风力发电技术.ppt

风风力力发电发电技技术术1.风风能和能和风风力力发电发电概述概述二二本本课课程内容程内容三三背景介背景介绍绍一一2.第一第一节节 概述概述l风风能是大气运能是大气运动动形成的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人人类对风类对风能的利用能的利用历历史史久久远远，早在公元，早在公元1010世世纪纪，波斯就出波斯就出现现了水平了水平转动转动的的风风磨。磨。3.公公元元1212世世纪纪，欧欧洲洲开开始始使使用用风风车车抽抽水水、碾碾磨磨谷谷物物，此此后后风风车车一一直直是是主主要要的的动动力机械之一。力机械之一。4.l我国开始利用我国开始利用风风能作能作为动为动力力大大约约在在13世世纪纪中叶。中叶。l现现在所在所说说的的风风能利用能利用主要是主要是指指风风力力发电发电。采用。采用风风力力涡轮涡轮机机发电发电的的设设想始于想始于1890年丹年丹麦的一麦的一项风项风力力发电计发电计划，到划，到1918年丹麦已年丹麦已经经投入运行了投入运行了120台台风风力力发电发电机。机。5.l风风力力发电发电走向走向规规模化模化应应用用还还是在是在20世世纪纪90年代年代以后，以后，风风力力发电发电的装机容量开始以每年平均的装机容量开始以每年平均20%以上的速度增以上的速度增长长，已成，已成为为世界上各种能源世界上各种能源中增中增长长最快的一种。最快的一种。l据据统计统计，2007年底，全球年底，全球风风力力发电发电新增装机容新增装机容量量19791MW，总总装机容量达到装机容量达到94005MW，比，比2006年增加了年增加了27%，风风力力发电发电的的总总量已占全球量已占全球电电力消力消费总费总量的量的1%以上。以上。6.l我国我国风风能能资资源非常丰富。源非常丰富。20062006年国家气候中年国家气候中心研究心研究结结果表明，我国果表明，我国陆陆地地1010米高度米高度层层可开可开发发和利用的和利用的风风能能储储量除青藏高原外量除青藏高原外总总量量约为约为2525亿亿kWkW，海上可开海上可开发发和利用的和利用的风风能能储储量量约为约为7.57.5亿亿kWkW，共共计约计约32.532.5亿亿kWkW。l我国我国风电风电开开发发的空的空间间十分巨大。目前，十分巨大。目前，风风力力发发电电只占在全国只占在全国电电力装机力装机总总容量的容量的1.2%1.2%。而根据。而根据国家国家发发改委的改委的长长期期产业规产业规划，划，20202020年年1000010000万万kWkW，占全国占全国电电力力总总装机的装机的2%2%。7.一、世界一、世界风风能能发电发电概述概述l20世世纪纪末，由于能源危急和全球末，由于能源危急和全球环环境保境保护护的影的影响，欧洲、美国及响，欧洲、美国及亚亚洲的印度、中国洲的印度、中国风风力力发电发电出出现现强强劲势头劲势头，其中丹麦的，其中丹麦的风电风电量已量已经经超超过过了了总发电总发电量的量的20%。l目前，目前，欧洲最大的欧洲最大的风风力力发电发电国是德国，西班国是德国，西班牙居第二。全球牙居第二。全球风风力力发电发电保持高速保持高速发发展的展的势头势头，预计预计到到2010年，全球年，全球风风力力发电发电装机装机总总量可以量可以达到达到160GW。8.l风风力力发电发电快速增快速增长长的原因在于两个方面：一是的原因在于两个方面：一是经济发经济发展展对电对电力需求的快速增力需求的快速增长长和可持和可持续发续发展展的要求；二是的要求；二是风风力力发电发电技技术术的不断的不断进进步，促步，促进进了了发电发电价格不断降低。价格不断降低。l风电风电价格不断降低的同价格不断降低的同时时，化石燃料的价格呈，化石燃料的价格呈总总体上升体上升趋势趋势，加之，加之环环保和二氧化碳减排的要保和二氧化碳减排的要求，化石燃料求，化石燃料发电发电的价格的价格总总体是上体是上涨涨的。因此的。因此风风力力发电发电将称将称为为21世世纪纪重要的能源形式之一。重要的能源形式之一。9.l就就风风能能资资源的源的储储量来量来说说，地球上，地球上风风力力资资源的利源的利用才用才刚刚刚刚开始，开始，发电发电技技术术的的发发展就是展就是风风力力发电发电机技机技术术的的发发展。展。l目前，目前，风风力力发电发电机在叶片材料、气体机在叶片材料、气体动动力学特力学特性、控制方式等方面不断性、控制方式等方面不断进进步的同步的同时时，主要是，主要是向大型化的方向向大型化的方向发发展。展。l世界世界风风能市能市场场上上风风力力发电发电机的主要供机的主要供应应商来自商来自欧洲和美国，其中丹麦一直居世界欧洲和美国，其中丹麦一直居世界领领先地位，先地位，占全部市占全部市场场份份额额的的60%以上。以上。10.l德国一直引德国一直引领领着世界着世界风电风电市市场场的的发发展。德国展。德国2006年底年底发电发电装机容量装机容量2194MW，是目前世界上，是目前世界上发电发电装机容量最多和装机容量最多和风风力力发电发电机机组组技技术术最先最先进进的国家。的国家。l德国德国风风力力发电发电的制造技的制造技术术和生和生产规产规模都模都处处于世界于世界领领先水平，先水平，目前世界上在运行的最大的商用目前世界上在运行的最大的商用风风力力发电发电机机组组就就产产自德国。自德国。l德国德国Enercon E112型型风风力力发电发电机最大机最大输输出功率达到出功率达到6MW,风风力力发电发电机全高机全高186m,风轮风轮直径直径为为114m，切出，切出风风速速为为2834m/s，是目前世界上最大的，是目前世界上最大的风轮风轮机。机。11.l丹麦和西班牙丹麦和西班牙-紧紧随德国之后随德国之后 丹麦和西班牙的丹麦和西班牙的风电风电也在高速也在高速发发展。西班牙展。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，欲挑战战德国争德国争夺夺欧洲之冠的地位。丹麦已欧洲之冠的地位。丹麦已经经成功地用成功地用风电风电来来满满足国内足国内23%23%的的电电力需求，是世界上力需求，是世界上风电贡风电贡献献率最高的国家。丹麦在率最高的国家。丹麦在风电风电机机组组制造、制造、风风能能资资源源评评价和价和风电场风电场接入接入电电网等网等领领域的技域的技术术均居世均居世界界领领先地位。先地位。12.l美国的美国的风风力力发电发电l美国的美国的风风能能资资源丰富，据估算，如果全部开源丰富，据估算，如果全部开发发美国三美国三个州个州(得克得克萨萨斯州等斯州等)的的风电风电就可以就可以满满足全美的足全美的电电力需求。力需求。l在美国，在美国，风风能能发电发电已已经经很有很有竞竞争力，其成本相等甚至争力，其成本相等甚至低于低于传统电传统电力的平均价格。力的平均价格。l目前，美国最大的目前，美国最大的风电场风电场是位于德克是位于德克萨萨斯州的斯州的马马谷谷风风能中心，能中心，该该中心建有中心建有 421台台风风力力发电发电机机组组，装机容量，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美国新建美国新建风电场风电场普遍使用普遍使用GE公司公司1.5MW风风力力发电发电机，机，其次是西其次是西门门子公司的子公司的 2.3MW风风力力发电发电机。机。13.l印度印度-发发展中国家的先展中国家的先锋锋l从从20世世纪纪80年代起，印度就启年代起，印度就启动动了了风电项风电项目。在目。在20世世纪纪90年代后期印度年代后期印度风电风电市市场场一度低靡，但最近却开始复一度低靡，但最近却开始复苏苏。截至截至2006年底，年底，风电风电装机容量已达装机容量已达6270MW，印度已，印度已经经成成为为全球第五大全球第五大风电风电生生产产国。在国。在过过去几年，政府去几年，政府积积极推极推动动风电产业风电产业的的发发展，鼓励大型私有和公有企展，鼓励大型私有和公有企业业投投资资，并同，并同时时给给予当地制造基地同予当地制造基地同样样的政策激励。的政策激励。l在印度，有的公司在印度，有的公司现现在已在已经经可以生可以生产产70%的的风电风电机机组组零件，零件，不需要从主要的欧洲制造商不需要从主要的欧洲制造商进进口，从而大大降低了口，从而大大降低了风电风电机机组组生生产产成本，并成本，并给给当地当地创创造出造出额额外的就外的就业业机会。印度机会。印度还还建建立了两百多个立了两百多个风风力力监测监测站，站，为风为风能能资资源的开源的开发发利用提供基利用提供基础础数据支持。数据支持。14.二、我国二、我国风风力力发电发电概况概况l我国的我国的风电风电事事业业起步起步较较晚，在晚，在20世世纪纪末，末，风风力力发电发电机机组组的制造的制造还还主要在于主要在于简单简单的小型家用的小型家用风风力力发电发电机机组组。l进进入入21世世纪纪以来，我国的以来，我国的风电风电装机容量开始快速增装机容量开始快速增长长，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我国国土面我国国土面积辽阔积辽阔，风风能能资资源丰富，目前源丰富，目前风电风电装机容装机容量量还还相相对较对较低。低。l规规划划预计预计到到2010年年风电风电装机装机总总容量达到容量达到2500万万kW,2020年年风电风电装机装机总总容量达到容量达到10000万万kW。15.l中国的中国的风风能能资资源主要集中在两个源主要集中在两个带带状地区状地区,一条是一条是“三北三北(东东北、北、华华北、西北北、西北)地区丰富地区丰富带带”,其其风风能功率密度在能功率密度在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、如阿拉山口、达坂城、辉腾锡辉腾锡勒、勒、锡锡林浩特的灰林浩特的灰腾腾梁等梁等,这这些地区每年可利用些地区每年可利用风风能的小能的小时时数在数在5000小小时时以上，有的可达以上，有的可达7000小小时时以上。从新疆到以上。从新疆到东东北北,面面积积大、大、交通方便、地交通方便、地势势平平,风风速随高度增加很快，三北地区速随高度增加很快，三北地区风风能能在上百万千瓦的在上百万千瓦的场场地有四五个地有四五个,这这是欧洲没法比的。而是欧洲没法比的。而这这个地个地带带的缺点是建网少的缺点是建网少,发发出的出的电电上不了网。上不了网。l一条是一条是东东部沿海部沿海风带风带，主要位于沿海几十公里的大，主要位于沿海几十公里的大陆陆海海岸和海道，其岸和海道，其风风能能资资源比三北源比三北风带还风带还好，海道煤和石油好，海道煤和石油依靠大依靠大陆陆，电电力力联联网困网困难难，发发展展发电发电迫在眉睫。迫在眉睫。16.17.v中中国国现现代代风风电电技技术术的的开开发发利利用用始始于于2020世世纪纪7070年年代代，0.10.115kW15kW离离网网型型风风力力发发电电机机组组开开始始试试验验、示示范范、应应用推广。用推广。v“六六五五”、“七七五五”、“八八五五”期期间间，国国家家和和地地方方政政府府把把22kW22kW、30kW30kW、55 55 kWkW、75kW75kW、120kW120kW、200kW 200kW 风风电电机机组组列列入入重重点点科科技技攻攻关关项项目目，但但由由于于诸诸多多原原因因，都未商都未商业业化运行。化运行。v规规模化的模化的风风力力发电场发电场8080年代后期投入运行。年代后期投入运行。18.截至截至20062006年底，年底，我国除台湾外我国除台湾外累累计计安装安装风电风电机机组组33113311台，台，装机容量装机容量259.9259.9万万kW,kW,共共建建设设9191个个风电风电场场，分布在，分布在1616个省。个省。19.v“九五九五”期期间间，并网型，并网型风电风电机机组组得到快速得到快速发发展。展。定定桨桨距失速型距失速型200kW200kW、250kW250kW、300kW 300kW、600kW600kW风电风电机机组组；变桨变桨距双速型距双速型600 kW600 kW风电风电机机组组；中国一拖和西班牙中国一拖和西班牙MadeMade合合资资建立一拖美德建立一拖美德风电设备风电设备公司，生公司，生产产660kW660kW风电风电机机组组；中国西航和德国中国西航和德国NordexNordex合作建立西安合作建立西安维维德德风电设备风电设备公司，生公司，生产产600kW600kW风电风电机机组组。20.v“十五十五”期期间间，国家提出研制，国家提出研制“兆瓦兆瓦级风电级风电机机组组”的的攻关目攻关目标标，有如下，有如下3 3个个课题课题：1.3MW 1.3MW 定定桨桨距失速型距失速型风电风电机机组组1MW 1MW 双双馈馈型型变变速恒速恒频风电频风电机机组组1.2MW 1.2MW 直直驱驱型型变变速恒速恒频风电频风电机机组组21.v风风力力发发电电机机组组经经过过二二十十余余年年的的发发展展，容容量量从从十十千千瓦瓦级级增增大大到到兆兆瓦瓦级级，从从9090年年代代定定桨桨距距失失速速型型风风电电机机组组为为主主导导机机型型，向向变变速速变变距距型型风风电电机机组组为为主主流流机机型型的的方方向向发发展展，且且随随着着电电力力电电子子技技术术的的发发展展，变变速速恒恒频频的的风风力力发发电电技技术术已已经经成了成了风风力力发电发电的大的大势势所所趋趋。v兆兆瓦瓦级级机机组组的的市市场场份份额额19971997年年及及以以前前还还不不到到10%10%，20012001年年则则超超过过一半，一半，20022002年达到年达到62.1%62.1%。v风风电电装装机机容容量量约约以以平平均均每每年年增增幅幅30%30%的的速速度度在在增增长长，成成为为增增长长速度最快的清速度最快的清洁洁能源。能源。22.l新疆达坂城是我国最早建新疆达坂城是我国最早建设规设规模化模化风电场风电场的地区，于的地区，于1989年建成的达坂城年建成的达坂城风电风电一一场场是我国第一个是我国第一个风风能能发电发电场场，所有，所有设备设备全部从丹麦引全部从丹麦引进进。23.l广广东东省南澳省南澳岛风电岛风电场场是我国第一个海是我国第一个海岛风电场岛风电场。南澳。南澳岛岛是广是广东东唯一一个唯一一个岛岛县县，东东南季南季风长风长，风风力力资资源丰富，源丰富，风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，是亚亚洲最大的海洲最大的海岛风电场岛风电场。24.l20072007年年6 6月，我国最大的月，我国最大的风电场风电场是内蒙古的是内蒙古的辉腾辉腾锡锡勒勒风电场风电场，总总装机容装机容量量189MW189MW，为为第第2929界奥运界奥运会会输输送送绿绿色色电电力。同力。同时时还还有两个有两个风电项风电项目在建，目在建，到到20102010年将建成百万千年将建成百万千瓦瓦级级的的风电场风电场。25.l官官厅厅位于北京市官位于北京市官厅厅水水库库南岸，是北京主要的南岸，是北京主要的风风口之一，口之一，一期一期项项目目总总装机容量装机容量49.5MW，2007年底竣工、并网年底竣工、并网发电发电，生生产产的的电电能直接能直接输输入北京入北京电电网，供网，供给给市民和奥运市民和奥运场馆场馆使用。使用。建建设现场设现场26.三、我国三、我国风风力力发电发电工工业业的的现现状状l我国在我国在20世世纪纪50年代开始年代开始风风力力发电发电机的研制。目前大功机的研制。目前大功率率风风力力发电发电机机组还组还依靠依靠进进口。口。l与国与国际际水平相比，我国水平相比，我国风风力力发电发电机的机的单单机容量机容量较较小，关小，关键键部件需要部件需要进进口，整机口，整机质质量量还还有差距。有差距。l我国在海上我国在海上发电发电的的资资源勘察、源勘察、设备设备制造、施工安装工制造、施工安装工艺艺和运行管理方面和运行管理方面还还比比较较落后。落后。27.l2007年，国内年，国内风风力力发电发电机机组组生生产产厂家通厂家通过过引引进进技技术术、合合资资、合作方式，可以批量生、合作方式，可以批量生产产600kW、660kW和和750kW的的风风力力发电发电机机组组，同，同时时也研也研发发了兆瓦了兆瓦级风级风力力发发电电机机组组。l2006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变变速恒速恒频风频风力力发电发电机机组组在沈阳在沈阳华创风华创风能有限公司正式出厂。能有限公司正式出厂。对对于于我国我国实现实现大型大型风风力力发电发电机机组组的国的国产产化具有重要意化具有重要意义义，1.5MW变变速恒速恒频风频风力力发电发电机机组组的研制填的研制填补补了我国了我国该项该项技技术术的空白。的空白。28.1.5MW1.5MW双双馈风馈风力力发电发电机机组组 29.2MW2MW永磁直永磁直驱驱式式风电风电机机组组 30.l我国我国风电产业风电产业的自主研的自主研发发道路道路还还十分漫十分漫长长，一些，一些领领域域与国外先与国外先进进水平差距甚至在拉大。水平差距甚至在拉大。l我国我国风电产业风电产业的的发发展展应该应该是以我是以我为为主，中外合作，通主，中外合作，通过过合合资资、合作的方式引、合作的方式引进进国外先国外先进进技技术术，同，同时时大力开大力开展展风电领风电领域的基域的基础础研究，逐步形成研究，逐步形成风电产业风电产业的自主研的自主研发发能力。能力。31.四、四、风风力力发电发电的的优优点以及点以及负负面影面影响响n 风风力力发电发电的的优优点点风风能是可再生能源形式，有利于可持能是可再生能源形式，有利于可持续发续发展。展。有利于有利于环环境保境保护护。随着随着风电风电技技术术的日的日趋趋成熟，成熟，风电风电成本越来越低，成本越来越低，可以和其他能源形式相可以和其他能源形式相竞竞争。争。32.n 风风力力发电发电的的负负面影响面影响间间接的不可再生能源利用和接的不可再生能源利用和污污染物排放。机染物排放。机组组生生产过产过程中造成的程中造成的污污染物的排放是染物的排放是风电风电的的间间接接污污染物排放。染物排放。风电风电可能可能对鸟类对鸟类造成造成伤伤害害噪声噪声问题问题对对无无线电线电通信的干通信的干扰扰安全安全问题问题，叶片折断，叶片折断伤伤人等人等33.五、并网五、并网发电风发电风力机的力机的总发电总发电成本的影响成本的影响因素因素投投资资成本成是影响成本成是影响风风力力发电发电成本的主要因素，投成本的主要因素，投资资成本包括成本包括制造加工制造加工费费、基建、基建费费等等系系统统寿命寿命运行运行费费和和维维修成本修成本风风系特性。系特性。风风能潜力与能潜力与风风速的三次方成正比，平均速的三次方成正比，平均风风速高速高则则电电站站经济经济性好性好系系统统的能量的能量转换转换效率效率技技术术利用率，即正常利用率，即正常发电时间发电时间在一年中占的比例在一年中占的比例34.第二第二节节 风风能和能和风风力力发电发电一、一、风风能能l风风能是一种无能是一种无污污染的、可再生的能源，取之不尽，用染的、可再生的能源，取之不尽，用之不竭，分布广泛，但能量密度相之不竭，分布广泛，但能量密度相对较对较低，具有低，具有时时空空上的不上的不稳稳定行。定行。l研究研究风风能的利用离不开能的利用离不开对风对风的特性描述，的特性描述，风风的最大特的最大特性是他的性是他的变变化性。化性。对对于于风风能的利用来能的利用来讲讲，我，我们们主要关主要关心心风风速和速和风风向向。35.n风风速的特性速的特性l风风速速是指空气的移是指空气的移动动速度，即速度，即单单位位时间时间内空气微内空气微团团移移动动的距离。的距离。l瞬瞬时风时风速速称称为为有效有效风风速，即速，即实际发实际发生作用的生作用的风风速，通速，通常指很短常指很短时间间时间间隔内的隔内的风风速。速。l平均平均风风速速是很是很长时间长时间内内风风速的平均速的平均值值，实际实际上是在上是在较较长时间长时间范范围围内，多次内，多次风风速速测测量的平均量的平均值值，即，即36.n 风风速速频频率率l风风速速频频率率是是风风速在一年内或一个月速在一年内或一个月内中所出内中所出现现的的时间时间分布。在分布。在计计算算风风速速频频率是，通常把率是，通常把风风速的速的间间隔定隔定为为1m/s1m/s，依次划分，依次划分风风速区速区间间，较长观较长观测时间测时间内内各种各种风风速吹速吹风时风时数数与与该时该时间间间间隔内吹隔内吹风总风总数数的百分比就是的百分比就是风风速速频频率分布。率分布。风风速速频频率是确定率是确定风风能能电电站年工作站年工作时时数的基本数据。数的基本数据。37.n 风风能能“玫瑰玫瑰”。风风速是矢量速是矢量，既有大小，也，既有大小，也有方向。有方向。风风速的大小随速的大小随时变时变化，其方向也是不化，其方向也是不稳稳定的。定的。在一段在一段时间时间内，内，风风速在不同速在不同的方向上出的方向上出现现的的时间时间称称为风为风速在速在该该方向上的方向方向上的方向频频率。率。方向方向频频率与率与该该方向上平均方向上平均风风速的三次方的乘速的三次方的乘积积沿个方向沿个方向的分布即的分布即为风为风能能“玫瑰玫瑰”。根据玫瑰根据玫瑰图图可以看出可以看出哪个方哪个方向上的向上的风风具有具有优势优势38.n 风风能的能量密度能的能量密度39.u 风风能能资资源的分布源的分布 按照按照风风能能资资源的多少可以划分成源的多少可以划分成这样这样几个区域：几个区域：l最大最大风风能能资资源区源区。我国的最大。我国的最大陆陆上上风风能能资资源区是源区是东东南南沿海一沿海一带带及其及其岛屿岛屿，这这一一带带的面的面积积相相对较对较小，只在由小，只在由海岸向内海岸向内陆陆几十公里的范几十公里的范围围内才有内才有较较大的大的风风能能资资源。源。l次最大次最大风风能能资资源区源区。为为内蒙古和甘内蒙古和甘肃肃北部。北部。这这一一带带面面积辽阔积辽阔，终终年在西年在西风带风带的控制之下，适合大的控制之下，适合大规规模模风风力力发电发电，是我国最大的，是我国最大的风风能能资资源区。源区。40.l大大风风能能资资源区源区。黑。黑龙龙江和吉林省北部、江和吉林省北部、辽东辽东半半岛岛的沿的沿海区。海区。l较较大大风风能能资资源区源区。除了上述地区以外的三北北部、青。除了上述地区以外的三北北部、青藏高原和其他沿海地区，其中青藏高原藏高原和其他沿海地区，其中青藏高原风风速全年出速全年出现现时间时间可达可达6500h6500h，但由于海拔高，空气密度小，但由于海拔高，空气密度小，风风能密能密度也小。度也小。l最小最小风风能能资资源区源区。云、。云、贵贵、川地区，、川地区，陕陕西南部，河南西南部，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。其中西双版中西双版纳纳和四川盆地的和四川盆地的风风能最小，只有部分山能最小，只有部分山顶顶和和峡谷等特殊地形的地区才可能峡谷等特殊地形的地区才可能进进行行风风能利用。能利用。41.42.二、二、风风力力发电发电目前目前风风力力发电发电可分可分为为两种方式：两种方式：l离网型的小型分散离网型的小型分散风风力力发电发电装置装置。这这种种风风力力发电发电机机组组功率小，功率小，风风速适速适应应范范围围广，生广，生产产技技术术成熟，适合家庭成熟，适合家庭和和边远边远地区的小型用地区的小型用电负电负荷点。考荷点。考虑虑到到风风能的不能的不连续连续性，通常需要配置蓄性，通常需要配置蓄电电池。池。l并网型大型并网型大型风风力力发电发电装置装置。是。是风风力力发电规发电规模化利用的模化利用的主要方式，最大的功率已主要方式，最大的功率已经经达到达到6MW6MW。丹麦、德国是。丹麦、德国是风风力力发电发电机机组组生生产产技技术术比比较领较领先的国家。先的国家。43.风风力力发电发电的价的价值值l风电风电的当量燃料价的当量燃料价值值。风风能能进进入入电电网，其他网，其他发电发电装置装置就可以少就可以少发电发电，从而，从而节节省燃料。省燃料。l风电风电的容量价的容量价值值。电电力系力系统统要求有必要的要求有必要的备备用容量用容量储储备备，风风力机力机组组同同样样也有容量价也有容量价值值。l减少减少污污染物和温室气体的排放染物和温室气体的排放。l通通过风过风力力发电发电所能所能节节省的燃料、容量和排放省的燃料、容量和排放费费用，可用，可以以计计算出算出风风力力发电发电的价的价值值。44.风风力力发电发电装置装置l风风力力发电发电装置包括装置包括风轮风轮机（机（风风力机）力机）、传动变传动变速机构和速机构和发电发电机机三个主要三个主要部分。部分。l其中其中风轮风轮机是机是发电发电装置的核心，装置的核心，风风轮轮机大体上分机大体上分为为两种：两种：p 桨桨叶叶绕绕水平水平轴转动轴转动的翼式的翼式风轮风轮机机p 桨桨叶叶绕绕垂直垂直轴转动轴转动的的风轮风轮机机 实际实际上，目前并网上，目前并网发电发电的的风轮风轮机主要是机主要是三叶式三叶式绕绕水平水平轴转动轴转动的翼的翼式式风轮风轮机机。45.n水平水平轴轴的翼式的翼式风风力力发电发电装置主要由以下几个部分装置主要由以下几个部分组组成：成：l叶叶轮轮。也称。也称风轮风轮，将流体的运，将流体的运动动动动能能转换转换成成轴轴功向外功向外传递传递。l叶片的叶片的设计设计需要需要满满足几足几项项要求：要求：对对特定的特定的风风速具有最速具有最大的大的转换转换效率；最大功率效率；最大功率输输出在限制范出在限制范围围内，以保内，以保护护发电发电机；可承受最大机；可承受最大风风荷和荷和长长期疲期疲劳负劳负荷；避免出荷；避免出现现共振；共振；质质量小，价格低。量小，价格低。46.l偏偏转转机构和机构和风风向向标标 风风速不断速不断变变化，化，风轮风轮叶片正叶片正对对来来风风方向，才能方向，才能输输出最出最大的大的风风能。小型能。小型风轮风轮机用尾舵来机用尾舵来调调整方向，大型整方向，大型风轮风轮机机普遍采用偏普遍采用偏转转机构机构对风轮对风轮方向方向进进行精确控制。行精确控制。l传动传动机构机构 一般包括低速一般包括低速轴轴、高速、高速轴轴、增速、增速齿轮齿轮箱、箱、联轴节联轴节和刹和刹车车装置。装置。齿轮齿轮箱是箱是风风力力发电发电机机组组最重最昂最重最昂贵贵的部件，因的部件，因此，很多工程此，很多工程师师都在努力探索和研制由都在努力探索和研制由风轮风轮机直接机直接驱动驱动的低速的低速发电发电机。机。47.l塔架塔架 风风速随着高度的增加而增大，因此速随着高度的增加而增大，因此较较高的塔架可以高的塔架可以是是风轮风轮机机获获得更多的得更多的风风能。能。l发电发电机机 为为了与了与电电网网频频率保持一致，通常的率保持一致，通常的发电发电机机组组采用：采用：恒速恒恒速恒频频系系统统，利用，利用风风能的份能的份额额小；小；变变速恒速恒频频系系统统，是目前是目前风风能能发电发电的重要的重要发发展方向。展方向。l风风速速仪仪和控制器和控制器 在在风风速范速范围围内控制器内控制器进进行行风轮风轮机机转转速速调节调节，如，如风风速速达到或超达到或超过过启启动风动风速，控制器启速，控制器启动风轮动风轮机；如机；如风风速达速达到或超到或超过过切出切出风风速，控制器关速，控制器关闭风轮闭风轮机。机。48.三、三、风电场风电场 建建设风电场设风电场除了要考除了要考虑风虑风速条件外，速条件外，还还要要综综合考合考虑虑场场地状况、道路状况、接入地状况、道路状况、接入电电网的条件等因素。一个网的条件等因素。一个完整的完整的风电场项风电场项目，一般包括以下几个目，一般包括以下几个步步骤骤:l风电场选风电场选址址l项项目可行性目可行性评评估估l项项目准目准备备l风电场风电场建建设设l风电场风电场运行和运行和维护维护l风电场风电场退役、退役、场场地恢复地恢复49.u 风电场选风电场选址址 一般需要考一般需要考虑虑以下一些因素：以下一些因素：l风风能能资资源源。主要考。主要考虑虑年平均年平均风风速，速，风风速速频频率，年率，年发发电电量和容量系数。量和容量系数。容量系数：容量系数：发电发电机机组组的年度的年度电电能能净输净输出，与出，与风电风电机机组额组额定容量与全年运行定容量与全年运行8760h8760h的乘的乘积积比比值值称称为风电为风电机机组组的容量系数。的容量系数。50.l风电场场风电场场地状况地状况 场场地地应该应该开开阔阔，地，地质质条件好，便于大条件好，便于大规规模开模开发发。l交通运交通运输输方便方便l并网条件好并网条件好 距离距离电电网越近，并网投网越近，并网投资资越少，越少，线损线损和和压压降也越小。降也越小。l不利气象条件和不利气象条件和环环境的影响境的影响 这这些不利因素可能影响些不利因素可能影响发电发电机机组组的寿命。的寿命。l土地征用和土地征用和环环境影响境影响51.u 风风力力发电发电机机组选组选型和布置型和布置 风风力力发电发电机机组组的的选选型型l单单机容量越大，机容量越大，风风能利用越高，但是，能利用越高，但是，单单机容量增大机容量增大的同的同时时价格也随着增加，大容量的机价格也随着增加，大容量的机组组技技术术投入多而投入多而产产量量较较小，成本偏高，所以小，成本偏高，所以总总体来看，体来看，风风力力发电发电机机组组的的单单机容量价格随着机容量价格随着单单机容量的机容量的变变化呈化呈U U字形曲字形曲线线，国，国内目前性价比内目前性价比较较高的仍然是兆瓦高的仍然是兆瓦级级以下的机以下的机组组。但。但单单机大容量仍然是机大容量仍然是发发展展趋势趋势。52.风风力力发电发电机机组组的布置的布置l首先根据首先根据风风能玫瑰能玫瑰图图确定主确定主导风导风向，向，风风力力发电发电机机组组排排列列应应与主与主导风导风向垂直。向垂直。对对于开于开阔阔、平坦的、平坦的场场地，上游地，上游风风力力发电发电机机组组会会对对下游下游风风力力发电发电机机组产组产生干生干扰扰，风风力力发电发电机机组组可以布置成有利于加大可以布置成有利于加大风风速的地形，采用速的地形，采用单单排布置或者多排差排布置方式。排布置或者多排差排布置方式。53.风风力力发电发电机机组组的运行和安全性的运行和安全性l风电场风电场中的中的风风力力发电发电机机组组在工作期在工作期间间可能可能处处于如下状于如下状态态之一：之一：正常工作状正常工作状态态暂暂停状停状态态停机状停机状态态紧紧急停机状急停机状态态 每种工作状每种工作状态态都可看作是都可看作是风风力力发电发电机机组组的一个活的一个活动动层层次，运行状次，运行状态处态处在最高在最高层层次，次，紧紧急故障状急故障状态处态处在最在最低低层层次。次。54.l运行控制系运行控制系统统是是风风力力发电发电机机组组的常的常规规控制系控制系统统，此外，此外，还还有一套独立于运行控制系有一套独立于运行控制系统统的安全系的安全系统统。安全系安全系统统的任的任务务是在出是在出现严现严重重问题问题或或检测检测到潜在到潜在严严重重问题时问题时保保护风护风力力发电发电机机组组，使之，使之处处于安全状于安全状态态。保。保护动护动作通常作通常是是紧紧急刹急刹车车，使，使风轮风轮机停止工作。机停止工作。l安全系安全系统统必必须须独立于控制系独立于控制系统统，而且具有高度的可靠，而且具有高度的可靠性和自性和自动动故障免除性。故障免除性。为为了保了保证证安全，必安全，必须须配配备备两套两套以上的刹以上的刹车车系系统统，而且各自的工作方式和，而且各自的工作方式和动动力源必力源必须须不同。不同。55.u 风电对电风电对电网运行的影响网运行的影响l风风速和速和风风向向总总是随机是随机变变化，因此化，因此风风能的特点是具有不能的特点是具有不稳稳定性，使得定性，使得风电场风电场的的输输出功率有波出功率有波动动性，从而影响性，从而影响局部的局部的电电能能质质量。量。风电风电容量到达一定程度后，会引起容量到达一定程度后，会引起电压电压不不稳稳，特，特别电别电网网较较大波大波动动的的时时候，可能候，可能导导致致风风力力发电发电机机组组从从电电网解网解链链，严严重重时时甚至甚至导导致致电电网瓦解网瓦解。56.l风风力力发电对电发电对电网的不利影响可以通网的不利影响可以通过过超超导储导储能技能技术术加加以改善。以改善。超超导储导储能系能系统统是一种新的是一种新的储储能方式，代表着能方式，代表着柔性交流柔性交流输电输电技技术术的的发发展方向展方向，也可以，也可以吸收或吸收或释释放有放有功和无功功和无功，快速相，快速相应电应电网系网系统统的需求信号。的需求信号。l相相对对与一般与一般发电发电厂，厂，风电场风风电场风力力发电发电机一般采用异步机一般采用异步机，机，需要吸收需要吸收电电网无功来建立磁网无功来建立磁场场，从而在并网后，从而在并网后对对局部局部电电网的网的电压电压水平有明水平有明显显的影响。的影响。57.第三第三节节 风轮风轮机的基本理机的基本理论论一、理想一、理想风轮风轮机的能量利用机的能量利用l19191919年，德国物理学家年，德国物理学家贝兹贝兹首次提出首次提出贝兹贝兹法法则则：如果采：如果采用用风轮风轮机，只能把不足机，只能把不足16/2716/27的的风风的的动动能能转转化成机械能。化成机械能。l假假设风轮设风轮是理想的，且由无限多叶片是理想的，且由无限多叶片组组成，气流通成，气流通过风过风轮时轮时也没有阻力。此外，假定气流也没有阻力。此外，假定气流经过经过整个整个扫风扫风面是均面是均匀的，气流通匀的，气流通过风轮过风轮前后的速度方向前后的速度方向为轴为轴向。理想的向。理想的风风轮轮的气流模型如的气流模型如图图所示。所示。58.59.60.61.l这这就是著名的就是著名的贝兹贝兹理理论论，他，他说说明明风轮风轮从自然界中从自然界中获获得的得的能量是有限的，理能量是有限的，理论论上最大上最大值为值为0.5930.593，损损失部分可解失部分可解释为释为留在尾迹中的气流旋留在尾迹中的气流旋转动转动能。能。62.二、二、风轮风轮机的空气机的空气动动力特性力特性l风风能利用系数能利用系数CpCp 风风能利用系数定能利用系数定义为风轮义为风轮机机的的风轮风轮能能够够从自然从自然风风能中吸收能中吸收的能量与的能量与输输入入风风能之比。能之比。风风能能利用系数可表示利用系数可表示为为63.l理想的理想的风风能利用系数能利用系数CpCp的最大的最大值值是是0.5930.593，即，即贝兹贝兹理理论论的极限的极限值值。CpCp值值越大，表示越大，表示风轮风轮机能机能够够从自然界中从自然界中获获得的能量百分比越大，得的能量百分比越大，风轮风轮机的效率越高，即机的效率越高，即风轮风轮机机对风对风能的利用率也越高。能的利用率也越高。对实际对实际有用的有用的风轮风轮机来机来说说，风风能利用系数主要取决与能利用系数主要取决与风轮风轮叶片的气叶片的气动动和机构和机构设计设计及制造工及制造工艺艺水平。如高性能螺旋水平。如高性能螺旋桨桨式式风风力机，其力机，其CpCp值值一般是一般是0.450.45，而阻力型，而阻力型风轮风轮机只有机只有0.150.15左右。左右。64.l 叶尖速比叶尖速比65.风风能利用系数和无因次数随叶尖速比能利用系数和无因次数随叶尖速比变变化的曲化的曲线线构成构成风轮风轮机空气机空气动动力特性曲力特性曲线线66.三、三、风轮风轮机的机的设计设计l风轮风轮机的工程机的工程设计设计是根据功率要求，安装是根据功率要求，安装选选用的叶用的叶轮轮形式形式和相和相应应的的风轮风轮机特性曲机特性曲线线，计计算算风轮风轮的半径和的半径和转转速。速。67.68.设计设计步步骤骤：（1 1）根根据据风风轮轮机机特特性性曲曲线线查查取取最最优优风风能能利利用用系系数数和和叶叶 尖速比配合尖速比配合（2 2）由）由CpCp确定确定风轮风轮机半径机半径（3 3）确定）确定风轮风轮机机转转速速69.四、四、风