发布时间：2024-09-20 18:10:16 人气：
北美虚拟电厂的相关进展
随着电网技术的发展，分布式能源（DER）在相对较短的时间内取得了长足的进步，而且步伐似乎正在加快。新设备、软件和应用程序在不断发展，这只会增加我们跟上所有发展的琐事。因此，我们必须保持耳聪目明。已知不同的观点可以揭示一些有趣的见解，这些见解最近对分布式能源产生了不同的倾向。几个月前，“提前充电”栏目（2019年11月 T＆D World ）以用户侧能源为特色，本应充分涵盖该主题，但观点可能会改变。这就是所谓在电表背后（BTM）领域中的虚拟电厂（VPP）。虚拟电厂是独立DER系统的网络，利用基于云的控制系统实现类似单个大容量电源一样的功能。
草根用户侧分布式能源BTM-DER
对于主要是由个人商业、工业和住宅客户来说，用户侧分布式能源是一项艰巨的任务，它并不是由公用事业、监管机构或政策制定者所驱动。用户侧分布式能源技术本质上是数字的、且易于使用，这也有助于使这些客户或聚合商更容易地聚合电力输出并售回电网。
这也有助于太阳能电池板和电池存储系统的价格大幅下降，并且这种下降趋势有望继续。这尤其值得注意，因为客户对这些用户侧分布式能源系统的接受度正在加速增长。这将增加单个用户侧分布式能源资产的数量，而这正是虚拟电厂所需要的。请记住，这些设备已经在改变公用事业的业务计划，聚合加剧了这种情况。
根据Navigant Research最近的一份报告，“ 分布式能源的扩散将成为未来十年传统能源行业最具破坏性的趋势之一。” 此外，Navigant预测，到2028年分布式能源的发电容量将超过500 GW，而这些分布式能源无疑正在改变现状。
如果需要更多证据，太阳能工业协会（SEIA）报告称，2019年苹果公司拥有393.2兆瓦光伏面板，是全美第一大公司太阳能用户。亚马逊以329.8兆瓦位居第二，而Target则排名第三，具有242.4 MW。SEIA还报告说，2019年第二季度住宅太阳能容量超过600兆瓦，这已经是连续第四季度超过这个限值。
目前有很多独立的发电设施，但是当将它们组合在一起时，很容易看到虚拟电厂的出现。最初，我们的个人客户将用户侧分布式能源视为一项可为他们带来积极收益（绿色电力和降低的电费）的技术，但是后来，净计量法规将客户变成了生产者。Prosumer即是消费者consumer，而且还是发电商producer。Prosumer吸引了聚合商的注意，但并没有止步于此。
用户侧分布式能源和存储
当生产者成为销售者时，这真的变得很有趣。prosumage概念已经存在了好几年，但是如果这是一个陌生的术语，则其名称来自生产者（pro ducer）加上消费者（consum er）加上储能（storage ）的组合。
拥有储能功能的客户并不是什么新鲜事物，但是请注意，prosumage对能源市场经济性的关注。他们了解到，储能提供了一种需求和使用时间费用的方法，以应对公用事业所施加的阻止日益增长的分布式发电问题。
记得几年前，联邦能源管理委员会（FERC）批准了一项规则，允许储能参与容量、能源和辅助服务市场。Prosumagers很快意识到，这条规则为他们提供了进入关键服务市场的途径，该市场可以产生金钱和电力。
有趣的是，2019年Black＆Veatch（B＆V）“战略方向报告”包含了有关用户侧能源供应选项的部分（注意-完整报告可在B＆V网站上找到）。今年的一项调查问题询问了约900名行业领导者：“您是否认为客户或第三方采用替代的“隐藏式”能源供应选项对公用事业业务模式构成威胁？”
结果非常惊人。近46％的受访者表示：“是的，如果监管模式排除市场灵活性。” 大约43％的人认为，“威胁可能来自公用事业未能部署自己的替代能源解决方案。” 令人惊讶的是，约27％的受访者表示：“不，相对于传统发电来源对电网维护计划的重要性，新一代发电来源的采用速度太慢。” 因此，再次有观点主导着这些领导者如何看待用户侧技术的影响。
Prosumage获得牵引力
全球气候变化将客户转变为消费者，获得了意想不到的推动。这种现象正在产生所谓的极端天气事件。风暴导致长时间的停电，并且可能持续数天、数周甚至数月，这不仅令人沮丧和破坏性，而且可能危及生命。
此外，野火催生了一种新的停电类别，以防止发生此类火灾——加州提出了所谓基于公共安全的停电措施（the public safety power shutoff）。在发生野火危险极高的地区，电力将被切断。客户认为他们不担心停电，因为他们安装了屋顶太阳能系统。但是结果令他们感到惊讶，他们发现自己的系统并非设计为在停电期间可以正常工作。这是一个复杂的主题，但为了简单起见，大多数这些系统都使用电网来缓冲其太阳能发电的可变性。
没有电网的缓冲能力，太阳能发电会经历电压和电流波动，这可能会损坏客户的电子设备和电机。电网故障时，关闭太阳能系统还有另一个非常重要的原因——公用事业人员在停电期间在电路上工作。任何由客户产生的电源供电对检修人员都是危险的。这些问题都不是最重要的问题，但是它们指出，与该技术有关的每个人都需要了解他们期望该技术能够做什么，当这些系统能够正常工作时，是令人惊奇的。
去年，南澳大利亚州政府与特斯拉合作，宣布了一个虚拟电厂项目，该项目将包括50,000栋房屋。特斯拉表示，他们完成了第一阶段和第二阶段的工作，共连接了1000多个房屋。特斯拉为每个房屋提供5 kW屋顶太阳能电池板和13.5 kWh Powerwall 2储能电池。使用复杂的软件，每个房屋相互连接在一起以形成虚拟电网。第三阶段将连接其余50,000套房屋。完成后，完整的虚拟电厂将为南澳大利亚的电网提供250 MW的电力和650 MWh的储能。
同样在2019年，加州公司AutoGrid的新闻稿宣布，它将与日本能源服务公司ENERES合作进行虚拟电厂项目。预计到2020年至2021年之间，虚拟电厂将增加10,000多个分布式太阳能资产（包括存储）。
在所有这一切发生的同时，Sunrun去年向联邦能源管理委员会FERC提出了动议。结果是FERC发布了一项指令，使居民聚合服务免于遵守某些联邦资格的设施备案要求。当将用户侧分布式能源组合用于虚拟电厂时，这曾经是一个很大的障碍。当然，感兴趣的聚合商仍然需要处理本地和州的法规，但这是朝着北美（NA）的更多虚拟电厂项目迈进的开始。
说到北美，在美国，将用户侧分布式能源聚合成虚拟电厂引起了很多兴趣。奥斯汀能源公司、德克萨斯大学（UT）奥斯汀分校、电力研究院（EPRI）和能源部（DOE）正在探索他们所谓的“灵活的能源途径”。简而言之，美国能源部已为一个名为SOLACE（太阳能关键基础设施激励系统）的项目提供了500万美元的资助。该计划是针对SOLACE项目的，该项目将房屋太阳能电池板连接在一起，并在Austin Energy的大型蓄电池中存储电能。
该团队将使用由UT Austin开发的联网逆变器和其他设备，形成连接到Austin Energy电网的微电网。这个想法是能够在断电期间将电能从电池通过Austin Energy的网络转移到关键负载。
所有这些都指出，对用户侧电网的看法正在发生变化，但其现实也在发生变化。输电系统正在从集中式电站转变为更加多样化的电源。当客户开始尝试使用太阳能电池阵列和其他用户侧分布式能源技术时，它开始演变为虚拟电厂。这些虚拟电厂能够提供与传统发电厂相同的服务，而没有化石燃料发电带来的负担。作为一个行业，我们是否为此做好了准备？我们必须做，最好做得到！
The Reality of Virtual Power Plants
Take 50,000 DER assets + storage + complex software = a 250 MW power plant.
/distributed-energy-resources/article/21122679/the-reality-of-virtual-power-plants
Gene Wolf
FEB 11, 2020
光伏逆变器的发展
2005至2010年，全球光伏逆变器市场规模由10.7亿美元增至71.8亿美元，年复合增长率为46.3%。欧洲、亚太地区及北美地区太阳能光伏产业的发展是光伏逆变器市场增长的主要推动力。2007年我国光伏新增装机量仅20MW，到2010年国内光伏新增装机量约520MW，是2009年228MW装机量的2倍多。2011年我国新增装机量达到2.9GW，在全球排名第四。
2015年我国光伏逆变器需求量将达到5.0GW，2020年将达到10GW。
在我国“十一五”期间，诸如逆变器等光伏发电配套设备多处在研发和创新阶段，较少受到政策关注。“十二五”时期，光伏发电市场的趋势是向全产业链发展，晶硅、组件以外的配套设备将受到市场与政策的进一步关注，发改委将逆变器列入指导目录鼓励类，就是这一趋势的体现。
2010年，我国光伏并网容量达500兆瓦，逆变器市场在5亿元左右。目前，“十二五”国内的光伏装机容量目标大幅上调到10GW，较之前公布的目标翻了一番。假设这些装机全部并网，按照1元/瓦造价计算，预计到2015年，国内逆变器市场将达到100亿元。
随着光伏逆变器行业竞争的不断加剧，大型光伏逆变器企业间并购整合与资本运作日趋频繁，国内优秀的光伏逆变器生产企业愈来愈重视对行业市场的研究，特别是对企业发展环境和客户需求趋势变化的深入研究。正因为如此，一大批国内优秀的光伏逆变器品牌迅速崛起，逐渐成为光伏逆变器行业中的翘楚！
光伏逆变器是电力电子技术在太阳能发电领域的应用，行业技术水平和电力电子器件、电路拓扑结构、专用处理器芯片技术、磁性材料技术和控制理论技术发展密切相关。
另外，功率等级在200 瓦～500 瓦的微型逆变器，可方便地在幕墙、窗台、小型屋面上使用，在最近几年也成为一个细分市场热点。组串型光伏逆变器单相产品以升压电路+单相无变压器拓扑结构为主；组串型光伏逆变器三相产品以升压电路+三相三电平无变压器拓扑结构为主；电站型光伏逆变器以三相桥式电路拓扑为主，同时包括无变压器和有变压器两类。光伏逆变器重点关注以下技术指标：高效率：光伏逆变器的转换效率的高低直接影响到太阳能发电系统在寿命周期内发电量的多少。根据产品型号的不同，国际一流品牌的产品的转换效率最高可达98%以上。长寿命：光伏发电系统设计使用寿命一般为20 年左右，所以要求光伏逆变器的设计寿命需要达到较高水平。高可靠性：光伏逆变器发生故障将会导致光伏系统停机，直接带来发电量的损失，所以高可靠性是光伏逆变器的重要技术指标。宽直流电压工作范围：因为单块太阳电池组件的输出直流电压比较低，所以在实际应用中需要进行多块串联，得到一个较高的直流电压，再进行多组并联后输入到光伏逆变器。由于不同功率、不同电压的光伏电池、不同的串并联方案组合，要求对同一规格的光伏逆变器能够适应不同的直流电压输入。所以，光伏逆变器具有越宽的直流电压工作范围，就越能适应客户的实际应用需求。
符合电网并网要求：各国电网对于接入电网的设备都有着严格的技术要求，包括并网电流谐波、注入电网直流分量、电网过欠压时保护、电网过欠频时保护、孤岛保护等。随着大量可再生能源发电设备的接入，对电网的运行、调度提出了新的挑战，电网提出了如低电压穿越、无功补偿、储能等新要求。
大风车转出新希望是什么？
风能作为一次能源，是因空气流做功而提供给人类的一种可利用的能量，简而言之，空气流具有的动能称为风能。人类利用风能的历史可追溯到公元前中国是世界上最早开发利用风能的国家之一。中国人民利用风力提水、灌溉、磨面和用风帆推动船舶前进。但历经数千年，风能技术发展缓慢，没有引起人们足够的重视。但自1973年世界石油危机以来，常规能源告急。尤其近几年，随着世界工业经济的发展、人口的剧增、人类欲望的无限上升和生产生活方式的无节制，全球整体呈现经济高速增长、能源消耗持续上升的态势。大量化石能源的使用直接导致了环境污染越发严重。尤其是以二氧化碳为主的温室气体排放量急剧上升，造成全球气候变暖、冰川积雪减少、两极冰山融化、海平面明显上升，使沿海地区遭受水灾，从而造成对生态环境的影响。在此种背景下，如何应对全球气候变暖成为全世界共同关注的议题，并上升成为全人类面临的巨大挑战之一。风能作为一种可再生清洁能源有着巨大开发潜力，开始得到越来越多的青睐，尤其是对沿海岛屿、交通不便的边远山区、地广人稀的草原牧场，远离电网和近期内电网还难以到达的农村、边疆。风能作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，有着十分重要的意义（李莉，2016）。
我国位于亚洲大陆东南部，濒临太平洋西岸，季风强盛。季风是我国气候的基本特征，如冬季季风在华北长达6个月、在东北长达7个月，东南季风则遍及我国的东半部，全国风力资源的总储量为1.6×106MW。我国风力发电事业虽起步较晚，但是基于国家政策和资金的支持，其得到了快速的发展。迄今为止，我国已经在河北张家口、内蒙古、山东荣成、辽宁营口、黑龙江富锦、新疆达坂城、广东南澳和海南等地建成了多个大型风力发电场，并且计划在江苏南通、灌云及盐城等地兴建十亿瓦特（GW）级风电场。
目前，我国在风能的利用和开发上加大了投入力度，使高效清洁的风能利用在我国能源格局中占有应有的地位。
一、风能的成因和特点
风能就是地球表面大量空气流动所产生的动能，是太阳能的一种转化形式。由于地面各处受太阳辐照后气温变化不同和空气中水蒸气的含量不同，因而引起各地气压的差异，在水平方向高压空气向低压地区流动，即形成风。
风速9～10m/s的5级风，吹到物体表面上的力，每平方米约有0.1kN。风速20m/s的9级风，吹到物体表面上的力，每平方米可达0.5kN左右。台风的风速可达50～60m/s，它对每平方米物体表面上的压力可以达到2.0kN以上。波涛汹涌的海浪是被风激起的，它对海岸的冲击力极大，有时甚至可以高达每平方米200～300kN，最大时甚至可以达到每平方米600kN。由此可见，风的能量超乎我们想象。
风能不仅能量极大，并且在自然界中所起的作用也很大。它可以在地表做运输水分的工作，水汽主要是由强大的空气流输送的，从而影响气候，形成雨季和旱季。风中具有的能量，比人类迄今为止所能控制的能量高很多。风能与其他能源相比，既有显著的优势，也有一定的局限性。其特点包括：
（1）蕴量巨大。据估算，到达地球的太阳能中虽仅有约2%转化为风能，但其总量十分可观，全球风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能约为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量要大10倍。全世界每年燃烧煤炭得到的能量，还不到风力在同一时间内提供给地球能量的1%。
（2）来源丰富，取之不尽，用之不竭。风是周而复始的自然循环造成的，在地球上分布广泛。
（3）没有污染，清洁无害。风能本身属清洁能源，目前成熟的风能利用和转化技术也环保无污染。
（4）能量密度低。这是风能的一个重要缺陷，由于风能来源于空气的流动，而空气的密度是很小的，因此风力的能量密度也很小。从表4-2中可以看出，在各种能源中，风能的能源密度是极低的，给其利用带来的一定的困难。
（5）不稳定。气流变化频繁，风的脉动、日变化、季节变化等都十分明显，其波动很大，具有季节性、随机性等特点。
（6）地区差异大。因地形变化，风力的地区差异非常明显，邻近区域、有利地形下的风力，可能是不利地形下的几倍甚至几十倍。
表4-2 各种能源的能流密度
二、中国的风能资源分布
我国幅员辽阔，陆疆总长达2万多千米，还有1.8万多千米的海岸线，边缘海中有岛屿5000多个，风能资源丰富。我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。可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。我国相当于6m/s以上的地区，在全国范围内仅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，主要分布在长江到南澳岛之间的东南沿海及其岛屿，这些地区是我国最大的风能资源区以及风能资源丰富区，包括山东、辽东半岛、黄海之滨，南澳岛以西的南海沿海、海南岛和南海诸岛，内蒙古从阴山山脉以北到大兴安岭以北、新疆达坂城、阿拉山口、河西走廊、松花江下游、张家口北部等地区以及分布各地的高山山口和山顶。
三、风能的利用
从原理上讲，只要是在风的流动中能产生不对称力的物体，都能产生转动、平动或振动，从而获得风能。最早的风能利用是风帆，目前风能主要利用于以下几个方面。
（一）风力提水
风力提水作为风能利用的主要方式有着悠久的历史，千百年来它在解决我国农业灌排、牧区人畜饮水以及池塘养鱼、沿海滩涂制盐等方面都不失为一种简单实用的技术，特别是在许多电网不及的边远地区和沿海岛屿的推广应用对于节省常规能源、改善生态环境、促进当地经济社会的可持续发展都有重要的现实意义。早在明代我国方以智著的《物理小识》就记载到：“用风帆六幅，车水灌田，淮阳海皆为之”，描述了当时人们利用风帆驱动水车提水灌田的情景（刘惠敏等，2011）。
根据扬程和流量的不同，可将现代风力提水机组可分为三类（表4-3）：一类是高扬程小流量型，这类机组的风轮直径一般都在6m以下，扬程为20～100m，主要用于提取深井地下水，它是通过曲柄连杆机构把风轮轴的旋转运动变为活塞泵的往复直线运动进行提水作业的；第二类是中扬程大流量型，这类提水机组的风轮直径一般为5～8m，扬程10～20m，流量15～25m3/h，主要用于提取地下水，这类风力提水机一般为现代流线型桨叶，效率较高、性能先进、适用性强，但其造价高于传统式风力提水机；最后一类是低扬程大流量型，这类机组的扬程一般为0.5～3m，流量为50～100m3/h，机组的风轮直径为5～7m，它可以提取河水、湖水或海水等地表水，用于农田排灌、盐场制盐、水产养殖。风轮轴动力是通过锥齿轮传递给水车或螺旋泵的，一般都采用自动迎风机构调节风轮对风方向，用侧翼—配重调速机构进行自动调速。
表4-3 目前我国常用的几种风力提水机及其性能表（据刘惠敏等，2011）
（二）风帆助航
人类很早就有了利用风能作为船舶推进动力的行为。公元前，古埃及与古巴比伦已经出现了风帆，而我国远在秦汉时也有了风帆船的记载。早在15世纪初，著名的明代郑和船队便是大型的帆船船队，到16世纪后期，欧洲以帆为动力的商船和战船的大型化已经很普遍，直到利用螺旋桨为推进器，蒸汽机为发动机出现，古代帆船便逐渐退出历史舞台。
现代风帆和古代风帆有着截然不同的使用原理，首先，古代风帆是以风帆为主要推进动力进行辅助推进，而现代风帆则是以发动机为主要推进动力，以风帆为助推手段进行推进，这样既能利用风帆节能环保的特点，又可以使环境对风帆的限制降到最少。目前，万吨级别的货船上采用电脑控制的风帆助航，节油率达15%。
（三）风力制热
近年来，人民生活水平日益提高，家庭用能中热能的需要越来越大，尤其是在一些高纬度地区，如欧洲、北美等取暖煮水都耗能较高。为了解决家庭以及低品位工业热能的需要，风力制热有了较大的发展。
所谓风力制热，就是将风能转换成热能。用风力制热有以下三种方式：一是风力机发电，再通过电阻丝将电能转换成热能。虽然电能转换成热能的效率是100%，但是风能转换成电能的效率却很低，因此从能量利用的角度来看，这种方法是不可取的；二是用风力机将风能转换成空气压缩能，再转换成热能，即由风力机带动离心压缩机，对空气进行绝热压缩而放出热能；三是用风力机将风能直接转换成热能（王熙等，2015）。显然第三种方式制热效率最高，因而应用也最为广泛。用风力机将风能直接转换成热能的方式很多，最简单实用的就是搅拌液体制热，即风力机带动搅拌器转动，从而使液体变热。除此之外，还有固体摩擦制热和涡电流法制热等。
（四）风力发电
近年来，风力发电已经逐步成为风能利用的主要形式，各国对风力发电都给予了高度的重视，发展速度极快。
1．风力发电的原理
风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电（图4-4）。依据目前的风车技术，大约是3m/s的微风速度，便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或者空气污染。
图4-4 风力发电机
2．风力发电的形式
1）离网应用
风力发电机的离网应用种类繁多，主要分为以下几类：
（1）为蓄电池充电：这种应用大多是指哪些供单一家庭住宅使用的小型风力发电机。转子直径为3m（功率范围为40～1000W）的风力涡轮机属于此类。
（2）为边远地区提供可靠电力：包括小型、无人值守的风力发电机。风力发电机通常与蓄电池相连，而且也可以与光电电池或柴油发电机等其他电源联机。典型的用途包括为海上导航设备和远距离通信设备供电。
（3）给水加热：这种系统多用于私宅。典型用法是将风力发电机直接与浸没式加热器或电辐射加热器相连。
（4）边远地区的其他使用：包括为乡村供电、为小型电网系统供电，以及为商业性冷藏系统和海水（或苦咸水）淡化设备供电。
在离网式发电机的应用中，占主导地位的是利用风力发电机为蓄电池充电。这类风力发电机的转子直径通常小于5m，而且其额定功率低于1000W。
2）联网应用
（1）单个风力发电机：这些发电机可为居民、商业、工业或农业提供电能。其电负荷接近风力发电机的能力，并且也可以与电网相链接。多数情况下风力发电机安装在一个农场或一组住宅房舍附近。这些风力发电机的功率一般为10～100kW。
（2）风田：它是将多个风力发电机集中安装、均匀分布并由控制中心集中管理，所发出的电力主要是通过电网输送，而不是专门服务于一个地区。这些风力发电机的功率一般为50～500kW。
这种分散的联网风力发电机市场受国家能源政策的左右。荷兰、美国、丹麦和德国一直允许个人将私有风力发电机与电网联网，并允许将多余的电力卖给当地电力部门，现在有向大型化发展的趋势。
3．国内外风力发电的发展现状
我国是世界上风力资源占用率最高的国家，也是世界上最早利用风能的国家之一。据资料统计，我国10m高度层风能资源总量为3226GW，其中陆上可开采风能总量为253GW，加上海上风力资源，我国可利用风力资源近1000GW，如果风力资源开发率达到60%，仅风能发电一项就可支撑我国目前的全部电力需求。
但我国利用风力发电起步较晚。和世界上风能发电发达国家（如德国、美国、西班牙等）相比还有很大差距。至今，我国已经在河北张家口、内蒙古、山东荣成、辽宁营口、黑龙江富锦、新疆达坂城、广东南澳和海南等地建成了多个大型风力发电场，并且计划在江苏南通、灌云及盐城等地兴建十亿瓦特级风电场。据有关资料显示，到2003年底，全球风能发电装机容量已突破4000×104kW，风能发电占全球电力供应的0.5%。到2013年底，全球电累计装机容量达到3.18×105MW，在2009-2013年间全球风电市场规模扩大了几乎2×105MW。然而，2013年新增风电装机3.55×104MW，比2012年的增量下降了约104MW。2014年4月，全球风电累计装机容量已达到3.654×105MW，同比增长14.9%。新增装机容量4.73×104MW，新增装机增长率达到34%（朱晓，2014）。
据2003年底的资料显示，欧洲是当时全世界风力发电发展速度最快，同时也是风电装机最多的地区。2003年底欧洲地区累计风电装机容量为2.93×104MW，约占全球风电总装机容量的73%。美洲地区至2003年底风电装机容量达690×104kW，占全球风电总装机的17%。而在2003年的时候，亚洲地区风力发电与美欧相比还比较缓慢，除印度一枝独秀以外，其他国家风电装机容量均很小。当时风电累计装机容量居前五位（到2003年底）的国家依次是德国（14612MW）、西班牙（6420MW）、美国（6361MW）、丹麦（3076MW）和印度（2120MW）。
这种局面到2013年底发生了一定的变化，据有关资料显示，2013年年底，中国（不包括台湾地区）新增装机容量16088.7MW，同比增长24.1%，累计装机容量9142.4×104kW，同比增长21.4%。新增装机和累计装机两项数据均居世界第一。我国风电事业虽起步较晚，但是基于国家政策和资金的支持，风力发电得到了快速的发展。美洲地区的风电发展稳步向前，而欧洲地区陆上风电装机渐入瓶颈，海上风电逐渐成为新的增长点。在亚洲，除了风能发电迅速发展的中国以外，印度的风电发展也是不容小觑的。到2013年底，风电累计装机容量居前五位的国家依次变为了中国（91424MW）、美国（61091MW）、德国（34250MW）、西班牙（22959MW）、印度（20150MW）（朱晓，2014）。
4．海上风力发电
在风能发电技术不断发展的过程中，世界各国明显存在着从陆上风能发电到海上风能发电的转变（图4-5）。与陆上风能发电相比，海上风能资源较大，同高度风速海上一般比陆上大20%，发电量高70%，而且海上少有风平浪静，风电机组利用效率较高。目前，海上风电机组的平均单机容量在3MW左右，最大已达6MW。同时，海水表面粗糙度低，海平面摩擦力小，因而风切变即风速随高度的变化小，不需要很高的塔架，可降低风电机组成本。海上风的湍流强度低，海面与海上的空气温差比陆地表面与陆上的空气温差小，并且没有复杂地形对气流的影响，因此作用在风电机组上的疲劳负荷减少，可延长其使用寿命。陆上风电机组一般设计寿命为20年，海上风电机组设计寿命可达25年或以上。同时，海上风电不占用陆上土地，对于人口比较集中，陆地面积相对较小、濒临海洋的国家或地区较适合。海上发电的开发利用不会造成大气污染和产生有害物质，可减少温室效应气体的排放，对环境及景观负面影响小。另外，海上风电机组受噪声制约小，转速一般比陆上高10%，风力发电机利用效率相应提高5%～6%。然而，海上风能发电的开发也存在其不足之处，如建设施工和维修技术难度较大，建设成本高、电力远距离输送和并网相对困难等。总之，海上具有丰富的风能资源，结合当今技术的可行性，海上风力发电将成为风力发电的新方向（张鸿洋，2016）。
图4-5 海上风力发电示意图
5．风力发电面临的机遇与挑战
根据我国风电发展预测，到2020年底全国总装机规模将达到1.2×105MW，到2050年底，全国风电总装机规模将达到5×105MW，风电规模化发展，使各项技术经济指标进一步增强。风电企业的竞争能力和盈利能力明显增强。2020年以后化石燃料资源减少，火电成本增加，风电具备市场竞争能力，发展更快。2030年水电资源也大部分开发完，海上风电进入大规模开发时期，很可能形成东电西送的局面。风电以其良好的环境效益和逐步降低的发电成本，必将成为21世纪中国的重要电源。但是我国风力发电的商业化成本仍然较高，如何提高风力发电技术、降低商业开发成本是风力发电面临的重要挑战。
四、风能利用的发展
（一）风能利用存在的弊端
风能虽然是一种可再生的清洁能源，但仍然存在一些不可否认的弊端。
1．污染排放
风力发电机在建造和运行过程中会产生一些污染问题，同时也存在间接排放问题。不同能源系统在燃料提取、系统建造和运行期间的二氧化碳排放量的大小不同。在整个运行期间风力发电所排放的二氧化碳总量是极少的，大约仅为燃煤发电系统的1%。
2．噪声问题
风力发电噪声包括机械噪声和空气动力学噪声，其中空气动力学噪声是风速的函数。分析结果表明，转子直径小于20m的风力发电机，产生的噪声主要是机械噪声；转子直径更大的风力发电机，产生的噪声主要是空气动力学噪声。噪声问题会影响一些潜在的风力发电机安装区的利用，噪声问题在人口稠密地区显得尤为突出。
3．伤害鸟类
风力发电机的运转对鸟类会造成一定的伤害，当鸟撞击到塔架或者翼片时会导致鸟类死亡，同时风力发电机的运转也妨碍附近鸟类的繁殖和栖居。所以，鸟类迁徙飞行路线上的区域应限制风能的利用。
4．干扰通信
风力发电机会成为一种妨碍电磁波传播的障碍物。由于风力发电机的影响，电磁波可被反射、散射和衍射，这就意味着风力发电机会干扰无线电通信。
5．安全问题
尽管风力发电机很少发生安全事故，但是偶尔还是会发生。这些事故大部分发生在技术人员打算使涡轮机停止运行的时候。从运行观点上来看，不应该存在这样的事故。
6．影响美观
尽管美观问题不属于重要的问题，但是也是一种制约因素，对那些风景秀丽的地区和人口稠密的地区更是如此。公众对风力发电机越来越多的风景区感到失望和厌倦。所以，若想要人们在视觉方面接受风力发电机，不仅可以使用对风力发电机进行整齐排列的方法，而且还可以采用统一尺寸和设计来增加美观程度。
（二）风能的发展前景
当前我国的风电装机容量较大，但在全国电源装机总容量中所占的比例依然很小，风电利用在我国依然有相当大的发展前景。主要有以下四个方面原因。
1．丰富的自然风能和工业风能资源
根据相关调查研究，目前我国可以加以利用的低空（即10m以内）自然风能资源（包括陆上风能资源和海上风能资源）非常丰富，大约有10×108kW左右。高空风能资源更为丰富，能够达到20×108kW。同时，工业风能也有很好的利用前景，工业风能利用较为便捷，在为电力事业做出贡献的同时也能增加企业的效益。
2．社会对清洁能源的需求不断增大
一方面，时代的进步使环境保护观念逐渐深入人心，在能源利用上更加注重清洁性、节能性和可持续性等，对于风电事业的关注越来越多，并开始倾向于使用新型的清洁能源。另一方面，社会经济的快速发展也带来了用电需求的增大，利用风能发电能够有效缓解电力资源紧张的情况。
3．我国有较好的电网实施条件
东部沿海地区经济较为发达，而且目前已经装有较为完善的高压输电网，在风电建设上难度相对较小，实施较为合理。针对内陆一些风力资源丰富但经济发展相对落后的地区，国家会加大对风电建设的资金投入和政策支持，大大减小建设难度。
4．风电制造业良好的发展基础
目前，我国在风电建设方面的投入不断加大，风电制造业也得到了很大的发展，能够为风电建设提供相应的建设设备和技术支持。我国已能够大规模地生产2MW和1.5MW的风电机组，还将不断投入生产3MW和5MW以及更大功率的发电机组。
国际风电产业日益向着一体化、国际化、大型化方向发展，技术上要求很高，风力发电机组要求可靠、寿命周期长，因此零部件的精度、功能要求高。随着风力发电技术的发展，风电机组的原理和结构也在发生变化，未来的风电机组在向结构简单化、体积减小的方向发展。在风力发电系统中两个主要部件是风力机和发电机。风力机向着变桨距调节技术发展、发电机向着变速恒频发电技术发展，这是风力发电技术发展的趋势，也是当今风力发电的核心技术。
今后我国大力发展大型风电机组的重点是：努力掌握大型风力发电机组核心关键技术，包括总体设计、总装技术及关键部件的设计制造技术等，整机技术路线将以目前欧洲国家流行的变桨变速的双馈异步发电型、低速永磁同步发电型为主。目前，我国生产最多的还有齿轮箱风力发电机组，属于欧洲2000年左右研发的风力发电机。少数企业虽然初步掌握了直驱永磁技术，但在整个产业链中还没有普及。从长远利益来看，直驱永磁风力发电机组转换效率高、维护量低、变速范围大，取消了沉重的增速齿轮箱，发电机轴直接连接到风力发电机轴上，转子的转速随风速而改变，其交流电的频率也随之变化，经置于地面的大功率电力电子变换器，将频率不定的交流电整直流电，再逆变成与电网同频率的交流电输出，是未来风电技术的发展方向。
随着煤炭、石油、天然气等常规能源的日益枯竭，环境恶化、全球气候变暖，加之低碳理念的深入人心，风能正以破竹之势发展起来。未来的几十年甚至几百年间，我国应完善风能利用技术，围绕风能利用技术着力培养创新型人才，加快风能的发展步伐，让“大风车”给我们带来更多的希望与惊喜！
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