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风能是一种可再生的清洁能源 。近30年来，国际上在风能的使用方面，无论是理论研究照旧应用研究都取得了重大前进 。风力发电手艺日臻完善，并网型风力发电机单机额定功率最大已经到5MW，叶轮直径抵达126m 。阻止2005年天下装机容量已达58,982MW，风力发电量占全球电量的1% 。中国成为亚洲风电工业生长的主要推动者之一，其总装机容量居天下第8位，2005年新增装机容量居天下第6位 。以后，海内外风力发电手艺和工业的生长速率将显着加速 。
1 引 言
风是最常见的自然征象之一，是太阳对地球外貌不平衡加热而引起的“空气流动”，流动空气具有的动能称之为风能 。因此，风能是一种广义的太阳能 。据天下气象组织（WMO）和中国气象局气象科学研究院剖析，地球上可使用的风能资源为200亿kW，是地球上可使用水能的20倍 。中国陆地10m高度层可使用的风能为2.53亿kW，海上可使用的风能是陆地上的3倍，50m高度层可使用的风能是10m高度层的2倍，风能资源很是富厚 。
风能是一种手艺较量成熟、很有开发使用远景的可再生能源之一[1] 。风能的使用方法不但有风力发电、风力提水，并且尚有风力致热、帆船助航等 。因此，开发使用风能对天下各国科技事情者具有极强的魅力，从而唤起了天下众多的科学家致力于风能使用方面的研究 。在本文中，将对海内外风力发电手艺的现状和生长趋势举行叙述 。
2 风力发电基本知识
2.1 风能的盘算公式
空气运动具有动能 。风能是指风所具有的动能 。若是风力发电机叶轮的断面积为A，则当风速为V的风流经叶轮时，单位时间风转达给叶轮的风能为
（1）
其中：单位时间质量流量m=ρAV
（2）
在现实中， （3）
式中：
PW—每秒空气流过风力发电机叶轮断面面积的风能，即风能功率，W；
Cp—叶轮的风能使用系数；
hm—齿轮箱和传动系统的机械效率，一样平常为0.80—0.95，直驱式风力发电机为1.0；
he—发电机效率，一样平常为0.70—0.98；
r—空气密度，kg/m3；
A—风力发电机叶轮旋转一周所扫过的面积，m2；
V—风速，m/s 。
2.2 贝茨（Betz）理论
第一个关于风轮的完整理论是由德国哥廷根研究所的A·贝茨于1926年建设的 。
贝茨假定风轮是理想的，也就是说没有轮毂，而叶片数是无限多，并且对通过风轮的气流没有阻力 。因此这是一个纯粹的能量转换器 。别的还进一步假设气流在整个风轮扫掠面上的气流是匀称的，气流速率的偏向无论在风轮前后照旧通过时都是沿着风轮轴线的 。
通太过析一个安排在移动空气中的“理想”风轮得出风轮所能爆发的最大功率为
（4）
式中：Pmax—风轮所能爆发的最大功率；
—空气密度，kg/m3；
A—风力发电机叶轮旋转一周所扫过的面积，m2；
V—风速，m/s 。
这个表达式称为贝茨公式 。其假定条件是风速与风轮轴偏向一致并在整个风轮扫掠面上是匀称的[2] 。
将(4)式除以气流通过扫掠面A时风所具有的动能，可推得风力机的理论最大效率
（5）
(5)式即为著名的贝兹（Betz）理论的极限值 。它说明，风力机从自然风中所能索取的能量是有限的，其功率损失部分可以诠释为留在尾流中的旋转动能 。
能量的转换将导致功率的下降，它随所接纳的风力机和发电机的型式而异，因此，风力机的现实风能使用系数Cp<0.593[3] 。
2.3 温度、大气压力和空气密度
通过温度计和气压计测试出实验所在的情形温度和大气压，由下式盘算出空气密度 。
（6）
式中：ρ—空气密度，kg/m3；
h—外地大气压力，Pa；
t—温度，℃ 。
从空气密度公式可以看出，空气密度的巨细与大气压力、温度有关 。
2.4 风力机的主要组成
1) 小型风力发电机
小型水平轴风力机主要组成部分有：风轮、发电机、塔架、调向机构、蓄能系统、逆变器等 。
（1）风轮
风轮是风力机从风中吸收能量的部件，其作用是把空气流动的动能转变为风轮旋转的机械能 。水平轴风力发电机的风轮是由1~3个叶片组成的 。叶片的结构形式多样，质料因风力机型号和功率巨细而定，如木心外蒙玻璃钢叶片、玻璃纤维增强塑料树脂叶片等 。
（2）发电机
在风力发电机中，已接纳的发电机有3种，即直流发电机、同步交流发电机和异步交流发电机 。小型风力发电机多接纳同步或异步交流发电机，发出的交流电通过整流装置转换成直流电 。
（3）塔架
塔架用于支持 发电机和调向机构等 。因风速随离地面的高度增添而增添，塔架越高，风轮单位面积捕获的风能越多，但造价、装置费等也随之加大 。
（4）调向机构
笔直轴风力机可接受任何偏向吹来的风，因此不需要调向机构 。关于水平轴风力机，为了获得最高的风能使用效率，应用风轮的旋转面经常瞄准风向，需要对风装置 。常用的调向机构主要有尾舵、舵轮、电动对风装置 。
（5）限速机构
当风速高于风力机的设计风速时，为了避免叶片损坏，需要对风轮转速举行控制 。
（6）贮能装置
贮能装置对自力运行的小型风力机是十分主要的 。其贮能方法有热能贮能、化学能贮存 。
（7）逆变器
用于将直流电转换为交流电，以知足交流电气装备用电的要求 。
2) 大型风力发电机
大型风力发电机组由两大部分组成：气念头械部分和电气部分 。气念头械部分包括风轮、低速轴、增速齿轮箱、高速轴，其功效是驱动发电机转子，将风能转换为机械能 。电气部分包括异步发电机、电力电子变频器、变压器和电网，其功效是将机械能转换为频率恒定的电能 。近年来，又研制乐成了直驱式变速恒频风力发电机组（无增速齿轮箱） 。
3 风力机与风力发电手艺
3.1 风力机与风力发电手艺的生长史
风能，是人类最早使用的能源之一 。远在公元前2000年，埃及、波斯等国已泛起帆船和风磨，中世纪荷兰与美国已有用于排灌的水平轴风车 。我国是天下上最早使用风能的国家之一，早在距今1800年前，我国就有风力提水的纪录 。1890年丹麦的P·拉库尔研制乐成了风力发电机，1908年丹麦已建成几百个小型风力发电站 。自二十世纪初至二十世纪六十年月末，一些国家对风能资源的开发，尚处于小规模的使用阶段[4] 。
随着大型水电、火电机组的接纳和电力系统的生长，1970年以前研制的中、大型风力发电机组因造价高和可靠性差而逐渐被镌汰，到二十世纪六十年月末相继都阻止了运转 。这一阶段的试验研究批注，这些中、大型机组一样平常在手艺上照旧可行的，它为二十世纪七十年月后期的大生长涤讪了基础 。
1980年以来，国际优势力发电机手艺日益走向商业化 。主要机组容量有300kW、600kW、750kW、850kW、1MW、2MW 。1991年丹麦在Vindeby建成了天下上第一个海优势电场，由11台丹麦Bonus 450kW单机组成，总装机4.95MW 。随后荷兰、瑞典、英国相继建成了自己的海优势电场 。
现在，已经备离岸风力发电装备商业生产能力的厂家，主要有丹麦的Vestas（包括被其整合的NEG-Micon），美国的GE风能，德国的Nordex、Repower、Pfleiderer/Prokon、Bonus和德国著名的Enercon公司 。单机额定功率笼罩规模从2MW、2.3MW、3.6MW、4.2MW、4.5MW到5MW 。叶轮直径从80m、82.4m、100m、110m、114m、116m到126m 。
3.2 风力机的种类
风力发电机是把风能转换为电能的装置，鉴于风力发电机种类繁多，因此分类法也是多种 。按叶片数目分，单叶片，双叶片，三叶片，四叶片和多叶片；按主轴与地面的相对位置分，水平轴、笔直轴(立轴)式；按桨叶事情原理分，升力型、阻力型 。现在风力发电机三叶片水平轴类型居多 。
水平轴风力机，风轮的旋转轴与风向平行，如图1所示；笔直轴风力机，风轮的旋转轴笔直于地面或气流偏向，如图2所示 。
4 海内外风力发电的现状
4.1 天下风力发电的现状
现在，中、大型风力发电机组已在天下上40多个国家陆地和近海并网运行，风电增添率比其它电源增添率高的趋势仍然继续 。如表1所示，阻止2005年12月31日天下装机容量已达58,982MW，年装机容量为11,310MW，增添率为24%；风力发电量占全球电量的1%，部分国家及地区已达20%甚至更多 。2005年天下风电累计装机容量最多的十个国家见表2，前十名合计51750.9MW，约占天下总装机容量的87.7% 。
2005年国际风电市场份额的漫衍多样化历程呈一连生长趋势：有11个国家的装机容量已高于1,000MW，其中7个欧洲国家（德国、西班牙、意大利、丹麦、英国、荷兰、葡萄牙），3个亚洲国家（印度、中国、日本），尚有美国 。亚洲正成为生长全球风电的新生实力，其增添率为48%[5] 。
2002年欧洲风能协会（EWEA）与绿色清静组织（Greenpeace International）揭晓了一份问题为“风力 12（Wind Force 12）”的报告，勾画了风电在2020年抵达天下电量12%的蓝图 。报告声明这份文件不是展望，而是从天下风能资源、天下电力需求的增添和电网容量、风电市场生长趋势和潜在的增添率、与核电和洪流电等其他电源手艺生长历程的较量以及减排CO2等温室气体的要求，论证了风电抵达天下电量12%的可能性 。报告还指出中国2020年风电装机有可能抵达1.7亿千瓦[6]、[7] 。
4.2 海内风力发电的现状
凭证国家气象科学院的估算[8]，我国陆地地面10米高度层风能的理论可开发量为32亿kW，现实可开发量为2.53亿kW 。海优势能可开发量是陆地风能储量的3倍 。
内蒙古 现实可开发量 0.618亿kW
西藏 现实可开发量 0.408亿kW
新疆 现实可开发量 0.343亿kW
青海 现实可开发量 0.242亿kW
黑龙江 现实可开发量 0.172亿kW
2005年中国除台湾省外新增风电机组592台，装机容量50.3万kW 。与2004年昔时新增装机19.8万kW相比，2005年昔时新增装机增添率为254% 。
阻止2005年底，中国除台湾省外累计风电机组1864台，装机容量126.6万kW，风电场62个 。漫衍在15个� 。ㄊ小⒆灾吻⑻厥庑姓�，它们按装机容量排序如表3所示 。与2004年累计装机76.4万kW相比，2005年累计装机增添率为65.6% 。2005年风电上网电量约15.3亿kW.h[9] 。
中国“十一五”国家科技支持妄想重大项目“大功率风电机组研制与树模”支持1.5~2.5MW、2.5MW以上双馈式变速恒频风电机组的研制；1.5~2.5MW、2.5MW以上直驱式变速恒频风电机组的研制；1.5MW以优势电机组叶片、齿轮箱、双馈式发电机、直驱式永磁发电机的研制及工业化；1.5MW以上双馈式风电机组控制系统及变流器、直驱式风电机组控制系统及变流器的研制及工业化；近海风电场建设要害手艺的研究；近海风电机组装置及维护专用装备的研制；大型风电机组相关标准制订及风电手艺生长剖析等16个课题的研究[10] 。“十一五”末，我国风电手艺的自主研发能力将靠近天下前沿水平 。
4.3小型风力发电机
4.3.1小型风力发电机行业现状
作为农村可再生能源主要支柱之一的小型风力发电行业在2005年度获得长足的生长，从事小型风电工业的开发、研制、生产单位抵达70家 。据23个生产企业报表统计，2005年共生产30kW以下自力运行的小型风力发电机组共33,253台，比上年增添34.4%，其中200W、300W、500W机组共生产24,123台，占整年总产量的72.5%；15个单位共出口小型风力发电机组5,884台，比上年增添40.7%，创汇282.7万美元，主要出口到菲律宾、越南等24个国家和地区 。并且，由于汽油、柴油、煤油价钱飞涨，且供应渠道不流通，内陆、江湖、渔船、边防哨所、步队、气象站和微波站等使用柴油发电机的用户逐步改用风力发电机或景物互补发电系统 。
4.3.2小型风力发电机行业生长趋势
1) 由于宽大农牧民生涯水平提高、用电量一直增添，因此小型风力发电机组单机功率在继续提高，50W机组不再生产，100W、150W机组产量逐年下降，而200W、300W、500W和1kW机组逐年增添，占总年产量的80% 。
2) 由于宽大农民迫切希望不中止用电，因此“景物互补发电系统”的推广应用显着加速，并向多台组合式生长，成为以后一段时间的生长偏向 。
3) 随着国家《可再生能源法》及《可再生能源工业指导目录》的制订，相继还会有多种配套步伐及税收优惠培植政策出台，必将提高生产企业的生产起劲性，增进工业生长 。
4) 现在我国尚有2.8万个村、700万户、2,800万生齿没有用上电，且疏散栖身在边远山区、农牧区、通例电网很难抵达，有关专家剖析700万无电用户中、300万户可用微水电解决用电，而400万户可以用小型风力发电或景物互补发电，知足农牧民用电需要[11] 。
4.3.3浓缩风能型风力发电机
浓缩风能型风力发电机由内蒙古农业大学新能源手艺研究所研制，已获得中国适用新型专利（专利号：ZL94244155.9） 。该型风电机组将稀薄的风能经浓缩风能装置加速、整流和匀称化后驱动叶轮旋转发电，从而提高了风能的能流密度，降低了自然风的湍流度，改善了风能的不稳固等弱点，提高了风能品位，降低了风电度电本钱 。该风力发电机具有的切入风速低、发电量大、噪音低、清静性高、寿命长、度电本钱低等特点 。
浓缩风能型风力发电机可自力运行、景物互补运行、多机联网运行和并入低压电网运行 。现已研制开发的系列产品有200W、300W、600W、1kW、2kW等机组 。浓缩风能型风力发电机经由中试后，可以向中、大型机组生长 。这种新型风电手艺在中国和天下的应用，将有用地提高风电系统的供电水平和质量，有用地使用低品位的风能，提高风电商品竞争力，具有主要的经济益和生态环保效益[12] 。
5 结 论
在以后的20年内，国际优势力发电工业将是增添速率最快的工业，风力发电手艺也将进入快速生长的黄金时期；在中国，并网型风力发电机组装机容量增添速率将显着加速，令天下瞩目，离网型风力发电机组生长的地区广、潜力大，装机总容量最终将凌驾并网型风力发电机组
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