電力知識科普：風力發電

風力發電是指把風的動能轉為電能。風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，主要是通過風車來抽水、磨面等，人們感興趣的是如何利用風來發電。

利用風力發電非常環保，且風能蘊量巨大，因此日益受到世界各國的重視。

PART  1原理

1.1 基本原理

把風的動能轉變成機械動能，再把機械能轉化為電力動能，這就是風力發電。風力發電的原理，是利用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機將旋轉的速度提升，來促使發電機發電。依據風車技術，大約是每秒三米的微風速度（微風的程度），便可以開始發電。風力發電正在世界上形成一股熱潮，因為風力發電不需要使用燃料，也不會產生輻射或空氣污染。

1.2 發電效率

一般說來，三級風就有利用的價值。但從經濟合理的角度出發，風速大于每秒4米才適宜于發電。據測定，一臺55千瓦的風力發電機組，當風速為每秒9.5米時，機組的輸出功率為55千瓦；當風速每秒8米時，功率為38千瓦；風速每秒6米時，只有16千瓦；而風速每秒5米時，僅為9.5千瓦。可見風力愈大，經濟效益也愈大。

在我國，已有不少成功的中、小型風力發電裝置在運轉。我國的風力資源極為豐富，絕大多數地區的平均風速都在每秒3米以上，特別是東北、西北、西南高原和沿海島嶼，平均風速更大；有的地方，一年三分之一以上的時間都是大風天。在這些地區，發展風力發電是很有前途的。

PART  2組成

風電的原理大家可以想象得到，風電的結構就不一定了解了。這里給大家介紹下常在海邊看到的大家伙的組成：

風力發電機通常包含有風輪、發電機(包括裝置)、調向器(尾舵)、塔架、限速安全機構和儲能裝置等構件。

2.1 轉子葉片

這個要重點講一下。風電最顯著的特征，就是這個大葉片。葉片負責捕獲風，并將風力傳送到轉子軸心。葉片的形狀很像飛機的機翼，特點是長而薄，因其體積巨大，重量還是很大的。為了提高發電功率，葉片的長度每年都在增長，截止23年新上線的大型風電葉片長度可達百米，可以對比以下數據：

23年大型風電葉長：100米

波音737翼展：35米

可查到的最大水輪機葉片尺寸：5米

最大的鳥類翼展流浪信天翁：3.5米

風電葉片有面積大、重量輕、強度高等多個極端要求，技術含量非常高，單體型巨大，別說制造的難題，單運輸就是一個大問題。

2.2 主要部件

塔：風力發電機塔載有機艙及轉子。通常高的塔具有優勢，因為離地面越高，風速越大。現代600千瓦風汽輪機的塔高為40至60米。它可以為管狀的塔，也可以是格子狀的塔。

機艙：機艙包含著風力發電機的關鍵設備，包括齒輪箱、發電機。維護人員可以通過風力發電機塔進入機艙。機艙左端是風力發電機轉子，即轉子葉片機軸。

發電機：通常被稱為感應電機或異步發電機。在現代風力發電機上，最大電力輸出通常為500至1500千瓦。

高速軸及其機械閘：高速軸以1500轉每分鐘運轉，并驅動發電機。它裝備有緊急機械閘，用于空氣動力閘失效時，或風力發電機被維修時。

電子控制器：包含一臺不斷監控風力發電機狀態的計算機，并控制偏航裝置。為防止任何故障（即齒輪箱或發電機的過熱），該控制器可以自動停止風力發電機的轉動，并通過電話調制解調器來呼叫風力發電機操作員。

2.3 內部部件

軸心：轉子軸心附著在風力發電機的低速軸上。

低速軸：風力發電機的低速軸將轉子軸心與齒輪箱連接在一起。在現代600千瓦風力發電機上，轉子轉速相當慢，大約為19至30轉每分鐘。軸中有用于液壓系統的導管，來激發空氣動力閘的運行。

偏航裝置：借助電動機轉動機艙，以使轉子正對著風。偏航裝置由電子控制器操作，電子控制器可以通過風向標來感覺風向。通常，在風改變其方向時，風力發電機一次只會偏轉幾度。

齒輪箱：齒輪箱左邊是低速軸，它可以將高速軸的轉速提高至低速軸的50倍。

液壓系統：用于重置風力發電機的空氣動力閘。

冷卻元件：包含一個風扇，用于冷卻發電機。此外，它包含一個油冷卻元件，用于冷卻齒輪箱內的油。一些風力發電機具有水冷發電機。

風速計及風向標：用于測量風速及風向。

尾舵：常見于水平軸上風向的小型風力發電機（一般在10KW及以下）。位于回轉體后方，與回轉體相連。主要作用為調節風機轉向，使風機正對風向。作用二是在大風風況的情況下使風力機機頭偏離風向，以達到降低轉速，保護風機的作用。

PART  3分類方式

根據風力發電機主軸的方向，可分為水平軸風力發電機和垂直軸風力發電機

1）水平軸風力渦輪機

旋轉軸垂直于葉片，通常平行于地面，旋轉軸水平的風力渦輪機。水平軸風力發電機相對于垂直軸發電機的優點:葉片旋轉空間大，轉速高。適用于大型風力發電廠。水平軸風力發電機發展歷史悠久，已經完全達到工業化生產，結構簡單，比垂直軸風力發電機效率高。到目前為止，所有用于發電的風力發電機都是水平軸的，沒有商用的垂直軸風力發電機。

2）垂直軸風力渦輪機

旋轉軸平行于葉片，通常垂直于地面，且旋轉軸垂直的風力渦輪機。與水平軸發電機相比，垂直軸風力發電機具有發電效率高、不需要轉風、葉片旋轉空間小、抗風能力強(可抗12-14級臺風)、啟動風速小、維護簡單等優點。與水平風力機相比，垂直軸有兩個優點:一是在相同風速下，垂直軸的發電效率高于水平風力機，特別是在低風速地區；第二，在高風速區域，垂直軸風力機比水平軸風力機更安全、更穩定；此外，國內外大量案例證明，在城市地區，水平風輪機往往不旋轉，在北方、西北等高風速地區，往往會出現風輪機斷裂、脫落等問題，造成路上行人和車輛的傷害。

PART  4資源

我國風能資源豐富，可開發利用的風能儲量約10億kW，其中，陸地上風能儲量約2.53億kW（陸地上離地10m高度資料計算），海上可開發和利用的風能儲量約7.5億kW，共計10億kW。而2003年底全國電力裝機約5.67億kW。

風是沒有公害的能源之一。而且它取之不盡，用之不竭。對于缺水、缺燃料和交通不便的沿海島嶼、草原牧區、山區和高原地帶，因地制宜地利用風力發電，非常適合，大有可為。海上風電是可再生能源發展的重要領域，是推動風電技術進步和產業升級的重要力量，是促進能源結構調整的重要措施。我國海上風能資源豐富，加快海上風電項目建設，對于促進沿海地區治理大氣霧霾、調整能源結構和轉變經濟發展方式具有重要意義。

國家能源局2015年9月11日發布數據顯示，到2015年7月底，納入海上風電開發建設方案的項目已建成投產2個、裝機容量6.1萬千瓦，核準在建9個、裝機容量170.2萬千瓦，核準待建6個，裝機容量154萬千瓦。這與2014年末國家能源局《全國海上風電開發建設方案（2014-2016）》規劃的總裝機容量1053萬千瓦的44個項目相距甚遠。為此，國家能源局要求，進一步做好海上風電開發建設工作，加快推動海上風電發展。

PART  5利用

風是一種潛力很大的新能源，十八世紀初，橫掃英法兩國的一次狂暴大風，吹毀了四百座風力磨坊、八百座房屋、一百座教堂、四百多條帆船，并有數千人受到傷害，二十五萬株大樹連根拔起。僅就拔樹一事而論，風在數秒鐘內就發出了一千萬馬力(即750萬千瓦；一馬力等于0．75千瓦)的功率!有人估計過，地球上可用來發電的風力資源約有100億千瓦，幾乎是全世界水力發電量的10倍。全世界每年燃燒煤所獲得的能量，只有風力在一年內所提供能量的三分之一。因此，國內外都很重視利用風力來發電，開發新能源。

利用風力發電的嘗試，早在二十世紀初就已經開始了。三十年代，丹麥、瑞典、蘇聯和美國應用航空工業的旋翼技術，成功地研制了一些小型風力發電裝置。這種小型風力發電機，廣泛在多風的海島和偏僻的鄉村使用，它所獲得的電力成本比小型內燃機的發電成本低得多。不過，當時的發電量較低，大都在5千瓦以下。

據了解，國外已生產出15，40，45，100，225千瓦的風力發電機了。1978年1月，美國在新墨西哥州的克萊頓鎮建成的200千瓦風力發電機，其葉片直徑為38米，發電量足夠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行的風力發電裝置，其發電量則達2000千瓦，風車高57米，所發電量的75%送入電網，其余供給附近的一所學校用。

1979年上半年，美國在北卡羅來納州的藍嶺山，又建成了一座世界上最大的發電用的風車。這個風車有十層樓高，風車鋼葉片的直徑60米；葉片安裝在一個塔型建筑物上，因此風車可自由轉動并從任何一個方向獲得電力；風力時速在38公里以上時，發電能力也可達2000千瓦。由于這個丘陵地區的平均風力時速只有29公里，因此風車不能全部運動。據估計，即使全年只有一半時間運轉，它就能夠滿足北卡羅來納州七個縣1%到2%的用電需要。

PART  6優缺點

6.1 整體

1）優點

清潔，環境效益好；

可再生，永不枯竭；

基建周期短；

裝機規模靈活。

2）缺點

噪聲，視覺污染；

占用大片土地；

不穩定，不可控；

成本仍然很高。

影響鳥類。

6.2 對環境的影響

1）優點

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

2）缺點

視覺侵擾，雜訊，電磁干擾及對微氣候和生態影響都是風力發電的不足之處，便這些負面影響可以通過精心設計而減少。

6.3 海上風電

可再生能源：海上風電是利用風能發電，是一種可再生能源，與傳統的化石能源不同，不會耗盡，也不會對環境造成污染和破壞。

能源密度高：海上風電風速相對于陸地更穩定且更快，可以提供更穩定和高效的能源，海上風力資源比陸地風力資源能量密度高，風大時有極高的風能可以轉化高效利用。

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

聲污染少：與陸上風力發電相比，海上風電機組隔離程度較高，風力機組降溫良好，一般不會對海洋環境和生態造成明顯影響。

冬和暑假時期風能較好：海上風電風速相對于陸地更為穩定和更快，冬季風速較大，夏季相對比較平靜，所以可以增強冬季風能利用，還可以固定在海平面上，可持續性更好。

長壽命：海上風電的預期壽命與他們的設計壽命相比更長，較不容易出現機械故障和損壞，可以延長使用壽命，增加經濟效益。

PART  7存在問題

1） 風能資源勘察不夠科學、準確，存在盲目性

風力發電機組組的運行是一項復雜的操作，涉及的問題很多，通常風力發電的有效風速為3～25m/s，風電場選址的最基本的條件是要有能量豐富、風向穩定的風能資源，具體風電場內風機的選址還應根據風資源評估參數、風電場宏觀選址和微觀選址等幾方面。因此，風電場選址對于風電場的建設是至關重要的。而我國現有的風資源的分布比較分散，品位不高，難以滿足風電快速發展的要求，迫切需要進一步細化。

2） 購買國外設備，成本高

風力發電的成本主要是廠房和機器設備等固定資產投資成本，約占總投資的80%左右。按照我國增值稅抵扣的相關政策，固定資產投資的增值稅不能抵扣。多年來，風力發電和其他行業一樣執行17%的增值稅稅率，由于沒有購買燃料等方面的抵扣，因此風力發電實際稅賦要明顯高于火力發電，因為沒有購買燃料、動力等生產資料的抵扣，因而形成了增值稅實際稅負高于火力發電的情況。另外，國內已經建成的風電容量高檔、大型儀器設備幾乎全部依賴進口，導致風電場投資高、效益低、電價高，與火電、水電、核電相比較，缺乏競爭力。國產的風電設備從而可以顯著地降低可再生能源的電力成本，但目前，由于現在國內設備制造水平較低，應用規模小，國產風電機組在我國的風電場中還未占一席之地。

3） 政策扶持力度不夠

由于風電場前期投人大，成本回收慢，而國內的風電項目缺乏市場準入政策，投融資渠道較窄。由于風能收益受到關注以及政府的優惠政策，銀行對風電、生物質發電項目貸款期限遠短于火電和水電項目的貸款期限，償還期限大多為5～8a，利息也沒有優惠，僅為7a，這加重了風電項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模的項目，導致我國風電普及率與歐美發達國家相比還很低，電價下降緩慢。對風電投入總體上呈現出科研經費不足，科研經費增長速度不高，正制約著整個產業的健康發展。

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