電力知識(shí)科普：風(fēng)力發(fā)電

風(fēng)力發(fā)電是指把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)為電能。風(fēng)能是一種清潔無公害的可再生能源能源，很早就被人們利用，主要是通過風(fēng)車來抽水、磨面等，人們感興趣的是如何利用風(fēng)來發(fā)電。

利用風(fēng)力發(fā)電非常環(huán)保，且風(fēng)能蘊(yùn)量巨大，因此日益受到世界各國的重視。

PART  1原理

1.1 基本原理

把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械動(dòng)能，再把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電力動(dòng)能，這就是風(fēng)力發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電的原理，是利用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機(jī)將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機(jī)發(fā)電。依據(jù)風(fēng)車技術(shù)，大約是每秒三米的微風(fēng)速度（微風(fēng)的程度），便可以開始發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電正在世界上形成一股熱潮，因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電不需要使用燃料，也不會(huì)產(chǎn)生輻射或空氣污染。

1.2 發(fā)電效率

一般說來，三級(jí)風(fēng)就有利用的價(jià)值。但從經(jīng)濟(jì)合理的角度出發(fā)，風(fēng)速大于每秒4米才適宜于發(fā)電。據(jù)測定，一臺(tái)55千瓦的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，當(dāng)風(fēng)速為每秒9.5米時(shí)，機(jī)組的輸出功率為55千瓦；當(dāng)風(fēng)速每秒8米時(shí)，功率為38千瓦；風(fēng)速每秒6米時(shí)，只有16千瓦；而風(fēng)速每秒5米時(shí)，僅為9.5千瓦?？梢婏L(fēng)力愈大，經(jīng)濟(jì)效益也愈大。

在我國，已有不少成功的中、小型風(fēng)力發(fā)電裝置在運(yùn)轉(zhuǎn)。我國的風(fēng)力資源極為豐富，絕大多數(shù)地區(qū)的平均風(fēng)速都在每秒3米以上，特別是東北、西北、西南高原和沿海島嶼，平均風(fēng)速更大；有的地方，一年三分之一以上的時(shí)間都是大風(fēng)天。在這些地區(qū)，發(fā)展風(fēng)力發(fā)電是很有前途的。

PART  2組成

風(fēng)電的原理大家可以想象得到，風(fēng)電的結(jié)構(gòu)就不一定了解了。這里給大家介紹下常在海邊看到的大家伙的組成：

風(fēng)力發(fā)電機(jī)通常包含有風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)(包括裝置)、調(diào)向器(尾舵)、塔架、限速安全機(jī)構(gòu)和儲(chǔ)能裝置等構(gòu)件。

2.1 轉(zhuǎn)子葉片

這個(gè)要重點(diǎn)講一下。風(fēng)電最顯著的特征，就是這個(gè)大葉片。葉片負(fù)責(zé)捕獲風(fēng)，并將風(fēng)力傳送到轉(zhuǎn)子軸心。葉片的形狀很像飛機(jī)的機(jī)翼，特點(diǎn)是長而薄，因其體積巨大，重量還是很大的。為了提高發(fā)電功率，葉片的長度每年都在增長，截止23年新上線的大型風(fēng)電葉片長度可達(dá)百米，可以對(duì)比以下數(shù)據(jù)：

23年大型風(fēng)電葉長：100米

波音737翼展：35米

可查到的最大水輪機(jī)葉片尺寸：5米

最大的鳥類翼展流浪信天翁：3.5米

風(fēng)電葉片有面積大、重量輕、強(qiáng)度高等多個(gè)極端要求，技術(shù)含量非常高，單體型巨大，別說制造的難題，單運(yùn)輸就是一個(gè)大問題。

2.2 主要部件

塔：風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔載有機(jī)艙及轉(zhuǎn)子。通常高的塔具有優(yōu)勢，因?yàn)殡x地面越高，風(fēng)速越大?，F(xiàn)代600千瓦風(fēng)汽輪機(jī)的塔高為40至60米。它可以為管狀的塔，也可以是格子狀的塔。

機(jī)艙：機(jī)艙包含著風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備，包括齒輪箱、發(fā)電機(jī)。維護(hù)人員可以通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔進(jìn)入機(jī)艙。機(jī)艙左端是風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，即轉(zhuǎn)子葉片機(jī)軸。

發(fā)電機(jī)：通常被稱為感應(yīng)電機(jī)或異步發(fā)電機(jī)。在現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)上，最大電力輸出通常為500至1500千瓦。

高速軸及其機(jī)械閘：高速軸以1500轉(zhuǎn)每分鐘運(yùn)轉(zhuǎn)，并驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。它裝備有緊急機(jī)械閘，用于空氣動(dòng)力閘失效時(shí)，或風(fēng)力發(fā)電機(jī)被維修時(shí)。

電子控制器：包含一臺(tái)不斷監(jiān)控風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)的計(jì)算機(jī)，并控制偏航裝置。為防止任何故障（即齒輪箱或發(fā)電機(jī)的過熱），該控制器可以自動(dòng)停止風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過電話調(diào)制解調(diào)器來呼叫風(fēng)力發(fā)電機(jī)操作員。

2.3 內(nèi)部部件

軸心：轉(zhuǎn)子軸心附著在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的低速軸上。

低速軸：風(fēng)力發(fā)電機(jī)的低速軸將轉(zhuǎn)子軸心與齒輪箱連接在一起。在現(xiàn)代600千瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)上，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相當(dāng)慢，大約為19至30轉(zhuǎn)每分鐘。軸中有用于液壓系統(tǒng)的導(dǎo)管，來激發(fā)空氣動(dòng)力閘的運(yùn)行。

偏航裝置：借助電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)艙，以使轉(zhuǎn)子正對(duì)著風(fēng)。偏航裝置由電子控制器操作，電子控制器可以通過風(fēng)向標(biāo)來感覺風(fēng)向。通常，在風(fēng)改變其方向時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)一次只會(huì)偏轉(zhuǎn)幾度。

齒輪箱：齒輪箱左邊是低速軸，它可以將高速軸的轉(zhuǎn)速提高至低速軸的50倍。

液壓系統(tǒng)：用于重置風(fēng)力發(fā)電機(jī)的空氣動(dòng)力閘。

冷卻元件：包含一個(gè)風(fēng)扇，用于冷卻發(fā)電機(jī)。此外，它包含一個(gè)油冷卻元件，用于冷卻齒輪箱內(nèi)的油。一些風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有水冷發(fā)電機(jī)。

風(fēng)速計(jì)及風(fēng)向標(biāo)：用于測量風(fēng)速及風(fēng)向。

尾舵：常見于水平軸上風(fēng)向的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)（一般在10KW及以下）。位于回轉(zhuǎn)體后方，與回轉(zhuǎn)體相連。主要作用為調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)向，使風(fēng)機(jī)正對(duì)風(fēng)向。作用二是在大風(fēng)風(fēng)況的情況下使風(fēng)力機(jī)機(jī)頭偏離風(fēng)向，以達(dá)到降低轉(zhuǎn)速，保護(hù)風(fēng)機(jī)的作用。

PART  3分類方式

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸的方向，可分為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)

1）水平軸風(fēng)力渦輪機(jī)

旋轉(zhuǎn)軸垂直于葉片，通常平行于地面，旋轉(zhuǎn)軸水平的風(fēng)力渦輪機(jī)。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)相對(duì)于垂直軸發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn):葉片旋轉(zhuǎn)空間大，轉(zhuǎn)速高。適用于大型風(fēng)力發(fā)電廠。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展歷史悠久，已經(jīng)完全達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)，結(jié)構(gòu)簡單，比垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)效率高。到目前為止，所有用于發(fā)電的風(fēng)力發(fā)電機(jī)都是水平軸的，沒有商用的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

2）垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)

旋轉(zhuǎn)軸平行于葉片，通常垂直于地面，且旋轉(zhuǎn)軸垂直的風(fēng)力渦輪機(jī)。與水平軸發(fā)電機(jī)相比，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有發(fā)電效率高、不需要轉(zhuǎn)風(fēng)、葉片旋轉(zhuǎn)空間小、抗風(fēng)能力強(qiáng)(可抗12-14級(jí)臺(tái)風(fēng))、啟動(dòng)風(fēng)速小、維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)。與水平風(fēng)力機(jī)相比，垂直軸有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):一是在相同風(fēng)速下，垂直軸的發(fā)電效率高于水平風(fēng)力機(jī)，特別是在低風(fēng)速地區(qū)；第二，在高風(fēng)速區(qū)域，垂直軸風(fēng)力機(jī)比水平軸風(fēng)力機(jī)更安全、更穩(wěn)定；此外，國內(nèi)外大量案例證明，在城市地區(qū)，水平風(fēng)輪機(jī)往往不旋轉(zhuǎn)，在北方、西北等高風(fēng)速地區(qū)，往往會(huì)出現(xiàn)風(fēng)輪機(jī)斷裂、脫落等問題，造成路上行人和車輛的傷害。

PART  4資源

我國風(fēng)能資源豐富，可開發(fā)利用的風(fēng)能儲(chǔ)量約10億kW，其中，陸地上風(fēng)能儲(chǔ)量約2.53億kW（陸地上離地10m高度資料計(jì)算），海上可開發(fā)和利用的風(fēng)能儲(chǔ)量約7.5億kW，共計(jì)10億kW。而2003年底全國電力裝機(jī)約5.67億kW。

風(fēng)是沒有公害的能源之一。而且它取之不盡，用之不竭。對(duì)于缺水、缺燃料和交通不便的沿海島嶼、草原牧區(qū)、山區(qū)和高原地帶，因地制宜地利用風(fēng)力發(fā)電，非常適合，大有可為。海上風(fēng)電是可再生能源發(fā)展的重要領(lǐng)域，是推動(dòng)風(fēng)電技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的重要力量，是促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要措施。我國海上風(fēng)能資源豐富，加快海上風(fēng)電項(xiàng)目建設(shè)，對(duì)于促進(jìn)沿海地區(qū)治理大氣霧霾、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式具有重要意義。

國家能源局2015年9月11日發(fā)布數(shù)據(jù)顯示，到2015年7月底，納入海上風(fēng)電開發(fā)建設(shè)方案的項(xiàng)目已建成投產(chǎn)2個(gè)、裝機(jī)容量6.1萬千瓦，核準(zhǔn)在建9個(gè)、裝機(jī)容量170.2萬千瓦，核準(zhǔn)待建6個(gè)，裝機(jī)容量154萬千瓦。這與2014年末國家能源局《全國海上風(fēng)電開發(fā)建設(shè)方案（2014-2016）》規(guī)劃的總裝機(jī)容量1053萬千瓦的44個(gè)項(xiàng)目相距甚遠(yuǎn)。為此，國家能源局要求，進(jìn)一步做好海上風(fēng)電開發(fā)建設(shè)工作，加快推動(dòng)海上風(fēng)電發(fā)展。

PART  5利用

風(fēng)是一種潛力很大的新能源，十八世紀(jì)初，橫掃英法兩國的一次狂暴大風(fēng)，吹毀了四百座風(fēng)力磨坊、八百座房屋、一百座教堂、四百多條帆船，并有數(shù)千人受到傷害，二十五萬株大樹連根拔起。僅就拔樹一事而論，風(fēng)在數(shù)秒鐘內(nèi)就發(fā)出了一千萬馬力(即750萬千瓦；一馬力等于0．75千瓦)的功率!有人估計(jì)過，地球上可用來發(fā)電的風(fēng)力資源約有100億千瓦，幾乎是全世界水力發(fā)電量的10倍。全世界每年燃燒煤所獲得的能量，只有風(fēng)力在一年內(nèi)所提供能量的三分之一。因此，國內(nèi)外都很重視利用風(fēng)力來發(fā)電，開發(fā)新能源。

利用風(fēng)力發(fā)電的嘗試，早在二十世紀(jì)初就已經(jīng)開始了。三十年代，丹麥、瑞典、蘇聯(lián)和美國應(yīng)用航空工業(yè)的旋翼技術(shù)，成功地研制了一些小型風(fēng)力發(fā)電裝置。這種小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，廣泛在多風(fēng)的海島和偏僻的鄉(xiāng)村使用，它所獲得的電力成本比小型內(nèi)燃機(jī)的發(fā)電成本低得多。不過，當(dāng)時(shí)的發(fā)電量較低，大都在5千瓦以下。

據(jù)了解，國外已生產(chǎn)出15，40，45，100，225千瓦的風(fēng)力發(fā)電機(jī)了。1978年1月，美國在新墨西哥州的克萊頓鎮(zhèn)建成的200千瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其葉片直徑為38米，發(fā)電量足夠60戶居民用電。而1978年初夏，在丹麥日德蘭半島西海岸投入運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電裝置，其發(fā)電量則達(dá)2000千瓦，風(fēng)車高57米，所發(fā)電量的75%送入電網(wǎng)，其余供給附近的一所學(xué)校用。

1979年上半年，美國在北卡羅來納州的藍(lán)嶺山，又建成了一座世界上最大的發(fā)電用的風(fēng)車。這個(gè)風(fēng)車有十層樓高，風(fēng)車鋼葉片的直徑60米；葉片安裝在一個(gè)塔型建筑物上，因此風(fēng)車可自由轉(zhuǎn)動(dòng)并從任何一個(gè)方向獲得電力；風(fēng)力時(shí)速在38公里以上時(shí)，發(fā)電能力也可達(dá)2000千瓦。由于這個(gè)丘陵地區(qū)的平均風(fēng)力時(shí)速只有29公里，因此風(fēng)車不能全部運(yùn)動(dòng)。據(jù)估計(jì)，即使全年只有一半時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，它就能夠滿足北卡羅來納州七個(gè)縣1%到2%的用電需要。

PART  6優(yōu)缺點(diǎn)

6.1 整體

1）優(yōu)點(diǎn)

清潔，環(huán)境效益好；

可再生，永不枯竭；

基建周期短；

裝機(jī)規(guī)模靈活。

2）缺點(diǎn)

噪聲，視覺污染；

占用大片土地；

不穩(wěn)定，不可控；

成本仍然很高。

影響鳥類。

6.2 對(duì)環(huán)境的影響

1）優(yōu)點(diǎn)

風(fēng)力發(fā)電利用的是可再生性的風(fēng)能資源，屬于綠色潔凈能源，它的使用對(duì)大氣環(huán)境不造成任何污染，從另一角度來看充分利用風(fēng)力發(fā)電也可降低礦物燃料的使用，從而減少污染物的排放量，相應(yīng)地保留了礦物質(zhì)第一次性能源。風(fēng)力發(fā)電對(duì)場內(nèi)的土地利用不受限制，未占的大面積土地仍可按計(jì)劃繼續(xù)留做他用。

2）缺點(diǎn)

視覺侵?jǐn)_，雜訊，電磁干擾及對(duì)微氣候和生態(tài)影響都是風(fēng)力發(fā)電的不足之處，便這些負(fù)面影響可以通過精心設(shè)計(jì)而減少。

6.3 海上風(fēng)電

可再生能源：海上風(fēng)電是利用風(fēng)能發(fā)電，是一種可再生能源，與傳統(tǒng)的化石能源不同，不會(huì)耗盡，也不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染和破壞。

能源密度高：海上風(fēng)電風(fēng)速相對(duì)于陸地更穩(wěn)定且更快，可以提供更穩(wěn)定和高效的能源，海上風(fēng)力資源比陸地風(fēng)力資源能量密度高，風(fēng)大時(shí)有極高的風(fēng)能可以轉(zhuǎn)化高效利用。

空間利用率高：海上風(fēng)電是在海洋上建設(shè)的，相對(duì)于陸地風(fēng)電場，占地面積更小，可以更充分地利用海上的空間。

聲污染少：與陸上風(fēng)力發(fā)電相比，海上風(fēng)電機(jī)組隔離程度較高，風(fēng)力機(jī)組降溫良好，一般不會(huì)對(duì)海洋環(huán)境和生態(tài)造成明顯影響。

冬和暑假時(shí)期風(fēng)能較好：海上風(fēng)電風(fēng)速相對(duì)于陸地更為穩(wěn)定和更快，冬季風(fēng)速較大，夏季相對(duì)比較平靜，所以可以增強(qiáng)冬季風(fēng)能利用，還可以固定在海平面上，可持續(xù)性更好。

長壽命：海上風(fēng)電的預(yù)期壽命與他們的設(shè)計(jì)壽命相比更長，較不容易出現(xiàn)機(jī)械故障和損壞，可以延長使用壽命，增加經(jīng)濟(jì)效益。

PART  7存在問題

1） 風(fēng)能資源勘察不夠科學(xué)、準(zhǔn)確，存在盲目性

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組組的運(yùn)行是一項(xiàng)復(fù)雜的操作，涉及的問題很多，通常風(fēng)力發(fā)電的有效風(fēng)速為3～25m/s，風(fēng)電場選址的最基本的條件是要有能量豐富、風(fēng)向穩(wěn)定的風(fēng)能資源，具體風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)機(jī)的選址還應(yīng)根據(jù)風(fēng)資源評(píng)估參數(shù)、風(fēng)電場宏觀選址和微觀選址等幾方面。因此，風(fēng)電場選址對(duì)于風(fēng)電場的建設(shè)是至關(guān)重要的。而我國現(xiàn)有的風(fēng)資源的分布比較分散，品位不高，難以滿足風(fēng)電快速發(fā)展的要求，迫切需要進(jìn)一步細(xì)化。

2） 購買國外設(shè)備，成本高

風(fēng)力發(fā)電的成本主要是廠房和機(jī)器設(shè)備等固定資產(chǎn)投資成本，約占總投資的80%左右。按照我國增值稅抵扣的相關(guān)政策，固定資產(chǎn)投資的增值稅不能抵扣。多年來，風(fēng)力發(fā)電和其他行業(yè)一樣執(zhí)行17%的增值稅稅率，由于沒有購買燃料等方面的抵扣，因此風(fēng)力發(fā)電實(shí)際稅賦要明顯高于火力發(fā)電，因?yàn)闆]有購買燃料、動(dòng)力等生產(chǎn)資料的抵扣，因而形成了增值稅實(shí)際稅負(fù)高于火力發(fā)電的情況。另外，國內(nèi)已經(jīng)建成的風(fēng)電容量高檔、大型儀器設(shè)備幾乎全部依賴進(jìn)口，導(dǎo)致風(fēng)電場投資高、效益低、電價(jià)高，與火電、水電、核電相比較，缺乏競爭力。國產(chǎn)的風(fēng)電設(shè)備從而可以顯著地降低可再生能源的電力成本，但目前，由于現(xiàn)在國內(nèi)設(shè)備制造水平較低，應(yīng)用規(guī)模小，國產(chǎn)風(fēng)電機(jī)組在我國的風(fēng)電場中還未占一席之地。

3） 政策扶持力度不夠

由于風(fēng)電場前期投人大，成本回收慢，而國內(nèi)的風(fēng)電項(xiàng)目缺乏市場準(zhǔn)入政策，投融資渠道較窄。由于風(fēng)能收益受到關(guān)注以及政府的優(yōu)惠政策，銀行對(duì)風(fēng)電、生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目貸款期限遠(yuǎn)短于火電和水電項(xiàng)目的貸款期限，償還期限大多為5～8a，利息也沒有優(yōu)惠，僅為7a，這加重了風(fēng)電項(xiàng)目在還貸期的還貸壓力，由于受投融資條件的限制，往往只能上一些小規(guī)模的項(xiàng)目，導(dǎo)致我國風(fēng)電普及率與歐美發(fā)達(dá)國家相比還很低，電價(jià)下降緩慢。對(duì)風(fēng)電投入總體上呈現(xiàn)出科研經(jīng)費(fèi)不足，科研經(jīng)費(fèi)增長速度不高，正制約著整個(gè)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

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