作者：张亚彬,马丽娜,吕志友
出版社：人民邮电出版社
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小型风力发电实用技术试读：
前言
Foreword风能作为一种清洁的可再生能源，在我国的储藏量相当丰富。由国家气象局的资料可知，我国离地10m以上风能资源总储量约32.26亿千瓦，其中可开发和利用的陆地上风能储量有2.53亿千瓦；50m高度的风能资源是10m高度的两倍以上，为5亿多千瓦；近海可开发和利用的风能储量有7.5亿千瓦。
风力发电一般可分为大型风力发电、中型风力发电和小型风力发电3种。小型风力发电既可以并网也可以离网运行，本书内容主要涵盖离网应用部分，又称离网型风力发电，是独立运行的供电系统，即在远离电网的边远地区，用小型风力发电机为蓄电池充电，再通过逆变器将电能转换成交流电向负载供电，单机容量一般在 100W～100kW。考虑到并网分布式应用是小型风力发电的主要发展趋势，本书也介绍了小型风力发电机在并网应用方面的知识。
早在20世纪70年代，小型风力发电技术在我国风能资源丰富的内蒙古、新疆等地就得到了发展，最初小型风力发电技术被广泛应用在“光明工程”和“送电到乡”项目中，用于为农牧民解决家庭或村落基本的生活用电问题。随着小型风力发电技术的完善与发展，我国小型风力发电机组不仅可以单独应用，还能与光伏发电互补应用，被广泛应用于离网供电系统。近年来，我国小型风力发电设备出口量稳步增长，小型风力发电技术和可再生能源离网互补技术已跃居国际领先地位。
除了规模型的大型风力发电场，离网型的小型风力发电也是我国风力发电产业发展的重要方向。为全面推动经济社会发展，部分仍存在缺电、无电居民的地区加快了发展小型风力发电的步伐，政府加大了解决边远地区群众用电难问题的投资力度，有力推动了小型风力发电产业的进一步发展。小型风力发电具有适用的气候条件广泛、适宜安装的地域广阔等特点。发展小型风力发电场，省去了铺设电缆、挖掘地基和长时间建设等投资费用，尤其在广大无电地区以及通信、工业控制等领域，相对于常规电力市场优势明显。我国仅内蒙古自治区，2012 年就招标建设 20 519 套风/光互补户用发电系统，装机容量达到10.4MW，投资大约 28 774 万元，受益群众达 2 万多户。
我国风力发电等新能源发电行业的发展前景十分广阔，预计未来很长一段时间都将保持快速发展。随着我国风力发电设备的国产化，以及风/光互补发电系统等新型技术的日渐成熟，小型风力发电的成本有望再降，经济效益和社会效益不断提升，小型风力发电市场潜力巨大。小型风力发电机组相关设备制造和新技术研发得到重视和发展，风/光互补路灯、风能海水淡化等领域成为新的应用热点，市场前景看好。
本书共10章。首先全面介绍了小型风力发电行业的发展状况，接着分析了风力发电行业的市场现状，随后介绍了风能的概念、小型风力发电机的原理、主要设备的选择、系统的安装调试、故障分析与应急修理、风/光互补发电系统应用及新能源应用的新领域等。
本书突出实用性，主要编写人员既有充实的理论知识，又具备多年户用系统的开发实践和野外安装调试的工作经验，可为实际操作人员提供许多解决实用技术问题和实际操作问题的方法。本书把小型风力离网发电技术中出现的工作问题予以分类，理论联系实际，可供可再生能源项目工程技术人员阅读，也可作为大专院校相关专业及风力发电专业的参考资料。
本书编写人员有张亚彬、马丽娜、吕志友。其中张亚彬主要编写了第1章、第 8 章、第 10 章，并负责全书的统稿和组织编写工作；马丽娜主要编写了第 2章、第3章（3.5节、3.6节）、第5章、第6章、第7章（7.1节、7.2节、7.3节、7.4节）；吕志友主要编写了第3章（3.1节、3.2节、3.3节、3.4节）、第4章、第7章（7.5节、7.6节、7.7节）、第9章。
在本书的写作过程中，高援朝教授在编写前期做了大量的组织工作，并提供了丰富的参考资料，帮助我们完成书稿。都志杰教授作为本书的审稿人，对本书的编写完成也给予了很大的帮助，在编写初期对目录、结构的安排给出了很多建设性的意见，编写期间也提供了很多资料和关键技术支持，完稿后又多次审阅，提出详尽的修改意见。
本书还得到了中国科学院电工研究所的陈东兵教授、俞妙根教授、胡书举教授、李斌教授、尚永红教授、刘华利老师等的大力帮助，在此一并表示感谢。
由于作者水平有限，书中难免有不当之处，敬请广大读者批评指正。
第1章 小型风力发电产业现状和应用前景
1.1 小型风力发电简介
1.1.1 小型风力发电的定义国际电工委员会（IEC）针对小型风力发电机组的最新标准IEC 61400-2定义的小型风力发电机组（Small Wind Turbine，SWT），适用于风轮扫掠面积小于200m²，将风能转换为电能的系统（产生的电压低于交流电压1 000V或低于直流电压1 500V的小型风力发电机），这相当于单机功率为 40～50kW。目前，世界各国在进行市场研究、起草可再生能源法律或制订财政援助计划等项目时，都建立了他们自己对于小型风力发电机的定义。在 5 个主要小型风力发电机制造国家的定义中，小型风力发电机最大容量范围的差异在15～100kW之间变化。例如在英国，由于各方的兴趣不同，小型风力发电机的定义甚至在国家风能协会、英国可再生能源和MCS认证机构之间都有所不同。
目前，关于小型风力发电机最高容量的规定倾向于100kW，这主要是由北美和欧洲市场所主导的。在过去的几十年中，我们观察到小型风力发电机的容量在增加。这主要是由人们对较大的并网发电系统的兴趣逐渐增加，独立系统的市场相对逐渐缩小引起的。然而，为了创建一个标准化的和健全的小型风力发电机市场，对于小型风力发电机的定义应该达成一致。根据大多数国际组织的定义，把功率小于100kW的风力发电机组定义为小型风力发电机组（也有的把几十千瓦的风力发电机组称为中型风力发电机组）。本书把功率不超过100kW的风力发电机组称为小型风力发电机组。1.1.2 小型风力发电的主要应用方式
小型风力发电的主要应用方式可以分为两大类：离网型和并网型。
1．小型风力发电的离网型应用
所谓离网型供电是指不依赖现有电网而进行独立发电的供电方式。这种发电系统都建立在传统电网不能延伸到的地方，从而解决了这些地区的用电问题，同时加快了该地区经济社会的发展，并提高了人民生活水平。随着人们对可再生能源认识的提高，利用可再生能源进行离网独立发电的技术得到了飞速发展。
小型风力发电的离网型应用，主要分为独立风力发电系统、风/光互补发电系统、风/柴互补发电系统和风/光/柴互补发电系统等。
独立风力发电系统是由单一的发电设备——风力发电机组成的独立供电系统，通常包括风力发电机、控制器、蓄电池、逆变器、耗能负载及配电设备等，如图1-1所示。图1-1 独立风力发电系统
风/柴互补发电系统一般由风力发电机组、柴油发电机组、储能装置、控制系统、逆变器、耗能负载等附件组成，如图1-2所示。此类系统还可分为直流母线型和交流母线型两种类型。图1-2 风/柴互补发电系统
风/光互补发电系统是将风力发电机组和光伏发电结合起来的发电系统，如图1-3 所示，其一般由风力发电机、太阳能光伏阵列、风力发电机控制器、光伏控制器、逆变器、蓄电池组等组成。以小型风力发电机组为主的风/光互补发电系统是最合理的独立电源，在很多应用领域已具备和常规能源竞争的条件。风/光互补路灯及照明系统技术已日趋成熟，具备了推广应用的条件。风/光互补发电系统的应用，一方面很好地实现了能源的互补性，极大地提高了系统的供电品质；另一方面提高了系统的使用率，降低了成本，具有很好的社会效益和经济效益。图1-3 安装在青海阳康乡的风/光互补发电系统
风/光/柴互补发电系统由风力发电机组、太阳电池方阵、蓄电池组、逆变器、控制器和柴油发电机组等组成。在系统中，柴油机组常常被用来作为后备动力以补充可再生能源资源的不足。这种系统不仅能够为日常生活供电，而且还能为一些小型的生产性负载供电，如用于小型农牧电动工具和农牧机具维修，为居民和牲畜提取饮用水等。但是，目前不断上涨的油价以及柴油发电机所需的大量维护工作，是影响风/光/柴互补发电系统推广的主要因素。
2．小型风力发电的并网型应用
可再生能源并网发电，或称分布式发电，指的是在用电现场或靠近用电现场（用户终端）配置较小的发电设备（一般低于30MW），以满足特定用户的需要，支持现存配电网的经济运行，或者同时满足这两方面的要求。
可再生能源并网发电是当前清洁能源和环保措施中发展最快的领域之一，它也为电力用户降低电费支出提供了可能性。过去风力发电机成本远比太阳能低，人们普遍采用的小型发电设备主要是小型风力发电机。因此，并网型的风力发电技术被广泛应用，如图1-4所示。近年来，太阳能光伏电池的价格急剧下降，太阳能光伏分布式发电也迅速发展了起来。图1-4 张北并网型小型风力发电机的应用
小型风力发电机作为分布式电源需满足4个边界条件：①风资源（风速）不低于 4m/s（测量高度 10m）；②有可以接入的电网；③有一定量的负载；④有一定面积的安装场地（与大型风力发电机相比，小型风力发电机对场地的要求非常低），甚至可以安装在建筑物的侧面或屋顶上。
在“分布式发电”模式下，用电设备可由风力发电和电网同时供电。当风力足够大、发电机组发出的电量足够时，负载完全由风力发电机组供电，多余的电量还可以出售给电力公司；当风速较低、风力发电机组输出的电力不能满足负载用电需要时，负载由风力发电机和电网同时供电；当风速低于切入风速时，风力发电机没有输出，所有的电力全部来自于电网。所有这一切都是自动进行的。这类系统无需储能设备，因为不提供后备电力供应，当电网因任何原因停止供电时，风力发电机也自动关闭。1.1.3 小型风力发电的技术特点
小型风力发电机组一般由下列几部分组成：风轮、发电机、调速和调向机构、停车机构、塔架及其附件、地锚等。
小型风力发电机的技术特点如下所述。
① 风机叶片一般为2～3个，少数为4～6个，且叶片的结构形式和制造方法多样。
② 配以尾翼、塔架、底座、地锚和拉索（单柱塔没有拉索）。
③ 发电机选配具有低速特性的永磁发电机。永磁材料使用铁氧体或稀土材料，使发电机的效率从普通发电机的0.50提高到现在的0.75以上，有些可以达到0.82。
④ 多数小型风力发电机组采用被动式侧偏调速保护，风轮的最大功率系数已从初期的0.30左右提高到0.38～0.42，且启动风速较低。
⑤ 根据风轮的迎风方式可分为上风型（带尾翼）或下风型（无尾翼）。小型风力发电机组的调向装置大部分是上风向尾翼调向。
⑥ 根据风力发电机轴，小型风力发电机组分为水平轴型或垂直轴型，如图1-5所示。水平轴型的风力发电机组的风轮旋转轴与地面基本保持平行，垂直轴型的风力发电机组的叶轮旋转轴与地面基本保持垂直。
⑦ 叶片材料多样化，包括木质、铁质、铝合金、玻璃钢复合型和全尼龙型等。
⑧ 风轮采用定桨距和变桨距两种，其中以定桨距居多。
⑨ 调速装置采用风轮偏置和尾翼铰接轴倾斜式调速、变桨距调速机构或风轮上仰式调速。功率较大的机组还装有手动制动或电磁制动机构，以确保风力发电机在大风或极端风况下的安全。
⑩ 小型风力发电机组的单机功率主要从几百瓦到几十千瓦，适用范围广；机组运行平稳、质量可靠，设计的使用寿命一般为15～20年。图1-5 水平轴型和垂直轴型风力发电机组小型风力发电机的体积小、重量轻，便于安装和运输。1.1.4 小型风/光互补发电潜在市场
风/光互补发电不仅克服了单一形式发电的间歇性、时段性、不稳定性等缺点，而且还弥补了单一形式发电量不足、蓄电池寿命短和供电系统可靠性差等弱点，同时解决了经济上的互补问题。因此，风/光互补发电是当前和今后解决无电地区居民用电和工商业用电的主要应用形式之一。除无电地区大力推广应用外，风/光互补发电在城乡路灯和通信基站用电工程等方面也发展迅速。如内蒙古计划推广5万套新能源通电建设工程，全部采用风/光互补发电系统。20 11年在无电地区新能源通电建设工程风/光互补发电系统宣布采购招标公告，国内有6个企业中标13 000多套新能源工程的风电材料设备。
我国中小型风能产业潜在市场如下。
① 无电地区电力建设：西部边远地区的农牧渔民生活、生产用电。
② 城乡照明：城镇街道和屋顶照明、乡镇道路路灯、高速公路路灯。
③ 通信领域：通信基站（中国电信、移动、联通）。
④ 工业领域：石油开采、铁路小站、输油管道、气象台、森林防火瞭望台、海水淡化。
⑤ 商业领域：户外广告、海上航标灯、高速公路摄像头、庭院灯、草坪灯。
⑥ 水上运输：内河、湖泊、沿海渔船和油船。
⑦ 军事通信：部队边防哨所、雷达通信。
⑧ 分布式发电：分布式微网、智能微网、海岛孤网。1.1.5 我国小型风力发电产业存在的问题
1．标准是本行业永恒的话题
标准具有认证的规范性、紧迫性和重要性。目前我国小型风力发电产业发展的关键难题和障碍是标准的缺失。克服当前产业发展的难题和障碍首先需要构建起标准框架，更新旧标准，制定新标准，积极推广国际先进标准，这是本行业应该积极落实的一项任务，也是本行业最亟待解决的一个难题。
2．产品检测和认证是亟待解决的关键
我国小型风力发电产品的制造工艺和系统集成技术有了很大的提高，已具备了与世界品牌竞争的能力。但是，小型风力发电行业仍存在产品质量良莠不齐，产业缺乏有效的产品质量监管，劣质产品低价倾销，招投标项目低价位中标等现象，严重地干扰了产业市场的正常经营。这些现象产生的主要原因是设备的检测和认证制度的缺失，抑制了产业的正常发展。因此，中小型风力发电产业的发展，也应参照欧美国家的做法，建立起自己的检测体系和认证机制，依此监控产品质量、劣质产品的低价倾销、不规范的招投标和行业准入门槛。
3．产业要做大做强，先要做到行业自律
建立有实际功能的产业联盟协会，遇到问题需要协会出面牵头，上与政府沟通，下与风力发电企业及相关行业相互协调，把系统集成商等相关行业结合在一起，形成正规的产业联盟。行业内要加强自律，横向加强合作，纵向协调发展，自身控制质量，市场有序竞争。
整个行业要高度重视产品技术创新，不断提高产品的综合指标，满足国内外用户不同的技术要求，提高小型风力发电在新能源行业的地位和信誉。
1.2 国内外小型风力发电产业现状
小型风力机械已经有几十年的历史，是一项成熟的技术，最早流行于20世纪初的小农场、小牧场中，大多数用于风力机械提水。在美国农村大规模电气化项目启动前，许多农场安装了风力发电机组为自己供电。但是小型风能设备的普及率，在美国经济衰退期间和第二次世界大战后农村大规模电气化项目启动后有所降低。最近几年，由于相当一部分人搬到农村没有电网的地区居住，以及其他激励政策的陆续出台，小型风力发电产业再次兴旺起来。
虽然小型风力发电产业在持续地发展，但远没有大型风力发电产业那么迅速。到目前为止，全球100W～100kW的小型风力发电机组生产量为650 000～700 000台，装机容量为200～280MW。最成功的案例是应用于分散家庭的小型风力发电机组，功率往往仅几百瓦。最大的市场是我国内蒙古的户用系统，也包括一些较大容量为村落供电的风能互补系统，风力发电机组的单机容量为1～50kW。同时，还有大量的小型风力发电机组被应用到了移动通信基站。
小型风力发电机组的生产和研发主要集中在北美、欧洲和亚洲，而应用几乎遍及全世界。处于小型风力发电市场领导地位的生产企业有Northern Power公司（美国）、Energrity公司（加拿大）和Bergey Windpower公司（美国）等。
在美国和欧洲，小型风力发电机有70%～80%是并网使用的，并且这一比例正在不断上升，单机功率较大，一般至少在5kW以上。1.2.1 全球小型风力发电机安装量统计
根据世界风能协会（WWEA）《2012世界小型风能报告》统计，到2010年年底，世界总累计安装小型风力发电机系统达到656 084 个，比2009年增长了26%，同时全世界每年发电总计超过382GW·h的电能。
从图1-6可以看出，中国是该行业的佼佼者，至2010年年末累计使用发电系统套数超过 450 000 套，远高于美国、英国等其他国家。然而，据可再生能源和能源效率联盟（REEEP）估计，中国45万个风力发电机系统中约有25万台仍继续发电，其余的已经停用，原因是中国建立小型风力发电市场较早，于1980年年初就将小型风力发电机推广到内蒙古广大的草原地区和风能资源较好的无电地区，其中一部分已经年久失修，不再运行，后来生产销售的一部分风力发电机组被用来替换早先的风力发电机，估计每年的替换率大约在10%。
截至2010年年底，世界小型风力发电机总装机容量达到443.3MW。美国总装机容量达到 179MW，约占世界总装机容量的 40%。美国的成就受益于各级政府制定的可再生能源扶持政策和针对小型风电项目的资金援助。与中国平均每台装机容量600～800W相比，美国和英国安装的小型风力发电机的平均容量较大，分别为1.24kW和2.0kW，约是中国的1.8倍和2.9倍。图1-7为至2010年年底世界各国小型风力发电机累计安装总容量图。
小型风力发电机越来越多地应用于并网发电系统。在过去的10年中，西方分布式并网市场的需求推动了容量在10～100kW之间的小型风力发电机的发展。直到 2009年，全球销售的小型风力发电机中约有34.4MW 是用于并网，占市场总量的82%，其余的7.6MW用于离网发电。图1-6 至2010年年底小型风力发电机世界累计总安装数量图1-7 至2010年年底世界各国小型风力发电机累计安装总容量
尽管西方发达国家对于小型风力发电机有巨大的需求，但目前市场依旧很脆弱。小型风力发电机的销售和生产仍然依赖于政府的扶持政策和资金援助项目的激励程度，只有少数国家能够提供足够的支持性方案。
小型风力发电机市场更多见于离网和微型电网应用盛行的发展中国家。在电网无法延伸的地方，即使没有附加政策的支持，小型风力发电机也往往是经济可行的，比如在一些孤立的海岛上。小型风力发电的发展也为部分或者全部替代高价燃油、破坏环境的柴油发电系统提供可行的替代能源方案。
像中国、美国和古巴等这些国家的农村居民，虽然自20世纪60年代就开始利用小型风力发电机发电，但是小型风能的全球工业化仅在过去的10年中出现了显著的增长。全球5个主要国家（中国、美国、英国、加拿大和德国）的小型风力发电机制造厂商占总数的50%以上。到2011年年底，全球确定有超过330个小型风力发电机制造商可提供商业化的成套小型风力发电机系统，同时预计另外有超过300个厂商提供零部件、技术、咨询和销售服务。
中国、美国、英国已经成为小型风力发电机产业最大的市场，而中国在制造和安装上都是世界的领先者。
在小型风力发电机制造商在世界的分布方面，小型风力发电机仍集中在北美和欧洲的发达国家，发展中国家仍继续呈现相对缓慢的发展。具有丰富的风力资源的非洲、东南亚和南美等这些非常适合小型风力发电机应用的地区还未被开发。
制造商通常将中国和美国视为小型风力发电机的两个最大市场。在2009年销售的（包括出口在内）小型风力发电机数量（台数）中，中国占据市场的比例约为82%，美国和英国分别占8.9%和6.3%。市场需求的驱动因素通常包括成本、政策、标准、认证、技术的实用性以及用户的价值观。1.2.2 小型风力发电机主要应用市场
早期的水平轴风力发电机技术（HAWT）已经占据市场主导地位 30 多年。截至2011年年底，基于对327个小型风力发电机制造商的调查研究，发现在商业化的整机制造商中有74%的厂商生产设计的是水平轴风力发电机，而只有约18%的厂商采用垂直轴设计（VAWT），约6%的制造商已试图开发这两种技术。由于大多数垂直轴机型是近几年才被开发的，因此垂直轴机型的市场份额仍然相对较小。据估计，垂直轴机型的平均额定容量为7.4kW，中等水平额定容量约为2.5kW。与传统的水平轴风力发电机相比，垂直轴的平均额定容量和中等额定容量则显得更小。在统计的157个垂直轴机型中，88%的风力发电机容量小于10kW，75%的风力发电机容量小于5kW。
尽管市场趋势更倾向于具有较大容量的并网系统，但是在发展中国家的边远地区离网系统的应用仍发挥着重要的作用。离网应用包括农村居民用电、通信站、海上发电、路灯等独立及互补的各类混合系统。在中国，2009 年离网系统占据 97%的市场份额，而且目前仍有240万个缺电家庭，因此离网系统将继续发挥重要作用。
最近几年，市场已经开始转向容量较大的并网系统。在美国，2009年的安装容量增加了 15%，而销售的风力发电机数量却减少了 6%，这一现象也说明了市场趋势。截至2011年年底，世界上共有25个小型风力发电机制造商有制造容量在50～100kW之间风力发电机的能力。
1．无电地区电力建设
农场和牧民是现代离网小型风力发电机最早的用户，图1-8所示为内蒙古草原户用小型风力发电机。草原特有的地形特征为小型风力发电应用创造了理想的条件。横跨中国内蒙古及满洲里的草原是应用离网小型风力发电机的主要地区之一。在中国国内的小型风力发电机用户中，内蒙古自治区的用户约占70%。图1-8 内蒙古草原户用小型风力发电机
2．商业和工业应用
小型风力发电机的商业和工业应用通常是并网系统，这种系统可以满足工厂和商店的电能消耗，也可以安装在那些不适合安装大型风力发电机的城市工业区域。小型风力发电机系统的商业和工业应用不仅为业主减少了常规电的使用，塑造了一个积极、绿色的形象，同时也提高了其产品和服务的竞争力。如果业主得到一些补偿（如净计量、上网电价或税收补贴等方案），那么业主可进一步在经济上受益于商业化的小型风力发电机系统。图1-9所示为安装在新疆的石油管道防腐阴极保护风/光互补电源系统。图1-9 石油管道防腐阴极保护风/光互补电源系统
3．海水淡化和提纯
世界范围的人口增长、工业用水量增加以及环境污染使人类对淡水的需求量急剧增加。反向渗透是海水除盐和提纯的一种重要方法。对于缺水地区而言，小型风力发电机可以提供高性价比海水淡化供电电源，如图1-10所示。自2004年以来，美国NREL已经开始对风能海水淡化系统进行研究。该技术已经成功应用于包括希腊和荷兰在内的不同国家的现实生活中。在荷兰，一个5kW的风力发电机在日平均风速为5m/s的情况下，可成功产出2 000～3 000L饮用水。图1-10 风能海水淡化系统
4．渔业和游船
渔民和水手大部分时间在湖（河）面或海上工作，这就使得小型风力发电机可以利用水面上更好的风能资源来发出清洁的、噪声小的、便利的电能。如：在中国的洪湖，约有20%的家庭在其渔船上安装有1～2套容量为200～500W的小型风力发电机供电装置。图1-11所示为海上网箱养鱼风力发电系统，其发出的电能可以满足照明、电视机和冰箱等日常用电的需要。在负荷较低的几小时内，剩余的电能可用来给手机电池、笔记本电脑电池以及探照灯电池等充电。安装在供休闲娱乐的船只上面的小型风力发电机，有效地减少了柴油机的能源消耗量。对这个特殊的消费群体而言，安装风力发电机需要的最初投资几乎不是一件难事。
5．边防哨所
小型风力发电机不仅可以利用风能发出清洁电力，同时也展示出了用户在环保方面积极的绿色形象。小型风力发电机技术不断提高，使得供电系统越来越高效可靠，军队也开始推广应用小型风力发电机以替代柴油发电机，来满足他们在偏远地区边防站的用电需求。图1-11 海上网箱养鱼风力发电系统
6．互补混合系统
近几年风能与其他可再生能源混合系统变得越来越流行。风/光互补路灯是市场上推广最快的互补发电应用之一。配有蓄电池的互补混合系统，显著地提高了整个供电系统的可靠性，使电能供给的波动性降到了最小。其余的互补混合系统还有风/柴互补发电系统、风/光/柴互补发电系统、风/光/生物质能互补发电系统、风/水互补发电系统等。
7．抽水系统
抽水是传统风车的一个主要应用。现在小型风力发电机抽水通过机械或电力抽水的形式应用于农业灌溉和水库供电。在缺水地区，离网小型风力发电机将取代传统的柴油发动机发电，给水泵提供动力，为人们提供既经济又便利的水资源。
8．社区住宅
除了传统的离网住宅应用，在欧洲和北美国家的政策扶持和补偿方案激励下，小型风力发电机的并网应用对于住宅房主来讲正变得越来越有吸引力，超过80%的全球小型风力发电机制造商现正积极从事并网系统的应用研究与开发。户用建筑一体化的小型风力发电机不仅将可再生能源电力并于电网中，同时也促成城市用户对于风能发电的认可。这些风力发电机与家庭的贴近性也可以教育后代认识到可再生能源的重要性。然而由于受到城市中各种障碍物（建筑物、树木等）的影响，城市的风能（气流）情况变得比开放空地的风资源要复杂得多，在城市地区安装小型风力发电机前，应对拟安装风力发电机的局部地区的风资源情况（主要是湍流）有较详细的了解。
9．通信基站
一些位于偏远地区的通信塔，由于电网无法延伸或者建立电网经济性太差，通常用柴油发电机为基站供电。独立供电的离网型风力发电系统正在成为柴油发电机组的替代能源，具有相当大的优势。目前，我国的小型风力发电系统在通信基站中的应用十分广泛。大约有 30 万个通信基站可以采用风力发电或图1-12 安装在南极中山站的独风力混合发电系统代替柴油发电机发立风力发电系统电。图1-12所示为安装在南极中山站的独立风力发电系统。1.2.3 市场驱动因素
1．成本
系统成本仍然是小型风力发电机普及过程中影响最大的因素之一。在美国，小型风力发电机的安装成本在 3 000.00～6 000.00 美元/kW 之间，电能生产成本为0.15～0.20美元/kW·h。在这些情况下，使用风力发电并入电网的地区，只有靠经济激励政策，才能形成小型风力发电机的购买市场。在中国无电地区，许多用户将风力发电机的价格和经济承受能力作为他们购买风力发电机的首要参考因素。市场上的低价格风力发电机往往寿命周期短，使用时，在风力发电机的生命周期中大量的维护和管理工作增大了用户的成本。技术进步是降低成本的重要措施。
2．政策
对于小型风力发电机组的离网应用，主要是边远的农村无电地区。这些地区往往经济发展缓慢，居民收入较低。虽然小型风力发电机在运行过程中无需投入燃料费用，但它的前期设备投入较高，超出了当地居民的承受能力，这成为小型风力发电系统在无电地区大面积推广的主要障碍。政府从社会责任出发，如果建立起一套适合在无电地区推广包括风能在内的可再生能源电力供应的补偿机制，则可解决用户的“前期之忧”。
另一方面，小型风力发电机市场受益于上网电价，日益影响世界发展趋势。世界上50多个国家都依赖上网电价作为一种促进可再生能源产业的机制，主要有风能和太阳能产业。不幸的是，在大多数国家，包括风力发电机的最大市场中国在内，缺乏关于小型风力发电机的上网电价方案。长期可行的小型风力发电机的主要能源政策关系到上网电价、抵免税收和成本补贴等方面的问题，是稳定市场的重要因素。激励可再生能源利用政策，对小型风力发电机行业的发展发挥着重要作用。
3．标准、检测和认证
标准和认证的发展，将有助于促进具有高性能的小型风力发电机的销售，保护消费者的利益，促进健全、良好的市场增长。由于小型风力发电机相对比较靠近用户，因此风力发电机的安全性和噪声问题已经变得非常重要，由国际电工委员会（IEC）制定的国际公认的IEC 61400-2 标准（第 2 版，2006）规定了具体的安全设计要求。美国、加拿大和英国风能协会协调一致努力开发“小型风力发电机的性能和安全标准”IEC 61400-12-1（性能）和 IEC 61400-11（声学），它是IEC 61400-2（SWTs设计）标准的子标准。衍生的标准后来分别被北美的小型风力发电机认证委员会（SWCC）和英国风能协会微型发电机认证组织（MCS）采用。目前，IEC已经准备颁布更具操作性的61400-2第3版。
4．适合小型风力发电应用的风资源评估
电能输出是评价风力发电机经济性能的主要指标之一。要使一台小型风力发电机输出尽可能多的电能，其先决条件是当地具备良好的风资源。由于在城市环境中，测量风能资源的复杂性和高成本性，风资源评估对小型风力发电机产业提出了挑战。当风力发电机安装高度低于30m时，周围障碍物产生的阴影和湍流效应将产生一种不稳定且不可预测的风力模式。采用传统风资源地图的数据是不适用的，因为风资源地图中测评风力的条件是安装高度在50m以上，且是区域性的，然而大多数的小型风力发电机高度都不到 30m，而城市中的风资源情况更为复杂。因此，研发低成本、有效地检测和收集当地的风能资源数据，建立起适合小型风力发电机应用的风资源模型，是促进小型风力发电机市场发展的一个重要的驱动因素。这就需要进一步降低成本和技术创新。1.2.4 市场预测
近几年，政策的扶持有望增加小型风力发电机的装机容量。从长远来看，在全球小型风力发电机行业中，风力发电机市场会逐渐地从政策驱动的发展模式演变成一个由风力发电机本身的生产力和可购性决定的发展模式。化石燃料价格的增长、全球变暖和不断增长的电力需求将是驱动小型风力发电机行业发展的3个长期的重要因素。然而，为了让小型风力发电机技术趋向成熟，小型风力发电行业的发展必须由扶持政策和行业标准来共同促进。由于小型风力发电机技术挑战了传统意义上的发电方式，同时也彻底改变了设备和用户之间的关系，因此小型风力发电机的市场过渡必然需要时间和用户的决心。图 1-13 是世界风能协会（WWEA）给出的未来几年小型风力发电产业的发展趋势。图1-13 2020年小型风力发电机装机容量预测
在过去的几年中，小型风力发电行业在全球的装机容量显示出平均每年35%的增长趋势。这个增长速度预计将持续到2015年，届时小型风力发电机的每年装机容量将达到 288MW。在这段时间内，各个国家和国际小型风力发电机组织将能够建立更严格的、结构化的标准和政策，以规范市场和支持投资。根据保守估计，从 2015 年到2020年，小型风力发电机市场将以20%的复合增长率稳定地增长。到2020年，预计该行业每年新增的装机容量将达到750MW，累计装机容量将达3 817MW。
1.3 我国小型风力发电应用现状和前景
小型风能设备产业是我国可再生能源领域中最早发展的产业之一，起步于20世纪70年代，成长于20世纪80年代，发展于21世纪初，经过长期艰苦历程，由起初主要作为扶贫项目解决边远无电地区农牧渔民生活用电问题，逐步扩大到边防哨所、内陆湖泊、通信基站、油田采油、近海养殖、农副产品烘干、海水淡化、扬水灌溉、高速公路监测、海上交通管制、气象站、电视差转台、城乡道路风/光互补路灯等领域，目前逐渐将小型风力发电机组用于并网发电，这些新的应用领域的拓展，极大地促进了我国小型风力发电产业的发展和进步。
小型风能设备产业自形成以来，经历了许多曲折与困惑，技术问题、质量问题、市场问题都曾影响过本产业发展。近年来，随着人们对全球气候变化和节能减排的关注，特别是在《可再生能源法》等政策法规的推动下，小型风力发电的应用领域不断拓展，产业得到蓬勃发展。据中国农业机械工业协会风能设备分会（风力机械分会）的不完全统计，目前我国已有130多家小型风能设备生产企业。从38个主要生产企业统计的数据来看，2010年市场总销售中小型风力发电机组达13.46万台，销售容量达120.4MW。小型风能设备产业为保护环境、减少矿物燃料的使用做出了一定的贡献。
当前，在风能（主要是大型风力发电）、太阳能和生物质能等可再生能源利用蓬勃发展的大好形势下，却少有政策惠及到小型风能产业；30多年来，也没有专门的媒体对本行业进行宣传报道。为了增进小型风能行业之间的合作与交流，促进小型风能设备产业的健康发展，中国农业机械工业协会风能设备分会（风力机械分会）从20 11年起决定组织编辑出版《中小型风能设备与应用》杂志，积极地宣传我国中小型风能产业的政策法规，展示中小型风能产业的发展业绩。同时也反映产业发展过程中的不足，提出中小型风能产业发展的建议，为行业健康成长提供一个交流平台，这必将促进行业的健康发展。1.3.1 我国小型风力发电行业现状
据研制、生产单位不完全统计，截止到2010年年底，从事中小型风力发电机组生产的企业超过百家，其中主要生产企业有38家。在这38家企业当中又有部分企业在整个行业中占有重要位置，其中包括：扬州神州风力发电机有限公司、宁波风神风电科技有限公司、安徽蜂鸟电机有限公司、广州红鹰能源科技有限公司、中科恒源能源科技股份有限公司、北京远东博力风能设备有限公司、浙江华鹰风电设备有限公司、青岛安华新源风电设备有限公司、上海致远绿色能源有限公司和北京希翼新兴能源科技有限公司等。
主要科研单位有：中国科学院电工研究所、内蒙古工业大学能源动力工程学院、沈阳工业大学风能所、汕头大学能源研究所、华北电力大学可再生能源学院、西北工业大学、中国空气动力研究与发展中心低速所、中南大学长沙铁道学院、江苏南通紫琅职业技术学院和水利部牧区水利科学研究所等。
目前，我国生产的中小型风力发电机组共有19个品种，单机容量为100W～100kW，年生产能力约 20 万台。2011 年，我国中小型风力发电行业全年总销售量达到16.5万台，总销售额为14.6亿多元；产品总出口量达到5.15万台，出口量占总销售量的比重为31.1%。中小型风力发电机组在风/光互补路灯、边远无电地区的“送电到乡”工程、移动通信基站、公路和森林防火监控、分布式微电网、国防的边防站领域都得到较广泛应用。
2012 年，国际经济发展持续低迷，我国经济发展放缓，市场压力加大。中小型风力发电产业由于战略性新兴产业和可再生能源产业的背景，才在经济复杂的情况下，没有像其他产业一样出现经济的大幅度下滑。国家在一系列产业发展规划中，虽然把中小型风力发电产业列入其中，但仍然没有出台明确性的补贴规定；国内局部地区对中小型风力发电的一点积极政策，未能拉动中小型风力发电产业在近些年中的持续发展形势。2012年，中国农业机械工业协会风能设备分会（风力机械分会）对国内数家重点中小型风力发电制造企业的调研显示，除少数企业有较大增长业绩外，大部分企业都感到市场在缩小，销售业绩下降。中小型风力发电产业面临国家支持政策少、融资有困难、市场不规范、标准不完善、产品质量和售后服务存在缺陷、测试手段落后、认证进度缓慢等许多问题与难点。这些问题与难点的存在，对行业发展形成一定障碍，影响行业的正常发展。1.3.2 发展我国小型风力发电产业的有利条件
我国具有发展小型风力发电产业的非常有利的条件。
① 我国是世界上小型风力发电机组的生产大国。世界上2/3的风力发电机组是由我国生产制造的，生产成本具有优势。
② 风力发电与其他可再生能源技术不同，我国拥有生产和研发小型风力发电机组的自有技术和知识产权，与国际上的先进水平差距不大，产业的发展不会受制于别国的技术。
③ 小型风力发电设备规格较为齐全，性能较为可靠。我国已经能够生产100W～30kW的风力发电机组，且设备的可靠性较高，能够满足国内各类应用场合的需要。同时，我国也已经研制出50kW和100kW的风力发电机组，并开始小批量制造和投入市场，为在我国各领域大量应用小型风力发电机组打下了坚实的基础。
④ 我国从20世纪80年代初期就开始批量应用小型风力发电机，从内蒙古草原逐步扩展到三北地区、沿海地区和湖区，从边远无电地区的应用扩展到通信基站、油田抽油机、城镇道路路灯等的应用，已积累了丰富的经验，为今后的成功应用打下了坚实的基础。
⑤ 产业化生产的规模已经基本形成。我国拥有世界上最多的小型风力发电机组制造企业，所有的零部件生产和供应基本上都能立足于国内，并有一定的研发能力。
⑥ 我国有丰富的风力资源，10m高度的技术可利用风能储量约为2.53亿千瓦。对于中小型机组来说，我国的风力资源非常丰富，潜在市场巨大。1.3.3 我国小型风力发电市场现状
我国小型风力发电市场通过“光明工程”和“送电到乡”等项目的实施，在电网不能延伸的偏远地区大约有150万农牧民家庭利用小型风力发电机组实现了家庭通电，使小型风力发电市场得到了较快的发展，也为我国无电地区的电力建设、边境稳定、新农村建设及和谐社会的发展做出了巨大的贡献。
近年来，我国的小型风力发电市场已经从解决边远农村电力为主向城市街道照明和移动通信独立电源等工业应用方向发展，市场发展迅速。目前新的应用领域还在不断拓展，城市屋顶能源与分布式电源应用逐年增加。但是，我国小型风力发电市场仍面临着各方面需要解决的问题。
1．加强技术进步
目前，中小型风力发电产业与大型风力发电和光伏产业规模无法比拟，对国民经济形不成经济支柱，使得设备制造企业多为中小企业，规模偏小，自主创新能力差，技术进步缓慢。在现行政策条件和市场规则下，中小型风力发电产业在国家新兴产业中无法与大型风力发电、光伏产业相提并论，科研投入相对少，也制约着技术进步。
2．急需政策落实
美国在2009年10月通过了对小型风力发电设备的税收优惠政策，30%的建设成本可以用来抵税；英国政府为达到2020年其电力需求35%来自“绿色动力”的目标，对安装小型风力发电机的农场主、居民给予 40%～60%的财政补贴，富余电量部分还可以并入电网，实行双表计量，有效调动了业主的积极性。而我国中小型风力发电行业没有得到国家相应的具体政策支持，用户侧并网发电手续烦琐，因此市场发展滞后。
3．标准陈旧，缺乏检测和认证体系
我国目前正在实施的与离网型风力发电产业有关的标准共有37项，其中的32项在2004年或以前制定，占全部标准的86.5%；2004年制定并实施了16项，占43.2%。在37项标准中，国家标准13项，占现行标准的35.1%。其中，大部分为2003年或以前制定的，仅4项国家标准为2003年以后制定。我国较新的和中小型风力发电有关的国家标准仅一项GB/T 25382——2010《离网型风/光互补发电系统运行验收规范》。可见我国中小型风力发电的相关标准过于陈旧，产业发展的关键难题和障碍是标准的缺失，缺乏检测和认证体系，在新的发展阶段不足以指导或管理产品设计、生产、质量、安全等；缺乏检测标准，没有并网标准，没有制定认证体系，产品得不到认证，无法遏制劣质产品混入市场，无法与国际市场接轨。
4．加强市场宣传与监管力度，提高服务水平
人们对小型风力发电系统的实用价值认识不足，行业内对风力发电系统的应用成果宣传力度也不够；市场对中小型风力发电产品的监管不力，售后服务不及时；产品应用的失败案例产生负面影响，使用户对小型风力发电产品信心不足，给新产品的市场推广增加了难度。
另一方面，小型风力发电产业具有非常好的市场前景。
① 据中国电监会2012年公布的统计数据，目前中国还有256个无电乡镇、3 817个无电村、93.6 万户无电户、387 万无电人口，主要分布在新疆、西藏等14个省（自治区）。其中至少 40%可以利用小型风力发电系统来解决供电问题。东南亚及南亚和非洲国家也还有大量的无电人口，全世界约有2亿的无电人口可以利用风力发电解决用电问题。
② 解决移动通信、部队哨所、孤立海岛的用电问题，也是小型风力发电系统的潜在应用市场。
③ 风/光互补道路照明是风力发电利用的新领域，它不仅能减少城市道路照明对常规电力的消耗，减少常规电网的建设，也为农村照明提供了新型解决方案。
④ 目前已有风力发电机组用于为油田的移动抽油机供电，以绿色电力代替柴油机发电和常规电网电力；小型风力发电系统逐渐进入工业领域。
⑤ 目前，我国已经成功利用风力和光伏发电系统为海岛的用户提供经过淡化的海水饮用水，解决了当地居民的缺水问题。
⑥ 小型风力发电系统在分布式发电系统中是一种具有发展前途的发电系统，在世界的发达国家已经得到广泛应用。我国如能鼓励上网并制定合理的上网电价，小型风力发电系统的应用将更加广泛，不仅具有保护环境的意义，还能发展当地经济，增加业主的收入，促进新能源市场的发展。
第2章 风能和风资源评估
2.1 风的基本概念及分类
2.1.1 风风是人们非常熟悉的、地球上的一种自然现象，风无处不在。风能是人类最早利用的低价，清洁环保，便捷，“取之不尽、用之不竭”的能源之一。
风是空气的流动现象。太阳辐射造成地球表面受热不均，大气层中产生压力差，从而引起大气的运动即形成风。流动空气所具有的动能就称为风能。
空气的运动主要是由于地球上各纬度所接受的太阳辐射强度差异而形成的，大气真实运动是多种力综合影响的结果，形成如图2-1所示的大气环流。除此之外，由于地球上局地环境的不同，可以产生局地性的气流。由地球上局地性气流产生的风，常见的有季风、海陆风、山谷风等。图2-1 地球表面风的形成和风向2.1.2 风的分类
1．季风
由于大陆和海洋在各个季节中受热和冷却程度的不同，产生的风向随季节会发生规律性变化。夏季，陆地迅速升温，海洋相对温度较低，因此陆地气压低于海洋，气流从海洋吹向大陆，形成夏季风；冬季情况则正好相反，风从大陆吹向海洋。这种每隔半年冬夏风向相反的环流称为季风环流。较好地掌握季风演变的规律，对风能利用的规划和开发将起到十分重要的作用。
2．海风、陆风与海陆风
有海陆差异的地区，白昼大陆上的气流受热上升至高空流向海洋，到海洋上空冷却下沉，在近地层海洋上的气流吹向大陆，补偿大陆的上升气流。低层风从海洋吹向大陆，称为海风；夜间（冬季）情况相反，低层风从大陆吹向海洋，称为陆风。
海陆风的形成与季风相同，也是由于大陆与海洋之间的温度差异的转变引起的。不过海陆风的范围小、周期短、势力较弱。海陆温度差异是一日之内的周期变化，因此在海岸附近造成了以一日为周期的海陆风交替。在海岸附近，白天等压面向陆地方向倾斜，使地面附近有风自海洋吹向大陆；夜间则相反，图2-2 海陆风形成示意图由陆地吹向海洋，而距离地面较远的上层的风却与地面相反，从而形成海陆风环流。海陆风的强度在海岸附近最大，海风要比陆风强，有时可达 4～7m/s，从而成为近海地区风能的重要来源，如图 2-2所示。
3．谷风、山风和山谷风
山区的风有这样的特点：白天太阳出来，山顶空气受热后上升，空气沿着山谷（山坡）爬向山顶，即风是从山谷吹向山腰、山顶，这样形成的风称之为“谷风”。晚上，太阳下山，山顶和山腰空气冷却很快，而集聚在山谷里的空气还是暖暖的，这时，山顶和山腰的冷空气流向谷底，即风从山顶、山腰吹向山谷，这样形成的风称之为“山风”。
山谷风是由于山地附近山坡与周围空气受热不同造成的，如图2-3所示。白天，山坡接收太阳光热多，被加热的暖空气不断上升，而谷底上空相对较冷的空气则下沉补充，形成山谷风环流。晚间山坡降温快，于是又形成了相反的环境。山谷风一般较弱，谷风比山风大，一般也只能达到2～4m/s的风速。但在某些地区情况并非如此，有时风速可达7～10m/s，在隘口风速更大，同样可以作为风能的来源。图2-3 山谷风形成示意图
2.2 风的主要参数
风速和风向是描述风特性的两个重要参数，除此之外，还有风级、风能密度（平均风能密度、有效风能密度）等。2.2.1 风速
通常用风速来衡量风的大小。风速表示气流移动的速度，即在单位时间内空气块水平方向上所移动的距离。
风速的测量仪器有旋转式风速计、散热式风速计、超声波风速计和风廓线仪等。风速记录是通过信号的转换方法来实现的，一般有以下4种方法：①机械式；②电接式；③电机式；④光电式。
风速是一个随机性很大的量，随时间和季节的变化都有可能发生变化，甚至瞬息万变。利用测风设备测得的风速是在一个极短时间内测到的风速，即瞬时风速。要想得到平均风速，就要在一定的时间段内测得多次瞬时风速，然后计算它们的平均值，例如日平均风速、月平均风速、年平均风速等。
计算平均风速有如下的公式：
式中，VE是平均风速；Vi是某时间点对应的瞬时风速；n是所选取的样本点的总数。即计算平均风速就是把在一段时间内测得的风速相加后再除以采样所得风速的个数。
表示风速的常用工具有数据表格、柱状图、折线和曲线等，如图2-4所示。图2-4 表示月平均风速的几种方法2.2.2 风向
气象上把风吹来的方向定义为风向。因此，风来自北方叫做北风，风来自南方叫做南风。主要风向有东风、南风、西风和北风等。
风向随时随地都不同，风随时间的变化而变化，包括每日的变化和各季节的变化。季节不同，太阳和地球的相对位置就不同，造成地球上的季节性温差，形成风向季节性变化。我国大部分地区风的季节性变化情况是：春季最强，冬季次之，夏季最弱。当然也有部分地区例外，如沿海温州地区夏季季风最强，春季季风最弱。
通常用“风玫瑰”图表示某一地区某一时间段内的风向、风速等情况。风玫瑰图是根据气象站观测得到的风资源数据绘制而成的图，因该图的形状像玫瑰花朵，所以命名为“风玫瑰”。
风玫瑰图上所表示风的吹向（即风吹来的方向），是指从外面吹向地区中心的方向。风玫瑰图分为风向玫瑰图和风速玫瑰图两种，一般多用风向玫瑰图。
风向玫瑰图表示风向和风向的频率。风向频率是在一定时间内各种风向出现的次数占所观察次数的百分比。根据各方向风的出现频率，以相应的比例长度，按风向从外吹向中心，描述8个或16个方位表示在图上，然后将各相邻方向的端点用直线连接起来，绘成的图形就是风玫瑰图。图中线段越长，即从外面到中心的距离越大，表示该方向上的风向出现的频率越大，它就是当地主导风向；从外面到中心的距离越小，表示该方向上的风向出现的频率越小，它就是当地风向频率较小的方向。
风向一般用16个方位表示，即北东北（NNE）、东北（NE）、东东北 （ENE）、东（E）、东东 南（ESE）、东南（SE）、南东 南（SSE）、南（S）、南西南（SSW）、西南（SW）、西西南（WSW）、西 （W）、西西北（WNW）、西北（NW）、北西北（NNW）、北 （N），如图2-5所示。图2-5 风玫瑰图
图2-6给出一个用玫瑰图来描述某地年风向变化的实例。图2-7则用12个玫瑰图来描述一年中12个月的风向变化和分布频率。图2-6 年风向玫瑰图图2-7 月风向玫瑰图
风向可以由风向标、风向风速仪等测风设备测定。目前，市面上销售的这些测风仪器在技术及应用方面都已经很成熟。2.2.3 常用风速单位及相互间的转换
各国表示风速单位的方法不尽相同，如m/s（米/秒）、n mile/h（海里/小时，其中“n”为“nautical”的缩写）、km/h（千米/小时 ）、ft/s（英尺/秒）和 mile/h （英里/小时）等。其中，m/s为基本的国际单位。
各种单位间的换算见表2-1。表2-1 风速各种单位换算注：1n mile 等于 1.852km；1km等于 1 000m；1mile 等于 1 609m；1ft 等于 0.304 8m；1h 等于3 600s。
通常，各国基本都以10m高度处为观测基准，时距为10min。2.2.4 风级
风级是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象，按照风力强度等级来估计风力的大小。早在1805年（也有人说1806年），英国人弗朗西斯·蒲福就拟定了风速的等级，即目前世界气象组织所建议的分级，国际上称为“蒲福风级”（蒲福数即“风级”，Beaufort scale），当时把风速定为 13 级，即从 0～12 级。自 1946 年以来，人们发现自然界的风力实际可以大大超过 12 级，所以对风级又作了修订，由原来的13个等级增加到18个等级，但常用的还是0～12级。
风级、风速以及相应海面、陆地表现对照表如表2-2所示。表2-2 蒲福风级对照表续表
在一些参考书上，我们还能看到如下的风能等级表。这是风能等级，说的是风中所含的能量等级，不是风速等级，读者应避免混淆。表2-3列出了在10m高度和50m高度的风能等级及相应的风速范围。表2-3 风能等级表资料来源：Battelle Wind Energy Resource Atlas注：① 垂直风切变是基于1/7指数规律。② 平均风速分布采用等值风能密度的 Rayleigh 速度分布。风速在标准海平面高度下测得。为了保持同样的能量密度，每增加海拔高度 1 000m（5 000ft），风速应增加 3%（5%）。
2.3 风能相关的主要参数
风能的利用形式主要是将大气运动时所具有的动能转化为其他形式的能量。因此计算风能的大小也就是计算气流所具有的动能。
在单位时间内流过某一截面的风能，即为风功率，符号为W，其计算公式为：2−3
式中，W是风功率，单位为kgms（即W）；ρ是空气密度，单3位为kg/m；v是风速，单位为m/s；A是空气流过的截面面积，单位2为m。
以上公式是我们常用的风功率公式。在风力工程上习惯称此公式为风能公式。从上式可以看出，风能大小与气流通过的面积、空气密度和风速的立方成正比。因此，在风能计算中，最重要的因素就是风速，风速增加1倍，风能可以增大8倍。风速取值准确与否对风能潜力的估算有决定性作用。2.3.1 风能密度
衡量一个地方风能的大小，评价一个地区的风能潜力，风能密度是最方便和有价值的量。风能密度是气流在单位时间内垂直通过单位2面积的风能，单位为W/m。风能密度和空气的密度有直接关系，不同地方、不同条件的风能密度是不同的。一般来说，海边地势低，气压高，空气密度大，风能密度也就高。在这种情况下，若有适当的风速，风能潜力就大。高山气压低，空气稀薄，风能密度就小些。但是如果高山风速大，气温低，仍然会有相当大的风能潜力。所以说，风能密度大，风速又大，则风能潜力就好。2.3.2 平均风能密度
由于风速是一个随机性很大的量，必须通过一定时间的观测来了解它的平均状况。在一段时间长度 t内的平均风能密度，可以通过采取将风能密度公式对时间积分后取平均值的方法求得。2.3.3 有效风能密度
风力工程中，把风力发电机开始运行做功时的风速称为“启动风速”；将风力发电机达到额定功率输出时的风速称为“额定风速”；当风速大到某一极限风速时，风力发电机就有损坏的危险，必须停止运行或者空载飞车运行，这一风速称为“停机风速”。因此，在统计风速资料计算风能潜力时，必须综合考虑以上因素。通常将“启动风速”到“停机风速”之间的风速称为“有效风速”，将这个范围内的风能称为“有效风能”。
有效风能密度就是指有效风能范围内的风能密度。2.3.4 风频和风频分布
风频是用来描述某一观察点各种不同风速的频率分布的。风频可以用表 2-4或图2-8所示的方法来描述。由于风能和风速的立方成正比，获得风频信息对决定一个地点是否适合风力发电是至关重要的。表2-4 风频分布（例）
进一步分析上述公式可以看出，风力发电机所需要承受的能量变化范围是非常大的。例如，假设某风力发电机的有效工作风速为 3～20m/s，分别以 3m/s 和6m/s为例，利用风能公式计算对应的风中能量，分别为：3
v =3m/s，此时风中的能量W =1/2 ×ρ×A× 3 ；113
v =6m/s，此时风中的能量W =1/2 ×ρ×A× 6 。2233
计算W /W ，结果发现比值为6 /3 =216/27 = 8倍，即风速从213m/s提高到6m/s后（提高2倍），风中的能量提高到原来的8倍。图2-8 风频分布
由此可见，风速的微小变化会引起风中能量的极大变化。进而推33算，如果风速从3m/s增加到20m/s，则能量变化为20 /3 =8 000/27 = 296倍；到 50m/s时，风中能量的变化将是非常惊人的，达到3350 /3 =125 000/27 = 4 630 倍。
如此惊人的能量变化，对风力发电机的可靠性等提出了很高的要求，即要求风力发电机能接受的能量变化范围要在几倍、几十倍甚至几千倍，如此周而复始的频繁变化。所以人们往往错误地认为做小型风力发电机很容易，其实，“做风力发电机难，做出高可靠性的风力发电机更难”。
2.4 风和风能的其他特征
局部地形对风能的影响是不可低估的。有时气流通过一个障碍，如小山包等，其产生的影响范围将达到下游5～10km的范围。有些地区的风是由于地面粗糙度的变化形成的。2.4.1 气流特征和局部地形对风速的影响
风速（气流）在受到如建筑物、树木的遮挡以及山口、斜坡和山脊地形的变化等若干因素的影响时会发生变化。局部地形对风能的影响是不可低估的，有时这种变化还是很剧烈的。在一个小山丘前，气流受阻强迫抬升，所以在山顶流线密集，风速加强。山的背风面，由于流线辐散，风速减小。图2-9～图2-13分别解释了某些地理因素对风速造成的影响。了解局部地形对气流的影响，对正确选择合适的风力发电机安装位置具有非常重要的意义。
1．障碍物对气流的阻挡
气流在经过障碍物时，运动速度会减慢，并在障碍物后面形成紊流，如图2-9所示。图2-9 障碍物对气流的影响
2．山口对风速的影响
风在经过山口时得到加速，如图2-10所示。图2-10 在经过山口时风速加强
3．斜坡对气流的影响
斜坡对气流的影响如图2-11所示。气流在经过陡峭的斜坡时会加速，而在陡峭斜坡的正面会形成无风区域，如图2-11（b）、（d）所示。
4．山脊形状对风速的影响
山脊形状对风速产生影响，影响的程度视山脊的形状而定。图2-12描述了不同山脊形状（三角形、弧形、平顶、陡坡和断崖绝壁）对风速的影响。其中，三角形的加速最大，断崖绝壁的加速最小。图2-11 斜坡对气流的影响图2-12 不同山脊形状对风速的影响2.4.2 风切变
风切变又称风切或风剪，是又一种大气现象。它反应了风速随着高度变化而变化的情况。
风切变是指：在垂直于风向的平面内的风速随高度的变化情况（见图2-13），包括气流运动速度的突然变化和气流运动方向的突然变化。通常，在山地地区，由于地面摩擦消耗运动气流的能量，在山地风速是随着离地面高度增加而增加的，这也是风切变作用的结果。
通常采用如下公式计算风切变：
式中，α是风切变指数；Z是任取的一点高度（如25m）；Z是任12取的另一点高度（如40m）；v是在高度Z处的风速；v是在高度Z1122处的风速。
换一个角度理解，同一台风力发电机组在不同的高度（即不同的塔架高度），获得的风能是不同的，如图2-14所示。图2-14所示为当同一台风力发电机组的安装高度从10m增加到20m、30m和40m时所获得的能量变化。图2-13 风切变图2-14 风切变对风力发电机输出的影响
典型的风切变指数如下：
水面/海边：0.10～0.15；
缓慢起伏的农地：0.15～0.25；
树林/山区：0.25～0.40 +。
根据以上公式和相应的风切变指数，就可以计算出同一水平面上的任意高度风速的变化情况。
例如，如果测风高度为10m，测风高度处的风速为5m/s，风力发电机水平主轴的中心位置高度为24m，则根据上述公式可以估算在风力发电机水平主轴的中心位置，高度为24m处的风速：
也就是说，对同一台风力发电机，在其他条件相同的情况下，塔架的高度越高，所得到的风速越大。2.4.3 紊流和扰动
由于摩擦、旋涡、热交换以及地形诱导等原因，人们测得的气流速度总是围绕一个平均值摆动，这个平均值代表大气的大体移动，而反映空气局部流动的摆动（或脉动）部分，称为紊流。扰动通过削弱风力在叶片上的作用来减少风力发电机的输出，并可能导致风力发电机的损坏，如图2-15所示。图2-15 扰动
上述诸多因素造成风能的小气候现象非常明显。小气候是在具有相同的大气候背景的范围内，在局部地区，由于地面条件（如地形方位、土壤条件、植被等）影响而形成与大范围气候不同的贴地层和土壤上层的独特气候。小气候的特点主要表现在个别气象要素变化剧烈，以及个别天气现象上的差异。
与太阳能资源分布相比，风能的小气候现象具有覆盖范围小、差别大、变化快等特点。
2.5 我国的风能分布
2.5.1 主要风带我国幅员辽阔，风能资源储量非常丰富，风能资源丰富区主要包括东北、西北、华北地区和东部沿海及岛屿，内陆有局部风能丰富区域，近海风能资源也非常丰富。我国风能资源可以划分为如下几个区域。
1．北部地区风能丰富带
北部地区风能丰富带包括东北三省、河北、内蒙古、甘肃、宁夏和新疆等省（自治区）近200km宽的地带，年平均风能密度在200～22300W/m，有的可达500W/m以上，如阿拉山口、达坂城、辉腾锡勒、锡林浩特的灰腾梁、承德围场等。
2．沿海及其岛屿地区风能丰富带
沿海及其岛屿地区包括山东、江苏、上海、浙江、福建、广东、广西和海南等省（市）沿海陆上距海岸线近10km宽的地带，年平均2风能密度在200W/m以上，风能密度线平行于海岸线。
3．内陆风能丰富区
除了上述风能丰富带之外，内陆大部分地区年平均风能密度一般2在100W/m以下，但是在一些地区由于湖泊和特殊地形的影响，风能资源也较丰富。
4．近海风能丰富区
东部沿海水深 5～20m的海域幅员辽阔，按照与陆上风能资源同样的方法估测，10m高度可利用的风能资源约是陆上的3倍，而且距离电力负荷中心很近。随着近海风电场技术的发展并走向成熟，风电场建设在经济上逐步可行，风能将来必然会成为重要的可持续能源。2.5.2 影响我国风能资源的主要因素
1．大气环流对我国风能分布的影响
东南沿海及岛屿年平均风速在5m/s以上，风速大于等于3m/s的全年出现累计小时数为 7 000～8 000h，风速大于等于 6m/s 的累计小时数可达 4 000h。岛屿上风能资源比较丰富，风能可以集中利用，如福建的台山、东山及台湾的澎湖湾等。一些大岛（如台湾和海南）又具有独特的风能分布特点，台湾风能南北两端大、中间小，海南西部大于东部。
内蒙古和甘肃北部地区高空终年在西风带的控制下。冬半年地面在蒙古高原东南缘，冷空气南下，因此，总有5～6级的风速出现在春夏和夏秋之交。气旋活动频繁，当每一个气旋过境时，风速也较大。这一地区年平均风速在4m/s以上，年平均风能密度为200～300W/2m ，风速大于等于3m/s的风全年累计小时数在5 000h以上。
云南、贵州、西藏、甘肃、陕南、豫西、鄂西和湘西风能较贫乏。这些地区因受西藏高原的影响，冬半年高空在西风带的死水区，冷空气沿东亚大槽南下很少影响这里。夏半年海上来的天气系统也很难到这些地区，所以这里风速较弱，年平均风速约在2.0m/s以下，年平均2风能密度在50W/m以下，有效风力出现频率仅为 20%左右。风速大于等于 3m/s 的风全年出现累计小时数在 2 000h 以下，风速大于等于 6m/s 的风在 150h 以下。在四川盆地和西双版纳年平均风速小于1m/s，这里全年静风频率在60%以上。
2．海陆和水体对风能分布的影响
我国沿海风能比内陆丰富，湖泊比周围湖滨丰富。有效风能密度、风速大于等于3m/s和风速大于等于6m/s的风的全年累计小时数的等值线不但平行于海岸线和湖岸线，而且数值相差很大。福建海滨是我国风能分布丰富地带，而距海50km处，反变为风能贫乏地带。若台风登陆时在海岸线上的风速为 100%，而离海岸50km处，台风风速为海岸风速的68%左右。
3．地形对风能分布的影响
地形对风能分布的影响，可分为山脉、海拔高度和中小地形等几个方面。
① 山脉对风能的影响。气流在运行中遇到地形阻碍的影响，不但会改变大形势下的风速，还会改变风的方向。其变化的特点与地形有密切关系。一般范围较大的地形对气流有屏障作用，使气流出现爬绕运动。所以在天山、祁连山、秦岭、大小兴安岭、太行山和武夷山等的风能密度线和可利用小时数曲线大都平行于这些山脉。特别明显的是东南沿海的几条东北——西南走向的山脉，如武夷山等。所谓华夏式山脉是指：山的迎风面风能是丰富的，风能密度为 200W/2m，风速大于等于3m/s的风出现的小时数为7 000～8 000h；而在山2区及其背风面风能密度在50 W/m以下，风速大于等于3m/s的风出现的小时数为1 000～2 000h，风能是不能利用的。四川盆地和塔里木盆地由于天山和秦岭山脉的阻挡为风能不能利用区。雅鲁藏布江河谷，也是由于喜马拉雅山脉和冈底斯山的屏障而导致风能贫乏，没有利用价值。
② 海拔高度对风能的影响。在孤立的山地，风速是随着海拔高度的增加而增加的。事实上，在复杂山地，很难分清地形和海拔高度的影响，二者往往交织在一起，如北京、八达岭风力发电试验站同时观测的平均风速分别为 2.8m/s 和5.8m/s，相差3.0m/s。后者风大，一是由于它位于燕山山脉的一个南北向的低地，二是由于它海拔比北京高500多米，是二者共同作用的结果。
青藏高原海拔在 4 000m 以上，这里的风速较大但空气密度小，相同的风速条件下，相应的风能密度也小。如在海拔4 000m的空气密度大约为地面的67%，也就是说，同样是8m/s的风速，在平地海拔22500m以下为313.6W/m，而在海拔4 000m只有209.9W/m 。
③ 局部地形对风能的影响。蔽风地形风速减小，狭管地形风速增大。即使在平原上的河谷，风速也较周围地区大。海峡也是一种狭管地形，与盛行风向一致时，可以起到风速加速作用，如台湾海峡中的澎湖列岛，年平均风速可达6.5m/s。
第3章 风力发电系统的组成及工作原理
风是空气流动的结果，它是由地球自转和太阳辐射共同作用形成的。以风力为动力做功，驱动发电机旋转（风能转换为机械能），产生能量再带动发电机的转子旋转，从而实现导体切割磁力线而发电（机械能转换为电能），这种发电方式叫做风力发电。
3.1 风力发电机的种类
风力发电机的种类和形式有很多，按照风力发电机风轮轴的空间位置分，可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。目前大多数成熟的小型风力发电机组都是水平轴的。3.1.1 水平轴风力发电机
水平轴风力发电机的风轮围绕一个水平轴旋转，风轮轴与风向平行，风轮上的叶片是径向安装的，与旋转轴垂直，并与风轮的旋转平面成一角度（称为安装角）。风轮叶片数目为1～5片（大多为3片和5片），它在高速运行时有较高的风能利用率，但启动时需要较高的风速。而用于风力提水的风力发电机一般取叶片数为12～24片。风力发电机的风轮的转速与叶片的多少有关，叶片越多转得越慢。叶片数多的风力发电机通常称为低速风力发电机，它在低速运行时，有较高的风能利用系数和较大的转矩；它的启动力矩大、启动风速低，因而适用于提水。叶片数目少的风力发电机通常称为高风速机，它在高速运行时有较高的风能利用系数，但启动风速较高。由于其叶片数很少，在输出同样功率的条件下比低速风力发电机要轻得多，因此适用于发电。水平轴风力发电机的风轮旋转轴与风向平行，如图3-1所示。图3-1 水平轴风力发电机3.1.2 垂直轴风力发电机
垂直轴风力发电机的风轮围绕一个垂直轴旋转，风轮的旋转轴垂直于地面或气流方向，如图3-2所示。垂直轴风力发电机在风向改变的时候无需对风，在这点上相对于水平轴风力发电机是一大优势，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。图3-2 垂直轴风力发电机
利用阻力旋转的垂直轴风力发电机有几种类型，其中有利用平板和被子做成的风轮，这是一种纯阻力装置；S形风车，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，但尖速比低，在风轮尺寸、重量和成本一定的情况下提供的功率输出低。
达里厄式风轮是法国G.J.M达里厄于19世纪30年代发明的。在20世纪70年代，加拿大国家科学研究院对此进行了大量的研究，现在是水平轴风力发电机的主要竞争者。达里厄式风轮是一种升力装置，弯曲叶片的剖面是翼形，它的启动力矩小，但尖速比可以很高，在给定风轮重量和成本的情况下有较高的功率输出。现在有多种达里厄式风力发电机，如Φ形、△形、Y形和H形等。这些风力发电机的风轮可以设计成单叶片、双叶片、三叶片或者多叶片。
其他形式的垂直轴风力发电机有马格努斯效应风轮，它由自旋的圆柱体组成，当它在气流中工作时，产生的移动力是由于马格努斯效应引起的，其大小与风速成正比。有的垂直轴风轮使用管道或者旋涡发生器塔，通过套管或者扩压器使水平气流变成垂直气流，以增加速度，有些还利用太阳能或者燃烧某种燃料，使水平气流变成垂直方向的气流。
3.2 发电系统的组成及工作原理
小型风力发电机组的结构相对比较简单，虽然小型风力发电机组的形式多种多样，但总地来说其原理和结构还是大同小异的，通常由叶片、轮毂、变速箱、发电机、主机架、偏航机构、制动装置、机罩和塔架等部件组成。对于小型风力发电机组，为了简化结构、降低成本，一般都没有变速箱和主动偏航机构。3.2.1 系统组成
小型水平轴风力发电机如图 3-3 所示，其一般由导流罩、三叶片、永磁发电机、传动机构−增速齿轮箱（小型风力发电机没有）、机舱、尾翼定向装置等部分组成。
图3-4所示是水平轴风力发电机组，它主要由风轮、发电机、调向装置、机座、制动系统（电子制动或机械制动）、塔架、控制器组成。
图3-5所示是垂直轴风力发电机组基本组成部分，它是由顶部支承装置、风轮主轴、下部支承装置、传动系统与发电机、风轮叶片、风轮横撑、缆索、球铰等部件组成的。图3-3 水平轴风力发电机基本组成部分图3-4 水平轴风力发电机组图3-5 垂直轴风力发电机组基本组成部分3.2.2 工作原理
根据空气动力学原理科学设计和选取叶片，有效利用风能来驱动发电机旋转从而进行发电的方式为风力发电。发电的原理是多种多样的，如利用半导体材料直接将光能转化为电能的光伏发电、将温差转换为电能的热能发电等。这一类发电没有原始能量向机械能的转换，实际上只完成了一次能量转换。另一类发电如水轮机发电、燃气发电等，它们存在着两次能量转换，即必须首先完成原始能量向机械能的转换，然后再将机械能转换为电能。这一类的发电都利用了导体切割磁力线而发电的原理，风力发电机就属于这一类。它将风的动能通过风轮机转化为发电机轴的旋转机械能，再带动发电机的转子旋转，从而实现导体切割磁力线而发电。由风轮带动稀土永磁发电机发电，并经由匹配的相应传输电缆送往控制器进行控制和电能整定后，电能输配到负载直接应用或存储待用。
对于小型风力发电机组，要它发电不难，难的是如何能在各种恶劣的环境下长期稳定地工作，也就是如何对风力发电机组进行必要的保护。大型风力发电机组的保护技术已经很成熟。但是考虑到成本价格因素，所有大型风力发电机组的保护技术都不能移植到小型风力发电机组上。小型风力发电机组必须有一套自己的简单可靠的保护措施。常见的保护技术有如下几种。
1．被动式偏航保护
当风速超过风力发电机组的工作范围时，风力发电机组要启动它的保护系统，避免风力发电机组在大风情况下损坏。对于有偏航结构的风力发电机组，这时风力发电机组在物理力学结构的作用下，机头（叶轮）逐步偏离当时的风向，减小受风面积，以降低风轮所获取风能的能力，从而达到保护风力发电机组的目的。目前大部分小型风力发电机采用的都是水平偏离的方法，如图3-6所示，这种保护方式也被称为“被动式偏航保护”。图3-6 被动式偏航保护
这种装置的关键是把风轮轴设计成偏离轴心一个水平或垂直的距离，从而产生一个偏心距。相对的一侧安装一副弹簧，一端系在与风轮构成一体的偏转体上，另一端固定在机座底盘或尾杆上。预调弹簧力，使风轮在设计风速内的偏转力矩小于或等于弹簧力矩。当风速超过设计风速时，风轮偏转力矩大于弹簧力矩，使风轮向偏心距一侧水平或垂直旋转，直到风轮受力力矩与弹簧力矩相平衡。在遇到强风时，可使风轮转到与风向相平行，以达到停转目的。当风速减小时，依靠重力和弹力的作用又使风轮逐步回到原来的位置。
2．利用空气动力制动
图3-7展示了一种利用空气动力制动的装置。将减速板铰接在叶片端部，与弹簧相连。在正常情况下，减速板保持在与风轮轴同心的位置；当风轮超速时，减速板因所受的离心力对铰接轴的力矩大于弹簧张力的力矩，从而绕轴转动成为扰流器，增加风轮阻力起到减速作用。风速降低后它们又回到原来的位置。图3-7 利用减速板产生空气动力制动
利用空气动力制动的另一种结构是将叶片端部（约为叶片总面积的1/10）设计成可绕径向轴转动的活动部件。正常运行时叶尖与其他部分方向一致，并对输出扭矩起重要作用。当风轮超速时，叶尖可绕控制轴转 60°或 90°，从而产生空气阻力对风轮起制动作用，如图3-8所示。叶尖的旋转可利用螺旋槽和弹簧机构来完成，也可由伺服电动机驱动。图3-8 叶尖转动产生空气动力制动
3．变桨距调速
采用变桨距控制除可控制转速外，还可减小转子和驱动链中各部件的压力，并允许风力发电机在很大的风速下运行，因而应用相当广泛。在小型风力发电机中，采用离心调速方式比较普遍，利用桨叶或安装在风轮上的配重所受的离心力来进行控制。风轮转速增加时，旋转配重或桨叶的离心力随之增加并压缩弹簧，使叶片的桨距角改变，从而使受到的风力减小，以降低转速。当离心力等于弹簧张力时，即达到平衡位置。采用这种原理的实际装置多种多样，图3-9展示了小型风力发电机两种常用的变桨距装置。图3-9 改变叶片桨距机构
在大型风力发电机中，常采用电子控制的液压机构来控制叶片的桨距。
4．电子制动
对于一些下风型、偏航保护和变桨距功能的小型风力发电机组，往往采用电子制动的方法在大风时对发电机进行制动。这类风力发电机组的控制器必须具有电子制动的功能。
3.3 充放电控制器
在独立运行的可再生能源发电系统中，蓄电池起着储存和调节电能的作用。当可再生能源资源丰富致使产生的电能过剩时，蓄电池将多余的电能储存起来；反之，当系统发电量不足或负载用电量大时，蓄电池向负载补充电能，并保持供电电压的稳定。为此，需要为系统设计一种控制装置，该装置根据可再生能源资源（风力大小、日照强弱）以及负荷的变化，不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节，使其在充电、放电或浮充电等多种工况下交替运行，从而保证可再生能源供电系统工作的连续性和稳定性。具有上述功能，在风光可再生能源系统中对发电设备、储能蓄电池组和负载实施有效保护、管理和控制的装置称为充电控制器，如图3-10所示。单独为风能进行充电控制的，称为风能充电控制器；单独为太阳能进行充电控制的，称为太阳能充电控制器。为了提高控制器的利用率，降低成本，许多厂商把风能充电控制器和太阳能充电控制器做成一体，称为风能/太阳能充电控制器。
为了保护蓄电池（特别是铅酸蓄电池）不受过度放电的损害，设计者还赋予了充电控制器对蓄电池过放电进行保护的重要功能，称为充放电控制器。充放电控制器通过检测蓄电池的荷电状态，可以发出蓄电池继续放电、减少放电量或停止放电的指令。
随着可再生能源供电系统装机容量的不断增加，设计单位和用户对系统运行状态、运行方式的合理性要求越来越高，系统的安全性问题也更加突出和重要。因此，近年来设计单位又赋予控制器具有更多的保护和监测功能，使早期的蓄电池充电控制器发展到今天比较复杂的系统控制器。此外，控制器在控制原理和使用的元器件方面也有了很大发展和提高，目前先进的系统控制器已经使用了微处理器，实现了软件编程和智能控制。对于系统中有多台风力发电机的可再生能源供电系统，多台充电控制器可以组成控制柜，即组合成风力发电机充电控制柜，如图3-11所示。图3-10 充电控制器图3-11 风力发电机充电控制柜3.3.1 控制器的功能
发电系统中的充电控制器具有对系统、蓄电池、负载等实施有效保护、管理和控制等功能：当发电设备处于安全使用环境下时，充电控制器将有效调节输出功率，合理利用能源；当发电设备处于设计安全范围内的极端使用环境下时，控制器必须切实起到保护作用，有效控制和调节发电设备的状态，使其避免遭受损坏。
充电控制器的基本功能如下。
① 充电功能：能按设计的充电模式用风力发电机组发出的有效电能向储能装置充电。
② 电压显示：用模拟仪表或数字显示方式显示母线电压，指示储能装置的荷电状态。
③ 电流显示：用模拟仪表或数字显示方式显示可再生能源发电系统的发电电流和输出到负载的电流。
④ 高压（HVD）断开和恢复功能：控制器应具有输入高压断开和恢复连接的功能。
⑤ 欠电压（LVG）报警和恢复功能：当蓄电池电压降到欠电压报警点时，控制器应能自动发出声光报警信号（有时这一功能由逆变器完成）。
⑥ 低压（LVD）断开和恢复功能：这一功能可防止蓄电池过放电。通过一种继电器或电子开关连接负载，可在设定低压点自动切断负载。当电压升到安全运行范围时，负载将自动重新接入或要求手动重新接入。这一功能也往往通过逆变器来实现，而充电控制器不包含这一功能。
⑦ 保护功能：防止任何负载短路的电路保护，防止充电控制器内部短路的电路保护，防止夜间蓄电池通过太阳电池组件反向放电保护，防止负载、太阳电池组件或蓄电池极性反接的电路保护，防止感应雷的线路防雷保护。
⑧ 蓄电池温度补偿功能（仅适用于蓄电池充满时）：由于化学反应随温度的升高而加速，随温度的降低而变慢，为了防止对电池过充或欠充，当蓄电池温度低于15℃时，蓄电池的充满电压应适当提高；相反，温度高于35℃时蓄电池的充满电压的门限应适当降低。通常蓄电池的温度补偿系数为−(3～5)mV/℃/Cell。
⑨ 通信接口：随着用户对电源要求的不断提高（通信领域的应用尤为明显），在现有控制器功能的基础上，还需要控制器具有远程监控、功率累计显示、通信专用接口RS232/485等功能。随着可再生能源发电技术的不断成熟，这些功能都已经很好地得以实现，并应用到实际的可再生能源供电工程中。3.3.2 控制器工作原理
目前常见的控制器有简易型、程序控制型、串联型、旁路型、多阶型、脉冲型和脉宽调制（PWM）型等多种类型。
1．简易型控制器的工作原理
可再生能源发电设备依靠自然资源，提供电能形式多样、变化频繁，必须经过控制、存储才能为负载提供可靠和连续的电能。其原理方框图如图3-12所示。图3-12 简易型控制器原理方框图
风力发电机组发出的三相交流电，其电压、频率是随风速变化而变化的。控制器将这种可变的交流电整流成电池充电所需的直流电。部分控制器用晶闸管整流取代二极管整流，因此它可以起相控调节的作用。控制器具有“恒压”充电特性，能延长蓄电池充电寿命，这一点已在实验室的试验以及实际运行的系统中得到证实。
在正常情况下，所有发电机组发出的电都被整流并传输到直流中心，这样就为直流负载提供了电能，并把多余的能量储存在储能蓄电池组里。当蓄电池组达到预定的电压，即表明蓄电池已充满电，控制器便减小传送到存储系统中的电流，这样就能防止蓄电池电解液过度挥发。蓄电池电解液过度挥发会减少蓄电池电解液并损坏蓄电池。在调节开始之后，控制器进行电流递减充电，这样就能使蓄电池始终处于满充电状态，这一过程的控制是由蓄电池组电压决定的。
控制器具有保护限电流功能，当输出电流达到额定值时，控制器将改变晶闸管的导通角，保持风力发电机恒电流输出。
2．程序控制型控制器的工作原理
程序控制型控制器采用先进的单片机集成电路作为中控电路，可保证蓄电池组安全而可靠的工作；当蓄电池发生过放电时，自动切断负载，以保护蓄电池；采用高精度 A/D 转换器，对“当前状态参数”进行实时快速采集，并可通过RS232/485接口实现每台控制器的远距离数据传输。其原理方框图如图3-13所示。
程序控制型控制器是由直流（DC）风能控制模块阵列、直流光伏控制模块阵列、交流-直流（AC-DC）开关电源、中心控制系统、直流配电系统、RS232 接口和屏幕显示器组成的。由于采用多组蓄电池管理，蓄电池能够更合理地进行充放电，延长了蓄电池的使用寿命。对于不同负载，控制器采用合理的放电程序，有效地利用了来之不易的能源，大大提高了系统的工作效率。图3-13 程序控制型控制器原理方框图
3．串联型控制器的工作原理
串联型控制器的电路原理图如图3-14所示。串联型控制器开关串接在风力发电机和蓄电池组之间，在正常情况下，所有风力发电机组发出的电都被整流并传输到直流接线端，这样就为直流负载图3-14 串联型控制器电路原理提供了电能，并把多余的能量储存在蓄图电池里。当蓄电池组电压达到预定的电压，即表明蓄电池已充满电，充电控制器将断开风力发电机的充电回路（彻底关断充电回路或将电能旁路到泄荷回路中去），从而有效地保护了蓄电池组。
串联型控制器的优点是体积小，线路简单，价格便宜；缺点是由于控制用功率晶体管存在着压降，当充电电压较低时会带来较大的能量损失。串联型控制器的另一个缺点是当控制元件断开时，输入电压将升高到发电单元开路电压的水平。因此串联型控制器适用于千瓦级以下的光伏发电系统。由于风力发电机空载运行将带来飞车的危险，简单的串联型控制器不适用在所有风力发电系统中（这也足以说明，具有空载运行功能的风力发电机，其对应的控制器将需要具有非常好的控制性能）。
4．旁路型控制器的工作原理
旁路型控制器的电路原理图如图 3-15 所示。控制器检测电路监控蓄电池电压，当蓄电池充满到电压阈值时，开关元件接通耗能负载将蓄电池旁路，过充电流将被开关元件转移到耗能负载，将多余的功率转换为热能；当蓄电池端电压下降到恢复充电的电压阈值时，开关元件断开耗能负载，同时接通蓄电池充电回路。图3-15 旁路型控制器电路原理图
旁路型控制器的优点是设计简单，价格便宜，充电回路损耗小；其缺点是要求控制元件具有较大的电流通断能力，当其用于风力发电系统时还必须使用耗能负载。因此，简单的旁路型控制器主要用于风力发电系统和千瓦级以下的光伏发电系统。
5．多阶型控制器的工作原理
多阶型控制器的电路原理图如图3-16所示。多阶型控制器的充电电压和电流波形如图3-17所示。依据蓄电池的充电状态，控制器自动设定不同的充电电流。当蓄电池处于未充满状态时，允许风力发电机组或太阳能方阵的电流全部流进蓄电池组。当蓄电池组接近充满时，控制器消耗掉一些风力发电机组或太阳能方阵的输出功率，以便减小流进蓄电池的电流。当蓄电池组逐渐接近完全充满时，“涓流”充电渐渐停止。图3-16 多阶型控制器电路原理图图3-17 多阶型控制器的充电电压和电流波形图
将多阶控制原理应用到由多台风力发电机和多个光伏子方阵组成的风力/光伏互补电站，可形成如图3-18所示的多路控制方式。每一个子方阵所产生的电流为多阶控制的一个充电电流阶梯。根据蓄电池组充电状态，控制器自动设定不同的充电电流。为充分利用可再生能源，也可将风力发电机组或子方阵的多余电能转接到热水器、采暖设备或水泵等次要负载。图3-18 多路控制方式
6．脉冲型控制器的工作原理
脉冲型控制器的电路原理图如图 3-19 所示。脉冲型控制器的核心部件是一个受充电电压调制的“充电脉冲发生器”。脉冲型控制器的充电电压和电流波形如图3-20所示。脉冲型控制器以“斩波”方式工作，对蓄电池进行脉冲充电。开始充电时脉冲型控制器以宽脉冲充电，随着充电电压的上升，充电脉冲宽度逐渐变窄，平均充电电流减小。当充电电压达到预置电平时，充电脉冲宽度变为零，充电终止。脉冲型控制器充电方法更趋于合理，效率高，适用于功率较大的光伏发电系统。图3-19 脉冲型控制器电路原理图图3-20 脉冲型控制器的充电电压和电流波形图
7．脉宽调制（PWM）型控制器的工作原理
PWM型控制器开关器件一般选用MOSFET，不能用继电器。PWM型控制器与脉冲型控制器基本原理相同，主要区别是将充电脉冲发生器设计成充电脉宽调制器，这样，使充电脉冲的平均充电电流的瞬间变化更符合蓄电池当前的荷电状态。最理想的状态是符合蓄电池的充电电路可接受曲线。使用直流/直流（DC/DC）变换的 PWM 型控制器还可实现光伏系统的最大功率跟踪功能。因此，PWM 型控制器可用于大型光伏系统。PWM 型控制器的缺点是其自身会带来一定的损耗（4%～8%）。PWM电路原理图如图3-21所示。图3-21 PWM 电路原理图
比较器的调制波为三角波，从正端输入，蓄电池的直流采样电压从比较器的负端输入，用直流电压切割三角波，在比较器的输出端形成一组脉宽调制波，用这组脉冲控制开关晶体管的导通时间达到控制充电电流的目的。对于串联型控制器，当蓄电池的电压上升时，脉冲宽度变窄，充电电流变小；当蓄电池的电压下降时，脉冲宽度变宽，充电电流增大。对于旁路型的控制器，蓄电池的直流采样电压和调制三角波在比较器的输入端应当掉过来，以达到随蓄电池电压的升高旁路电流增大（充电电流减小）、随电压回落旁路电流减小（充电电流增大）的目的。
3.4 蓄能设备
目前世界上有许多种蓄能技术，如蓄电池组、抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮、超级电容器等。鉴于技术成熟度、使用方便性和成本的考虑，在风能离网系统中采用最广泛的蓄能装置是蓄电池组。
蓄电池是一种化学电源，它可以将直流电能转换为化学能储存起来，需要时再把化学能转换为电能。蓄电池有不同类型，例如人们常用的手电筒用蓄电池，电量用完后无法再次充电，称为一次性电池（或原电池）；还有一种可充电电池，电量用完后还可以再次充电，称为二次电池，如汽车启动用的铅蓄电池，收音机、录音机等使用的镉镍电池、镍氢电池，以及移动电话、笔记本电脑使用的锂电池等。
蓄电池的应用范围很广，如在航空、航海、电力、电信、医院、场馆、交通运输等领域用作备用电源。近年来，随着我国小型风力发电机组和离网型可再生能源供电系统应用范围的不断扩大，人们对储能用蓄电池的需求日益增加，在这类供电系统中，蓄电池也扮演着重要的角色，是系统中不可或缺的储能设备，它既能稳定系统中的短时间波动，在系统没有后备发电机组的情况下，又可提供1～3天（多则5～7天）的电力供应，对系统起着重要的作用。3.4.1 铅酸蓄电池
采用铅和二氧化铅作为负极和正极的活性物质（即参加化学反应的物质），以浓度为27%～37%的硫酸水溶液作为电解液的电池，称为铅酸蓄电池（亦称“铅蓄电池”），如图3-22所示。图3-22 铅酸蓄电池
由于铅酸蓄电池具有运行温度适中和放电电流大，可以根据电解液相对密度的变化检查电池的荷电状态，以及储存性能好和成本较低等优点，在风能离网独立系统中得到了广泛使用。铅酸蓄电池不仅具有化学能和电能转换效率较高、循环寿命较长、端电压高、容量大（高达 3 000A·h）的特点，而且还具备防酸、隔爆、消氢、耐腐蚀的性能。目前铅酸蓄电池在蓄电池生产和使用中仍保持着领先地位。同时随着生产工艺技术的提高，铅酸蓄电池的使用寿命也在不断延长。
1．铅酸蓄电池结构及工作原理
铅酸蓄电池主要由正、负极板组，隔离物，容器和电解液等部分组成。铅酸蓄电池的外形和结构如图3-23所示。
① 极板：铅酸蓄电池的正、负极板由纯铅制成，上面直接形成有效物质；有些极板用铅镍合金制成栅架，上面涂以有效物质。正极（阳极）的有效物质为二氧化铅，负极（阴极）的有效物质为海绵状铅。在同一个蓄电池内，同极性的极板片数超过两片者，用金属条连图3-23 铅酸蓄电池内部结构图接起来称为“极板组”或“极板群”。至于极板组内的极板片数的多少，随其容量（蓄电能力）的大小而异。
② 隔板：在各种类型的铅酸蓄电池中，除少数特殊组合的极板间留有宽大的空隙外，在两极板间均需插入隔板，以防止正、负极板相互接触而发生短路。隔板有木质、橡胶、微孔橡胶、微孔塑料、玻璃等数种，可根据蓄电池的类型适当选定。
③ 容器：容器是用来盛装电解液和支撑极板的，通常有玻璃容器、衬铅木质容器、硬橡胶容器和塑料容器4种。
④ 电解液：铅酸蓄电池的电解液是用蒸馏水稀释高纯度的浓硫酸制成的。它的相对密度大小视蓄电池类型和所用极板而定，一般在1.200～1.300/15℃。蓄电池用的电解液（稀硫酸）必须保持纯净，不能含有害于铅酸蓄电池的任何杂质，也不能用普通水来替代蒸馏水。
铅酸蓄电池由两组极板插入稀硫酸溶液中构成。电极在完成充电后，正极板为二氧化铅，负极板为海绵状铅。放电后，在两极板上都产生细小而松软的硫酸铅，充电后又恢复为原来的物质。
铅酸蓄电池在充电和放电过程中的可逆反应理论比较复杂，目前公认的是哥来德斯东和特利浦两人提出的“双硫酸化理论”。该理论的含义为：铅酸蓄电池在放电后，两电极的有效物质和硫酸发生作用，均转变为硫酸化合物——硫酸铅；充电时，又恢复为原来的铅和二氧化铅。总的化学反应过程可用以下方程式表示：
2．阀控铅酸蓄电池的特点
由于阀控铅酸蓄电池（全密封，有可以控制蓄电池内部气体压力的阀）对传统的防酸隔爆铅酸蓄电池作出了重要改进，具有体积小，自放电小，维护工作量少，对环境无腐蚀、污染等优良特性，因此它与传统的铅酸蓄电池相比有明显的优点。（1）免维护
GFM系列阀控铅酸蓄电池带荷电出厂，安装后即可投入使用，无需配制、灌注电解液和长时间初充电。其高效率的气体内部再化合，密封反应效率可达90%以上，水损耗很少，在整个使用寿命周期中无需加入和调整电解液密度。在正常使用条件下，不必担心电解液缺少而影响蓄电池寿命。整流充电装置按阀控铅酸蓄电池出厂充电电压设定，无需值班人员进行操作，只需专业人员定期检测蓄电池端电压和放电容量即可。（2）密封、安全可靠
阀控铅酸蓄电池采用密封结构，正常使用时无酸液渗漏或酸雾溢出；采用安全阀及滤酸片，外遇明火不爆炸；内部压力达到限定值时安全阀自动开启排气，低于限定值时安全阀自动关闭，不会因为过充电造成蓄电池爆裂。蓄电池可立放使用，也可卧放使用。（3）工程造价低，节省投资
阀控铅酸蓄电池不污染设备和环境，可与微机继电保护等控制保护装置同室使用，不需专设蓄电池室，可采用多层次叠放，占地面积小，节约工程投资。另外，由于采用特殊的铅基合金紧装配，避免了活性物质的脱落；采用合理的设计结构，使蓄电池有较长的使用寿命，2V系列可达10～12年，12V系列可达3～5年。
按电解液（质）和隔板的不同，可将阀控铅酸蓄电池分为AGM蓄电池和GEL蓄电池。AGM 蓄电池主要采用 AGM（玻璃纤维）隔板，电解液被吸附在隔板孔隙内。GEL蓄电池主要是采用PVC-SiO隔2板，电解质为已经凝胶的胶体电解质。这两类蓄电池各有优缺点：从发展速度来看，AGM技术发展较快，目前市场上基本以AGM蓄电池为主导；GEL蓄电池最近几年才有逐步上升的势头，主要是因为前几年AGM蓄电池的使用寿命出现较多问题，而GEL蓄电池的高循环寿命等优点开始被用户所认可和接受。下面就两类蓄电池在结构和性能上的优缺点进行一些比较，如表3-1、表3-2所示。表3-1 AGM蓄电池与GEL蓄电池结构比较续表表3-2 AGM蓄电池与GEL蓄电池性能比较
总之，阀控铅酸蓄电池以其优良的特性为无电地区电力建设中可再生能源自身的间歇性提供了有利的储能条件，又由于它可减少诸多日常维护工作，因此在可再生能源离网独立电站中得到越来越广泛的应用，为可再生能源离网独立电站的建设、发展和维护提供了非常有利的条件。
3．标称电压及蓄电池组（1）蓄电池电压
蓄电池电压包括理论充放电电压、蓄电池的工作电压、蓄电池的充电电压和蓄电池的终止电压。
蓄电池的理论放电电压和理论充电电压相同，都等于蓄电池的开路电压。
蓄电池的工作电压为蓄电池的实际放电电压，它与蓄电池的放电方法、使用温度、充放电次数等有关系。蓄电池的充电电压大于开路电压，充电电流越大，工作电压越高，蓄电池发出的热量越大，充电过程中蓄电池的温度也就越高。
蓄电池的终止电压是指蓄电池在放电过程中，电压下降到不宜再继续放电的最低工作电压。（2）蓄电池的串并联
为了满足系统对储能的要求，往往首先需要把蓄电池进行串联，满足系统对直流电压的要求，然后再把串联后的蓄电池组进行并联，以满足总电量的要求。例如，某系统需要直流电压48V，蓄电池能储存电量48kW· h，用2V/500A· h的蓄电池实现。
首先，把24个2V/500A·h的蓄电池串联，组成一个48V/500A·h的蓄电池串。然后再把相同的两组串联的蓄电池组并联，就构成了一个蓄电池组，从而满足了系统的要求。
电压：2V × 24 = 48V
容量：500A·h × 2 = 1 000A·h
总储存电量：48V × 1 000A·h = 48 000A·V·h = 48 kW·h
总共需要2V/500A·h的蓄电池48个。
根据不同系统的电压要求，常见的与可再生能源离网系统电压相匹配的蓄电池组电压有 12V、24V、36V、48V、110（120）V、220V、240V 等。在直流母线结构的可再生能源系统中，蓄电池组的电压也就是直流母线的电压。
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