风力发电技术研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

（1）研究背景及意义

当今世界迅速消耗的化石能源，日益恶化的环境，经济及工业的快速发展使得人们对清洁能源的需求与日俱增。当前全球能源变革的趋势，被人们当作“第三次工业革命”的重要标志。第一次和第二次工业革命都是以无节制消耗地球矿物资源、化石能源和向环境排放废弃物为代价，造成地球矿产资源日趋枯竭和以全球气候变化为代表的生态危机。而当前人口众多的广大发展中国家实现其现代化进程，已不能走过去发达国家以化石能源为支撑的高碳发展道路，而迫切需要走上绿色低碳的可持续发展道路。当前以新能源和可再生能源替代化石能源的新型能源体系革命即是促进经社会发展与资源环境相协调的根本途径。全球应对气候变化的紧迫形势，正加速世界能源变革和低碳发展，也在引发经济社会发展方式的根本性变革。低碳技术和低碳发展能力越来越成为一个国家的核心竞争力^[1]。

在电力领域，现有发电方式还是以火力发电为主，可再生能源发电的比重相对较低。直到最近，非化石燃料在全球发电量中的比重有所下降，因为核电和水电难以跟上全球发电量的增长，而可再生能源规模太小，难以产生重大影响。展望未来，核电和水电的份额将继续下降，但可再生能源的发展足以将非化石燃料总体份额从2013年的32%提高至2035年的38%。同时根据BP预测风力、光伏发电等新能源发电技术的成本将持续下降，见图1.1^[2]。

图1.1 新建并网电站成本预测(北美)

在2013至2035年，按量计算，中国的可再生能源普及率将超过欧盟，成为可再生能源在电力中占比增长的主要来源，见图1.2^[2]。

图1.2 2013-2035年可再生能源增长

图1.3 1990-2035年可再生能源在电力中占比

从1979年第一次世界气候大会呼吁保护气候系统开始，到1992年联合国环境与发展大会通过《联合国气候变化框架公约》，再到《京都议定书》的出台，国际社会为应对全球气候变化做了不懈努力。许多国家在调整能源战略和制定能源政策时，增加了应对气候变化的内容，重点是限制化石能源消费，鼓励能源节约和清洁能源使用气候变化问题已成为世界能源发展新的制约因素，也是世界石油危机后推动节能和替代能源发展的主要驱动因素。大部分国家把核能、水能、风能、太阳能、生物质能等低碳和无碳能源作为今后发展的重点^[3]。

其中，风能具有洁净、蕴藏量大的特点。如今，得到了世界各国普遍关注，风能设施、风力发电技术日趋进步，大量生产成本降低，在适当地点，风力发电成本已低于发电机。并且风能设施多为非立体化设施，可保护陆地和生态。地球上的风能资源十分丰富，每年来自外层空间的辐射能为1.5×10^18kWh，其中的2.5%即3.8×10^16kWh的能量被大气吸收，产生大约4.3×10^12kWh的风能。80米高5公里分辨率风资源地图见图1.4^[4]。

风能资源受地形的影响较大，世界风能资源多集中在沿海和开阔大陆的收缩地带，如美国西海岸和部分北欧国家。据世界能源理事会估计，地球1.07×10^8km²陆地面积的27%的地区年平均风速高于5m/s（距地面10m处）。世界气象组织于1981年发表了全球风能资源估计分布图，按平均风能密度和相应的年平均风速将全世界风能资源分为10个等级。8级以上的风能高值区主要分布于南半球中高纬度洋面和北半球部的北大西洋、北太平洋以及北冰洋的中高纬度部分洋面上，大陆上风能则一般不超过7级，其中以美国西部、西北欧沿海、乌拉尔山顶和黑海地区等多风地带较大。

图1.4 80米高5公里分辨率风资源地图

欧洲风资源丰富，也是世界风能利用水平最高地区。大部分沿海地区（主要有英国、冰岛、法国、西班牙、挪威等地沿海，波罗的海沿海区域）平均风速达9m/s以上，其他大部分地区平均风速在6到7m/s以上。

北美洲地形平坦，风资源主要在北美大陆中东部、东西沿海和加勒比海地区。北美大草原和加勒比海沿海年平均风速均在7m/s以上；北美东西沿海风速可达9m/s。

在南美洲，东部和南部沿海风速普遍达8到9m/s；而巴西境内安第斯山脉地区风速可达9m/s以上；阿根廷全境均处于风资源丰富区，风速皆6m/s以上，其南部地区风速可达8~9m/s。

非洲的沿海风速较高，南部沿海风速可达8~9m/s以上，中东部沿海风速可达6~7m/s。而撒哈拉沙漠以及沙漠以北风速基本也在6~7m/s上，沙漠以南则风资源欠缺。

澳洲沿海平均风速均在8~9m/s，而中部沙漠平坦，风速均7m/s以上。

亚洲的中部、阿拉伯半岛及其沿海风速都在6~7m/s。亚洲其他地区适合风能开发的区域并不多，比如蒙古高原风速可达9m/s，但空气密度低，风功率密度低；亚洲东部虽然风速均在6~7m/s以上，但很多区域地震台风较多不利于开发。

可见全球沿海区域是风资源集中地带，沿海区域风资源分布按平均风速大致可以分三个等级，见图1.5。

图1.5 全球沿海地区风资源分布

中国的风能资源主要分布在东南沿海及附近岛屿，新疆、内蒙古和甘肃走廊，东北、西北、华北和青藏高原等部分地区。

中国地处亚欧大陆东南部，濒临太平洋，季风强盛，内陆山系众多，地形复杂，加之西部青藏高原耸立，改变了海陆影响所引起的气压分布和大气环流，增加了中国季风复杂性。

中国冬季风来自西伯利亚、蒙古等中高纬度的内陆，那里空气十分严寒干燥冷空气积累到一定程度，在有利高空环流引导下，就会爆发南方俗称的寒潮。在此频频南下的强冷空气控制和影响下，形成寒冷干燥的西北风侵袭中国北方各省市自治区至春夏之交方结束。

夏季风是来自太平洋的东南风、印度洋和南海的西南风。东南季风影响遍及中国东半壁，西南季风则影响西南各省和南部沿海，风速远不及东南季风大。热带风暴是太平洋西部和南海热带海洋上形成的空气涡漩，是破坏力极大的海洋风暴，每年夏秋两季频繁侵袭中国，登陆中国南海之滨和东南沿海，热带风暴也能在上海以北登陆，但次数少^[5]。

图1.6 中国风能资源分布及部分风电场分布图^[6]

中国幅员辽阔，陆疆总长达2万多公里，还有18000多公里的海岸线，边缘海中有岛屿7000多个。这样的条件下中国的风能资源非常丰富，据国家气象局资料，全国陆上50米高度层年平均风功率密度大于等于300瓦/平方米的风能资源理论储量约73亿千瓦，80米高度的风能资源技术开发量为91亿千瓦，但由于地形复杂、气候类型多样等条件的影响，我国的风能资源开发难度比欧美等国家要大。不过在2010年底，中国风力发电累计装机容量达到4182.7万千瓦，首次超过美国，跃居世界第一^[6]。就地区风能丰富带来讲，中国主要有三大风能丰富带：

1、北部（东北、华北、西北）地区风能丰富带

因欧亚大陆面积巨大，并且北部地区气温低，是北半球冷高压活动最频繁地区，而我国地处亚欧大陆东岸，是冷高压南下必由之路。北部地区亦是冷空气入侵我国的前沿阵地，冷高压前锋即冷峰过境时，其后200km左右经常会有6~10级（10.8~24.4m/s）大风。这一带风能密度，虽比东南沿海小，但风带分布范围更广，是我国面积最大风能资源区。

主要包括东北三省、内蒙古、河北、甘肃、青海、西藏和新疆等省或自治区，风带近200公里宽，风功率密度在200-300W/m²以上，部分地区可达500W/m²以上，可利用的小时数在5000小时以上，有的可达7000小时以上。可开发利用的风能储量约2亿kW，约占全国可利用储量的79%。

2、沿海及其岛屿地区风能丰富带

东南沿海受台湾海峡的影响，每当冷空气南下到达海峡时，由于狭管效应使风速增大。冬春季的冷空气、夏秋的台风，都能影响到沿海及其岛屿，是我国风能最佳丰富区。

我国海岸线约18000多公里的海岸线自不必说，我国还是一个岛屿众多的国家，当你站在中国地图前浏览蓝色的海域时，沿岸密密麻麻的岛屿会令你眼花缭乱。据不完全统计，面积大于500平方米的大小岛屿7372个（该数字还不包括海南岛本岛、台湾、香港、澳门及其所属岛屿），其中有居民的岛屿约450个。除了其中的地震多发地带，其他沿海和岛屿都适合风能开放。

其中沿海区域年有效风功率密度均在200W/m²以上，风功率密度线平行于海岸线。沿海岛屿风功率密度在500W/m²以上，如台山、平潭、东山、南鹿、大陈、嵊泗、南澳、马祖、马公、东沙等，可利用小时数约在7000～8000小时。这一地区特别是东南沿海，由海岸向内陆是丘陵连绵，风能丰富地区仅在距海岸50km之内。

3、内陆局部风能丰富区

除以上两个风能丰富带，大陆其它地区风功率密度一般在100W/m2以下，可利用小时数3000小时以下。但在某些地区由于湖泊和特殊地形的影响，风能也比较丰富，如鄱阳湖附近地区风能比较丰富，湖南衡山、湖北九宫山、河南嵩山、山西五台山、安徽黄山、云南太华山等地也较平地风能更丰富。

中国现有风电场场址的年平均风速均达到6m/s以上。一般认为，可将风电场风况分为三类：年平均风速6m/s以上时为较好；7m/s以上为好；8m/s以上为很好。然后按风速频率曲线和机组功率曲线，估算国际标准大气状态下该机组的年发电量。中国平均风速6m/s以上仅限于较少数几个地带。就内陆而言，大约仅占全国总面积的1/100。

据测算，我国风能总贮量(10m高度层)为322.6×10¹⁰W，这个贮量为“理论可开发总量”。实际可供开发的量按上述总量的1/10估计，并考虑风力机叶片的实际扫掠面积（1m直径风轮面积为π·(0.5)²=0.785m²），因此再乘以面积系数a=0.785，即为“实际可开发量”：

R′=0.785R/10

由此，得到全国风能实际可开发量为2.53×10¹¹W。对全国各省的风资源评估如表1.1^[7]。实际蕴藏量可能比估计值要大，可见我国风力发电作为我国电力行业中相对年轻的强劲动力，具有巨大的潜力和强大生命力，在未来能源结构中必然将占据举足轻重的地位。对着技术的发展，设备质量的提高，建厂成本的下降，风力发电在我国的发展前景是非常可观的。由此可见本毕业设计具有重要的理论研究价值。

表1.1 全国及各省风能储量

(2)国内外发展现状

一、全球风力发电发展现状

2016年2月10日在波恩首发的世界风能协会(WWEA)第一手数据显示，全球风电装机容量的增速在2015年创造了新的记录，在这一年增加了63690兆瓦。世界的总风电装机容量已达到435千瓦。

15年全球增长率为17.2%，比2014年高出2%(16.4%)。在装机容量前15名的市场，巴西、波兰、中国和土耳其是最具活力的国家，增长最强劲。

中国再次成为全球风能领导者，新增了33 GW的装机容量。这相当于市场份额的51.8%。

美国市场表现良好，新增了8 .6 GW的装机容量，这是自2012年以来最强劲的增长。化石燃料的低价没有对风电行业产生负面影响。

德国由于立法的变化，新安装4.9 GW。风力发电在2015年满足了德国13%的电力需求，创造了新记录。拉丁美洲最重要的风能市场是巴西，也是第四大新增风机市场，拥有2.8 GW的市场容量。

截至2015年11月印度新增了2.3GW的新设施，足够超过西班牙成为总装机容量第四大的市场。

图1.6全球风电总装机容量^[8]

而加拿大市场也表现良好，波兰和土耳其市场在全球的排名都有所上升。西班牙则表现不佳新增容量为0MW，没有一个曾是风能领导者的国家像西班牙这样出现如此严重的停顿。

表1.2 全球总风电装机容量前15位国家统计表^[8]

WWEA秘书长Stefan Gsanger：“新的装机纪录表明了现在需要做的事情，政府应积极指定合适的政策来促进风能利用更快的增长。不幸的是我们必须特别警告一些欧洲政府，他们如今的举措让他们在可再生能源领域的领导角色岌岌可危。”^[8]

二、中国风力发电发展现状

2015年，全国风电产业继续保持强劲增长势头，全年风电新增装机容量3297万千瓦，新增装机容量再创历史新高，累计并网装机容量达到1.29亿千瓦，占全部发电装机容量的8.6%。2015年，风电发电量1863亿千瓦时，占全部发电量的3.3%。2015年，新增风电核准容量4300万千瓦，同比增加700万千瓦，累计核准容量2.16亿千瓦，累计核准在建容量8707万千瓦。

2015年，全国风电平均利用小时数1728小时，同比下降172小时，利用小时数最高的地区是福建2658小时，利用小时数最低的地区是甘肃1184小时。2015年，风电弃风限电形势加剧，全年弃风电量339亿千瓦时，同比增加213亿千瓦时，平均弃风率15%，同比增加7个百分点，其中弃风较重的地区是内蒙古（弃风电量91亿千瓦时、弃风率18%）、甘肃（弃风电量82亿千瓦时、弃风率39%）、新疆（弃风电量71亿千瓦时、弃风率32%）、吉林（弃风电量27亿千瓦时、弃风率32%）^[9]。

“十二五”时期，我国风电等可再生能源产业发展取得了突出成绩。到今年上半年，全国风电累计并网规模达到了 1.05 亿千瓦，风电“十二五”规划目标已经提前完成，风电在局部地区已经成为电力供应的重要组成部分。但是仍面临弃风限电、补贴资金存在缺口、风电利用的技术水平有待进一步提高、管理体系有待进一步完善等问题，这些都对风电产业的持续快速发展造成了障碍，需要结合“十三五”规划的编制工作，统筹研究解决。此外，目前我国已经进入了经济发展的新阶段，整个能源供需特别是电力供需形势也有了很大变化，与此同时，包括电力体制改革在内的各项改革措施也在稳步推进，未来产业管理和电力运行将面临根本性的改变。这些新形势、新情况也对我们下一步工作提出了更多更高的要求。

“十三五”是我国能源转型发展的关键时期，也是风电等可再生能源产业持续健康发展的关键时期。要切实落实能源生产和消费革命的战略部署，就意味着我们要在“十三五”期间对能源生产、消费、体制、技术发展等领域开始启动根本性的转变。根据国务院发布的《能源发展战略行动计划》，到“十三五”末，非化石能源占一次能源消费的比重要达到15%，即在“十三五”时期，大幅提高可再生能源在能源生产和消费中的比重，实现风电等可再生能源从补充能源向替代能源转变，应该是我们做好规划以及行业管理工作的主基调^[10]。

表1.3 中国风电发展现状

备注：1、容量单位：万千瓦；电量单位：亿千瓦时；

2、累计并网容量、上网电量、利用小时数来源于中电联、电网企业；

3、累计核准容量、累计在建容量、弃风电量、弃风率来源于水电水利规划设计总院。

2. 研究的基本内容与方案

(1)研究目标

本文旨在对现有的风力发电技术进行研究。风能利用率如今是世界各国都非常关注的参数，它意味着在这个已经能源过度利用的地球上可持续发展下去的能力。

(2)研究内容

3. 研究计划与安排

第1周，选题。

第2周，下载任务书，查阅相关文献资料，明确研究目标，了解研究所需数据资料的收集方式与分析工具的使用。

第3周，确定研究内容，开始外文资料的翻译，完成开题报告。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]何建坤.中国能源革命与低碳发展的战略选择[j].武汉大学学报(哲学社会科学版), 2015,01:5-12.

[2]bp.bp 2035世界能源展望[r].london:parepint group limited.2015.

[3]江泽明.对中国能源问题的思考[j].上海交通大学学报,2008,3:345-359.