风力发电技术课件.ppt

1、1风力发电技术风力发电技术2风能和风力发电概述风能和风力发电概述二二本课程内容本课程内容三三背景介绍背景介绍一一3第一节第一节 概述概述l 风能是大气运动形成的风能是大气运动形成的一种能源形式，其能量一种能源形式，其能量来自于大气所吸收的太来自于大气所吸收的太阳能。阳能。l 人类对风能的利用历史人类对风能的利用历史久远，早在公元久远，早在公元1010世纪，世纪，波斯就出现了水平转动波斯就出现了水平转动的风磨。的风磨。4公元公元1212世纪，欧世纪，欧洲开始使用风车抽洲开始使用风车抽水、碾磨谷物，此水、碾磨谷物，此后风车一直是主要后风车一直是主要的动力机械之一。的动力机械之一。5l 我国开始利用

2、风能作为动力我国开始利用风能作为动力大约在大约在13世纪中叶。世纪中叶。l 现在所说的风能利用现在所说的风能利用主要是主要是指风力发电指风力发电。采用风力涡轮。采用风力涡轮机发电的设想始于机发电的设想始于1890年丹年丹麦的一项风力发电计划，到麦的一项风力发电计划，到1918年丹麦已经投入运行了年丹麦已经投入运行了120台风力发电机。台风力发电机。6l 风力发电走向规模化应用还是在风力发电走向规模化应用还是在20世纪世纪90年代年代以后，风力发电的装机容量开始以每年平均以后，风力发电的装机容量开始以每年平均20%以上的速度增长，已成为世界上各种能源以上的速度增长，已成为世界上各种能源中增长最快

3、的一种。中增长最快的一种。l 据统计，据统计，2007年底，全球风力发电新增装机容年底，全球风力发电新增装机容量量19791MW，总装机容量达到，总装机容量达到94005MW，比，比2006年增加了年增加了27%，风力发电的总量已占全球，风力发电的总量已占全球电力消费总量的电力消费总量的1%以上。以上。7l 我国风能资源非常丰富。我国风能资源非常丰富。20062006年国家气候中年国家气候中心研究结果表明，我国陆地心研究结果表明，我国陆地1010米高度层可开发米高度层可开发和利用的风能储量除青藏高原外总量约为和利用的风能储量除青藏高原外总量约为2525亿亿kWkW，海上可开发和利用的风能储量约

4、为，海上可开发和利用的风能储量约为7.57.5亿亿kWkW，共计约，共计约32.532.5亿亿kWkW。l 我国风电开发的空间十分巨大。目前，风力发我国风电开发的空间十分巨大。目前，风力发电只占在全国电力装机总容量的电只占在全国电力装机总容量的1.2%1.2%。而根据。而根据国家发改委的长期产业规划，国家发改委的长期产业规划，20202020年年1000010000万万kWkW，占全国电力总装机的，占全国电力总装机的2%2%。8一、世界风能发电概述一、世界风能发电概述l 20世纪末，由于能源危急和全球环境保护的世纪末，由于能源危急和全球环境保护的影响，欧洲、美国及亚洲的印度、中国风力发影响，欧

5、洲、美国及亚洲的印度、中国风力发电出现强劲势头，其中丹麦的风电量已经超过电出现强劲势头，其中丹麦的风电量已经超过了总发电量的了总发电量的20%。l 目前，目前，欧洲最大的风力发电国是德国，西班欧洲最大的风力发电国是德国，西班牙居第二。全球风力发电保持高速发展的势头，牙居第二。全球风力发电保持高速发展的势头，预计到预计到2010年，全球风力发电装机总量可以年，全球风力发电装机总量可以达到达到160GW。9l 风力发电快速增长的原因在于两个方面：一是风力发电快速增长的原因在于两个方面：一是经济发展对电力需求的快速增长和可持续发展经济发展对电力需求的快速增长和可持续发展的要求；二是风力发电技术的不断

6、进步，促进的要求；二是风力发电技术的不断进步，促进了发电价格不断降低。了发电价格不断降低。l 风电价格不断降低的同时，化石燃料的价格呈风电价格不断降低的同时，化石燃料的价格呈总体上升趋势，加之环保和二氧化碳减排的要总体上升趋势，加之环保和二氧化碳减排的要求，化石燃料发电的价格总体是上涨的。因此求，化石燃料发电的价格总体是上涨的。因此风力发电将称为风力发电将称为21世纪重要的能源形式之一。世纪重要的能源形式之一。10l 就风能资源的储量来说，地球上风力资源的利就风能资源的储量来说，地球上风力资源的利用才刚刚开始，发电技术的发展就是风力发电用才刚刚开始，发电技术的发展就是风力发电机技术的发展。机技

7、术的发展。l 目前，风力发电机在叶片材料、气体动力学特目前，风力发电机在叶片材料、气体动力学特性、控制方式等方面不断进步的同时，主要是性、控制方式等方面不断进步的同时，主要是向大型化的方向发展。向大型化的方向发展。l 世界风能市场上风力发电机的主要供应商来自世界风能市场上风力发电机的主要供应商来自欧洲和美国，其中丹麦一直居世界领先地位，欧洲和美国，其中丹麦一直居世界领先地位，占全部市场份额的占全部市场份额的60%以上。以上。11l 德国一直引领着世界风电市场的发展。德国德国一直引领着世界风电市场的发展。德国2006年底发电年底发电装机容量装机容量2194MW，是目前世界上发电装机容量最多和风，

8、是目前世界上发电装机容量最多和风力发电机组技术最先进的国家。力发电机组技术最先进的国家。l 德国风力发电的制造技术和生产规模都处于世界领先水平，德国风力发电的制造技术和生产规模都处于世界领先水平，目前世界上在运行的最大的商用风力发电机组就产自德国。目前世界上在运行的最大的商用风力发电机组就产自德国。l 德国德国Enercon E112型风力发电机最大输出功率达到型风力发电机最大输出功率达到6MW,风力发电机全高风力发电机全高186m,风轮直径为风轮直径为114m，切出风速为，切出风速为2834m/s，是目前世界上最大的风轮机。，是目前世界上最大的风轮机。12l 丹麦和西班牙丹麦和西班牙-紧随德

9、国之后紧随德国之后 丹麦和西班牙的风电也在高速发展。西班牙丹麦和西班牙的风电也在高速发展。西班牙的的20062006年装机容量达到年装机容量达到11.6GW11.6GW，欲挑战德国争，欲挑战德国争夺欧洲之冠的地位。丹麦已经成功地用风电来夺欧洲之冠的地位。丹麦已经成功地用风电来满足国内满足国内23%23%的电力需求，是世界上风电贡献的电力需求，是世界上风电贡献率最高的国家。丹麦在风电机组制造、风能资率最高的国家。丹麦在风电机组制造、风能资源评价和风电场接入电网等领域的技术均居世源评价和风电场接入电网等领域的技术均居世界领先地位。界领先地位。13l 美国的风力发电美国的风力发电l 美国的风能资源丰

10、富，据估算，如果全部开发美国三美国的风能资源丰富，据估算，如果全部开发美国三个州个州(得克萨斯州等得克萨斯州等)的风电就可以满足全美的电力需求。的风电就可以满足全美的电力需求。l 在美国，风能发电已经很有竞争力，其成本相等甚至在美国，风能发电已经很有竞争力，其成本相等甚至低于传统电力的平均价格。低于传统电力的平均价格。l 目前，美国最大的风电场是位于德克萨斯州的马谷风目前，美国最大的风电场是位于德克萨斯州的马谷风能中心，该中心建有能中心，该中心建有 421台风力发电机组，装机容量台风力发电机组，装机容量达到达到735MW，于，于2006年年9月全部建成。月全部建成。l 美国新建风电场普遍使用美

11、国新建风电场普遍使用GE公司公司1.5MW风力发电机，风力发电机，其次是西门子公司的其次是西门子公司的 2.3MW风力发电机。风力发电机。14l 印度印度-发展中国家的先锋发展中国家的先锋l 从从20世纪世纪80年代起，印度就启动了风电项目。在年代起，印度就启动了风电项目。在20世纪世纪90年代后期印度风电市场一度低靡，但最近却开始复苏。年代后期印度风电市场一度低靡，但最近却开始复苏。截至截至2006年底，风电装机容量已达年底，风电装机容量已达6270MW，印度已经，印度已经成为全球第五大风电生产国。在过去几年，政府积极推动成为全球第五大风电生产国。在过去几年，政府积极推动风电产业的发展，鼓励

12、大型私有和公有企业投资，并同时风电产业的发展，鼓励大型私有和公有企业投资，并同时给予当地制造基地同样的政策激励。给予当地制造基地同样的政策激励。l 在印度，有的公司现在已经可以生产在印度，有的公司现在已经可以生产70%的风电机组零件，的风电机组零件，不需要从主要的欧洲制造商进口，从而大大降低了风电机不需要从主要的欧洲制造商进口，从而大大降低了风电机组生产成本，并给当地创造出额外的就业机会。印度还建组生产成本，并给当地创造出额外的就业机会。印度还建立了两百多个风力监测站，为风能资源的开发利用提供基立了两百多个风力监测站，为风能资源的开发利用提供基础数据支持。础数据支持。15二、我国风力发电概况二

13、、我国风力发电概况l 我国的风电事业起步较晚，在我国的风电事业起步较晚，在20世纪末，风力发电机世纪末，风力发电机组的制造还主要在于简单的小型家用风力发电机组。组的制造还主要在于简单的小型家用风力发电机组。l 进入进入21世纪以来，我国的风电装机容量开始快速增长，世纪以来，我国的风电装机容量开始快速增长，2006年底，装机容量上升到将近年底，装机容量上升到将近260万万kW。l 我国国土面积辽阔，风能资源丰富，目前风电装机容我国国土面积辽阔，风能资源丰富，目前风电装机容量还相对较低。量还相对较低。l 规划预计到规划预计到2010年风电装机总容量达到年风电装机总容量达到2500万万kW,2020

14、年风电装机总容量达到年风电装机总容量达到10000万万kW。16l 中国的风能资源主要集中在两个带状地区中国的风能资源主要集中在两个带状地区,一条是一条是“三北三北(东北、华北、西北东北、华北、西北)地区丰富带地区丰富带”,其风能功率密度在其风能功率密度在200瓦瓦/平方米平方米300瓦瓦/平方米以上平方米以上,有的可达有的可达500瓦瓦/平方平方米以上米以上,如阿拉山口、达坂城、辉腾锡勒、锡林浩特的灰如阿拉山口、达坂城、辉腾锡勒、锡林浩特的灰腾梁等腾梁等,这些地区每年可利用风能的小时数在这些地区每年可利用风能的小时数在5000小时小时以上，有的可达以上，有的可达7000小时以上。从新疆到东北

15、小时以上。从新疆到东北,面积大、面积大、交通方便、地势平交通方便、地势平,风速随高度增加很快，三北地区风能风速随高度增加很快，三北地区风能在上百万千瓦的场地有四五个在上百万千瓦的场地有四五个,这是欧洲没法比的。而这这是欧洲没法比的。而这个地带的缺点是建网少个地带的缺点是建网少,发出的电上不了网。发出的电上不了网。l 一条是东部沿海风带，主要位于沿海几十公里的大陆海一条是东部沿海风带，主要位于沿海几十公里的大陆海岸和海道，其风能资源比三北风带还好，海道煤和石油岸和海道，其风能资源比三北风带还好，海道煤和石油依靠大陆，电力联网困难，发展发电迫在眉睫。依靠大陆，电力联网困难，发展发电迫在眉睫。171

16、8v中国现代风电技术的开发利用始于中国现代风电技术的开发利用始于2020世纪世纪7070年代，年代，0.10.115kW15kW离网型风力发电机组开始试验、示范、应离网型风力发电机组开始试验、示范、应用推广。用推广。v“六五六五”、“七五七五”、“八五八五”期间，国家和地方期间，国家和地方政府把政府把22kW22kW、30kW30kW、55 kW55 kW、75kW75kW、120kW120kW、200kW 200kW 风电机组列入重点科技攻关项目，但由于诸多原因，风电机组列入重点科技攻关项目，但由于诸多原因，都未商业化运行。都未商业化运行。v规模化的风力发电场规模化的风力发电场8080年代后

17、期投入运行。年代后期投入运行。19截至截至20062006年底，年底，我国除台湾外我国除台湾外累计安装风电累计安装风电机组机组33113311台，台，装机容量装机容量259.9259.9万万kW,kW,共共建设建设9191个风电个风电场，分布在场，分布在1616个省。个省。20v“九五九五”期间，并网型风电机组得到快速发展。期间，并网型风电机组得到快速发展。定桨距失速型定桨距失速型200kW200kW、250kW250kW、300kW 300kW、600kW600kW风电风电机组；机组；变桨距双速型变桨距双速型600 kW600 kW风电机组；风电机组；中国一拖和西班牙中国一拖和西班牙Made

18、Made合资建立一拖美德风电设备合资建立一拖美德风电设备公司，生产公司，生产660kW660kW风电机组；风电机组；中国西航和德国中国西航和德国NordexNordex合作建立西安维德风电设备合作建立西安维德风电设备公司，生产公司，生产600kW600kW风电机组。风电机组。21v“十五十五”期间，国家提出研制期间，国家提出研制“兆瓦级风电机组兆瓦级风电机组”的的攻关目标，有如下攻关目标，有如下3 3个课题：个课题：1.3MW 1.3MW 定桨距失速型风电机组定桨距失速型风电机组 1MW 1MW 双馈型变速恒频风电机组双馈型变速恒频风电机组 1.2MW 1.2MW 直驱型变速恒频风电机组直驱型

19、变速恒频风电机组22v 风力发电机组经过二十余年的发展，容量从十千瓦级增风力发电机组经过二十余年的发展，容量从十千瓦级增大到兆瓦级，从大到兆瓦级，从9090年代定桨距失速型风电机组为主导机年代定桨距失速型风电机组为主导机型，向变速变距型风电机组为主流机型的方向发展，且型，向变速变距型风电机组为主流机型的方向发展，且随着电力电子技术的发展，变速恒频的风力发电技术已随着电力电子技术的发展，变速恒频的风力发电技术已经成了风力发电的大势所趋。经成了风力发电的大势所趋。v 兆瓦级机组的市场份额兆瓦级机组的市场份额19971997年及以前还不到年及以前还不到10%10%，20012001年则超过一半，年则

20、超过一半，20022002年达到年达到62.1%62.1%。v 风电装机容量约以平均每年增幅风电装机容量约以平均每年增幅30%30%的速度在增长，成的速度在增长，成为增长速度最快的清洁能源。为增长速度最快的清洁能源。23l 新疆达坂城是我国最早建设规模化风电场的地区，于新疆达坂城是我国最早建设规模化风电场的地区，于1989年建成的达坂城风电一场是我国第一个风能发电年建成的达坂城风电一场是我国第一个风能发电场，所有设备全部从丹麦引进。场，所有设备全部从丹麦引进。24l 广东省南澳岛风电广东省南澳岛风电场是我国第一个海场是我国第一个海岛风电场。南澳岛岛风电场。南澳岛是广东唯一一个岛是广东唯一一个岛

21、县，东南季风长，县，东南季风长，风力资源丰富，风风力资源丰富，风况属世界最佳之列。况属世界最佳之列。到到2005年底，装机年底，装机容量达到容量达到5.6万万kW，是亚洲最大的海岛是亚洲最大的海岛风电场。风电场。25l 20072007年年6 6月，我国最大的月，我国最大的风电场是内蒙古的辉腾风电场是内蒙古的辉腾锡勒风电场，总装机容锡勒风电场，总装机容量量189MW189MW，为第，为第2929界奥运界奥运会输送绿色电力。同时会输送绿色电力。同时还有两个风电项目在建，还有两个风电项目在建，到到20102010年将建成百万千年将建成百万千瓦级的风电场。瓦级的风电场。26l 官厅位于北京市官厅水库

22、南岸，是北京主要的风口之一，官厅位于北京市官厅水库南岸，是北京主要的风口之一，一期项目总装机容量一期项目总装机容量49.5MW，2007年底竣工、并网发电，年底竣工、并网发电，生产的电能直接输入北京电网，供给市民和奥运场馆使用。生产的电能直接输入北京电网，供给市民和奥运场馆使用。建设现场建设现场27三、我国风力发电工业的现状三、我国风力发电工业的现状l 我国在我国在20世纪世纪50年代开始风力发电机的研制。目前大年代开始风力发电机的研制。目前大功率风力发电机组还依靠进口。功率风力发电机组还依靠进口。l 与国际水平相比，我国风力发电机的单机容量较小，关与国际水平相比，我国风力发电机的单机容量较小

23、，关键部件需要进口，整机质量还有差距。键部件需要进口，整机质量还有差距。l 我国在海上发电的资源勘察、设备制造、施工安装工艺我国在海上发电的资源勘察、设备制造、施工安装工艺和运行管理方面还比较落后。和运行管理方面还比较落后。28l 2007年，国内风力发电机组生产厂家通过引进技术、年，国内风力发电机组生产厂家通过引进技术、合资、合作方式，可以批量生产合资、合作方式，可以批量生产600kW、660kW和和750kW的风力发电机组，同时也研发了兆瓦级风力发的风力发电机组，同时也研发了兆瓦级风力发电机组。电机组。l 2006年年10月，我国首台自主研制的月，我国首台自主研制的1.5MW变速恒频风变速

24、恒频风力发电机组在沈阳华创风能有限公司正式出厂。对于力发电机组在沈阳华创风能有限公司正式出厂。对于我国实现大型风力发电机组的国产化具有重要意义，我国实现大型风力发电机组的国产化具有重要意义，1.5MW变速恒频风力发电机组的研制填补了我国该项变速恒频风力发电机组的研制填补了我国该项技术的空白。技术的空白。291.5MW1.5MW双馈风力发电机组双馈风力发电机组 302MW2MW永磁直驱式风电机组永磁直驱式风电机组 31l 我国风电产业的自主研发道路还十分漫长，一些领域我国风电产业的自主研发道路还十分漫长，一些领域与国外先进水平差距甚至在拉大。与国外先进水平差距甚至在拉大。l 我国风电产业的发展应

25、该是以我为主，中外合作，通我国风电产业的发展应该是以我为主，中外合作，通过合资、合作的方式引进国外先进技术，同时大力开过合资、合作的方式引进国外先进技术，同时大力开展风电领域的基础研究，逐步形成风电产业的自主研展风电领域的基础研究，逐步形成风电产业的自主研发能力。发能力。32四、风力发电的优点以及负面影四、风力发电的优点以及负面影响响n 风力发电的优点风力发电的优点 风能是可再生能源形式，有利于可持续发展。风能是可再生能源形式，有利于可持续发展。有利于环境保护。有利于环境保护。随着风电技术的日趋成熟，风电成本越来越低，随着风电技术的日趋成熟，风电成本越来越低，可以和其他能源形式相竞争。可以和其

26、他能源形式相竞争。33n 风力发电的负面影响风力发电的负面影响 间接的不可再生能源利用和污染物排放。机组生产过间接的不可再生能源利用和污染物排放。机组生产过程中造成的污染物的排放是风电的间接污染物排放。程中造成的污染物的排放是风电的间接污染物排放。风电可能对鸟类造成伤害风电可能对鸟类造成伤害 噪声问题噪声问题 对无线电通信的干扰对无线电通信的干扰 安全问题，叶片折断伤人等安全问题，叶片折断伤人等34五、并网发电风力机的总发电成本的影响五、并网发电风力机的总发电成本的影响因素因素 投资成本成是影响风力发电成本的主要因素，投资成本包括投资成本成是影响风力发电成本的主要因素，投资成本包括制造加工费、

27、基建费等制造加工费、基建费等 系统寿命系统寿命 运行费和维修成本运行费和维修成本 风系特性。风能潜力与风速的三次方成正比，平均风速高则风系特性。风能潜力与风速的三次方成正比，平均风速高则电站经济性好电站经济性好 系统的能量转换效率系统的能量转换效率 技术利用率，即正常发电时间在一年中占的比例技术利用率，即正常发电时间在一年中占的比例35第二节第二节 风能和风力发电风能和风力发电一、风能一、风能l 风能是一种无污染的、可再生的能源，取之不尽，用风能是一种无污染的、可再生的能源，取之不尽，用之不竭，分布广泛，但能量密度相对较低，具有时空之不竭，分布广泛，但能量密度相对较低，具有时空上的不稳定行。上

28、的不稳定行。l 研究风能的利用离不开对风的特性描述，风的最大特研究风能的利用离不开对风的特性描述，风的最大特性是他的变化性。对于风能的利用来讲，我们主要关性是他的变化性。对于风能的利用来讲，我们主要关心心风速和风向风速和风向。36n 风速的特性风速的特性l 风速风速是指空气的移动速度，即单位时间内空气微团移是指空气的移动速度，即单位时间内空气微团移动的距离。动的距离。l 瞬时风速瞬时风速称为有效风速，即实际发生作用的风速，通称为有效风速，即实际发生作用的风速，通常指很短时间间隔内的风速。常指很短时间间隔内的风速。l 平均风速平均风速是很长时间内风速的平均值，实际上是在较是很长时间内风速的平均值

29、，实际上是在较长时间范围内，多次风速测量的平均值，即长时间范围内，多次风速测量的平均值，即1/i/nimimiuunum sum sn式中平均风速，；第 次测量的瞬时风速，；测量次数；37n 风速频率风速频率l 风速频率风速频率是风速在一年内或一个月是风速在一年内或一个月内中所出现的时间分布。在计算风内中所出现的时间分布。在计算风速频率是，通常把风速的间隔定为速频率是，通常把风速的间隔定为1m/s1m/s，依次划分风速区间，较长观，依次划分风速区间，较长观测时间内测时间内各种风速吹风时数各种风速吹风时数与与该时该时间间隔内吹风总数间间隔内吹风总数的百分比就是风的百分比就是风速频率分布。风速频率

30、是确定风能速频率分布。风速频率是确定风能电站年工作时数的基本数据。电站年工作时数的基本数据。38n 风能风能“玫瑰玫瑰”。风速是矢量风速是矢量，既有大小，也，既有大小，也有方向。风速的大小随时变有方向。风速的大小随时变化，其方向也是不稳定的。化，其方向也是不稳定的。在一段时间内，风速在不同在一段时间内，风速在不同的方向上出现的时间称为风的方向上出现的时间称为风速在该方向上的方向频率。速在该方向上的方向频率。方向频率与该方向上平均风方向频率与该方向上平均风速的三次方的乘积沿个方向速的三次方的乘积沿个方向的分布即为风能的分布即为风能“玫瑰玫瑰”。根据玫瑰图可以看出根据玫瑰图可以看出哪个方哪个方向上

31、的风具有优势向上的风具有优势39n 风能的能量密度风能的能量密度331 ,/2 EJ mu m3322单位时间、单位迎风面积内流过的风能称为风能的能量密度或风能密度。单位体积的空气质量即为空气密度(kg/m),风速为u(m/s)的1m 的运动空气的运动动能为u单位时间内，与风速垂直的单位面积内流过的空气体积为/(s.m),因此，风能密度为21 ,/2Wm3P=Eu=u40u 风能资源的分布风能资源的分布 按照风能资源的多少可以划分成这样几个区域：按照风能资源的多少可以划分成这样几个区域：l 最大风能资源区最大风能资源区。我国的最大陆上风能资源区是东南。我国的最大陆上风能资源区是东南沿海一带及其

32、岛屿，这一带的面积相对较小，只在由沿海一带及其岛屿，这一带的面积相对较小，只在由海岸向内陆几十公里的范围内才有较大的风能资源。海岸向内陆几十公里的范围内才有较大的风能资源。l 次最大风能资源区次最大风能资源区。为内蒙古和甘肃北部。这一带面。为内蒙古和甘肃北部。这一带面积辽阔，终年在西风带的控制之下，适合大规模风力积辽阔，终年在西风带的控制之下，适合大规模风力发电，是我国最大的风能资源区。发电，是我国最大的风能资源区。41l 大风能资源区大风能资源区。黑龙江和吉林省北部、辽东半岛的沿。黑龙江和吉林省北部、辽东半岛的沿海区。海区。l 较大风能资源区较大风能资源区。除了上述地区以外的三北北部、青。除

33、了上述地区以外的三北北部、青藏高原和其他沿海地区，其中青藏高原风速全年出现藏高原和其他沿海地区，其中青藏高原风速全年出现时间可达时间可达6500h6500h，但由于海拔高，空气密度小，风能密，但由于海拔高，空气密度小，风能密度也小。度也小。l 最小风能资源区最小风能资源区。云、贵、川地区，陕西南部，河南。云、贵、川地区，陕西南部，河南南部，湖南南部，福建、两广地区及塔里木盆地。其南部，湖南南部，福建、两广地区及塔里木盆地。其中西双版纳和四川盆地的风能最小，只有部分山顶和中西双版纳和四川盆地的风能最小，只有部分山顶和峡谷等特殊地形的地区才可能进行风能利用。峡谷等特殊地形的地区才可能进行风能利用。

34、4243二、风力发电二、风力发电目前风力发电可分为两种方式：目前风力发电可分为两种方式：l 离网型的小型分散风力发电装置离网型的小型分散风力发电装置。这种风力发电机组。这种风力发电机组功率小，风速适应范围广，生产技术成熟，适合家庭功率小，风速适应范围广，生产技术成熟，适合家庭和边远地区的小型用电负荷点。考虑到风能的不连续和边远地区的小型用电负荷点。考虑到风能的不连续性，通常需要配置蓄电池。性，通常需要配置蓄电池。l 并网型大型风力发电装置并网型大型风力发电装置。是风力发电规模化利用的。是风力发电规模化利用的主要方式，最大的功率已经达到主要方式，最大的功率已经达到6MW6MW。丹麦、德国是风。丹

35、麦、德国是风力发电机组生产技术比较领先的国家。力发电机组生产技术比较领先的国家。44风力发电的价值风力发电的价值l 风电的当量燃料价值风电的当量燃料价值。风能进入电网，其他发电装置。风能进入电网，其他发电装置就可以少发电，从而节省燃料。就可以少发电，从而节省燃料。l 风电的容量价值风电的容量价值。电力系统要求有必要的备用容量储。电力系统要求有必要的备用容量储备，风力机组同样也有容量价值。备，风力机组同样也有容量价值。l 减少污染物和温室气体的排放减少污染物和温室气体的排放。l 通过风力发电所能节省的燃料、容量和排放费用，可通过风力发电所能节省的燃料、容量和排放费用，可以计算出风力发电的价值。以

36、计算出风力发电的价值。45风力发电装置风力发电装置l 风力发电装置包括风力发电装置包括风轮机（风力风轮机（风力机）、传动变速机构和发电机机）、传动变速机构和发电机三三个主要部分。个主要部分。l 其中风轮机是发电装置的核心，其中风轮机是发电装置的核心，风轮机大体上分为两种：风轮机大体上分为两种：p 桨叶绕桨叶绕水平轴转动的翼式风轮机水平轴转动的翼式风轮机p 桨叶绕桨叶绕垂直轴转动的风轮机垂直轴转动的风轮机 实际上，目前并网发电的风轮实际上，目前并网发电的风轮机主要是机主要是三叶式绕水平轴转动的三叶式绕水平轴转动的翼式风轮机翼式风轮机。46n 水平轴的翼式风力发电装置主要由以下几个部分组成：水平轴

37、的翼式风力发电装置主要由以下几个部分组成：l 叶轮叶轮。也称风轮，将流体的运动动能转换成轴功向外。也称风轮，将流体的运动动能转换成轴功向外传递。传递。l 叶片的设计需要满足几项要求：对特定的风速具有最叶片的设计需要满足几项要求：对特定的风速具有最大的转换效率；最大功率输出在限制范围内，以保护大的转换效率；最大功率输出在限制范围内，以保护发电机；可承受最大风荷和长期疲劳负荷；避免出现发电机；可承受最大风荷和长期疲劳负荷；避免出现共振；质量小，价格低。共振；质量小，价格低。47l 偏转机构和风向标偏转机构和风向标 风速不断变化，风轮叶片正对来风方向，才能输出最风速不断变化，风轮叶片正对来风方向，才

38、能输出最大的风能。小型风轮机用尾舵来调整方向，大型风轮大的风能。小型风轮机用尾舵来调整方向，大型风轮机普遍采用偏转机构对风轮方向进行精确控制。机普遍采用偏转机构对风轮方向进行精确控制。l 传动机构传动机构 一般包括低速轴、高速轴、增速齿轮箱、联轴节和刹一般包括低速轴、高速轴、增速齿轮箱、联轴节和刹车装置。齿轮箱是风力发电机组最重最昂贵的部件，车装置。齿轮箱是风力发电机组最重最昂贵的部件，因此，很多工程师都在努力探索和研制由风轮机直接因此，很多工程师都在努力探索和研制由风轮机直接驱动的低速发电机。驱动的低速发电机。48l 塔架塔架 风速随着高度的增加而增大，因此较高的塔架可以风速随着高度的增加而

39、增大，因此较高的塔架可以是风轮机获得更多的风能。是风轮机获得更多的风能。l 发电机发电机 为了与电网频率保持一致，通常的发电机组采用：为了与电网频率保持一致，通常的发电机组采用：恒速恒频系统，利用风能的份额小；变速恒频系统，恒速恒频系统，利用风能的份额小；变速恒频系统，是目前风能发电的重要发展方向。是目前风能发电的重要发展方向。l 风速仪和控制器风速仪和控制器 在风速范围内控制器进行风轮机转速调节，如风速在风速范围内控制器进行风轮机转速调节，如风速达到或超过启动风速，控制器启动风轮机；如风速达达到或超过启动风速，控制器启动风轮机；如风速达到或超过切出风速，控制器关闭风轮机。到或超过切出风速，控

40、制器关闭风轮机。49三、风电场三、风电场 建设风电场除了要考虑风速条件外，还要综合考虑建设风电场除了要考虑风速条件外，还要综合考虑场地状况、道路状况、接入电网的条件等因素。一个场地状况、道路状况、接入电网的条件等因素。一个完整的风电场项目，一般包括以下几个完整的风电场项目，一般包括以下几个步骤步骤:l 风电场选址风电场选址l 项目可行性评估项目可行性评估l 项目准备项目准备l 风电场建设风电场建设l 风电场运行和维护风电场运行和维护l 风电场退役、场地恢复风电场退役、场地恢复50u 风电场选址风电场选址 一般需要考虑以下一些因素：一般需要考虑以下一些因素：l 风能资源风能资源。主要考虑年平均风

41、速，风速频率，年发。主要考虑年平均风速，风速频率，年发电量和容量系数。电量和容量系数。容量系数：发电机组的年度电能净输出，与风电容量系数：发电机组的年度电能净输出，与风电机组额定容量与全年运行机组额定容量与全年运行8760h8760h的乘积比值称为风电的乘积比值称为风电机组的容量系数。机组的容量系数。51l 风电场场地状况风电场场地状况 场地应该开阔，地质条件好，便于大规模开发。场地应该开阔，地质条件好，便于大规模开发。l 交通运输方便交通运输方便l 并网条件好并网条件好 距离电网越近，并网投资越少，线损和压降也越小。距离电网越近，并网投资越少，线损和压降也越小。l 不利气象条件和环境的影响不

42、利气象条件和环境的影响 这些不利因素可能影响发电机组的寿命。这些不利因素可能影响发电机组的寿命。l 土地征用和环境影响土地征用和环境影响52u 风力发电机组选型和布置风力发电机组选型和布置 风力发电机组的选型风力发电机组的选型l 单机容量越大，风能利用越高，但是，单机容量增大单机容量越大，风能利用越高，但是，单机容量增大的同时价格也随着增加，大容量的机组技术投入多而的同时价格也随着增加，大容量的机组技术投入多而产量较小，成本偏高，所以总体来看，风力发电机组产量较小，成本偏高，所以总体来看，风力发电机组的单机容量价格随着单机容量的变化呈的单机容量价格随着单机容量的变化呈U U字形曲线，国字形曲线

43、，国内目前性价比较高的仍然是兆瓦级以下的机组。但单内目前性价比较高的仍然是兆瓦级以下的机组。但单机大容量仍然是发展趋势。机大容量仍然是发展趋势。53风力发电机组的布置风力发电机组的布置l 首先根据风能玫瑰图确定主导风向，风力发电机组排首先根据风能玫瑰图确定主导风向，风力发电机组排列应与主导风向垂直。对于开阔、平坦的场地，上游列应与主导风向垂直。对于开阔、平坦的场地，上游风力发电机组会对下游风力发电机组产生干扰，风力风力发电机组会对下游风力发电机组产生干扰，风力发电机组可以布置成有利于加大风速的地形，采用单发电机组可以布置成有利于加大风速的地形，采用单排布置或者多排差排布置方式。排布置或者多排差

44、排布置方式。54风力发电机组的运行和安全性风力发电机组的运行和安全性l 风电场中的风力发电机组在工作期间可能处于如下状风电场中的风力发电机组在工作期间可能处于如下状态之一：态之一：正常工作状态正常工作状态 暂停状态暂停状态 停机状态停机状态 紧急停机状态紧急停机状态 每种工作状态都可看作是风力发电机组的一个活动每种工作状态都可看作是风力发电机组的一个活动层次，运行状态处在最高层次，紧急故障状态处在最层次，运行状态处在最高层次，紧急故障状态处在最低层次。低层次。55l 运行控制系统运行控制系统是风力发电机组的常规控制系统，此外，是风力发电机组的常规控制系统，此外，还有一套独立于运行控制系统的安全

45、系统。还有一套独立于运行控制系统的安全系统。安全系统安全系统的任务是在出现严重问题或检测到潜在严重问题时保的任务是在出现严重问题或检测到潜在严重问题时保护风力发电机组，使之处于安全状态。保护动作通常护风力发电机组，使之处于安全状态。保护动作通常是紧急刹车，使风轮机停止工作。是紧急刹车，使风轮机停止工作。l 安全系统必须独立于控制系统，而且具有高度的可靠安全系统必须独立于控制系统，而且具有高度的可靠性和自动故障免除性。为了保证安全，必须配备两套性和自动故障免除性。为了保证安全，必须配备两套以上的刹车系统，而且各自的工作方式和动力源必须以上的刹车系统，而且各自的工作方式和动力源必须不同。不同。56

46、u 风电对电网运行的影响风电对电网运行的影响l 风速和风向总是随机变化，因此风能的特点是具有不风速和风向总是随机变化，因此风能的特点是具有不稳定性，使得风电场的输出功率有波动性，从而影响稳定性，使得风电场的输出功率有波动性，从而影响局部的电能质量。风电容量到达一定程度后，会引起局部的电能质量。风电容量到达一定程度后，会引起电压不稳电压不稳，特别电网较大波动的时候，可能导致风力，特别电网较大波动的时候，可能导致风力发电机组从发电机组从电网解链电网解链，严重时甚至导致，严重时甚至导致电网瓦解电网瓦解。57l 风力发电对电网的不利影响可以通过超导储能技术加风力发电对电网的不利影响可以通过超导储能技术

47、加以改善。以改善。超导储能系统是一种新的储能方式，代表着超导储能系统是一种新的储能方式，代表着柔性交流输电技术的发展方向柔性交流输电技术的发展方向，也可以，也可以吸收或释放有吸收或释放有功和无功功和无功，快速相应电网系统的需求信号。，快速相应电网系统的需求信号。l 相对与一般发电厂，风电场风力发电机一般采用异步相对与一般发电厂，风电场风力发电机一般采用异步机，机，需要吸收电网无功来建立磁场需要吸收电网无功来建立磁场，从而在并网后对，从而在并网后对局部电网的电压水平有明显的影响。局部电网的电压水平有明显的影响。58第三节第三节 风轮机的基本理论风轮机的基本理论一、理想风轮机的能量利用一、理想风轮

48、机的能量利用l 19191919年，德国物理学家年，德国物理学家贝兹贝兹首次提出贝兹法则：如果采首次提出贝兹法则：如果采用风轮机，只能把不足用风轮机，只能把不足16/2716/27的风的动能转化成机械能。的风的动能转化成机械能。l 假设风轮是理想的，且由无限多叶片组成，气流通过风假设风轮是理想的，且由无限多叶片组成，气流通过风轮时也没有阻力。此外，假定气流经过整个扫风面是均轮时也没有阻力。此外，假定气流经过整个扫风面是均匀的，气流通过风轮前后的速度方向为轴向。理想的风匀的，气流通过风轮前后的速度方向为轴向。理想的风轮的气流模型如图所示。轮的气流模型如图所示。59112121,VSSVSS22图

49、中，是风轮上游的风速，V是通过风轮的风速，V是风轮下游的风速。通过风轮的气流其上游截面是下游截面是。由于风轮所获得的能量是由风能转化得到的，所以V必定小于，因而通过风轮的气流截面积从上游至下游是增加的，即大于。601 12 212212 SVSVS VFSV VVP FVSV VV自然界的空气流动可以认为是不可压缩的，由连续流动方程得到 由动量方程，可得作用在风轮上的气动力为 =()所以风轮吸收的功率为 =()故上游至下游动能的变化为 21212 SV VVVVV2 0.5()由能量守恒定律，可知 0.5()61221222121212213max10.50.25/3FS VVPS VVVVV

50、VVVPPSVS因此，作用在风轮上的气动力和提供的功率可写为 =()=()()对于给定的上游速度，可写出以为函数的功率变化关系，将上式微分可得 时，功率 达到最大值，即 =8/27将上式处以气流通过扫风面 时所具有的动能，可得到风轮的理论最max,max31160.5930.527pPCSV大效率-理论风能利用系数 62l 这就是著名的贝兹理论，他说明风轮从自然界中获得的这就是著名的贝兹理论，他说明风轮从自然界中获得的能量是有限的，理论上最大值为能量是有限的，理论上最大值为0.5930.593，损失部分可解，损失部分可解释为留在尾迹中的气流旋转动能。释为留在尾迹中的气流旋转动能。310.593