作者：杨校生 主编
出版社：化学工业出版社
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风力发电技术与风电场工程试读：
前言
随着国际社会能源紧缺压力的不断增大、日益严峻的环境污染和气候变化等问题，风力发电以其洁净、无污染、可再生的绿色能源的特点得到了国际社会的高度重视。风电技术日益成熟，风电装机容量不断增大，并网性能不断改善，发电效率不断提高，风电产业在全球能源产业中脱颖而出。
风力发电技术是一项集气象学、空气动力、机械制造、电气工程、电子控制技术、材料科学、环境科学、海洋工程和可靠性设计为一体的综合性技术。风电发展需要掌握从机组和设备制造、安装、调试到运营管理的知识和技术，目前系统化介绍这方面技术的书籍较少。
本书的编写力求内容系统、完整，由浅入深地介绍风电有关的技术基础知识，在明晰理论的基础上，系统阐述风电产业链各环节的实用技术，重点突出风电设备、风电场开发的有关技术，以及风电场的运行维护技术，注重理论与实践的结合。参与本书编写的人员除了有扎实的理论基础知识外，很多都是长期工作在风电开发领域具有丰富经验的专家，其宝贵经验都融入本书中。本书适合作为风电职业技术培训教材使用，或作为从事风力发电行业的技术人员自学之用，也可为风电有关设计和科研人员参考。希望本书的出版能对中国风电产业技术人才的培养提供支持，对推动中国风电事业的发展产生积极的作用。
本书由龙源电力集团杨校生总工程师负责整体编排并审定全书。绪论部分由张国珍编写；第一章由黎波编写；第二章由王斯永编写；第三章由李晓雪编写；第四章由黄晓杰、陈刚编写；第五章由宣安光编写；第六章由孙海鸿编写；第七章由庞卓卉、张冬平编写；第八章由叶杭冶编写；第九章由吴小鸿编写；第十章由张世惠、张冬平编写；第十一章由赵海翔编写。全书由宣安光、王斯永副主编共同完成统稿。
本书在编写过程中得到了中国可再生能源规模化发展项目（CRESP）项目的资助，项目办罗志宏主任、张熙霖博士和风电界资深专家庄岳兴、祁和生、秦海岩、吴金城、夏晖、和军梁以及陈晓伟等人对本书给予了大力支持和帮助，在此一并表示诚挚感谢。
由于时间仓促，本书在编写过程中难免有疏漏之处，希望各位读者给予谅解并欢迎读者不吝指正。编者2011年5月绪论
在自然界中，能源的种类很多，按照其生成方式，分为一次能源和二次能源。一次能源又叫做自然能源，是指自然界中以天然形态存在，可以直接获取的能源，例如煤炭、石油、天然气以及太阳能、风能、水能、地热能、海洋能、生物质能等。二次能源是由一次能源转换为符合人们使用要求的能源，例如电能就是由其他一次能源转化而来的最主要的二次能源。
一次能源还可以按照其是否能再生而循环使用，分为可再生能源和非再生能源。煤炭、石油和天然气等化石类能源是非再生能源，随着人类大规模开发利用，其储量日益减少，而且还对地球环境造成严重的污染。一次能源中的太阳能、风能、水能、地热能、生物质能等，具有可再生性，是可再生能源。可再生能源在合理开发利用的情况下，取之不尽，用之不竭。但作为可再生和独立存在的能量形式，其分布呈现明显的地域性，并且能量密度低、不连续，且与生态环境密切相关。
在我国还常把能源分为常规能源和新能源两大类。所谓新能源是相对而言的，这里新能源的含义，是指除常规化石能源和大中型水能、核能之外的生物质能、太阳能、风能、小水能、地热能以及海洋能等一次能源。
把可再生能源通过一定的技术手段从非电能转换成电能，并加以利用，这种技术就是可再生能源发电技术。从某种意义上讲，这也是一种能源转换技术。
在所有新能源、可再生能源发电技术中，风力发电是技术更为成熟、成本相对低廉、对环境影响小且最具开发规模和商业发展前景的能源转换技术。发展风电对于改善能源结构、保护生态环境、保障能源安全和实现经济的可持续发展等方面有着极其重要的意义。0.1 风力发电的意义（1）提供国民经济发展所需的能源
能源是国民经济发展和人类生活必需的重要物质基础。我国能源面临最突出的问题是国内化石类能源供应严重不足。一项关于我国未来能源供需报告曾预测，2020年国内可供应常规能源的量不到2亿吨标准煤，能源缺口将为4亿～5亿吨，需要从国外进口。如果要减轻我国对石油和天然气进口的依赖，必须调整能源结构，大规模开发可再生能源。可再生能源将作为主要的替代能源，而风力发电则是可再生能源发展的重点，市场广阔、前景光明，将为国民经济发展提供更充足的物质保证。（2）减少温室气体排放
风力发电是当前既能获得能源，又能减少有害气体排放的最佳途径之一。目前我国的电能结构中75％是煤电，排放污染严重，增加风电等清洁能源比重刻不容缓。在减少温室气体二氧化碳和导致酸雨的二氧化硫等有害气体排放、保护环境、缓解全球气候变暖方面，风电是有效措施之一。（3）提高能源利用效率
常规能源发电虽然直接成本较低，但其成本还应包括运输、环境、资源等社会因素，加在一起要比风力发电高得多。研究表明，这方面的成本大约要高出40％，并且这些外部成本是以环境污染和资源消耗为代价的。风力发电由于基本没有外部成本，其社会成本就小得多。
风力发电对于资源节约、环境保护的效益是十分显著的。以一个10万千瓦的风电场为例，粗略估算，风电场平均运行14天时间，其上网电量就足以补偿为了制造、安装和调试风力发电设备过程中所发生的直接能源消耗；风电场平均运行108天，其上网电量就足以补偿为制造这些设备的过程中使用原材料所发生的综合能耗；风电场平均运行4.5天，其上网电量就足以补偿为了运输这些设备而消耗的能量；风电场平均运行126.5天就可以完全补偿上述三部分能量消耗的总和。这就是说，建成一个10万千瓦风力发电场所消耗的能量，风电场平均运行4个月多一点就可以完全补偿。如果风电场寿命按20年计算，可以发出的电能出相当于建设这样一个风电场所消耗的能量58.8倍。（4）增加就业机会，减轻社会负担
风力发电产生的效益除了经济和环境效益以外，还有就业效益和脱贫致富等社会综合效益。
任何一个新兴工业都会为当地创造新的就业机会。据一项研究表明，生产同样的电力，风力发电比煤炭发电多创造27％的就业机会；比天然气联合发电多创造66％的就业机会。
风能资源丰富的地区，通常都是自然条件比较恶劣的地区，发展经济的条件较差，风力发电有可能成为当地居民脱贫致富的有效手段。内蒙古辉腾锡勒风电场所在的县财政收入的70％来自于风力发电，与此同时当地还发展了旅游业、特产加工业等，使得居民逐渐富裕起来。辉腾锡勒的经验已经推广到其他风能资源丰富但经济相对落后的甘肃安西、宁夏贺兰山、吉林通榆等地区，通过发展风电，加快大型风电场建设速度，有力地促进这些地区经济发展。
综上所述，发展风力发电意义重大，既减少对石油、煤炭等化石类能源的依赖，减少环境污染；又能创造就业，促进地区经济增长。风力发电是现代社会成熟的、效率最为显著的能源转换技术之一，具有无可比拟的优势。0.2 风能开发利用的发展状况0.2.1 早期的风能利用历史
风能是太阳能的一种转化形式。太阳的辐射造成地球表面受热不均，引起大气层中空气流动。空气流动形成的风具有动能，其储量非常巨大，理论上仅1％的风能就能满足人类对能源的需要。风能利用的主要形式是将大气运动时所具有的动能转化为其他能量，例如风力发电、风帆助航、风车提水等。
人类对风能的利用已有数千年的历史，在蒸汽机发明以前，风能曾经作为重要的动力，用于船舶航行、提水灌溉、磨面锯木等。埃及被认为可能是最先利用风能的国家，约在几千年前，他们的风帆船就已经在尼罗河上航行。
我国是最早使用帆船和风车的国家之一，至少在3000年前的商代就出现了帆船。在唐代有“乘风破浪会有时，直挂云帆济沧海”的诗句，可见那时风帆船已广泛用于江河航运。最辉煌的风帆时代是明代，14世纪初叶中国航海家郑和七下西洋，庞大的风帆船队功不可没。
中国古代创造的立帆式垂直轴风轮，是将8个帆各编在一个直立的杆上，帆的正中上端则各由一绳系之，当地称此为走马灯式风车，如图0-1所示。图0-1 走马灯式风车
到了19世纪末，丹麦人首先研制了风力发电机。1891年，丹麦建成了世界第一座风力发电站，并且取得了明显的经济效益。此后各国竞相开发风能，风力发电便进入了一个蓬勃发展的阶段。0.2.2 风力机的种类和发展过程
风力机多种多样，但归纳起来，可分为两大类：一类是水平轴风力机，风轮的旋转轴与风向平行，如图0-2所示；另一类是垂直轴风力机，风轮的旋转轴垂直于地面或气流方向，如图0-3所示。图0-2 水平轴风力机图0-3 垂直轴风力机（1）水平轴风力机
风力发电大多采用水平轴风力机。大多数水平轴风力机具有对风装置能随风向改变而转动。小型风力机采用尾舵对风装置，而大型风力机则利用风向传感元件及偏航机构来实现对风。如果风力机的风轮安装在塔架前面称为上风向风力机，若安装在塔架后面则称为下风向风力机。
据史料记载，出现在1270年的欧洲第一台风力机是水平轴风力机。如图0-4所示，这台水平轴风力机也称木马式风磨，通过木质蜗轮蜗杆将水平轴转动转化为竖直轴转动，驱动石磨磨粉，叶轮与磨坊可以由一个操纵杆对准风向。图0-4 风力磨坊
到了15世纪，荷兰出现了围海造田的商机，人们尝试用风能泵水，为了驱动处于较低位置的水泵，必须对木马式风磨进行改造。经过不断的改进，出现了摇臂式风力机，专门用于泵水，在可旋转机房内安装了一对齿轮驱动水泵。
到了1390年，荷兰人对塔型风磨进行了改进，如图0-5所示，它的主要特征是安装在屋顶的机房可以旋转，而不是转动整个磨坊来对风。图0-5 原始的舵杆对风装置
在美国，风力机出现在19世纪中叶，当时主要用于提取饮用水和灌溉用水，另外，也为铁路机车供水。那时候的风力机常使用四个木质叶片风轮，并且用尾舵对风。有些风力机采用下风向风轮，并利用它自动对风。一些风力机的叶片安装有铰链，当风很大时，叶片向后转动，有点像一把收起来的伞，以减小受风面积来降低功率。
与现代风力机不同，过去的风磨必须有人在现场照料，风磨主不仅需要负责磨面，而且还要保证风磨的安全运行，主要任务是找风和调节功率，在大风到来时及时刹车。一开始，由风磨主或毛驴拉动舵杆来对风，后来在舵杆上安装了卷扬机，通过拉动舵杆来找风。进一步改进后，使用了小叶轮来驱动卷扬机，小叶轮与大叶轮垂直，当风从侧面吹来时，小叶轮获得正向风，驱动舵杆转动机头，使大叶轮对准主风向。风磨的功率控制也非常关键，有的风磨叶片为栅格式叶片，在框架蒙上帆布，调整帆布遮盖面积就可以控制功率。如果风磨主估计不准，当风速突然增大时，功率超出输出所需，风磨就可能失控。此时风磨主必须尽快缩帆停机，为此，使用了木质制动块刹车，摩擦产生的高温可能使机构发热起火，很多风磨因此付之一炬。1795年，John Smeaton先生研究发明了一种机构，由一个操纵杆调节叶片百叶窗，风速过大风磨主可以把叶片百叶窗完全打开，让风从百叶窗流过。他还提出叶片应该扭转，在轮毂处的安装角度为18°，在叶尖处与叶轮面的角度为7°。他还发现，对于给定直径的风力机，当叶片帆布的面积超过一定值后，功率不会再随叶片帆布面积增加而增大。
1870年美国开发使用钢制叶片（如图0-6所示），钢制叶片质量轻并且可以做成更高效率的外形。为了适应高转速，特地增加一个齿轮减速箱，以便驱动标准水泵。图0-6 19世纪美国钢制叶片风力机
伴随着电能的出现和迅速应用，风力磨坊也朝着发电的方向发展。当然，并不是所有的风力机都能发电，因为发电机属于高速旋转的机器，它应当尽可能地由较高转速的风轮来带动。当时的研究重点是开发少叶片、动力性能优化的高转速风轮。
第一台风力发电机投入运行是在1888年。美国的Charles F.Brush先生在俄亥俄州的科利福兰（Cleveland）安装了风轮直径为17m的风力发电机。如图0-7所示，它采用篱笆型多叶片风轮，当风速过大时，凭借一个用铰链安装在风轮后面大尾舵，将风轮转出主风向并且是首次使用增速齿轮箱驱动直流发电机。这台机组尽管运行了近20年，但其局限性仍然是显而易见的，17m直径的风轮只能驱动12kW的发电机，而现代同样直径的风轮可以驱动70～100kW的发电机。图0-7 第一台风力发电机
丹麦的保尔拉考（Paul Lacour）教授系统地研究了风力发电技术，他研制了一种能够自调节的4叶片直流风力发电机组并且采用按照空气动力学原理设计的叶片，见图0-8。在第一次世界大战期间（1914～1918）有超过250台这种风力发电机在丹麦运行，但是，大量廉价化石燃料驱动的蒸汽机很快把风力发电机挤出了市场，使得这项技术的研究应用停滞不前。图0-8 四叶片直流风力发电机
第二次世界大战期间欧洲陷于战乱之中，只有在美国风电机组的研制还在进行。1941年工程师Palmer C Putnam和水轮机制造商Smith一起研制了第一台大型并网风力发电机（图0-9），安装在美国佛蒙特州，许多有名的科学家都参加了他们的设计。机组额定功率为1.25MW，是最早的兆瓦级机组。该机组采用下风向两叶片风轮，直径53m，重16t。不锈钢制造的风轮采用变桨距控制功率，转速维持在28r/min。机组从1941年投入运行，直到1945年，在断续运行了几百小时后，一支叶片在靠近轮毂处因金属疲劳而发生断裂，此后便停止了运转。作为大型机组开发尝试，该风电机组相当成功，但运行的成本核算表明，其发电成本比传统的发电成本高出约50％。因此，Palmer C Putnam后来提出的改进方案未再实施。图0-9 第一台并网型风电机组
第二次世界大战后，当化石燃料的暂时短缺造成能源价格上涨时，欧洲重新开始了风电机的开发研究，主要研究工作集中在并网型风电机的研制上。丹麦1957年建成200kW的Gedser风力发电机一直成功运行到20世纪60年代。如图0-10所示，Gedser风电机使用上风向三叶片定桨距风轮和成熟的叶片支撑结构，叶尖部分可以转动用作空气动力刹车，采用异步发电机。事实上，它与保尔拉考20年代的风电机结构相差不大。图0-10 Gedser风力发电机
在德国，Ulrich Hutter教授研制了一系列设计先进的水平轴风电机，使用现代翼型截面的玻璃钢变桨叶片，这种结构具有高效和重量轻的特点（图0-11）。其设计追求的是通过避免交变的气动载荷来减少轴承和结构失效，而不是如丹麦设计以“承受”这些载荷为主。载荷屏蔽设计的一大发明是在叶片与轮毂链接处安置一个轴承，允许风轮绕着轮毂做跷跷板式运动，以减轻阵风和垂直切变的影响。Hutter教授的先进设计保证了机组在试验于1968年结束时运行了4000多个小时。图0-11 Hutter两叶片机组
第二次世界大战后，丹麦和德国的风电研究极大地统治了石油危机后两类风电机发展思路。丹麦的风电机是以Gedser风电机为基础的定桨型风电机，应用先进材料、改进的气动设计和控制，避免一些缺点。德国的思路是发明轻质、高效结构如风轮轮毂的跷跷板等，在后期的美国产品设计中也大量应用。
1973年石油危机后的两年里，美国政府开始介入风电机研发。尽管项目进展速度较快并开始显现成果，但由于有政治力量的参合，最终结果证明这些项目是低效和失败的。在政府的研究和开发项目中，设计、制造和试验了13台不同的小型风电机（从1～40kW），5台大型水平轴风电机（从100kW～3.2MW），并设计了几台5～500kW的垂直轴风电机。在风电机设计中大量借鉴了军用飞机研制的方法，美国的能源研发署（ERDA）和能源部（DOE）选择了承包商建造和试验计划商业化的机型。
从1975年NASA在Plum Brook安装了100kW的MOD-0开始，美国很快推出了几代风电机，包括MOD-1和风轮直径100m的MOD-2。但是项目被早期的错误拖累，并且花费了4年时间才予以克服。也许期望再次复制在火箭研发中借鉴德国技术并成功的经验，NASA的工程师看上了Ulrich Hutter教授的设计蓝图，他们应用Hutter的两叶片、下风向风轮布置理念作为早期设计思路，但是他们没有注意到Hutter风电机中跷跷板轮毂设计的重要性，后来才在知道这是两叶片风电机中减少塔影效应的关键所在。
首台风电机（MOD-0）安装投运后，NASA工程师吃惊地发现，当一个叶片进入塔影后产生了巨大的动载荷。工程师花了几年时间进行研究和应对议会的质询，同时转向上风向布置方案和采用跷跷板轮毂设计。硬连接轮毂的NASA风电机（运行寿命可能只有几个月）无法成为有用的项目样板。
第一台真正的NASA风电机组是风轮直径100m的MOD-2机型，3台这种机型的风电机在哥伦比亚河边的山脊上运行了几年，提供了大量有价值的工程数据并帮助发现设计中的薄弱点。从MOD-2机型中学到的经验又用在了后续的3.2MW机型上，该机型一直在夏威夷岛上运行到1997年。
在欧洲，政府资助的兆瓦级风电机研发项目花了很长时间才开始，并且困难重重。德国研发的两叶片的兆瓦级风电机GROWIAN由于风轮轮毂遇到严重的材料疲劳问题，从来就没有有规律地运行过。到20世纪90年代初期，德国、瑞典和其他国家的兆瓦级风电机都相继停止运行。面对发生的难题，欧洲的风电研究转向了基础和应用方面，更加注重制定标准和风电机认证试验程序。事实证明这样的转向是正确的，通过总结经验，深入探讨和解决实质性的问题，为后来风电的飞速发展打下坚实的基础。
与欧美一些政府资助下的项目研制的大型风电机不同，丹麦的风电工业是通过国内一些风电爱好者模仿Gedser风力发电机研制小型风电机开始的。由于有成功的产品线路引导，丹麦的风电机组的研制和发展比任何其他国家都成功。到1988年，产品价格合理的中小型丹麦企业在世界风电机组市场上占了30％，并且用10～30m风轮直径的风电机组控制了市场。只有美国的风电公司（US Windpower）能够提供相竞争的产品。这种情况一直到90年代中后期，随着德国的风电公司的崛起，才逐步改变。（2）垂直轴风力机
垂直轴风力机在风向改变时无需对风，在这点上相对水平轴风力机是一大优点，它不仅使结构设计简化，而且也减少了风轮对风时的陀螺力。利用阻力旋转的垂直轴风力机有几种类型，其中有利用平板和杯子做成的风轮，这是一种纯阻力装置；S型风电机组，具有部分升力，但主要还是阻力装置。这些装置有较大的启动力矩，但尖速比较低，在风轮尺寸、重量和成本一定的条件下，提供的功率输出较低。
20世纪30年代初法国人达里厄（Darrieus）设计了卷曲成型的立轴风轮，它有竖轴风机结构简单的优点，但与以往阻力型的立轴风机不同，达里厄叶片是利用翼型产生的升力驱动风轮旋转。从原理上讲这种风轮无法自启动，只有在外力驱动下旋转到一定的速度，即在高尖速比下才会产生正的旋转力矩，而且，功率系数与水平轴风轮很接近。但是，后来人们的注意力主要集中在水平轴风机的开发研究上，达里厄风电机发展一直不顺。1973年石油危机后，在美国政府的支持下，一些竖轴风电机项目得以开展。在项目进展中风轮直径5m、10～17m的系列机型按部就班地开发出来，图0-12是美国Sandia实验室设计的直径34m的变速竖轴风电机组。90年代初，美国顺风（Flowwind）公司在此基础上开发立轴风电机，生产了一系列产品推向了市场，但是随着90年代中期顺风公司倒闭后，这种技术再也没有出现在市场上。图0-12 美国变速竖轴风电机组
在加拿大，研制了风轮直径70m，功率达4MW的垂直轴风电机Eole，安装在Magdalen岛，并于1987年投入运行。
竖轴风风电机的最大优点是：不依赖风向，设备的主要部件安装在风轮的底部，便于维修。此外，相对于水平轴叶片而言的另一个优点是：风轮叶片是弯曲成型，运行过程中，在离心力和叶片自重的共同作用下没有交变载荷影响叶片的寿命。
达里厄风电机组的缺点是：低风速下风轮不会自己启动，从地面到风轮中心点的距离小，吹到风轮上的风速受地形和地面附着物的影响较大，影响发电量。同时，运行中风轮拉索会产生振动问题，而减振成本较高。对于弯曲而成的叶片，无法利用叶片角度来进行功率调节。
随着实践经验的积累，技术的发展和进步，逐步淘汰了一些不切实际、技术有缺陷或商业价值不大的机组形式，风力发电技术在机组形式上逐步趋同，形成了目前最常见的水平轴、三叶片、上风向、管式塔的模式。为简化篇幅起见，以后不再涉及其他形式的风力发电机组。0.2.3 世界风力发电的发展状况
随着国际社会能源紧缺压力的不断增大，风力发电得到了高度的重视。近20多年来，风电技术日趋成熟，应用规模越来越大。2009年，全球全年新增发电装机超过3800万千瓦，比2008年净增长1100万千瓦，累计装机容量突破1.58亿千瓦，同比增长超过31％（详见图0-13）。其中我国增长最快，维持了100％的增速，当年吊装完成1400万千瓦，比2008年增加了760万千瓦，同比增长120％；欧盟实现装机容量1056万千瓦，同比增长17％；美国净增992万千瓦，同比增长了19％。根据全球风能理事会的统计，截止到2010年12月，2010年全球风电新增装机3580万千瓦，累计装机19440万千瓦，同比2009年（15870万千瓦）增长了22.5％。2010年新增风电投资近473亿欧元（650亿美元）。图0-13 世界风电发展趋势（1996～2010年）
从风电发展的区域分布来看，2010年欧洲、亚洲、北美仍分居世界三甲，2010年底的装机容量分别达到了8756万千瓦、5828万千瓦和4699万千瓦。欧洲虽然仍居首位，但是与亚洲、北美的差距正在缩小，我国风电新增容量超过欧盟。业内人士普遍估计，到2015年三大地区风电装机容量将基本持平。从国别来看，我国已累计装机容量4478万千瓦稳居榜首，美国以4027万千瓦的装机容量位居第二，德国则以2736万千瓦的容量位居第三位西班牙和印度位居第四和第五，累计装机容量分别为2030万千瓦和1297万千瓦。进入前十名的还有法国（596万千瓦）、英国（586万千瓦）、意大利（579万千瓦）、加拿大（401万千瓦）和葡萄牙（383万千瓦）。详见图0-14。图0-14 2010年全球风电装机排名前十的国家
从发电量占本国的比例来看，丹麦仍居世界榜首，约占本国发电量的22％，西班牙以占据本国发电量13％的比例位居第二，位居前五位的国家还有葡萄牙、爱尔兰和德国，占本国发电量的比例分别是12％、10％和8％。风电发电量超过1％的国家共有20个，美国以2％的比例，位居第12位。我国风电装机容量虽然居世界第二，但是发电量占全国发电量的比例还很低，大约为0.8％，位居世界22位，比美国落后十个位次。
除了传统的风电大国之外，英国、法国、加拿大、澳大利亚、日本以及东欧的波兰等国也开始加速发展风电。2009年，风电累计装机超过300万千瓦的国家已经达到10个，2000年还只有5个。风电已经成为世界范围内普遍接受的替代能源技术。
面对2009年世界风电逆势飞扬的新形势，世界风电界普遍调高了2020年风电发展预期。预计2020年全球风电装机容量将达到6亿千瓦，其中估计2020年我国风电装机容量达到1.5亿千瓦。0.2.4 我国风力发电的发展状况
我国地域幅员辽阔，风能资源丰富。对于风能的技术可开发量，根据中国气象科学研究院的保守估算数据，全国陆地上可开发利用的风能约2.53亿千瓦（依据地面以上10m高度风力资料计算），海上可开发利用的风能约7.5亿千瓦，共计约10亿千瓦。而根据国际研究机构的初步测算，不包括新疆、西藏等西部地区，我国风能密度在2300W/m以上的陆地面积超过65万平方公里，可以安装风力发电机237亿千瓦；风能密度在400W/m以上的陆地面积超过28万平方公里，可以安装14亿千瓦的风力发电装备。如果考虑海上，我国风力发电的技术潜力可能超过20亿千瓦。
我国在20世纪60年代就开始研制有实用价值的新型风力机。70年代以后，发展较快，在装机容量、制造水平及发展规模上都居于世界前列。离网式小风电机组对解决边远地区农、牧、渔民基本生活用电发挥了重大作用。全国累计生产各类小风电机组20多万台，总容量6万多千瓦，小风电机组的年产量、产值和保有量均列世界之首。我国西部地区已有20多万户农牧民安装了小风电机组，为接近100万农牧民提供了电力，成为我国风力发电的一大特色。
2005年底，我国已经建成了43个风电场，安装1291台风力发电机组，总装机功率达到126万千瓦。到2006年底，我国新增装机容量为133.7万千瓦，比过去我国累积20年发展的总量还多，累计建成91个风电场，总装机容量达到260万千瓦。到2007年底，我国新增装机容量为331.7万千瓦，总装机容量达到将近600万千瓦，累计装机风电机组6469台，分布在21个省（市、区、特别行政区），比2006年增加了北京、山西、河南、湖北、湖南等省市。到2010年我国新增装机1892万千瓦，达到4478万千瓦。其中，内蒙古、河北、吉林、黑龙江、新疆、辽宁、福建、江苏都已发展成为20万千瓦以上的风电大省（图0-15）。图0-15 我国各年新增和累计装机容量（2002—2010）
发展风电有利于调整能源结构。从长远看，我国常规能源资源人均拥有量相对较少，为保持经济和社会的可持续发展，必须采取措施解决能源供应。我国风能资源丰富，如果能够充分开发，按目前估计的技术可开发储量计算，风电年发电量可达几万亿千瓦时。据推算，我国2020年需要10亿千瓦的发电装机，4万亿千瓦时的发电量，之后如果按照人均2kW，达到中等发达国家生活水平的基本要求，在2050年我国需要大约30亿千瓦的发电装机和12万亿千瓦时的发电量。庞大的装机和发电量需求，给风力发电的发展提供了广阔的空间。
我国政府提出的风电规划目标是到2020年风电装机达到1.5亿千瓦。2020年之后风电超过核电成为第三大主力发电电源，在2050年前后达到或超过4亿千瓦，超过水电，成为第二大主力发电电源。0.2.5 风力发电设备制造业的发展状况（1）国际风电机组情况
随着风力发电产业的发展，风力发电机组制造业也发展起来。世界涌现出许多风力发电机组制造厂商。特别是欧洲，风电已形成产业化，产品系列齐全，风电机组制造技术逐渐成熟，机组单机容量越来越大，小型机组逐步淘汰，兆瓦机组普遍生产和广泛应用。（2）国内风电机组制造情况
近两年国内各方都看到风电发展的潜力，纷纷投资开发制造风力发电机组，其中主力机型为兆瓦级机组。现有的主要风力发电机整机制造商，根据公司技术来源、投资结构、技术的成熟程度和产能情况可分为：内资企业、合资企业和独资企业等。我国风电机组制造商及其产品状况见附录1。（3）风电机组发展趋势
目前风电市场上和风电场中安装的风力发电机组，绝大多数是水平轴、三叶片、上风向、管式塔形式，其他形式的机组较少见到。风电界整体上对机组技术的认识不再有大的分歧，开始集中力量向大型化、高质量和高效率方面发展，新的发展趋势表现在以下几个方面。
①从定桨距（失速型）向变桨距机组发展。风力发电机的失速功率调节方式和变桨距调节方式是目前大多数风力发电机组风能的收集和转换的主要功率调节方式。采用失速功率调节方式的风力发电机组的叶片不能绕其轴线转动，功率调节通过叶片自身的失速特性实现。这种方式有结构简单、故障概率低的优点，一度在风电机组中很受欢迎，得到普遍采用。其缺点主要是风力发电机组的性能受叶片失速性能的限制，额定风速较高，在风速超过额定值时发电功率有所下降。另一个缺点是叶片形状和结构复杂、重量大，引起风轮转动惯量大，在研制大型风力发电机组时更为突出。
采用变桨距功率调节技术可以有效地克服上述缺点。变桨距风力发电机的风力发电机组叶片可以绕自身轴线转动，在不同的风速下，风力发电机组的叶片相对于相同的风向有不同的功角，当风速持续变化时，叶片的功角也随之变化，始终保持在最佳角度，从而使风力发电机组有可能在不同风速下始终保持其风轮的最佳转换效率，使其出力最大。
变桨距风力发电机的额定风速较低，在风速超过其额定风速时风力发电机组的出力也不会下降，始终保持在一个接近理想化的水平，提高了发电效率。变桨距风力发电机组的发电性能曲线相对定桨距风力发电机组有较大改进。同时，变桨距风力发电机的叶片较薄，结构相对简单，重量小很多，使得变桨距风力发电机风轮转动惯量小，有利于设计制造大型风力发电机组。这些优点使得变桨距风力发电机有很大的发展空间，特别是在大型兆瓦级风力发电机组上。因此，大型风力发电机组在技术上多采用变桨距技术，这是趋势之一。
变桨距风力发电机组的缺点是变桨距机构较为复杂，增大了故障率；控制系统也相对复杂，技术水平要求更高。但是，这些缺点随着风电科技的进步已较好地得到了克服。
风电机组的功率调节在定桨矩失速功率调节方式到变桨距功率调节方式的发展过程中，曾经出现过另外一种功率调节方式即主动失速功率调节，又称负变距功率调节。调节的方式类似于定桨距失速调节，负变距范围一般在-5°左右。
②从定转速向可变转速机组发展。采用变速恒频技术的风力发电机组允许其风轮的转速是可变的，风轮转速可根据风电机组受风的风速进行调整，以最大限度地吸收风的能量，提高了风轮（特别是在低风速区）的转换效率。变速恒频技术采用了双馈异步感应发电机技术，可以使发电机始终工作在最佳工作状态，机电转换效率较高。
变转速风力发电机向电网输出的仍然是恒定的50Hz的交流电，为此必须要增加一套电子变流装置，使之成为可能。利用这种技术可以明显地提高风力发电机组的最终出力，提高整机发电效率。新研制的风力发电机特别是大型化的风力发电机，越来越多地采用变速恒频技术，成为一大趋势。
变速恒频风力发电机组的缺点是相对于其他方式来说，结构最为复杂。由于参数变量较多，在控制上也比其他技术要复杂得多，在制造和运行、维护及检修方面都有更高的要求，但这些技术在科技高度发达的今天，能够得到较好的解决。
有些风力发电机组制造厂家如德国的Enercon公司、荷兰的Largevay公司在设计风力发电机组时采用低转速的同步电机，省去齿轮箱，将风轮直接安装在发电机转子上。这种直接驱动的风力发电机由于省去了齿轮箱，减少了机械转动损失和故障环节，应该可以提高风力发电机组的发电效率。
③单机容量大型化发展趋势。如图0-16所示，风电机组单机容量逐年增大的趋势愈来愈明显。风力发电机组大型化、单机装机功率的提高，是所有风电机组研究、设计和制造商不断追求的目标。最近几年，各种新型大型风电机组不断出现并得到迅速推广应用。1982年使用的风力发电机平均装机功率为55kW，风轮直径为15m，轮毂高度25m；到1992年风力发电机组发展到300kW，风轮直径达到30m，轮毂中心高度为40m；1997年以后600kW机成为主流机型，风轮直径45m，轮毂中心高度60m。1999年以后，大量单机容量在1000kW或1000kW以上的机型进入了风电市场，当年风电市场上，兆瓦机组市场占有率为27.4％。到2002年开发出2500kW的风力发电机，风轮直径为80m，轮毂中心高度达100m。近年来，近海风能资源的开发进一步加快了大容量风电机组的发展，世界上已运行的最大单机容量在5000kW以上，风轮直径达到120m，轮毂中心高度也达到120m。8MW、10MW的风电机组也已研制成功，即将投入商业应用。图0-16 风电机组单机容量发展趋势资料来源：德国风能研究所。0.2.6 海上风电场的兴起
尽管海上风电项目的起步较晚，但越来越受到重视。其原因在于，海上风电场的优势明显：具有较高的风速；对环境的负面影响较少；风电机组距离海岸较远，视觉干扰很小；允许机组制造更为大型化，从而可以增加单位面积的总装机量；机组噪声排放的控制问题也不那样突出。
欧洲已经建成几个示范海上风电场，取得在海洋中建造风电机组基础和向陆地输电的经验。以丹麦为例，已经建成了世界上最大的海上风电场——Nysted海上风场，该风场位于Nysted以南10km的近海里，总装机容量为16万千瓦，由72台（8×9）Bonus2.3MW的风电机组组成，向陆地输送强大的电力（图0-17）。图0-17 海上风电机组
海上风电发展最快的国家是英国、丹麦，分别占世界海上风电份额的44％和30％，2009年新建成的海上风电集中在英国（283MW）、丹麦（230MW）、瑞典和德国（均为30MW）以及挪威（2.3MW）。2009年我国海上风电也实现了零的突破，截至2009年底已完成装机20台，容量达60MW。上海东海大桥100MW海上风电项目，2010年4月底全部建成，安装台单机容量的海上风机。
当然，与陆上风电场的建设相比，海上风电场的建设又面临新的问题，如风电机组的海上选用问题，海上风电场工程建设施工问题，海上风电场的电量送出问题和海上风电场的运行维护问题，这些问题都在不断探索和解决之中。第1章 风能资源和风电场开发
风是自然现象中空气流动的统称，是由于太阳辐射造成地球不同纬度间温度差异，再加上地球自转、公转以及地理环境因素综合作用于大气的结果。本章讲述风的形成和风资源开发利用等内容。1.1 风的形成1.1.1 大气环流
包括风能在内的大部分可再生能源（如太阳能、水能、生物质能等）的能量来自太阳。
由于地球极地与赤道之间存在温度差异，赤道附近温度高的空气将上升高层流向极地；而极地附近的空气则因受冷收缩下沉，并在低空受指向低纬度的气压梯度力的作用，流向低纬度，这就形成了一个全球性的南北向大气环流，如图1-1所示。这里所说的气压梯度力就是指地球绕太阳公转时，由于日地距离和方位不同，地球上各纬度所接受的太阳的辐射强度不同，从而产生温差和气压差，引起空气流动的作用力。图1-1 大气在气压梯度力作用下的闭合环流圈
地球除了公转外还有自转，因地球自转形成的地转偏向力叫作科里奥利力，简称偏向力或科氏力。地转偏向力在赤道处为零并随着纬度的增高而增大，在极地达到最大值。
气压梯度力和科里奥利力是大气大规模运动的主要原因。
地球赤道地区的气流受热上升，在北半球大气层的上层向北流动，大约在南北纬30°附近，科里奥利力阻止大气进一步向前流动，空气开始下沉，形成一个高压区（副热带高压）。副热带高压下沉气流分为两支，一支从副热带高压向低纬度流动，指向赤道。在地转偏向力的作用下，北半球吹东北风，南半球吹东南风，风速稳定且不大，约3～4级，这就是所谓的风向随季节变化的“信风”，所以在南北纬度30°之间的地带称为信风带。这一支气流补充了赤道的上升气流，构成了一个闭合的环流圈，称为哈德来（Hadley）环流，也叫做正环流圈。此环流圈南面上升，北面下沉。另一支气流从副热带高压向高纬度流动，在地转偏向力的作用下，北半球吹西风，且风速较大，这就是所谓的西风带。在北纬60°附近，西风带气流遇到了由极地向南流来的冷空气，被迫沿冷空气上面爬升，在60°地面出现一个副极地低压带。
副极地低压带的上升气流，到了高空又分成两股，一股向南，一股向北。向南的一股气流在副热带地区下沉，构成一个中纬度闭合圈，正好与哈德来环流流向相反，此环流圈北面上升、南面下沉，所以叫反环流圈，也称费雷尔（Ferrel）环流圈。
向北的一股气流，从上升到达极地后冷却下沉，形成极地高压带，这股气流补偿了地面流向副极地带的气流，而且形成了一个闭合圈，此环流圈南面上升、北面下沉与哈德来环流流向类似，因此也叫正环流。在北半球，此气流由北向南，受地转偏向力的作用，吹偏东风，在北纬60°～90°之间，形成了极地东风带。
如图1-2所示，从赤道上升流向极地的气流在气压梯度力和地转偏向力的作用和地表温差的综合影响下，在南北两个半球上各出现了四个气压带，即极地东风带、盛行风带、东北（东南）信风带和赤道无风带以及三个闭合环流圈：赤道—纬度30°环流圈、纬度30°～60°环流圈和纬度60°～90°环流圈（称作“三圈环流”）。需要指出的是，所谓“三圈环流”只是一种理论模型，实际环流比上述情况复杂得多。图1-2 气流在气压梯度力和地转偏向力作用下的气压带和三圈环流图
由于气压梯度力和科里奥利力的共同作用，形成了南、北半球不同纬度地区的盛行风向，如表1-1所列。表1-1 南北半球不同纬度盛行风向
了解当地的盛行风向可以避开盛行风向上的障碍物，对风电场宏观、微观选址具有重要的意义。当然，当地地形条件对风向的分布也具有决定性作用。1.1.2 季风环流
由于陆地和海洋在各个季节中受热和冷却程度不同，使风向随季节产生有规律的变化，这种随季节而改变方向的空气流动称为季风，我国古代称为“信风”，表明这种风的风向总是随着季节而改变。
季风气候的主要特征是季风环流，而季风环流形成的主要原因是由于海陆分布的热力差异以及地球风带的季节转换。
在一个较大地区范围内盛行风向或气压系统有明显的季度变化的现象称为季风现象。海陆热力差异引起的季风，大都发生在海陆相接的地区，海陆之间热力差异越大，季风现象就越明显。就全球而言，在副热带地区季风（亦称温带季风）十分强盛，这种差异最为明显。
我国位于亚洲东部，是一个典型的季风气候国家。这里是全球海陆差异引起的季风最强的地区。我国的季风，冬季主要在西风带影响之下，盛行西北气流。夏季西风带北移，南方为大陆热低压控制，副热带高压从海洋移至大陆，转为西南气流。春秋则为过渡季节。此外，海陆分布，青藏高原对我国季风环流也产生重要影响。在冬季，大陆高压气压梯度强大，而夏季热低压的气压梯度较弱，因而夏季风比冬季风弱，这是我国季风的重要特征。1.1.3 局地环流
尽管大气环流对盛行风的分布影响很大，但就某一个地区而言，当地的气候和地形条件对主风向分布的影响也很明显。实际上，局地风往往是大尺度环流系统和当地气候条件相互作用的结果。（1）海陆风
海陆风是由陆地和海洋的热力差异引起的。如图1-3所示，白天，由于太阳辐射，陆地近地面温度上升快，空气密度降低，空气受热上升，形成低气压，风由海面吹向陆地，称为海风；夜晚形成与白天情况相反的气压差，风由陆地吹向海面称为陆风。由于海陆温差较小，风的周期短且风力较弱。但是在海岸附近的海陆风强度较大，是近海地区风能的重要来源。图1-3 海陆风示意（2）山谷风
山谷风是多山地区经常出现的多种气流模式。山谷风多发生在山脊的南坡（北半球），山坡上的空气经太阳辐射加热后，空气密度降低，空气受热上升，形成低气压，气流沿山坡上升，形成谷风；夜间风向相反，气流顺山坡下降，成为山风（见图1-4）。从当日20时到次日8时左右为山风作用时段，14时到17时为谷风作用时段。山风强度一般比谷风弱。图1-4 山谷风示意
山谷风是山区经常出现的一种局地环流，只要大范围气压场比较弱，就有山谷风出现，有些高原和平原的交界处，也可以观测到与山谷风相似的局地环流。山谷风一般较弱，但在某些地区或山隘口处也会有较大的风速，同样可以作为风能的来源。1.1.4 两种特殊地形条件下的风能分布实例（1）爬坡风
一般情况下，四周开阔的山丘或山脊上的风速较大，这是由于气流在经过迎风坡时受到地形挤压，产生加速效应，使山顶风速达到最大。一般与主风向垂直的山脊是比较理想的风场布机区域（见图1-5）。图1-5 爬坡风示意
爬坡风的产生与山的坡度有很大关系，如果迎风面山体坡度过大，不仅不会产生风加速效应，还将产生严重的湍流，影响风能的利用。（2）狭管风
建筑物或山体之间的狭窄通道可能会形成狭管效应，如图1-6所示，迎风面气流受到挤压，在通道中风速加速，形成狭管风。图1-6 狭管风示意
形成风能加速的狭管效应需要一定条件，即该地区的盛行风向与狭管的方向一致。形成狭管效应的气流通道的表面应尽可能平滑，否则将会产生较大的湍流，对风电机组产生不利影响。
狭管风一般是由大范围的地理环境造成的，比如在福建省与台湾省之间的台湾海峡与常年盛行的东北风形成的狭管效应，使得福建沿海及岛屿的风速加大，可利用风速持续时间加长。新疆的达坂城地区也具有明显的狭管风，乌鲁木齐市至达坂城的峡谷正好与主风向平行，使得该地区风受到压缩而加速，风速大而且持续时间长。1.1.5 我国的风能资源分布（1）我国风能资源分布
我国属于地球北半球中纬度地区，在大气环流的影响下，分别受副极地低压带、副热带高压带和赤道低压带的控制，我国北方地区主要受中高纬度的西风带影响，南方地区主要受低纬度的东北信风带影响。
我国地域辽阔，陆地最南端纬度约为北纬18°，最北端纬度约为北纬53°，南北陆地跨35个纬度，东西跨60个经度以上。我国独特的宏观地理位置和微观地形地貌决定了我国风能资源分布的特点。我国在宏观地理位置上属于世界上最大的大陆板块——欧亚大陆的东部，东临世界上最大的海洋——太平洋，海陆之间热力差异非常大，北方地区和南方地区分别受大陆性和海洋性气候相互影响，季风现象明显。北方具体表现为温带季风气候，冬季受来自大陆的干冷气流的影响，寒冷干燥，夏季温暖湿润；南方表现为亚热带季风气候，夏季受来自海洋的暖湿气流的影响，降水较多。
按照陆地与海洋的距离划分，我国可分为南部沿海地区、东南部沿海地区、东部沿海地区、中部内陆地区以及西部、北部和东北部内陆地区。
南部沿海地区在东北信风带和夏季热低气压的影响下，主风向为东风和东北风，由于夏季低气压的气压梯度较弱，因此风力不大，风能较小。
东南部沿海地区与台湾岛在台湾海峡地区形成独特的狭管效应，而该地区又正处于东北信风带，主风向与台湾海峡走向一致，因此风力在该地区明显加速，风力增大，风能资源丰富，具有较好的风能开发价值。
东部沿海地区基本上处于副热带高压控制，气压梯度小，同时，该地区又受海洋性气候的影响，大风持续时间短且不稳定，风能资源开发潜力一般。
中部内陆地区由于所处地理位置条件的限制，冬季来自北方的冷空气难以到达这里，夏季受海洋性气候的影响较小，同时由于该地区地势地形复杂和地面粗糙度变化较大，不利于气流的加速，因而风能资源比较贫乏。
西部、北部和东北内陆地区主要包括新疆、甘肃、宁夏、内蒙古、东北三省、山西北部、陕西北部和河北北部地区，这些地区纬度较高，处于西风带控制，冬季又受到北方高压冷气团影响，主风向为西风和西北风，风力强度大，持续时间长，同时这些地区海拔较高，风能衰减小，因此，具有较好的风能开发价值。
我国对风能资源的观测研究工作始于20世纪70年代，中国气象局先后于70年代末和80年代末进行了两次全国风能资源的调查，利用全国900多个气象台站的实测资料给出了全国离地面10m高度层上的风能资源量。据资料介绍，当时我国的风能资源总储量为32.26亿千瓦，陆地实际可开发量为2.53亿千瓦，近海可开发和利用的风能储量有7.5亿千瓦。
根据中国气象局于2004～2006年组织完成的第三次全国风能资源调查，利用全国2000多个气象台站近30年的观测资料，对原有的计算结果进行修正和重新计算，调查结果表明：我国可开发风能总储量约有43.5亿千瓦，其中可开发和利用的陆地上风能储量有6亿～10亿千瓦，近海风能储量有1亿～2亿千瓦，共计约7亿～12亿千瓦。
2009年12月中国气象局正式公布全国风能资源详查阶段成果数字为陆上50m高度潜在开发量约23.8亿千瓦，近海5～25m水深线内可装机量约2亿千瓦。（2）我国主要的风能丰富区
①“三北”（东北、华北、西北）风能丰富带。该地区包括东北三省、河北、内蒙古、甘肃、青海、西藏、新疆等省区近200km宽的地带，是风能丰富带。该地区可设风电场的区域地形平坦，交通方便，没有破坏性风速，是我国连成一片的最大风能资源区，适于大规模开
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