以及润滑系统的油温信号、油成分变化等等。近些年来，随着风机SCADA系统（数据采集及监控系统）技术的进一步发展，多数大型风力发电机通过安装SCADA系统用来进一步提升风力发电机运行稳定性和可靠性。其中，振动信号分析作为一种有效的信号处理方法，被广泛应用于风机的状态监测和故障诊断中。通过在风电齿轮箱的关键部分针对性地部署加速度传感器，获取相应的振动信号，而后应用数字信号处理方法提取相关的数据特征。例如，采用时域分析统计方法提取风电齿轮箱振动信号的特征，常用的时域统计特征包括均方根值、方差统计、极值统计、峰态统计等等。

2.2 风速不稳定性

当风速发生变化时，会导致原动机输出的机械功率发生变化，从而使发电机输出功率产生波动而使电能质量下降。风力发电储存技术能有效缓解风力不稳定性以及负荷峰谷比问题，对于削峰填谷具有很大的作用，同时也减少了能量转换过程中的损耗。

（1）新型电池储能技术。电池储能技术是最简单的电能储存方法，主要应用于单独运行的中小型风力发电机的电能储存，以便根据风况以及负荷的变化进行电能补偿。现在采用的电池主要有铅酸电池、钒电池、镍镉电池、钠硫电池、锂电池等。

（2）水利蓄能技术。水利储能技术需要以丰富的水资源为前提，在风能过量时，利用风能带动水泵将水位提高，将电能转化为势能。在风能不足时，将高水位的水进行泄放，带动水力涡轮发电机发电，从而将势能转化为电能。

（3）压缩空气蓄能技术。压缩空气蓄能技术是主要应用于干旱地区的风力发电储能技术。在风能过量时，利用风能带动压缩机，将空气压缩储存到金属器具内或者矿洞内，在风力不足或者负荷较大时，利用压缩空气带动涡轮机发电。

（4）飞轮蓄能技术。飞轮储能技术容量小、储存时间短，适用于大容量的发电机。通过在发电机与风力机之间加装飞轮，利用飞轮转动的惯性储存能量。在风速较高时，风能转化为飞轮动能进行储存，在风速不足时，飞轮的惯性带动发电机转动，将动能转化为电能。

2.3 风力不稳定性

单独的风力发电在资源利用上存在缺陷，在季节性方面，夏季风力较弱，冬季风力强，在时间性方面，白天风力较小，晚上风力较强。因此综合考虑不同种的新能源在季节性、时间性等多方面资源的互补而建立互补发电系统。该系统是指两种或多种能源组合起来的复合式发电系统。作用是在风力较弱的时候与其他形式的发电系统组合起来，使得电能输出稳定，常见的互补发电系统主要由以下几种：

（1）风光互补发电系统。风力资源易受地形地势的影响，且与地域位置有关。我国的地域分布及季风气候决定我国冬季风能丰富而太阳能不足，夏季太阳能丰富而风能不足。因此，可以将二者进行很好结合，利用风光互补的发电结构解决风能发电和太阳能发电的随机性，实现电能输出的稳定。该系统尤其适用于风能和太阳能都较为丰富的地方，如：海岛、沙漠、草原、山区等。该系统还适用于小区和环境工程，如：路灯、观景灯、广告牌等。

（2）风水互补发电系统。风水互补发电系统就是将风能发电系统与水能发电相结合的发电系统，当风能发电出现波动时，水电站可以迅速调节输出补偿风能发电。另外，在我国部分地域风能和水能在分布上具有时间互补性，例如我国的新疆、内蒙古、青海等地区，夏秋季风速弱，风力发电输出能力弱，但是这2个季节雨水量较大，水力发电可以补偿部分负荷。春冬季节，雨水量较低，水力发电输出能力较弱，但这2个季节风能较强，风力发电输出较大，能够对水力发电进行稳定性补偿。

（3）风气互补发电系统。风气互补发电系统是指风力发电与燃气发电相互补偿。利用具有快速启停和快速调节负荷特点的燃气发电机补偿风力发电机输出的波动，使得整个发电系统的输出能力在一段时间内保持稳定。目前，风气互补发电系统在新疆地区已经得到了应用。

（4）风柴互补发电系统。风柴互补发电系统是利用柴油发电系统对风力发电系统进行补偿的发电系统，该系统主要应用于孤岛等较为偏僻地域的供电。

（5）风能和生物能互补发电系统。风能和生物能互补的发电系统是利用生物能发电对风力发电进行补偿的发电系统。生物能与其他可再生资源相比可以以燃料的形式储存起来，可以根据负荷的变化人为的改变发电输出量。该系统具有输出稳定、温室气体排放量小等优点，因此该系统具有良好的发展前景。

对于互补发电系统不仅限于两种能源相互组合，还可以多种以上的能源相互组合，如：风能、太阳能和生物能互补发电系统，风能、水能和生物能发电互补系统等。

3 风力发电发展思路

3.1 政府加强支持

风力发电技术对于我国社会经济发展以及人民群众正常生活有着重要作用，风力发电是一项巨大的工程，我国自2011年起，就在逐步出台风力发电帮扶政策。2013年3月财政部《关于预拨可再生能源电价附加补助资金的通知》。按照第一支第四批目录，预拨付风力发电补助资金93.14亿元（含风力发电项目和接网工程等）。截至2015年年底，中国新增风电装机容量为30500MW，占据了全球新增风电装机容量的28.4%。不过现行的政策大多都停留在工程建设层上，应该加强技术研究方面的支持，通过顶层技术发展来切实推动我国风力发电技术的发展，减少工程建设中的技术投入、专利投入，才是我国风力发电技术实现可持续发展的根本方向。

3.2 加快推进海上风电发展

作为大容量风力发电机组研发中非常重要的目标之一，海上风力发电目前是世界上各国都在研究和发展的重要课题，目前我国单机容量为5MW、6MW的风电机组已经进入商业化运营。美国已经研制成功7MW风电机组，并正在研发10MW机组;英国10MW机组也正在设计进行中，挪威正在研制14MW的机组，欧盟则正在考虑研制20MW的风电机组。能否不断提升海上风力发电的建设规模以及发电能力，成为各国研究的核心目标。作为一个海上风电资源非常丰富的国家，我国的海上风力发电有效利用可以大幅度提升我国风力发电产业的整体发展，同时为我国的电力行业发展和节约能源做出巨大的贡献。

3.3 加强能源市场监管

监管是保证行业稳定发展的前提，为确保我国风力发电的稳定发展，相关部门一定要将监管制度落到实处，一方面要推进风力发电产业化发展，建立一个公平、公正、公开的能源市场，为国内投资者提供一个良好的平台;另一方面，要规范市场中的运作秩序，以此来为公平的市场竞争创造良好条件。另外，政府应该鼓励多元化投资，持续对市场竞争主体进行培养，从而提高风力发电市场的活力。

4 结论

总而言之，随着人们环保意识的增加及对能源需求的日益提高，新能源的研究开发已经受到了广泛关注，虽然在应用新能源的过程中还存在很多问题，但新能源的发展已经成为人类能源发展进程中最重要的部分之一。而风能具有的低成本，无污染等特点，使风力发电技术成为新能源开发中的重要内容，也是未来电力企业的发展方向。我国对于风力发电项目的投入日益增大，对风电相关技术的研究，有利于我国风电的进一步发展，为后期针对实际情况采取相应对策提供有益参考。

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