1.1 世界寒冷气候条件下风能资源

1.1.1 世界风力发电发展现状

随着能源危机与环境问题的日益突出，世界各国都把发展对环境负荷小的可再生能源作为其能源发展战略的重要组成部分。这其中，风能以其储量巨大、资源分布广、清洁无污染等特点受到了广泛关注，并伴随着风能研发技术创新的快速进步与大型商业化风电场建设的成功运作，风力发电已成为当今世界应用最广、效果最佳、商业化最成功的可再生清洁能源。

据世界风能协会2016年2月发布的数据显示，2015年全球新增风电装机容量63690MW，截至2015年年底世界累计风能装机容量已经达到435GW，年增长率达到17.20%，如图1-1所示。这其中，我国的贡献最大，成为世界风电发展的领导者，新增容量33GW，占世界新增容量的51.80%，继续保持全球领先，见表1-1。

可以预见，随着世界各国对能源与环境问题越来越重视，在未来一段时间内全球风力发电仍将保持高速发展态势。与之相应的风能利用技术也将被赋予新的内涵、面临新的挑战。未来风力发电机组将不断朝着大型化与大规模化发展，即单机容量的大型化和风电场的大规模化，如图1-2所示。同时，海上风力发电成为了新的更大的增长点。在不断提高风力机气动性能的前提下，如何提高风力发电机组的可靠性、可维护性和抵抗各种极端气候条件的能力等方向受到了越来越多的关注。这其中，适用于寒冷气候条件的风力机研究便是近年来受到国际上普遍重视的一个重要方向。

1.1.2 世界寒冷气候条件下风能利用

从世界范围来看，世界风资源储量多、风能利用好的国家主要集中在北半球，尤其是北美、北欧、亚洲中北部和其他部分地区。虽然这些地区的风资源十分丰富，非常适合发展风力发电，但其地理位置决定了这些地区都要不同程度地面临一个共同的气候问题就是低温和结冰。

世界风力发电大规模快速发展和应用普及主要源于20世纪90年代，欧洲和北美是当时风能利用最发达的地区。当时的风力发电技术的核心问题是追求风力机的效率最大化，即主要关注如何提高风力机的空气动力特性，优化风力机的最佳输出功率。然而，随着大型风力机的导入越来越多，风电场建设的规模越来越大，有关风力机和风电场安全运行的问题随之而来。这也就是我国当前开始逐渐要面临的“风电后市场问题”，其早在2000年左右便开始在欧美率先出现。而这其中，对于安装在寒冷地区的风力机及风电场的低温与结冰问题显得尤为突出。为此，2002年，国际能源署（IEA）在其风能委员会的风能项目中新增加了一个任务专题，编号为19（Task19），即“寒冷气候条件下风能利用（Wind Energy in Cold Climate）”。该委员会集合了欧美及亚洲的多个国家的专家学者，共同致力于寒冷气候条件下风能利用所面临的诸多问题研究与信息收集。我国也是该项目的参与国，由中国风能学会组织参与活动。根据其2016年6月的最新报告显示，世界上风能利用较好的国家大部分都处于寒冷气候地区或每年要遭受一定时间的寒冷气候条件，如北美、北欧、斯堪的纳维亚半岛、亚洲部分地区等。寒冷气候条件下的世界风能资源储量约为69GW。这一研究结果表明，全世界将近20%的风能资源处于寒冷气候条件下，将要面临低温和结冰的考验。图1-3所示为该委员会发布的2012年世界主要寒冷气候条件风资源统计及截至2017年时的风资源情况预测。

该委员会对风力机运行的寒冷气候（Cold Climate, CC）专门给出了自己的定义。寒冷气候地区，是指经常遭受大气结冰或者风力机长期运行在IEC61400标准第三版所要求的温度以下的地区。寒冷气候条件对风能利用的实现、运行及经济效益产生重要影响。正常风力机的设计与生产是要满足一定的标准的，如欧洲的IEC61400等。这些标准对风力机正常的工作环境如温度、湿度、风速等进行了要求，也对其可能遇到的极端气候条件下的可靠性做了一定的规定。然而，当风力机工作在超出正常低温工作要求一段时间后或者工作在可出现大气结冰的条件时，就定义该风力机是工作在寒冷气候了。如图1-4所示，寒冷气候包括结冰气候（Icing Climate, IC）和低温气候（Low Temperature Climate, LTC）两种情况。

结冰气候指一年中出现仪器结冰时间达到1%，或气象结冰的时间达到0.5%时为结冰气候。低温气候指一年中气温低于—20℃时间超过9天，或年平均气温低于0℃时为低温气候。

在某些地区，风力机可能只遭受寒冷气候中的一种情况，如单纯的结冰气候或者单纯的低温气候，而有些地区可能两者都会出现。因此，某处风电场可能既处于低温气候条件又处于结冰气候条件。而总体上，都可简单地定义为处于寒冷气候条件下。

（1）对于低温气候，目前风力机的结构及性能可以较好地满足要求。低温主要影响风力机的材料、润滑油以及电子元器件的可靠性、控制系统抗低温性能等。

（2）对于结冰气候，风场环境更加复杂，对叶片的损害更加严重。风力机叶片结冰会改变翼型形状，影响风力机的气动特性，降低风力机效率，影响整个风电场的输出；风力机叶片结冰还会改变叶片的载荷分布和结构特性，影响风力机的结构强度及疲劳寿命，使风力机产生安全隐患，严重时会发生事故。为此，世界各国都对风力机结冰与防除冰技术进行了大量研究。然而，虽然进行了十多年的研究，对风力机结冰的机理、结冰气候条件等有了充分的认识，但目前仍然没有非常理想、高效、低成本的防冰与除冰技术，准确可靠的结冰探测与预报技术也仍在研发中，因此这一项目至今仍在进行之中，世界各国的研究者仍在不懈地努力和探索。图1-5和图1-6所示为世界各地风力机结冰的一些实例。