風(fēng)力發(fā)電——綠色可再生能源

趙建宇（曲阜師范大學(xué)電氣信息與自動(dòng)化學(xué)院 山東日照 276826）

1 風(fēng)能利用的意義

世界經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，煤炭、石油和天然氣消耗量急劇增加，環(huán)境污染致使生態(tài)系統(tǒng)破壞嚴(yán)重，由此引發(fā)的自然災(zāi)害引發(fā)了大量的人員傷亡，也造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。人類為了保護(hù)地球環(huán)境，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的世界經(jīng)濟(jì)，在上個(gè)世紀(jì)90年代中期制定了《京都議定書》，旨在限制發(fā)達(dá)國(guó)家的溫室氣體排放量，我國(guó)也制訂一系列節(jié)能措施。但是這些措施并不能從根本上解決環(huán)境污染問題。為了解決這個(gè)問題，必須加大無污染的再生能源開發(fā)力度。近年來，風(fēng)力發(fā)電作為綠色、環(huán)保的可再生能源，越來越被人們所重視。

2 風(fēng)的產(chǎn)生和開發(fā)利用

風(fēng)是由于空氣的流動(dòng)產(chǎn)生的。富含巨大能量的太陽(yáng)光照射到地球表面的大氣層使其溫度升高，受熱膨脹變輕后上升。地球表面各地的大氣在不同的季節(jié)和不同的地理位置，吸收的太陽(yáng)光能量各不相同，溫度和密度是不相同的，溫度高、密度小的熱空氣上升后，異地溫度低、密度大的空氣將橫向流入進(jìn)行填充，風(fēng)就這樣在空氣流動(dòng)的同時(shí)產(chǎn)生了。

風(fēng)能是太陽(yáng)能利用地球表面的空氣作為介質(zhì)而產(chǎn)生的可再生能源，蘊(yùn)藏量巨大而且安全、清潔。全球陸地上的風(fēng)能約為2.80×109MW，其中可供開發(fā)利用的風(fēng)能為2.2×107MW，盡管可利用量不足總量的1%，但是這個(gè)量已經(jīng)比地球上可以供人類開發(fā)利用的水能總量大了十幾倍。

我國(guó)幅員遼闊，地大物博，有960萬平方公里的國(guó)土面積和32000千米長(zhǎng)的海岸線，風(fēng)能貯量全世界排名處于第一位，有風(fēng)能2.5×105MW可供開發(fā)利用，主要集中在沿海岸線地區(qū)和東北、西北與華北地區(qū)。

3 風(fēng)力發(fā)電原理

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要由支架、風(fēng)機(jī)和發(fā)電機(jī)三部分組成。支架用來安裝和固定風(fēng)機(jī)和發(fā)電機(jī)；風(fēng)機(jī)由葉片、尾翼、偏航裝置、傳動(dòng)裝置、增速齒輪（變速器）組成，用來接收風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能拖動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，葉片用來接受風(fēng)力，為了有效利用風(fēng)能，適應(yīng)經(jīng)常變化的風(fēng)向變化，采用風(fēng)向傳感器的輸出信號(hào)操縱偏航裝置，同尾翼一起配合使風(fēng)輪始終正面對(duì)風(fēng)從而獲得最大的風(fēng)能；發(fā)電機(jī)由轉(zhuǎn)子、定子和外殼組成，外殼用于固定轉(zhuǎn)子和定子以及外部防護(hù)，定子用于產(chǎn)生發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在風(fēng)機(jī)的拖動(dòng)之下切割定子產(chǎn)生的磁力線發(fā)電。大部分風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)機(jī)主軸和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸都是水平放置，兩軸之間通過增速齒輪連接在一起實(shí)現(xiàn)能量的傳遞。

4 國(guó)外風(fēng)力發(fā)電情況

在兩千多年前人類開始借助船帆利用風(fēng)能行船。經(jīng)過了一千多年歷程制成風(fēng)車，風(fēng)車輸出動(dòng)力做功幫助人類勞動(dòng)。又經(jīng)歷數(shù)百年，風(fēng)車與發(fā)電機(jī)結(jié)合，才有了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。十九世紀(jì)八十年代中期，美國(guó)人制造了世界上第一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，盡管機(jī)組的裝機(jī)容量非常小，但是自此開始了風(fēng)力發(fā)電的艱難發(fā)展歷程。

近幾年來，美國(guó)、亞洲、南美洲等國(guó)風(fēng)電行業(yè)得到了快速發(fā)展。根據(jù)世界風(fēng)能協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)，2012年全世界新增風(fēng)電裝機(jī)容排名前三的國(guó)家依次為美國(guó)、中國(guó)、印度，前3個(gè)國(guó)家合計(jì)新增裝機(jī)容量占全世界的60%。歐洲風(fēng)電裝機(jī)容量在進(jìn)入二十一世紀(jì)之前增長(zhǎng)較快，全球領(lǐng)先，近年來增長(zhǎng)逐漸放緩，總裝機(jī)容量占全球比重正逐年下降，致使風(fēng)電發(fā)展在全球范圍內(nèi)呈現(xiàn)更加均衡的局面。

早期的風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于受科技水平的限制，容量都非常小，直到上世紀(jì)90年代，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組只能做到60千瓦。但是近年來隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，目前能夠并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般為1000 KW以上。德國(guó)人已經(jīng)于2011年在布倫斯比特爾安裝投入運(yùn)營(yíng)了5000千瓦的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

5 國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電的情況

我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的研究和試點(diǎn)工作起步較晚。發(fā)展過程基本可以分為孤網(wǎng)運(yùn)行、并網(wǎng)運(yùn)行和快速發(fā)展三個(gè)階段。2011年新增風(fēng)電裝機(jī)容排名躍居全球第一（2012年美國(guó)為第一）。據(jù)中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)2013年6月13日透露，中國(guó)已取代美國(guó)成為世界第一風(fēng)電大國(guó)，國(guó)家電網(wǎng)成為全球風(fēng)電接入規(guī)模最大、風(fēng)電和太陽(yáng)能增長(zhǎng)速度最快的電網(wǎng)。中國(guó)用5年半時(shí)間走過了美國(guó)、歐洲15年的風(fēng)電發(fā)展歷程。我國(guó)既稱得上風(fēng)電大國(guó)，而且也稱得上風(fēng)電強(qiáng)國(guó)。中國(guó)制造和中國(guó)創(chuàng)造的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正在源源不斷出口到世界各地。國(guó)內(nèi)已經(jīng)有華銳風(fēng)電、金風(fēng)科技、聯(lián)合動(dòng)力、湘電股份和海裝風(fēng)電等廠家具備了5 MW及以上大型風(fēng)電機(jī)組的研發(fā)制造能力。金風(fēng)科技6 MW風(fēng)電機(jī)組目前已經(jīng)完成測(cè)試。這標(biāo)志著中國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)在趕超國(guó)際先進(jìn)水平上取得新突破。

6 風(fēng)力發(fā)電對(duì)可持續(xù)發(fā)展的意義

我國(guó)風(fēng)電行業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。2011年裝機(jī)容量新增18 GW，占全球總增量的40%，在裝機(jī)方面保持全球領(lǐng)先地位。截至2011年底，全國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)為62.36 GW。根據(jù)中國(guó)資源綜合利用協(xié)會(huì)可再生能源專業(yè)委員會(huì)和國(guó)際環(huán)保組織綠色和平兩家機(jī)構(gòu)發(fā)布的《中國(guó)風(fēng)電發(fā)展報(bào)告2010》預(yù)測(cè)：2020年，中國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)可以達(dá)到230 GW，相當(dāng)于13個(gè)三峽電站；總發(fā)電量可以達(dá)到4649億千瓦時(shí)，相當(dāng)于取代200個(gè)火電廠。2030年，裝機(jī)容量累計(jì)將超過400 GW，全國(guó)近10%的發(fā)電量將來自風(fēng)力發(fā)電，占各種電源結(jié)構(gòu)裝機(jī)容量的15%。

京都議定書2005年2月16日生效，世界各國(guó)都在逐步加大綠色能源的開發(fā)力度，致使風(fēng)電設(shè)備成本和風(fēng)力發(fā)電成本都在急劇下降。同時(shí)，國(guó)內(nèi)立法也在逐步完善，逐步明確電網(wǎng)企業(yè)消納風(fēng)電的責(zé)任和賞罰機(jī)制、合理規(guī)劃發(fā)展、梳理并網(wǎng)成本分配、調(diào)動(dòng)價(jià)格杠桿等，同時(shí)盡快克服風(fēng)電輸出預(yù)測(cè)、并網(wǎng)、調(diào)度、儲(chǔ)能及電網(wǎng)建設(shè)等技術(shù)方面的障礙。有關(guān)風(fēng)力發(fā)電的各項(xiàng)優(yōu)惠政策和稅收減免的激勵(lì)措施正在逐步制訂并得到貫徹落實(shí)。

綜上所述，風(fēng)力發(fā)電作為綠色環(huán)保的可再生能源，將成為全世界優(yōu)先鼓勵(lì)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，必將為人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)。