风电基础知识初稿103

1、会计学1风电基础知识初稿风电基础知识初稿103第1页/共157页第2页/共157页第3页/共157页第4页/共157页第5页/共157页第6页/共157页第7页/共157页能源消费的国际比较能源消费的国际比较消费结构消费结构第8页/共157页探明总资源量8230亿吨标准煤，探明剩余可采总储量1390亿吨标准煤剩余可采储量的保证程度煤炭81年、石油15年、天然气30年,铀50年。以煤为主，缺乏石油、天然气资源，水能较丰富人均能源资源量低于世界平均水平单位：年第9页/共157页根据国内风电成本测算得到的包括财务成本在内的风电平均成本为0.551元/( kWh)，在使用期的总成本费用已经接近新投资的

2、水电和火电。 第10页/共157页第11页/共157页第12页/共157页第13页/共157页第14页/共157页中国风资源分布中国风资源分布第15页/共157页第16页/共157页箱式变电（升压）变电站超高压输电风机（降压）变电站用户不包含升压变电站的项目包含升压站的项目第17页/共157页Principal layout of offshore wind turbines, their collection and transmission (C&T) systems for interconnection to mains, i.e., for fungible power to the

3、 AC network and trading第18页/共157页近海风电技术：风力发电机组Vestas 3MW2005年Kentish Flat海上风电场安装30台vestas 3MW机组，该机组额定功率3MW，机舱（包括轮毂）重量111T。第19页/共157页风能经济性发电成本风资源及规律能源效率可利用率寿命直接投资成本融资成本运行维护费风能的市场价值基本价值燃料节省资本节省货币化的环境收益排放减少化学燃料使用的减少第20页/共157页部件成本组装成本运输成本风机生产成本利润风 机 购 买价格初始资本成本(ICC)风场配套设施部件失败率风场人力耗材平均维修时间备件预定时间备件成本年运行维护

4、成本 (AOM)可利用率风频分布功率曲线驱动链效率上网损失年发电量 (AEP)固定费率(FCR)度电成本 (COE)COE=(FCR*ICC+AOM)/AEP基于20年。第21页/共157页风电场建设项目总投资分析目前目前风力发电机组价格水平风力发电机组价格水平风电项目投资风电项目投资: 7000元元/KW 10000元元/KW第22页/共157页元元/kWh风电场建设项目上网电价分析0.00000.20000.40000.60000.80001.00001.20001.400013579111315171921232527293133353739目前的风电成本可控制在0.6元/度以下第23页

5、/共157页0246810121990Low wind speed sites199520002005201020152020H i g h w i n dspeed sitesBulk Power Competitive Price Band目前的风电成本可控制在0.6元/度以下。第24页/共157页塔架10%其他费用8%建筑工程6%联网工程7%场内变电工程5%风电机组设备64%第25页/共157页第26页/共157页第27页/共157页英国第28页/共157页英国的统计第29页/共157页第30页/共157页第31页/共157页第32页/共157页第33页/共157页Repower 2MW

6、 风机 第34页/共157页v“金风S43/600”含义： 金风（goldwind) 公司品牌 Sstall ，即失速控制 43叶轮的直径为 43m 600发电机的额定功率为600kwv采用丹麦设计概念： 上风向，三叶片，失速控制，叶尖气动刹车。 是当今风机技术最简单、成熟、可靠、安全的技术。金风产品介绍40或50m43mGOLDWIND第35页/共157页600KW 风机GOLDWIND第36页/共157页1.导流罩 2.叶轮 3. 机舱4.增速箱 5.高速机械刹车 6.连轴器及安全离合器 7.油散热器 8.发电机 9.风速仪、风向标 10.提升机 11.发电机弹性支撑 12.TB1控制器

7、13.液压站 14. 偏航轴承 15.偏航刹车 16.偏航驱动 17.塔架 18.机舱底板 19. 齿轮箱弹性支撑GOLDWIND第37页/共157页010020030040050060070080012345678910 1112 13 1415 1617 18 1920 2122 23 2425风速（m/s）功率（KWH）GOLDWIND第38页/共157页1200KW风机无齿轮、直驱、永磁发电机结构简单紧凑，可靠性高机械传动损耗减少电机效率高运行范围宽无需励磁，无碳刷滑环发电品质高，无需进行无功补偿GOLDWIND第39页/共157页GoldWind 62/1200 技术参数技术参数叶轮

8、叶轮直径62 m扫风面积 3019 m2转速范围 10 20 RPM1叶片数量 3叶片类型 LM 29.1 P 或相似叶片功率控制 变速变桨刹车系统3套独立的叶片刹车塔架塔架类型钢制锥塔轮毂中心高 69 m运行数据运行数据切入风速3 m/s额度风速 12 m/s 切出风速25 m/s抗最大风速59,5 m/s电机电机 类型多极永磁同步发电机 结构直接驱动 额定功率 1200 kW 额定电压 Y690V 绝缘等级 FGOLDWIND第40页/共157页偏航系统电机驱动链轮毂叶轮控制变电系统第41页/共157页电网偏航装置偏航装置风向风速仪电压、频率值刹车盘第42页/共157页失速调节主动失速定速

9、变速控制齿轮箱变桨距调节变速调节无齿轮箱Technology trend国外大型风力发电机组发展趋势第43页/共157页风力发电单机容量由1980年的30千瓦上升到2005年的5兆瓦第44页/共157页风特性叶轮叶轮机机械电电机并网网风风力极限限疲疲劳振振动控控制材材料制制造叶片设计部件制造COE风机(知识)体系结构与边界条件Cost of Energy频率50Hz电压 690V 或其他功率因数0.98噪音叶尖速转速材料强度控制能力运输安装部件共振耦合结构第45页/共157页ppfn30006060pnf 第46页/共157页在以上约束的情况下，要驾驭风并充分利用风能。要驾驭风，就要了解风的习

10、性，即风的脾气和性格第47页/共157页第48页/共157页第49页/共157页第50页/共157页As the blades sweep the disk of air, the blade tip speedIs typically 6 to 10 times the wind speed.风机如何在风中工作风机如何在风中工作321VW单位面积风中的能量，与风速的3次方成正比Cp 吸收效率 空气密度，标准密度：1.225kg/m3A 风轮面积，pD2/4U 风速风机吸收的能量吸收风能，承受推力第51页/共157页第52页/共157页 转轮旋涡气动模型转轮旋涡气动模型 根据空气对叶轮的反作用

11、第53页/共157页第54页/共157页The graph shows thatat a wind speed of 8metres per second we geta power (amount ofenergy per second) of314 Watts per squaremetre exposed to thewind (the wind iscoming from a directionperpendicular to the swept rotor area).At 16 m/s we get eight times as much power, i.e. 2509 W/m2

12、. The table inthe right gives you the power per square metre exposedto the wind for different wind speeds.第55页/共157页第56页/共157页风资源特点风功率谱密度与风机设计、振动疲劳荷载及电能质量有关与气象系统有关，难预测预测相对容易，与日发电量、日负荷电力调度有关第57页/共157页风 随时间和空间变化，产生剧烈的随机脉动，通过3次方关系的放大，极易形成巨幅的能量变化和脉动荷载，从而引起材料的疲劳。风 既是风机能量的来源，也是风机载荷的来源。如果能得到精确的风脉动（统计规律）特点，

13、就能更精确地得到随机载荷的特点，从而预测材料的疲劳损伤过程，能更经济的设计风机。缺少一般详细风V, P(t)V(t), V(t+t)V(t)力FF(t), F(t+t)F(t)材料s, es (t), s (t+t)e (t), e (t+t)s (t), e (t)（这里还涉及一个基础问题，材料的疲劳特性，与一个国家的原材料工业及其研究有关）第58页/共157页第59页/共157页1、 风的形成风的形成第60页/共157页单位米秒-1海里时-1千米时-1英尺秒-1英里时-11米秒-111.9438443.6003.280842.236941海里时-10.5144411.8521.687809

14、91.15077951千米时-10.2780.5399610.91134440.621369951英尺秒-10.30480.5924841.0972810.6818181英里时-10.447040.8689761.4666671第61页/共157页 1.2.1 大气环流大气环流 风在地表上形成的根本原因是太阳能量的传输，由于地球是一个球体，太阳光辐射到地球上的能量随纬度不同而有差异，赤道的低纬度地区受热量最多，极地和高纬度地受热量少，因而造成太阳对地球表面的不均匀加热，从而导致地面上空大规模的大气运动，也即总的大气环流。 假设地球不发生自转，由于极地与赤道间的温差，赤道温度高的空气将上升高层流

15、向极地，极地附近大气则因冷却收缩下沉，在低空受指向低纬度的气压梯度力的作用，流向低纬，便形成了一个全球性的南北向环流。（图1） 1.2 地球上的环地球上的环流流图1 由于太阳辐射差异产生的赤道与极地之间的大气环流状况第62页/共157页 1.2.1 大气环流大气环流(续续) 实际上由于地球自转，会产生一个称为科里奥利力的地转偏向力,在北半球总是对流动的空气产生向右偏的地转偏向力，从赤道上升流向极地的气流在气压梯度力和地转偏向力的作用和综合影响下，在南北两个半球上各出现了四个气压带和三个闭合环流圈（称作“三圈环流”）。在四个气压带之间则形成了极地东风带，盛行西风带,东北(东南)信风带以及赤道无风

16、带四大风带。（图2）图2 由于地球自转产生的大气环流状况第63页/共157页Prevailing Wind DirectionsLatitude 90-60N 60-30N 30-0N 0-30S 30-60 S 60-90SDirection NE SWNE SE NW SE The wind rises from the equator andmoves north and south in the higherlayers of the atmosphere.Around 30 latitude in bothhemispheres the Coriolis force prevents

17、the air from moving much farther. At thislatitude there is a high pressure area, asthe air begins sinking down again.As the wind rises from the equator therewill be a low pressure area close toground level attracting winds from theNorth and South.At the Poles, there will be high pressure due to the

18、cooling of the air.Keeping in mind the bending force of the Coriolis force, we thus have thefollowing general results for the prevailing wind direction:第64页/共157页 1.2.2 1.2.2 季风环流季风环流 季风现象：在一个大范围地区内其盛行风向或气压系统有明显的季度变化。我国是一个典型的季风气候国家。 季风环流是季风气候的主要反映。季风环流的形成主要原因是由于海陆分布的热力差异及行星风带的季节转换所形成的。 一般海陆差异引起的季风，大

19、都发生在海陆相接的地区，海陆之间热力差异最大，季风现象就最明显。全球而言，在副热带地区这种差异最明显，即副热带季风（亦称温带季风）最强。亚洲东部地区是全球海陆差异引起的季风最强的地区。第65页/共157页1.2.2 1.2.2 季风环流季风环流( (续续) ) 我国的季风，冬季主要在西风带影响之下，盛行西北气流。夏季西风带北移，南方为大陆热低压控制，副热带高压从海洋移至大陆，我国流场转为西南气流，春秋则为过渡季节。此外，海陆分布，青藏高原对我国季风环流也产生重要影响。冬季，大陆高压气压梯度强大，而夏季热低压的气压梯度较弱，因而我国夏季风比冬季风弱，这是我国季风的重要特征。 我国的风场特征，必须

20、注意到季风环流这一重要的背景，无论风电场的选址或运行，季风特征必须认真考虑。第66页/共157页(图4)山谷风1.2 地球上的环流地球上的环流1.2.3 局地环流局地环流第67页/共157页2.2 平均风速平均风速 风资源描述平均风速 为风速在规定时距T内的时间平均值，即： 采用合适时距T的平均风速（例如10分钟），它在一段观测期内的变化一般不明显。 实际平均风速是由在相应的时距中，将其瞬时风速相互抵消后所得的综合结果，采用不同的平均时距就会得到不同的平均风速，时距愈大，平均风速的变化愈小，而相应的平均风速最大值也愈小。为了得可以相互比较的平均风速记录，气象上规定一个统一的平均时距，世界气象组

21、织和我国规定将10分钟平均时距作为平均风速的标准时距。由于历史的原因和条件的限制（如目测），在一些报表和项目中使用的是2分钟或更多种的平均风速，使用时必须加以注意。dttzyxvTvT),(10v第68页/共157页风力等级 自由海面状况 海上船只征象 陆地地面物征象 距地10米高处的相当风速 浪高 公里/时海里/时米/秒一般（米） 最高（米） 0-静静、烟直上小于1小于10-平常渔船略觉摇动烟能表示风向，但风向标不能转动1-51-30.3-1.520.20.3渔船张帆时，每小时可随风移行2-3公里人面感觉有风，树叶微响，风向标能转动6-114-61.6-3.330.61.

22、0渔船渐觉簸动，每小时可随风移行5-6公里树叶及微枝摇动不息，旌旗展开12-197-103.4-5.441.01.5渔船满帆，可使船身倾向一侧 能吹起地需灰尘和纸张，树的小枝摇动 20-2811-165.5-7.952.02.5渔船缩帆（即收去帆之一部）有叶的小树摇摆，内陆的水面有不波 29-3817-219.0-10.763.04.0渔船加倍缩帆，捕鱼需注意风险 大树枝摇动，电线呼呼有声，举伞困难 39-4922-2710.8-13.874.05.5渔船停泊港中，在海者下锚 全树摇动，迎风步行感觉不便 50-6128-3313.9-汽船的渔船皆停留不出 策枝折毁，人向前

23、行，感觉阻力甚大 62-7434-4017.2-20.797.010.0汽船航行困难 建筑物有小损（烟囱顶部及平屋摇动） 75-8841-4720.8-24.4109.012.5汽船航行颇危险 陆上少见，见时可使树木拔起或建筑物损坏较重89-10248-5524.5-28.41111.516.0汽船遇之极危险 陆上很少见，有则必有重大损毁 103-11756-6328.5-32.61214海浪滔天 陆上绝少见，摧毁力极大 118-13364-7132.7-36.913134-14972-8037.0-41.414150-16681-8941.5-46.115167-18390-9946.2-5

24、0.916184-201100-10851.0-56.017202-220109-11856.1-61.2注：13-17级风力是当风速可以用仪器测定时使用。第69页/共157页0*zzInKuzuu2.2.2 平均风速随高度变化平均风速随高度变化第70页/共157页nzzuzu11 LzazzInKuzu10*1u风剪切风剪切第71页/共157页 在风能评估中，使用得最广泛的是指数律公式，公式中n称作粗糙指数，主要与地面粗糙度有关（同时还与大气层结状况等有关）。在没有作专门的风的梯度观测情况下，我国一些标准中将地面粗糙度分成四类： A类近海海面、海岛、海岸、大湖湖岸及沙漠地区 B类 田野、乡村

25、及房屋比较稀疏的乡镇及城郊 C类有密集建筑群的城市市区 D类有密集建筑群且房屋较高的城市市区 对于大风情况（一般超过10m/s时）其n分别取0.12, 0.16, 0.22 和0.3。 n取值第72页/共157页第73页/共157页0 00 )(1xxecxckxpkcxk2.2.4 平均风速分布平均风速分布1）平均风速的概率分布）平均风速的概率分布C 幅度参数， k 形状参数风速分布一般均为正偏态分布。常用的概率分布曲线有：第74页/共157页0 00 )(222xxeuxxpux2.2.4 平均风速分布平均风速分布1）平均风速的概率分布）平均风速的概率分布第75页/共157页威布尔（Wei

26、bull ）概率分布曲线第76页/共157页第77页/共157页第78页/共157页第79页/共157页风向统计规律的表示方法第80页/共157页 N NNW NNE NW NE WNW ENE W E WSW ESE SW SE SSW SSE S 16个风向的风向玫瑰图第81页/共157页第82页/共157页风速统计规律的表示方法第83页/共157页风况曲线第84页/共157页第85页/共157页第86页/共157页第87页/共157页wind speedpowerfrequencyhouroutput103.78%331.50609280207.14%625.73252230309.73

27、%852.2990731041711.33%992.85903816878.654811.91%1043.27610150077.2568111.56%1012.5744682018.53716010.49%919.3164568147090.682578.98%786.6708703202174.493507.28%637.5679693223148.8104685.61%491.0318826229802.9115664.11%360.2242114203886.9126472.88%252.1603474163147.7136971.93%168.6549321117552.514745

28、1.23%107.891861780379.44157720.75%66.0696002651005.73167680.44%38.7547539129763.65177640.25%21.7867933716645.11187490.13%11.7435968795.95319年标准运行小时2163.158年发电量1622368第88页/共157页2.3 脉动风特性脉动风特性第89页/共157页2.3 脉动风特性脉动风特性tvvtzyxvzyxvtzyxvff, tvf第90页/共157页第91页/共157页均方差均方差湍流强度湍流强度第92页/共157页第93页/共157页Porosity

29、Porosity = 0% = 30% = 50% = 70% 第94页/共157页正对主风向：间距正对主风向：间距35倍的风轮直径，行距倍的风轮直径，行距59倍的直径倍的直径第95页/共157页2.3 脉动风特性脉动风特性2.3.3 功率谱密度功率谱密度2FS F第96页/共157页2.3 脉动风特性脉动风特性2.3.3 功率谱密度功率谱密度第97页/共157页2.3.3 功率谱密度功率谱密度第98页/共157页)(IWm)()(JWIWGm2.3 脉动风特性脉动风特性第99页/共157页第100页/共157页3、风能资源、风能资源3.1风能资源的计算风能资源的计算FVW321321VW第1

30、01页/共157页Cp 吸收效率 空气密度，标准密度：1.225kg/m3V 风速A 风轮面积，pD2/4P=(1/2)V3ACp 第102页/共157页第103页/共157页（用于指导风机设计和应用）IEC标准 Wind turbine Wind turbine class class I I II II III III S S Vref (m/s) 5042.537.5 Values specified by the designer A Iref(-) 0,16 B Iref(-) 0,14 C Iref(-) 0,12 第104页/共157页GL标准第105页/共157页动量叶素理论V

31、1 V2A1 AA2v流量第106页/共157页质量守恒：A1 V1= A V= A2V2动量定理：T= A V(V1V2)能量方程：P =1/2 A V3cp=1/2 mV12 1/2 mV22a=1/3时，风能利用系数时，风能利用系数 达到贝兹极限达到贝兹极限 Cp=0.593V轴向轴向=aV1 , a 轴向诱导因子轴向诱导因子CT 推力系数第107页/共157页第108页/共157页当考虑风轮尾流旋转时，风轮轴功率有损失，风轮功率系数要减小。V1 V2 VA1 AA2第109页/共157页 叶素理论是将风轮叶片沿展向分成许多段（叶素），假设在每个叶素上的流动相互之间没有干扰，即叶素可看成

32、是二维翼型，这时，将作用在每个叶素上的力和力矩沿展向积分，就可求得作用在风轮上的力和力矩。第110页/共157页风力机翼型t相对厚度：t100%c第111页/共157页安装角攻角第112页/共157页AL2cdrcw2dLAD2cdrcw2dD 阻力升力第113页/共157页Aerofoil Dataset 63-415Lift CoefficientAngle of Attack (deg)-0.5-1.0-1.50.00.51.01.5-50-100-150-200050100150200迎角/（） 升力系数CL风力机翼型第114页/共157页0.00.51.01.5-50-100-150

33、-200050100150200迎角/（） 阻力系数CD风力机翼型第115页/共157页CDmin0CD0第116页/共157页第117页/共157页第118页/共157页第119页/共157页Table 1: L/D of Subsonic Jet AircraftAircraft (year)(L/D)maxBoeing B707-320 波音19.4 Douglas DC-8 麦道17.9 Airbus A320 空中客车17. Boeing 767-200 19. Boeing 747-100 17.7 Douglas DC-10 17.7 Lockeed Tristar L1011

34、洛克西德17.0 Douglas DC-9 (1966) 16.5 Boeing B727-200 16.4 Fokker 50 (1966) 16 Douglas DC-3 (1935) 14.7 Ford Trimotor (1927) 12. Wright Flyer I (1903) 8.3 第120页/共157页Table 3: L/D of Some BirdsBirdL/DHouse Sparrow (passer domesticus) 麻雀4. Herring Gull (larus argentatus ) 海鸥10. Common Tern (sterna hirundo

35、 ) 燕欧12. Albatross (diomeda exulans ) 信天翁20. 第121页/共157页第122页/共157页第123页/共157页叶尖刹车位置叶尖正常运行位置第124页/共157页第125页/共157页1RV3112PCpAVPM ，212MMCAV第126页/共157页1002060风轮直径D/m塔架高度H/m0.81.2HD第127页/共157页002468101214 CP第128页/共157页BPfPt1BPftPft1第129页/共157页600KW750KW1.2MW功率控制失速失速变桨重量2000 （3）3200470

36、0重心位置（距法兰端面）（mm）5800 （50）78509150挥舞频率1.751.601.32摆振频率3.052.852.25由 中航（保定）惠腾风电设备有限公司制造第130页/共157页风力发电机组共振图风电机组可靠性运行结构动力分析第131页/共157页第132页/共157页垂直轴风力机 水平轴风力机第133页/共157页水平轴风力发电机组按风力机功率调节方式可分为：定桨距失速型风力发电机组变桨距失速型风力发电机组变桨变速恒频型风力发电机组第134页/共157页定桨定速vs.变桨变速风力发电机组输出功率的比较第135页/共157页比如，控制系统可能执行风速测量、检验系统元件的安全性、释

37、放刹车盘、完成桨矩设置、关闭接触器、并网发电机等 第136页/共157页控制系统可以控制的功能和参数包括第137页/共157页对风力发电机组运行参数和状态的检测和监控第138页/共157页转轮惯量驱动链惯量电力扭矩刹车扭矩主轴空气动力扭矩动力传递第139页/共157页结构动力结构运动变桨执行结构动态空气动力执行器动态驱动链动态电机动态控制动态功率变送器动态风轴转速轮毂扭矩电机转子转速电机发应变桨命令测量功率图：风机动态响应与相应控制第140页/共157页功率放大器执行器被控对象传感器控制器期望输出实际输出控制步骤第141页/共157页传动系统动力学模型风模型：湍流风模型瞬态风模型空气动力学模型：动量原理叶素理论Prandtl叶尖损失模型尾流模型动态失速模型控制模型风力发电机仿真计算模型风机设计 的主要模型第14