风电技术科普：风机发电原理、产业链、风机种类与行业发展

风电技术科普：风机发电原理、产业链、风机种类与行业发展

随着全球对清洁能源需求的不断增加，风电作为可再生能源的重要组成部分，其技术发展和应用日益受到关注。本文将从风机发电原理及特点、风力发电产业链、风机种类、常见风机基础形式、风力发电发展现状、风力发电发展趋势等多个维度，全面介绍风电技术的相关知识。

风机发电原理及特点

风力发电所需要的装置，称作风力发电机。风力发电机是把风能转化为电能的装置，风力发电的原理是利用风来驱动风轮机叶片旋转，然后通过增压发动机提高转速，叶轮带动发电机旋转切割磁感线，将风能转换为机械功，机械功带动转子旋转，最终产生电能。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电没有燃料问题，没有辐射，也没有空气污染，它是一种清洁能源。

优点：

• 清洁、环境效益好
• 可再生、永不枯竭
• 陆地上或海上都能建设
• 装机规模灵活，运行成本低

缺点：

• 发电不稳定，风量无法掌控，大风运行的轨迹随时会改道
• 风机对鸟类的迁徙有一定影响
• 噪音污染，选址需要在偏远地区

风力发电产业链介绍

风电产业链由三部分组成：上游原材料企业、零部件制造商；中游风机整机装备制造商；下游风电开发运营。

• 上游：上游原材料方面主要指风电叶片的原材料，主要为树脂、玻纤、夹芯材料。零部件主要包括叶片、齿轮箱、发电机、塔架、主轴和制动系统等；

• 中游：中游风电整机制造国内竞争力强，全球前10大有6家是中国公司，金风科技、远景能源和明阳智能三足鼎立。海上风电全球市场占比最高的是西门子歌美飒、三菱维斯塔斯、上海电气和金风科技。

• 下游：下游是风电运营，前期投入高、项目周期长，以大型新能源发电集团为主，主要是“五大六小”发电集团，其中“五大”是指国家能源集团、华电集团、华能集团、大唐集团和国家电投，“六小”是指华润电力、三峡集团、国投电力、中广核、中核、中节能，合计占比在70%左右。

风机种类介绍

按叶片分类

• 水平轴风力发电机：旋转轴与叶片垂直，一般与地面平行，旋转轴处于水平的风力发电机。

• 垂直轴风力发电机：旋转轴与叶片平行，一般与地面吹垂直，旋转轴处于垂直的风力发电机。

按输出容量分类

风力发电机可分为小型，中型，大型，兆瓦级 系列。

• 小型风力发电机是指发电机容量为0.1~1kw的风力发电机。
• 中型风力发电机是指发电机容量为1~100kw的风力发电机。
• 大型风力发电机是指发电机容量为100~1000kw的风力发电机。
• 兆瓦级风力发电机是指发电机容量为1000以上的风力发电机。

按发电机类型分类

• 同步型风力发电机：电机的转子速度与定子旋转磁场相同，电机的转子结构相对复杂，有直流励磁绕组，因此需要外加励磁电源，通过滑环引入电流。异步发电机按其转子结构不同又可分为笼型异步发电机和绕线式双馈异步发电机。

• 异步型风力发电机：电机的转子速度与定子旋转磁场不同，电机的转子是短路的绕组，靠电磁感应产生电流。同步发电机型按其产生旋转磁场的磁极的类型又可分为电励磁同步发电机和永磁同步发电机。

风机基础形式

陆上风电基础

• 扩展基础：将上部结构传来的荷载,通过向侧边扩展成一定底面积，使作用在基底的压应力满足承载力要求的基础。

• 桩基础：由桩身和连接于桩顶的承台共同组成，用以承受和传递上部荷载的基础形式。

• 肋梁基础：上部承台采用井格式构造的扩展基础，与扩展基础适应范围相似，可以节省混凝土工程量，节省造价。

• 岩石锚杆基础：以细石混凝土或高强无收缩灌浆料和锚筋注入钻凿成型的岩孔内的锚桩基础。

海风风机基础

• 固定式海上风机基础：主要适用于近海岸0-50m的水深

• 单桩式基础结构：塔架直接由基础桩腿支撑或者通过过渡段把两者连接起来，塔架、桩腿以及过渡段都是圆柱形的钢铁管件。适用水深为0～25m。

  

• 导管架基础结构：导管架结构形式通常有 3 或 4 个桩腿，桩腿之间用撑杆相互连接，形成一个有足够强度和稳定性的空间钢架结构。适用水深为 20～40m。

• 三脚架基础结构：三脚架支撑结构的三条桩腿由圆柱状钢管制成，一般来说相邻两腿之间的夹角均相等。适用水深为 20～50m。

• 重力式基础结构：其结构形式装有重力式基底，基底能提供足够的固定载荷，使得整个结构因其自身重量而在环境载荷中保持稳定。适用于水深 0～25m 。

  

• 漂浮式海上风机基础：主要适用于水深大于等于50m的海域

• 立柱式(SPAR)：SPAR基础主体是一个大型的圆柱，其作用是支撑塔架和机舱以及系泊缆绳的重量，通过底部压载使得浮式基础的浮心高于重心，进而提高浮式平台的平稳性。通常大于 100m 水深。

  

• 张力腿式(TLP)：TLP基础是一种垂直系泊的顺应式漂浮式基础结构，由悬浮的矩形水平浮筒和圆柱体结构组成。通过刚度较大的张力腿直接连接至海底锚固结构。适用水深通常大于 40m。

  

• 半潜式(Semi)：半潜式基础通常由有斜撑管连接的多个大型浮筒构件组成。风力发电机可以安装在任意一个浮筒上，利用浮筒非常大的水线面面积来保证整机的稳定性。适用水深通常大于40m。

  

风力发电发展现状

• 累计装机容量：3.5亿千瓦同比增长16.6%
• 新增装机容量：2114万千瓦同比增加194万千瓦
• 新增并网规模：1924万千瓦同比增长 17.10%
• 累计平均利用小时数：1817小时，比上年同期减少10小时

依据2022年11月22日，国家能源局发布1-10月份中国电力工业统计数据

我国经济快速发展，工业化、城镇化进程加快，能源需求快速增长，能源供需矛盾日益突出，发展清洁能源技术、特别是加快开发利用可再生能源资源，是实现可持续发展的必然选择。在此大环境下，2022年我国风力发电行业得到迅速发展，行业并网装机容量持续增长。

风力发电发展趋势

一、碳中和利好风电行业发展

我国已明确提出，到2030年二氧化碳排放将比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右，风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上。在落实我国碳排放峰值、碳中和目标，实现我国能源结构转型过程中，大力发展风电是必由之路。未来，风电产业将迎来更大的发展空间。

二、政策驱动竞价配置与平价上网

风电是可再生能源中应用最为成熟的形式之一。加速发展并实现风能替代作用、推动能源消费结构优化，既是整个能源产业与社会经济的发展需要，也是风电产业自身的发展目标，这其中重要的一环就是平价上网。近年来，推动竞价配置、推进平价上网成为主流政策导向与预期，促使市场出现在调价时间节点前集中对风电场进行建设的抢装潮现象。

三、度电成本降低

随着技术的不断进步，风电单机容量大型化发展，使得风电机组成本逐步降低，为初始投资成本下降提供空间。此外，发电利用小时数上升和弃风率下降使得风电上网电量逐年上升。上述因素综合贡献使得风电度电成本逐步下降。