碳中和目标下风力发电技术的发展与挑战

碳中和目标下风力发电技术的发展与挑战

潘晓晓

江苏徐塘发电有限责任公司  江苏 邳州 221300

摘要：随着全球气候变化的日益严峻，碳中和成为应对气候变化的关键目标。风力发电作为一种清洁、可再生的能源，具有巨大的发展潜力。本文探讨了风力发电原理，阐述了风力发电技术的要点，以及碳中和目标下风力发电技术的发展与挑战策略。只有通过科技创新、政策引导和社会认知的提升，才能使风力发电技术在碳中和目标中发挥更大的作用，从而实现全球气候变化的应对和可持续能源的发展目标。

关键词：碳中和；风力发电；技术创新

引言

随着全球气候变化的日益严峻，人类面临着前所未有的环境挑战。为了应对这一严峻的形势，国际社会已达成共识，通过减少温室气体排放，实现碳中和，以减缓气候变化的速度。风力发电不仅可以降低温室气体的排放，而且作为可再生能源，有助于保障能源安全。因此，风力发电技术在全球范围内得到了广泛的关注和应用。风力发电技术的发展对于实现碳中和目标具有重要意义。尽管面临着一些挑战，但随着政策引导和技术创新，未来风力发电将在全球能源结构调整和气候变化治理中发挥越来越重要的作用。

1风力发电原理

风力发电通过风力促使风车叶片不断转动，辅以增速机，将生成的动能全部汇入发电机中，当能量积累到一定程度之后即可进行发电。原风力发电系统结构简单，主要包括风车叶片与发电机两个部分。随着节能环保观念转变，科学水平提升，风力发电技术在发展过程中同样发生了改变，创新了实践成果，丰富了应用功能。当下风力发电系统结构复杂，由不同功能零件系统组合而成，包括齿轮箱、液压系统等。在风力发电系统运行阶段，齿轮相互咬合可以提高发电机工作效率，维持系统运行的稳定。偏航系统可以动态监测风向变化及风力大小，结合风向设置风轮扫掠面，且使两者保持垂直状态，从而最大限度提高资源利用率。站在系统角度来看，变桨距风机、风轮叶片等需要始终以根部为中心进行运动，提高系统灵活性，适应风向、风力变化等带来的影响。风力发电系统停止运行之后，风轮叶片顶端会从原有位置甩出，进一步提高阻尼，方便发电机停止运行，在此期间，液压系统与刹车系统会同时启用。对现代化风力发电系统而言，控制系统十分重要，是提高发电自动化水平的关键，可以动态监测风力发电系统各功能模块的运行状况，根据不同的运行状况采取有针对性的措施加以控制，使发电机稳定运行，同时监控风力发电系统工作状态的变化。如果察觉风力发电系统出现隐患，控制系统会立即发出预警信息，方便风力发电系统进行故障检修，控制停机以减少不良影响。

2风力发电技术的要点

风电无功电压自动控制技术。一般情况下，控制系统主要采取以下两种方式控制无功电压变化：①远程控制，子站自动化跟踪监测目标变化。②现场控制，子站主要利用预定并网点进行电压控制，优化基于无功电压生成的曲线。在风电无功电压自动控制技术支持下，可通过人工模式加强子站运行管控，利用人工手段启动或关闭各类设备，结合人工与自动化手段，维持风力发电系统运行的稳定性，充分发挥设备作用。技术应用期间，子站可以发挥一定作用，通过自主调节功能将无功功率设定在合理范围内，管控风力发电系统运行期间的无功电压变化。

3碳中和目标下风力发电技术的发展与挑战策略

3.1风电行业发展历程与周期性特点

我国的风电行业经历了快速发展和周期波动的阶段。因此，风电装机量呈现出迅猛增长的态势。然而，由于部分风电场建设地点选择不当，导致与电力消耗地区距离较远，加上风电发电量的波动性，引发了严重的弃风现象。这一问题对风电行业的可持续发展构成了挑战。随着补贴政策的实施和弃风现象的出现，中国风电行业呈现出周期性波动的特点。一方面，政府的补贴政策刺激了风电装机量的激增，但另一方面，由于消纳能力不足和政策限制，风电装机量出现了下降。特别是在风电发电量波动性大、消纳难题突出的情况下，政府出台了一系列政策，限制了风电项目的新增装机量。这导致了一段时期内风电行业的发展停滞。然而，随着消纳能力的改善和政策的调整，风电行业又开始逐渐回升。在配套设施的改善和风机成本降低的双重推动下，风电装机量逐步增加。尤其是在2021年，陆上风电的国家补贴彻底退出，风电实现了平价上网，标志着中国风电行业进入了市场化发展阶段。基于风电行业的发展，技术性措施也在不断推进。为解决弃风现象和提高风电发电的稳定性，相关技术不断创新。例如，智能风机控制技术和储能技术的应用，能够提高风电场的运行效率和发电质量。此外，随着风机的大型化趋势，风机的技术性能和经济性能也在不断提升，为风电行业的可持续发展打下了坚实基础。

3.2风电产业链发展

风电产业链的上下游包括原材料供应商、零部件及整机制造商及风电厂运营投资者。在这个产业链中，毛利率呈现出两边高、中间低的趋势。上游原材料和下游运营环节的毛利率相对较高，而中游零部件制造环节的毛利率较低。上游原材料供应商提供风电产业所需的材料，如玻纤、碳纤维和钢材等。这些原材料的供应商往往能够获得较高的毛利率，因为这些材料在风电生产中起到了关键作用，且供需关系相对稳定。下游风电厂运营投资者在风电产业链中拥有较高的话语权。他们作为风电场的投资者和运营者，掌握着风电项目的决策权和运营权，因此能够获得较高的毛利率。尤其是在风电市场逐渐实现市场化、国家补贴逐步退出的背景下，风电厂运营投资者的利润空间将更加明显。在投资决策中，投资者常常会关注投资回报率（ROE、ROIC等指标）。因此，尽管运营环节的毛利率较高，但投资者在考虑投资价值时仍需综合考虑各种因素。

3.3技术创新与改进

超声波检测技术在风力发电工程中通过引入相控阵技术，实现了对复杂结构件的高分辨率检测。相控阵超声波检测（PAUT）利用多个阵列探头发射和接收声波，能够在单次检测中获得多个角度和深度的信息，提高检测灵敏度和速度。磁粉检测技术在风力发电工程中采用高强度永磁体和电磁激励装置，磁场强度可达2.5T以上，能够有效提高检测灵敏度和检测范围。高性能磁粉材料如钕铁硼合金粉和镍铁合金粉的应用，使得磁粉颗粒的粒径控制在1-10μm之间，确保检测的精度和稳定性。渗透检测技术通过改进渗透剂和显像剂的配方，提高对微小裂纹和气孔的检测能力，新型荧光渗透剂具有高亮度和长波长特性，能够在紫外线下显现出清晰的缺陷图像。射线检测技术中射线源的能量范围扩展到10MeV以上，能够穿透厚度超过300mm的金属材料，适用于大型铸件和焊接结构的内部缺陷检测。数字射线成像（DR）技术通过高分辨率平板探测器和计算机图像处理，实现实时成像和自动缺陷识别，提高检测效率和结果可靠性。

结束语

风力发电技术的发展和应用对全球应对气候变化和推动可持续能源发展具有重要意义。首先，风力发电可以减少碳排放，对环境保护和气候变化具有积极的影响。其次，风力发电可以提供一种可再生的能源来源，减少经济社会对化石燃料型能源的依赖，推动全球能源结构的转型和升级。在面向碳中和的目标下，风力发电技术的发展将更加受到重视。

参考文献

[1]左涛，刘建涛，李敏，等.碳中和目标下风力发电技术的发展与挑战[J].电气时代，2023（8）：36-43.

[2]许淳瑶，葛立超，冯红翠，等.碳中和目标下风力发电技术的发展与挑战[J].热力发电，2022，51（9）：29-41.

[3]任孔明.碳中和目标下风力发电技术的发展与挑战[J].安徽冶金科技职业学院学报，2020，30（3）：35-38.