【正文】 國平均風(fēng)功率密度為 100W/m2，風(fēng)能資源總儲量為 3226GW，可開發(fā)和利用的陸地上風(fēng)能儲量為 600GW，海上可開發(fā)和利用的風(fēng)能儲量為 800GW，共計約 1400GW。據(jù)估計到達(dá)地球的太陽能只有大約 2%轉(zhuǎn)化為風(fēng)能，理論上僅 1%的風(fēng)能就能滿足人類能源的需求。為了避免發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的氣候變化后果，全球的溫室氣體排放必須在 2020年前后達(dá)到峰值且開始下降，而風(fēng)電是目前唯一實現(xiàn)這一目標(biāo)的發(fā)電技術(shù)。因此，開發(fā)綠色電力意義重大。因為它們在生產(chǎn)的過程中不消耗煤、石油、天然氣等燃料，所以不會產(chǎn)生對環(huán)境有害的排放物。為緩解或從根本上消除能源危機帶來的環(huán)境破壞，綠色電力的生產(chǎn)為世界各國所關(guān)注。克服能源危機的出路在于大力發(fā)展新能源，用可再生能源替代化石能源。全球氣候的變化對農(nóng)業(yè)和生態(tài)造成了嚴(yán)重的影響，時刻威脅著人類的生命和財產(chǎn)安全。其過程與人類大量消耗化石能源資源，尤其是燃燒化石燃料發(fā)電大量排放的 CO2密切相關(guān)。能源消費在迅速擴大，已經(jīng)達(dá)到了阻礙地球生態(tài)系統(tǒng)自律功能正常運轉(zhuǎn)的程度。據(jù)估計，按照目前的趨勢，到 2030年，由各種溫室氣體增加所引起的氣候變化，將相當(dāng)于把大氣中 CO2 濃度提高到工業(yè)化社會以前 CO2 濃度的兩倍?，F(xiàn)代社會對能源的巨大需求，導(dǎo)致大量的化石能源被燃燒。 綜上所述，煤炭、石油、天然氣等不可再生化石能源的總量有限，待開發(fā)新的可再生能源。全球能源危機的主要表現(xiàn)在于，全球能源儲量與開采時間有限。全球經(jīng)濟的急劇增長對能源的需求越來越大，能源危機制約了人類進(jìn)一步發(fā)展。 1． 2 風(fēng)力發(fā)電的背景 1． 2． 1 能源危機 能源是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。 2021 年，我國累計裝機容量達(dá)到 ，其中并網(wǎng)發(fā)電的裝機容量為 。 1986～ 1993 年，全國共建 12 個風(fēng)電場，裝機容量為 ； 1994～ 1999 年，全國共建有 21 個風(fēng)電場，裝機容量達(dá)到 。 20 世紀(jì) 70 年代末到 80 年代初，自 主研制、批量生產(chǎn)了 10kW 以下的小型風(fēng)力發(fā)電機，解決了居住分散的農(nóng)牧民和島嶼居民的生產(chǎn)、生活用電，風(fēng)力發(fā)電停留在蒙古包單家獨戶使用或?qū)嶒炇已芯侩A段。我國在 20 世紀(jì) 50 年代末，使用各種木結(jié)構(gòu)的布篷式風(fēng)車。 我國已成為繼歐洲、美國和印度之后風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用的主要市場之一，風(fēng)能資源豐 共 32 頁 2 富，可開發(fā)量為 1400GW。 2021 年年底全球累計風(fēng)電裝機容量已超過了 ，相當(dāng)于減排 億噸 CO2。 2021 年 4 月 2～ 5 日，首屆世界風(fēng)能大會在法國巴黎舉行，歐洲和北美風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速。 20 世紀(jì) 90 年代，許多國家紛紛制定了激勵風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的優(yōu)惠政策。直到 1973 年發(fā)生了石油危機，美國、西歐等發(fā)達(dá)國家為尋求替代化石燃料的能源，投入大量經(jīng)費，采用新技術(shù)研制現(xiàn)代風(fēng)電機組。其中，啟動、剎車過程使系統(tǒng)能在最短時間內(nèi)有較快的響應(yīng)速度；變速運行調(diào)節(jié)風(fēng)能，減少或消除風(fēng)能產(chǎn)生過程中的急劇波動，捕獲最大能量，減弱暫態(tài)負(fù)荷的影響；變槳距控制通過調(diào)節(jié)槳距角維持風(fēng)電機組輸出額定功率不變。傳統(tǒng)線性定?？刂破饕虼嬖谳^大超調(diào)和損失，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，不適合用來控制大型變速變槳距風(fēng)電機組。近年來，大型風(fēng)電機組通過采用變速變槳距控制及最大功率跟蹤 MPPT 等技術(shù)，旨在提高響應(yīng)速度，獲得最大能量（低風(fēng)速是捕獲最大功率，高風(fēng)速時捕獲額定功率）。根據(jù)貝茲理論，風(fēng)力機從風(fēng)中吸收的能量不到空氣動能的 %，同時由于受到機械結(jié)構(gòu)等限制，實際值更小。 共 32 頁 1 緒論 1． 1 風(fēng)力發(fā)電發(fā)展概況 風(fēng)能是一種開發(fā)成本較低、清潔、安全、可再生的能源。因此，風(fēng)能的開發(fā)利用越來越受到重視。因此，如何提高風(fēng)能轉(zhuǎn)化率，獲取更多風(fēng)能，實現(xiàn)風(fēng)能規(guī)?；?，一直為學(xué)者及業(yè)界所關(guān)注。但是，由于一些不確定因素的存在，風(fēng)能轉(zhuǎn) 換系統(tǒng)表現(xiàn)出強非線性特征，風(fēng)力機產(chǎn)生的能量隨著風(fēng)速和風(fēng)向的連續(xù)波動是快速變化的。根據(jù)風(fēng)速大小，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由 4 個動態(tài)過程構(gòu)成，即啟動、變速運行、變槳距運行和剎車。 世界上第 1 臺風(fēng)電機組于 1891 年在丹麥建成，但由于技術(shù)和 經(jīng)濟等方面的原因，風(fēng)力發(fā)電一直未能得到廣泛應(yīng)用。 20 世紀(jì) 80 年代開始建立示范風(fēng)電場。 1992 年以來，全球風(fēng)電累計裝機容量的年增長率一直高于 15%，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)日臻成熟。 2021 年，全球已有 48 個政府引入法規(guī)扶持風(fēng)力發(fā)電等可再生能源的發(fā)展。美國風(fēng)電市場近年來一直保持高速發(fā)展， 2021 年新增風(fēng)電裝機容量，累計風(fēng)電裝機容量達(dá)到 ，排名世界第 1。其中，陸上開發(fā)量為 600GW；海上開發(fā)量為 800GW。 20 世紀(jì) 70 年代中期以后，風(fēng)能開發(fā)利用列入“六五”國家計劃。 1983 年，山東引進(jìn)3 臺丹麥 Vestas 55kW 風(fēng)力發(fā)電機，開始了并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的試驗和示范； 1986 年 5 月，山東榮成建成我國第一個并網(wǎng)風(fēng)電場，其次是新疆達(dá)坂城風(fēng)電場。其中， 1992～ 1996年的主力機型為 200～ 300kW機組， 1997～2021 年的主力機型則為 600kW 機組。截止到 2021 年年底，我國風(fēng)電并網(wǎng)總量累計達(dá)到，累計裝機容量為 。自從工業(yè)革命以來，全球的能源消耗飛速增長，推動了工業(yè)化的進(jìn)程，提高了社會發(fā)展水平和人類生活質(zhì)量。自 20 世紀(jì) 50 年代以后 ，由于石油危機的爆發(fā)，對世界經(jīng)濟造成巨大影響，國際輿論開始關(guān)注世界能源危機問題。可以支配的化石資源的極限大約為 1180~1510 億噸，自 1995 年世界石油的開采量 億噸計算，石油儲量大約在 2050年左右即將枯竭；天然氣儲量估計 131800~152900m3，年開采量維持在 2300 m3，將在 57~65 年內(nèi)枯竭；煤的儲量約為 5600 億噸， 1995 年煤開采量為 33 億噸，可以供應(yīng) 169 年；鈾的年開采量目前為每年 6 萬噸，據(jù) 1993 年世界能源委員會的估計可維持到 21 世紀(jì) 30 年代中期。 共 32 頁 3 1． 2． 2 環(huán)境危機 在能源消耗急劇增長，能源危機凸顯的同時，環(huán)境危機也出現(xiàn)了。燃燒不斷產(chǎn)生 CO2 和其他溫室氣體，使得原來沉積在地下的碳元素，被大量釋放到空氣中。到 2100 年，溫室效應(yīng)強度將相當(dāng)于把大氣中 CO2濃度提高到工業(yè)化社會以前 CO2濃度的 3 倍，達(dá)到 5000 萬年前的 CO2 濃度水平。研究表明：地球變暖不是地球本身自然循環(huán)的變化，而是人類活動排放的 CO2等溫室氣體效應(yīng)造成的。到 2021 年，世界溫室氣體的排放量將達(dá)到最高，全球變暖帶來的影響不僅僅是更多的汗?jié)碁?zāi)害，還有海平面的上升。 1． 2． 3 可再生能源開發(fā)利用 目前，如何解決能源危機及其引起的環(huán)境危機成為全球經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展所面臨的待解決的重大課題。電能具有轉(zhuǎn)換和傳輸方便的優(yōu)點，已成為現(xiàn)代工業(yè)快速發(fā)展不可替代的二次能源。綠色電力來源于風(fēng)能、小水電、太陽能、地?zé)?、生物質(zhì)和其他可再生能源。相對于常規(guī)火力發(fā)電，更有利于環(huán)境 保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展。 全球市場對于風(fēng)這樣的零排放技術(shù)有著巨大且持續(xù)增長的需求。 1． 2． 4 風(fēng)能開發(fā)利用 太陽的輻射造成地球表面受熱不均，引起大氣層中壓力分布不均，同時，地球發(fā) 共 32 頁 4 生自轉(zhuǎn)，使空氣沿水平方向運動，空氣流動所形成的動能稱為風(fēng)能。全球的風(fēng)能總量約為 106GW，其中可利用的風(fēng)能總量為 104GW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大 10 倍。 50m或更高處可開發(fā)利用的風(fēng)能儲量為 2021GW。在蒸汽機發(fā)明以前，風(fēng)能曾經(jīng)作為重要的動力，用于船舶航行、提水飲用和灌溉、排水造田、磨面和鋸木等 。 12 世紀(jì)，風(fēng)車從中東傳入歐洲。隨著煤、石油、天然氣的大規(guī)模開采和廉價電力的獲得，由于成本高、效率低、使用不方便等，風(fēng)力發(fā)電機械無法與蒸汽機、內(nèi)燃機和電動機等競爭而逐漸被淘汰。 20 世紀(jì) 30 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)，成功的研制了一些小型風(fēng)電機組。不過，當(dāng)時的發(fā)電量較低，大都在 5kW 以下。美國在 1974 年開始實施聯(lián)邦風(fēng)能計劃， 20 世紀(jì)80 年代成功開發(fā)了 100kW、 200 kW、 2021 kW、 2500 kW、 6200 kW、 7200 kW 等 6種風(fēng)電機組。在 20 世紀(jì) 70 年代中期以后，我國將風(fēng)能開發(fā)利用列入“六五”國家重點項目，得到迅速發(fā)展。 20 世紀(jì) 70 年代末 80 年代初，我國自主開發(fā)研制并批量生產(chǎn)了額定容量 10 kW 以下的小型風(fēng)電機組，解決了居住分散的農(nóng)牧民和島嶼居民的生產(chǎn)生活用電。 20 世紀(jì) 80 年代中期以后，我國先后從丹麥、比利時、瑞典、美國、德國引進(jìn)一批中、大型風(fēng)電機組，在新疆、內(nèi)蒙古的風(fēng)口及山東、浙江、福建、廣東的島嶼建立了 8 座示范性風(fēng)電場。經(jīng)過 30 年的努力，隨著市場不斷擴大，風(fēng)電成本大幅度下降，每千瓦時風(fēng)電成本由 20 世紀(jì) 80 年代初的 20 美分下降到 2021 年的 4~6 美分。 裝機容量高速增長 根據(jù)全球風(fēng)能協(xié)會公布的 2021~2021 年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，全球風(fēng)電平均增長率為 %。 2021 年全球大約生產(chǎn)了 2021 億度風(fēng)電電力，約占全球電力供應(yīng)的 1%。 2021 年全球新裝機容量超過 27GW，同比增長 42%，風(fēng)電裝機增長率為 29%，高于過去 5 年的平均增長速度。中國超過印度，成為亞洲第一、世界第四的風(fēng)電大國。在歐盟 2021 年新增發(fā)電裝機容量中，風(fēng)電開始超過天然氣發(fā)電成為第一大新增電源，占新增容量的 46%。美國 2021 年新增的風(fēng)電裝機也僅次于天然氣發(fā)電，位居第二。風(fēng)電在歐美發(fā) 達(dá)國家已經(jīng)逐步成為重要的替代能源。 2021 年 共 32 頁 6 年初，根據(jù)技術(shù)發(fā)展和能源需求的需要，歐盟又進(jìn)一步修訂了發(fā)展計劃，希望 2021 年風(fēng)電裝機容量達(dá)到 80GW；到 2020 年風(fēng)電裝機容量達(dá)到 180GW，發(fā)電量達(dá)到 3600 億 kW h，分別占屆時歐盟風(fēng)電裝機容量和發(fā)電量的 35%和 20%。美國風(fēng)能協(xié)會也提出了未來依靠風(fēng)電滿足國內(nèi) 20%電力需求的宏偉目標(biāo)。 1． 3． 2 我國風(fēng)電 裝機容量 2021 年年底，全國的風(fēng)力發(fā)電裝機容量約為 764MW。 2021年新增裝機容量超過 100%，累計裝機容量超過 。當(dāng)年裝機容量僅次于美國和西班牙，超過德國和印度，成為世界上最主要的風(fēng)電市場之一。 2021年新增裝機容量超過印度，成為亞洲第一、世界第四、風(fēng)電裝機容量超千萬千瓦的風(fēng)電大國。 風(fēng)電設(shè)備制造能力 風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)發(fā)展迅猛?！堕_再生能源法》頒布后，風(fēng)電整機制造企業(yè)已超過 40 家。 風(fēng)電技術(shù)研發(fā) “九五”和“十五”期間，我國政府組織實施“乘風(fēng)計劃”和“國家科技攻關(guān)計劃”，以及國債項目和風(fēng)電特許權(quán)項目，支持建立了首批 6 家風(fēng)電整機企業(yè)，進(jìn)行風(fēng)電 共 32 頁 7 技術(shù)的引進(jìn) 和消化吸收，部分企業(yè)掌握了單機容量 600kW 和 750 kW 定槳距風(fēng)電機組的總裝技術(shù)和關(guān)鍵部件設(shè)計制造技術(shù)，實現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)，邁出了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的第一步。經(jīng)過“十五”期間的自主研究和技術(shù)引進(jìn)，我國已基本掌握了以雙饋發(fā)電機為代表的變速恒頻風(fēng)電機組的控制技術(shù)，研制成功兆瓦級風(fēng)電機組樣機。 1． 4 國內(nèi)外風(fēng)電機組發(fā)展趨勢 縱觀世界風(fēng)電 產(chǎn)業(yè)技術(shù)現(xiàn)實和前沿技術(shù)的發(fā)展，目前全球風(fēng)電制造技術(shù)發(fā)展主要呈現(xiàn)如下特點： 1． 4． 1 產(chǎn)業(yè)集中是總的趁勢 2021 年，世界排名前十位的風(fēng)電機組制造企業(yè)占據(jù)了全球 ％的市場份額，世界排名前十五位的風(fēng)電機組制造企業(yè)占據(jù)了全球 ％的市場份額，丹麥 VESTAS、美國 GE WIND、中國華銳、德國 ENERCON、中國金風(fēng)這前 5 家企業(yè)，就占據(jù)了國內(nèi)外 ％市場份領(lǐng)。 近