风能技术的发展和最新趋势

风能技术的发展和最新趋势

M.R. Islam，S.Mekhilef ，R.Saidur

论文信息

论文记录：2012年10月8号收到论文，2013年1月3日修订，2013年1月4

日通过审核，2013年2月9号发表在网络上。

关键词：风能、鱼群概念、垂直轴风力发电机、能源存储系统、技术生命周期 摘要

在这篇论文中，随着现代风能技术的发展，风能技术的趋势和潜在的挑战经过深 入研究。据估计，在未来二三十年之间，垂直轴风力发电机（VAWT ）可以支配的 风能技术。垂直轴风力发电机需要较少的土地空间，并使用相同的空间；相比于 其他种类发电机它能获得更多的风能。通过有效和成功地引入鱼群概念，能更多 地促进风能技术的发展。在过去的三四十年间，风力涡轮机的容量增长了大概

30

到40倍。随着风力发电容量的增加，能量储存系统的需求一直在显著增加。随 着大量的能源储存系统，燃料电池和电池组是满足可再生能源系统的最有前途 的两个设备。风力发电技术是建立本身，但尚未完全成熟，因而存在其中的改 进是必需的，以减少风能的成本的许多领域。

1. 简介

能源是支配我们生活和促进文明的不可分割的部分。在大多数的情况下，现 代世界的社会和经济的健康发展依赖于能源的可持续供应。然而，人类文明和工业化的深入和无法控制的事态发展对环境和能源有极大的负面影响。为了防止环境的恶化和自然资源的进一步枯竭，未来的技术必须包括可持续发展的原则和技术处理，产品和运营的标准执行。

根据国际能源署的能源技术角度(ETP)公布的估计，如果没有新技术带来的影响，到2050年，从能源部门排出的温室气体量将比2005年增长130%。为了摆脱温室气体的排放，需要一场能源的革命，包括提高能源效率，可再生能源，核能和化石燃料为基础的脱碳发电。ETP BLUE情景表明，风电将有助于必要的电力部门减少12％。图1显示了各个能源部门减排的贡献值。除了二氧化碳以外，如硫和氮的氧化物的排放，也可由风能技术减少。像其他再生能源发电技术一样，风能在世界范围内广泛适应，并有利于减少对能源进口的依赖。如今，目前在火力发电厂广泛使用淡水冷却，这在干旱地区导致严重问题。与火力发电厂相比，风电场消耗非常低量的水。淡水问题在有些国家变成了非常重要的问题，例如中国、印度、美国等等。

由于现代技术的发展，风电已经取得了显着的进步。自1980年以来，先进的空气动力学，结构动力学和微气象学已经促成了生产能源的涡轮机的每年以5%增加。随着涡轮机的能量输出的巨大增长，涡轮机和它所发出的噪音的比重在过去的数年减少了一半。也可以通过用合适的风力发电机选择的风电场，采用大容量机和更快的基于计算机的机械加工技术，提高功率因数和更多的政府支持。相对于其他可再生能源技术的应用，风力发电具有由于其技术成熟，良好的基础

设施和相对有竞争力的成本等优势。在多风的地方，风能已经能与传统化石燃料发电相竞争。由于风能发电技术正在不断改进，专家预测，到2020年，风能将占据世界能源市场的5%。先进的风力发电机组技术必须更高效，更强大，比目前的涡轮技术的成本更低。在这篇论文中，主要的风电技术（风力发电机）的进展和趋势已经深入讨论。

鱼群概念的垂直轴风力发电机及其效益超过水平风力发电机已例证。连同这一点，如能量存储系统这种非常有用的附属物也已经简要讨论。虽然几部关于风力能源政策、发展、现状和技术，海上风电技术等的作品已经完成，但风能技术的进度和最新趋势还没完成。可预计的是本研究将对风能领域的研究人员和专业人员非常有用。

CCS26% 风能12%

先进燃煤

8%

燃气12%

and efficiency)PV 太阳能7% CSP 太阳能7% 水电2% 地热3% 生物能8%

核能15%

图-1 各电源领域在二氧化碳减排量的贡献

2. 全球风能鸟瞰

从表1可以看出，全球风电装机容量238,351兆瓦，2011年比2005-2011期间总发电装机容量增加了近75％。在排名前十的风能国家中，最大的发展中国家——中国2011年底的装机容量是62733兆瓦，比2005-2011年期间大约增长了98%。接下来发展最快的国家是法国、加拿大、美国和英国，他们比2005-2011期间分别增长88％，87％，80％和90%。但是从图2，可以发现，在1996年底，累计风电装机容量仅为6.1兆瓦，在2004年底的风电装机容量为47.6兆瓦。 根据2011年世界风能报告（图

2），可以得出下面的全球风能总结：

● 2011年，全球风电装机容量达到238,351 MW，其中40,714兆瓦加2010至

2011年，比2009年至2010年稍大。

● 在2010年底，全球所有安装的风力涡轮发电机可以产生430亿千瓦时的电

量，相当于全球电力消费的2.5%。

● 中国在风能总装机容量上超过美国，并且以每年18928兆瓦的速度增长，占

全球增长量的50%。

● 德国保持其在欧洲的头号位置，其风能装机容量是27,215兆瓦，其次是西

班牙，比德国少6539兆瓦。

● 亚洲占新风机安装的最大份额，大约是54.6％，而欧洲停留则以27％左右

的份额占据第2个位置。

● 据世界风能协会估计，到2015年之前全球装机容量可达60万兆瓦，按此发

展速度下去，到2020年可达到150万兆瓦的容量。

图-2全球风力发电累计容量(GW)

3. 风力涡轮机

风力涡轮机主要分为水平轴型和垂直轴型，可以将风能转换成机械能。虽然水平轴风力发电机（HAWT ）是一种常见的类型，但是垂直轴风力发电机（VAWT ）以其低成本、维修方便的优势在全球范围内被日益重视，尤其是直刃垂直轴风力发电机更是如此。基于风能转换系统的工作原理，风能涡轮机可分为基于空气气动助力和气动扬力两种。拖拽原理被应用于早期波斯VAWT 轮毂，这种轮毂具有非常低的功率系数，CP 值最大值大约是0.16。但是，现代风力涡

轮机的主要基于气动升力。HAWT 与VAWT 的优缺点和比较在表-2中已给出。

3.1. 现代风力发电机组技术和挑战

由于风力发电机组技术在20世纪80年代初期的商业化，很多东西有极大的发展，但主流设计的架构已经变化不大。现代的HAWT ，风能由水平转子的装置提取，在上风塔上，装有可倾斜的三个叶片，可以以控制链接的轴的旋转速度。在三叶片转子增殖，并且通常有一个单独的前轴承，连接到齿轮箱，可提供适用于最流行的四极或二极发电机的输出速度低速轴。在HAWT 中，轴被安装在一垂直轴，垂直于地面。垂直轴风力发电机始终对准着风向。图-3同时显示了现代化的水平轴风力机和垂直轴风力发电机。然而，对于现代风电行业最大的挑战是设计高效的风力涡轮机利用风能，并把它转化为电能。在过去的30年中，风力涡轮机的尺寸增加了100倍，而能源成本减少了超过5倍，而行业已经从一个理想主义的边缘活动转移到发电行业。同时，工程基础和计算工具已经发展到足以匹配机器尺寸和体积的地步。目前，这是风力涡轮机的非凡故事，但它远远没有结束行; 许多技术挑战依然存在，甚至更加辉煌的成就将紧随其后。一些风力涡轮机的重要特征将在下文中讨论。

图-3 水平轴和垂直轴风力发电机

3.1.1．叶片数

叶片的数量的确定涉及空气动力学效率，元件成本，系统的可靠性和美学等

设计考虑。20世纪80年代和90年代初，曾尝试将一个和两个叶片风力发电机组的设计商业化，但大多数现代风力涡轮机的有三个叶片。单个叶片的设计是最有效的结构的转子叶片，因为它具有与所有已安装的叶片表面积在一个单一的梁的最大叶片部分的尺寸。但是，用一个配重使其平衡的静态转子，为了其减轻负载，叶片铰链需要降低效率和复杂动力学。气动效率随叶片的增加而增加，但是回报却减小，增加叶片数量从一个增加到两个产生的空气动力效率提高了6％，而两至三年的产量只增加3％的效率提高。一片或两片叶片在商业市场消失的决定性因素是一个视觉冲击。类似许多其他设计方面的考虑一样，在风力涡轮机叶片的数量是一种妥协。三个叶片的设计提供一个良好的妥协，而不是过多的空气扰动以下叶片，能够从气流中手机合理量的能量并输送到发电机上盖的桅杆。

3.1.2．功率控制：间距与失速

风力涡轮机设计的主要功能是产生尽可能便宜的电能。因此，风力涡轮机的设计目的是要从风中提取的最大能量，并产生最大的输出功率。但是，风力涡轮机的设计不考虑功率输出的强风，因为这样的大风是非常罕见的。为了避免在强风对风力涡轮机的损坏，需要浪费风的一部分过剩能量。因此，所有的风力涡轮机使用某种形式的功率控制。现代风力发电机组主要运用用两种类型的电源的控制系统。第一种是音调控制风力涡轮机，它的电子控制器可每秒钟检查涡轮机的功率输出数次。当功率输出的涡轮机的太高时，控制系统发出的信号，启动片倾斜机制，立即打开转子略微出风。相反，每当风力变低时，转子变回其原始位置。第二种是失速型风力涡轮机，它需要调速和合适的转矩速度特性的固有的转子的空气动力学设计。失速控制型风力涡轮机的转子叶片的几何形状被设计成确保该时刻的风速变得太高，它产生紊流在转子叶片被不面对强风的一侧。失速防止作用在转子上的转子叶片的提升力。这两个系统的主要特征示于表-3中。

3.1.3．自动转换开关和风力涡轮发电机尺寸的发展趋势

风力发电的历史表明，风力发电机发生了从使用简单、轻便的空气阻力驱动设备到笨重、浪费材料的拖拽设备再到轻便、节省材料的气动升力装置的一般演变。历史发展趋势已经显示在图-4。在20世纪80年代，风力涡轮发电机的商业制造从丹麦技术起步。风电机组大小从直径20米叶轮、20-60kw 的装机容量已经增加至2兆瓦及以上。风力涡轮机的改进一直持续在以从风中捕获尽可能多的能量这个意义上。图-5显示了水平轴风力机尺寸的生长历史和为未来风力涡轮机的尺寸开启几个概念。在过去的十年中，风力涡轮机的大小已显著增加。2005年，最常见的风力发电机组的大小尺寸约为750千瓦，只有21.5％的新增装机容量的风力涡轮机是兆瓦级的。从那时起，一些公司如东纺和金风科技已经生产出了兆瓦级风力发电机组，容量从600千瓦提高到1兆瓦或以上。2010年，兆瓦级风力发电机组已占据大约86.8％的市场份额。

图-5 水平轴风力发电机尺寸增长

4. 风力发电机组技术及其影响的最新趋势

在现代风力发电机组技术中，水平轴风力发电技术十分发达，目前在整个风力发电场所都存在。另一方面，在目前的风力发电厂垂直轴风力发电机是非常罕见的，其大部分的设计研究是在70年代末和80年代初在能源桑迪亚国家实验室的美国能源部和在英国由阅读大学和罗伯特·麦卡尔平爵士和Sons 有限公司进行。但是，当发现HAWTs 作为大型风力能源生产效率更高时，人们就失去了对VAWTs 设计的兴趣，之后就VAWT 一个很小的研究开始进行了。

VAWTs 的技术发展显著落后于HAWTs ，虽然VAWTs 是空气动力学上比HAWTs 更有效。此外，曾有人建议，VAWTs （10 MWth的）风力发电更适合于大规模生产。由于VAWT 空气动力效率以及有关流动分离和能减轻对能源生产的不利影响性能，最近关于VAWTs 的研究又再度复兴。据观察，风总是改变速度和方向，几乎不可能是均匀的。VAWTs 不需要任何单向风速风力发电，但是HAWTs 则非常需要，换句话说，VAWTs 是全向的而不是偏向的机制。因此，VAWTS 可以更有效地在复杂的城市地形利用风能，有助于提高小型风力发电的能力。

4.1．水平轴风力发电机的鱼群概念

第一个关于群体规则的科学研究建立在平均起来为小规模的群体上，只有一个或最多十个科目，包括几个水族馆或池塘。尽管有其局限性，这些工作依旧允许建立关于群体行为的基本规则。综上所述，通过索里亚和达戈恩给出的定义，鱼群可以定义为被描述为一个临时组个体，通常，来自相同物种，相同尺寸和相同的生物周期之内，由于相互吸引团结在一起，在一个中心组内呈现出游动能力不同程度的协调性。他们保持经常接触，主要是视觉的，但是听觉和嗅觉上也如此。这些个体可以在任何时间，使用相同的生物技能对任何组员产生组织行为。据观察个体与群体的行动是同步的。

4.2. 鱼群概念和垂直轴风力发电机（VAWT ）的风电场的关系

在当今时代虽然大多数的风电场相比于垂直轴风力发电机，

水平轴风力发电

机占主导地位，但是在垂直轴风力发电机的风电场发现涡轮机的旋转是在同一方向。作为一个“游动的鱼”，它从尾部散开涡流。先前已提出，鱼群需要的这些优点散开涡流，从而最大限度地减少移动所需的能量。然而，由鱼产生涡流的研究过程中，Dabiri 发现对于相同的鱼，一些涡流的旋转是顺时针方向，而一些旋涡是逆时针方向。他还注意到相邻鱼尾流之间的建设性的流体动力干扰，这种干扰可以用于VAWTs 提高效率。Dabiri 认为，如果在最佳位置，VAWTs 可以在相同的风能场获得比HAWTs 多10倍的能量。由惠特尔西等人在VAWTs 电场进一步的研究表明，根据涡轮机之间的关系策略性地放置涡轮机可以得到实质性的好处。图-6示出的鱼群概念与VAWTs 风电场的关系，在左侧，可以看见鱼留下的涡流，在右侧，完全显示了VAWTs 配置之间的关系。

图-6 鱼群产生的涡流与风电场垂直风电机配置的关系

4.3．水平轴风力机和垂直轴风力发电机关于占用空间的比较

可再生能源（RE ）的主要问题是，它的来源是比化石燃料更分散，因此RE 的本技术需要大量的空间来提取能量以经济的方式。对于风能，这个问题比任何其他可再生能源更加尖锐。装有垂直风力发电机的风电场需要足够的空间来隔开相邻的发电机。空气动力约束的功率可以从风电场占地面积中补充。占用面积一般约为每台涡轮机0.25英亩，其中不包括5-10米的涡轮机直径。这一要求迫使风电场远离高需求的能量地点，增加了电能的运输成本。为了实现从HAWTs90％的效率，涡轮机必须在风电场横风和顺风方向中分别有3-5涡轮机直径和6-10涡轮机直径空间。可以从这种类型的风电场可以实现的最大功率密度仅为2-3 W/M2而对于VAWTs 电场可以是其数倍，其计算机模拟的结果示于表-4。

VAWTs 的功率密度比HAWTs 的高，因为转子的扫掠面积宽度不必相等，这决定了其覆盖区的大小和高度之间分配。另一方面，对于HAWTs 转子扫掠面积的广度和高度都相同。因此，这是很容易增加VAWT 的扫掠面积不增加占地面积，而在壳体HAWT 的两个必然增加。图-7示出HAWT 及VAWT 的转子的相对扫掠面积。 表-4水平轴风力机和垂直轴风力发电机的功率密度比较

图-7水平轴风力机与垂直轴风力发电机的风能通量扫掠面积

5. 电池作为一个新近开发的储能技术

引入在连接到风力发电厂的能量存储元件改变输出功率的频谱和统计分布。通过提高风力发电设备存储系统，风力发电场的输出已经变得更加可控的和可预测的。由于风的随机性质，由风力涡轮机产生的电功率是非常不稳定的，并且可能同时影响电能质量和电力系统的规划。因此，能量储存和转换已成为解决关于环境的社会关注和实际应用的主要研究方向，如不断增加的便携式电子设备。存储系统将不得不通过控制风电场输出功率，使风力发电在网格系统中的增加的渗透率在风力发电厂中发挥重要作用。

各种存储技术可用于存储的能量在电力系统中。最近的电能储存技术包括下列类型的存储介质：

● 电池

● 液流电池

● 燃料电池

● 飞轮

● 超导磁储能（SMES ）

● 超级电容器

● 压缩空气蓄能（CAES ）

● 抽水蓄能

然而，考虑飞轮伴随的各个方面的问题，燃料电池和电池组是可再生能源系统的两个最有影响的能量存储设备。电池通过其他形式存储电能，把电能转化为化学能，把能量存储在液体里。当操作员需要从电池获得能量，充电的化学物质重新把能量转化电子，然后回到插入电源线的电网。有几个有前途的电池技术用于电网能源的应用，包括先进的铅酸，镍镉（NiCd ），镍氢（NiMH ）电池，锂离子电池（锂离子电池），钠硫（NAS ）和液流电池。其中有几个在下面简要讨论。

6. 风力涡轮机（WT ）和风能的成本和效率的趋势

目前，能量是在世界上最激烈争论的问题之一。研究表明，风能将在不久甚

至遥远的未来作为为经济有效且方便的能源而被大规模应用。风力涡轮机不使用燃料和水，可以完全自动化，仅仅需要一点时间来调试。风能的应用能节省化石燃料，减少对环境的不利影响，并且在某些情况下被证明是经济的。当具有良好的风力条件（平均风速大于7-8米/秒），由大中型WT 生产的电力成本可以降到4-5美分/千瓦时，未来可能达到2.5-3.0美分/千瓦时。

风力发电的成本是建立和运营一个风能项目和能源的设施在其生命周期中产生的量成本的函数。从80年代到21世纪初，风力发电项目的平均成本明显下降。在美国，资金成本达到最低水平大约从2001至2004年，约比80年代初的成本低65%。在丹麦，资金成本也出现了类似的趋势，到2003年达到最低水平，可以看出比上世纪80年代初低55%。在这个时间框架中，技术革新允许较大的风轮机的发展以更低的成本。增加涡轮的大小所产生规模经济是紧随着项目和制造的规模经济。更具体地说，创新设计，材料，工艺和后勤有助于降低系统和部件的成本，同时有利于涡轮向上扩展。然而，资金成本的降低从2000年代中期宣告结束，美国、丹麦、西班牙和欧洲提供的数据显示，资金成本开始增加是从2004年左右开始，并且至少在2007-2009年持续增加。一系列因素，包括原材料商品价格和能源价格，都为增加的资金成本做出了贡献。

为了最大限度地提高涡轮机性能，制造商们试图开发更先进的涡轮组件和更大的涡轮机。更先进的部件保证更高的效率，提高了可用性，并减少产生的损失。一份美国、丹麦、西班牙全方位年度数据审查跨越1999年到2010年，展示了在一定程度上由此带来的性能提升。特别地，对于美国和丹麦数据表明整体升幅，平均船队全容量因子20％以上在此期间（图9）的顺序。

1980年至2003年期间资金成本的显著减少和表现的增加得益于风能

Levilized 能源（LCOE ）成本的大幅降低。从三个不同的历史评价，包括由劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL ），美国国家可再生能源实验室（NREL ），以及从旅鼠等人公布的估计数字内部分析数据和DEA ，说明了风电的LCOE 由三个以上来自超过$150/MWh约$50/MWh在此期间（图10）的一个因素下降。

图-8 液流电池系统插图

图-9相对于历史技术的容量因素增加

图-10 美国和欧洲从1980年到2009年的风能LCOE

7. 技术生命周期和报废

每当一种新技术被引入市场，其适应启动非常缓慢，因为它通常是昂贵的和对于人们来说是不熟悉的。另一方面，相对于新的和众所周知的，成熟的市场老技术是经济的。随着时间的推移，新的技术不断改进且发现更多的应用程序，最终被普遍认同。渐渐地，老技术就失去了市场份额，由于其固有的局限性，无法跟上新的步伐。由于新技术的快速适应和旧技术的遗弃，新技术的普及可达到15%的渗透率。

由于新技术替代旧技术的模式是恒定的，替换过程可以被预测。虽然预测方法不是绝对完美的，它可以按照一定的模式。专利数据可用于分析技术的趋势，避免侵权。凭借经验发现，专利申请的累积随时间的趋势服从一个类似于图

-10

的S 型曲线。S 曲线也被称为逻辑曲线，用于评价生长技术在其生命周期的各个阶段和预测何时一个特定的技术将达到一个特定的阶段。在S 曲线中（图-11），一般可以观察到四个不同的生长阶段：

(1)开始阶段：在这个阶段，专利申请是低的。

(2)增长阶段：在这个阶段专利申请的活跃性逐渐增加。

(3)成熟阶段：从这一阶段开始专利申请开始下降。

(4)饱和阶段：在这个阶段的技术接近自然极限。

达到S 曲线的饱和阶段后，现有技术已达到其全部潜力，将开始再次寻找一种新技术。

在另一方面，技术的实际过时开始于技术的市场份额下降。一开始，旧技术的更换是非常低的，但随着它逐渐成熟，其占领迅速加快。因此，它开始触发旧技术的位移。每当一种新技术达到快速适应阶段，旧技术的过时就会加速。然后，一个新的技术达到饱和的市场，其占领会放缓，旧技术淘汰的速率随之下降。最后，旧技术的市场占有率达到零，旧技术的淘汰最终实现。图-12显示了新技术和旧的过时的适应之间的关系。

表-5显示了风能技术发展趋势，挑战和解决方案的概述。由此可以看出，一些老的技术可以被新的所取代，而其中一些以前未使用，但在未来这些都将强有力地维持风电行业。

图-11一个典型的S 形曲线：技术的生命周期

图-12技术的典型过时图表

8. 结论

本研究的显著成果如下：

● 在顶级风电的国家，中国已经占据装机容量为62,733兆瓦的产能第一的位

置，2011年底比2005-2011期间约增长98%。在2010年年底全球风电装机容量为194.4吉瓦，而在1996年只有6.1吉瓦。

● 在过去的三十年中，风力涡轮机的尺寸已经扩大约10-12倍，而风力发电机

组的单机容量从开发时的100千瓦发展至2兆瓦。因此预计在不久的将来，风力涡轮机的能力，可提高到10-12兆瓦。

● 20世纪80年代和90年代初，曾尝试将一个或者两个叶片的风力涡轮机商业

化。然而，现代的三叶片风力发电机组已成为最经济，最有效的一种。 ● 虽然水平轴风力发电机（HAWT ）高度开发和利用于世界各地，近期的研发表

明，垂直轴风力发电机（VAWT ）更加经济且更高效地使用土地。通常，为了保持分离HAWTs90％的性能，一个HAWT 场中的涡轮机必须在横风向的顺风方向隔开3-5涡轮直径距离，6-10涡轮直径距离。在这种情况下，可以发现，在相同的面积使用VAWT 代替HAWT ，能够产生10倍以上的风能。因此，在未来VAWTs 可以作为HAWTs 更合适的替代品。

● 由于风的随机性，填补了可用性和能源需求之间存在的差距，能量存储系统

无疑是非常必要的。

● 采纳一种新技术开始很慢，因为它的引入通常是昂贵的，不熟悉的和不完美

的。随着时间推移，新技术逐渐被认为是卓越的，老技术因为其局限性最终被淘汰。