风电发展史培训课件

1、 风电发展简史 风电发展史第1页风力机起源风力机最早出现在三千年前,当初主要用于碾米和提水。第一台水平轴式风力机出现在十二世纪。风电发展史第2页风力机起源 在农场用来给牲畜和居民提水风力机。用来给无电地域农牧民供电小型风力发电机。风电发展史第3页一、风能先驱Charles F. Brush Charles F. Brush（1849-1929）是美国电力工业奠基人之一。他创造了一个效率非常高直流发电机应用于公共电网，创造了第一个商业化电弧光灯，找到了一个高效制造铅酸蓄电池方法。他自己企业Brush Electric位于俄亥俄州Cleveland市。1889年他卖掉了企业，1892年与爱迪生通用

2、电气企业合并取名通用电气企业（GE）。风电发展史第4页位于俄亥俄州Cleveland市庞大BRUSH 风车 1887-1888年冬，Brush安装了一台被当代人认为是第一台自动运行且用于发电风力机。它是个宠然大物叶轮直径是17米，有144个由雪松木制成叶片。风力机运行了约，用来给他家地窑里蓄电池充电。这台发电机仅为12千瓦。这是因为低转速风机效率不可能太高。丹麦人Poul la Cour随即发觉了快速转动、叶片数少风力机，在发电时比低转速风力机效率高得多。 风电发展史第5页二、风能先驱Poul la Cour Poul la Cour（1846-1908）是一名气象学家同时也是当代风力发电机先

3、驱。Poul la Cour 是当代空气动力学鼻祖，他建了一个属于他自己风洞来试验风力发电机。图中是Poul la Cour和他妻子。Poul la Cour致力于能源储存研究，将风力机发出电力用于电解来生产氢气，供他学校瓦斯灯使用。这个计划唯一缺点是，因为氢气中含有少许氧气致使氢气爆炸，他不得不数次更换几个学校窗户。 风电发展史第6页19培训班 la Cour每年在Askov Folk高中给风电工人做几次培训。这个图片是19培训班毕业照。 风电发展史第7页la Cour风力机 1897年，他创造两台试验风力机，安装在丹麦Askov Folk 高中。 另外，la Cour于19创建了风电工人协

4、会，它成立一年后，就拥有了356个会员。 风电发展史第8页风电期刊 世界上第一个风力发电期刊Journal of Wind Electricity 也是由Poul la Cour创建。 19，丹麦约有120个地方公用事业拥有风力发电机，通常单机容量是20-35kW，总装机约3MW。这些风电容量当初占丹麦电力消耗量3%。丹麦对风力发电兴趣在随即若干年逐步减退，直到二次世界大战期间出现供电危机为止。 风电发展史第9页三、风能先驱1940-1950 F.L.Smidth 风机 在二次世界大战期间，丹麦工程企业F.L.Smidth（现在是水泥机械制造商）安装了一批两叶片和三叶片风机。丹麦风机制造商已经

5、生产出了两叶片风机，尽管所谓“丹麦概念”是三叶片风机。全部这些风机（与它们前辈一样）发是直流电。 这些三叶片F.L.Smidth 风机于1942年安装在Bobo岛，它们看起来很象“丹麦”风机。这些风机是风-柴系统中一部分，给小岛供电。1951年，这些直流发电机被35kW交流异步发电机取代，如此一来，第二台生产交流电风机问世了。 风电发展史第10页四、Gedser 风力发电机 Johannes Juul 和 the Vester Egesborg 风力机 Johannes Juul工程师是Poul La Cour在19创办“风电工”培训班中一名学生。 1950年，Johannes Juul在丹麦

6、Vester Egesborg成为了世界上开发第一台交流风力发电机先驱。 风电发展史第11页Johannes Juul风力发电机 创新200KW Gedser 风力发电机在1956-57年由Johannes Juul为SEAS电力企业建成，风机安装在丹麦南部Gedser海岸。三叶片，上风向，带有电动机械偏航和异步发电机风力发电机是当代风力发电机设计先驱。这台风力机是失速调整型风力机，Johannes Juul创造了紧急气动叶尖刹车，在风机过速时经过离心力作用释放。基本上，当代失速型风力发电机上使用着相同系统。这台风力发电机，在随即很多年中一直是世界上最大。它在无需维护情况下，运行了。风力机机舱

7、和叶轮现在在丹麦Bjerringbro电力博物馆中展出。 风电发展史第12页Nibe风力机（二十世纪70年代） 在1973年第一次石油危机后，几个国家起对风能兴趣重新点燃。在丹麦，电力企业马上把目标放在制造大型风力发电机上，德国、瑞典、英国和美国也紧跟其后。 1979年，他们安装了两台630KW风力发电机，一台是桨矩控制，另一台是失速控制。风电发展史第13页五、1980年后风力发电机 Riisager 风力发电机 一个名叫Christian Riisager木匠在自已家后院安装了一台小型22KW风力发电机，他以Gedser风力机设计为基础，尽可能地采取了廉价标准部件（如，用一台电动机作为发电机

8、，把汽车部件用作齿箱和机械刹车）。Riisager风力发电机在丹麦许多私人家庭中成为了成功典范，同时他成功给丹麦风力发电机制造商提供了灵感，从1980年起，制造商开始设计他们自己风力发电机。 风电发展史第14页风力发电机设计中竞争 许多设计，包含Riisager设计部分地以古典Gedser 风力机或古典低转速多叶片美国“风能玫瑰”经验为基础，其它则革命一些，包含立轴Darrieus 风机，风机采取襟翼来进行功率调整，或将液压用于传动系统等。大部分风力机通常为5-11KW，按现在标准判断它们太小了。 风电发展史第15页Tvind 2 MW风力发电机 与小风机不一样是Tvind 2 MW风力机，它

9、是一台相当革命风机。这台机组是下风向变速风机，叶轮直径为54米，发电机为同时发电机。当前，这台风力机还在正常地运行之中。早期丹麦风力发电机与德国，美国、英国或加拿大政府资助大型风力发电机研制工程完全不一样。最终，由Gedser风力发电机 改良古典三叶片、上风向风力机设计在疯狂竞争中成为商业赢家 。风电发展史第16页RISO国家试验室 RISO国家试验室因其在风能领域中工作而广为人知。RISO国家试验室风能和大气物理部有约100名员工从事空气弹性学基础研究（也就是空气动力和结构动力之间交互作用）以及风资源评定工作。另外它还有一个独立小商业化活动，就是对风力发电机作类型判定。 RISO最初是为风机

10、判定而成立，当初丹麦政府支持了一个项目在丹麦安装风力发电机。为了确保风力发电机购置者利益，政府要求全部被支持风力发电机必须经过安全判定。严格安全规程（包含双重制动系统要求）使得风力发电机更安全可靠。 风电发展史第17页世界风力发电协会及相关机构NREL （美国可再生能源试验室）ECN （荷兰能源研究中心）AWEA（美国风能协会）EWEA（欧洲风能协会）BWEA（英国风能协会）CWEA（中国风能协会）风电发展史第18页BONUS 30kW风力发电机 BONUS 30kW风力发电机从1980年开始制造，是现在制造商早期模型代表。与丹麦大多数制造商相同，BONUS企业最初是一个农业机械制造厂。 风电

11、发展史第19页六、伟大加利佛尼亚风暴 NORTANK 55KW风力发电机 1980-1981年开发55KW风力发电机出现是当代风力发电机工业和技术上一个突破。 伴随这种风力发电机诞生，风力发电每度电成本下降了约50%。风能工业变得越来越专业了，另外对应由RISO国家试验室开发欧洲风图谱对降低度电成本也是非常主要。这张照片展示是Nortank55kW风力发电机组独特选址思维方式，这些风机安装在丹麦Ebeltoft镇一个港口码头。风电发展史第20页伟大加利福尼亚风暴 在八十年代初，数千台风力发电机被运输到美国加利福尼亚。Micon 55kW风力发电机也是其中之一，它被运到加州Palm Spring

12、s一个拥有一千多台风力机大型风电场。早5年开始制造风力机丹麦制造商比其它国家企业销售业绩更佳。在加利福尼亚有快要二分之一风机来自丹麦。 大约在1985年，在加利福尼亚支持计划终止前一夜，美国风能市场消失了。尽管看起来市场已经堀起，但从那时起只有极少许装机投运。现在德国已成为世界上最大风电市场，而且德国装机也是世界上最大。 风电发展史第21页七、当代风力机 丹麦 Avedore Holme 这张照片拍摄是Avedore风电场，距丹麦哥本哈根市只有5公里。邻近250MW火电厂，安装了12台Bonus 300kW 风力机和一台1000kW电力企业试验风力机。风电发展史第22页丹麦风电场Middelg

13、runden 丹麦现在风电总装机约MW,有约6000台风力机在运行。其中80%风力机属于个人或当地风力机合资企业。丹麦最大风电场是Middelgrunden，而且它还是当初世界上最大海上风电场，拥有20台Bonus 2MW风力机，总装机为40MW。丹麦最大陆地风电场是位于洛兰岛Syltholm风电场，拥有35台NEG Micon750kW风力机，总装机容量为26.25MW。 风电发展史第23页八、海上风电场 Vindeby Vindeby风电场位于波罗海丹麦海岸，于1991年由公用事业企业SEAS建成。风电场拥有11台Bonus450kW失速调整型风力机，风机位于洛兰岛海岸1.5至3公里以北，

14、靠近Vindeby村。 这些风力机经过修改在塔架内有足够空间放置高电压变压器，而且门位置比正常风机高一些。在以后TunoKnob项目采取了一样修改方案。另外，在现场安装了两个风速仪塔来研究风况和湍流。经过RISO国家试验室研究已经取得了一些关于海上风况结果。尽管因为洛兰岛对南部风遮敝使得产量有一些降低，但发电量比容量相同陆地风电场还是高出20%。 风电发展史第24页Tuno Knob Tuno Knob海上风电场位于丹麦海岸Kattegat海域，由Midtkraft公用事业企业建造。这张照片展示是水上浮动式起重机在从事安装工作。风电场拥有10台Vestas500kW风力发电机。 风力机依据海洋

15、环境进行了修改，每台风机上都安装了一个电动吊用来更换主要部件如发电机，而无需使用浮吊。另外，这些风机齿轮箱也进行了修改，转速比陆地风机提升了10%。这么可使电产量增加5%。风电发展史第25页海上风能未来 海上风能开发是风电一个非常有希望应用，对那些高人口密度和在陆地上极难找到适当安装地点国家尤为如此。在海上安装成本高得多，（当前近海风电投资1650欧元/kW，陆地风电投资700-1000欧元/kW）。但电量生产一样也很高。 丹麦电力企业已宣告了在年后将安装4000MW海上风电计划。4000MW装机预计每年可发电13.5TWh，相当于丹麦电力总消耗40%。风电发展史第26页风电发展史第27页风电

16、发展史第28页浮标概念基础三角架基础三角架基础桩基础重力概念基础风电发展史第29页风力发电项目成本组成 风电发展史第30页九、兆瓦级风力发电机 Nortank1500 图片上是NEG Micon1500kW风机，于1995年投入运行。此型风机最初模式是叶轮直径为60米，两台750kW发电机并联。 最新模式是1500/750kW模式（两台750KW发电机）叶轮直径为64米。 这张照片在丹麦西部靠近Esbjerg市 Tjaereborg拍摄。 风电发展史第31页Vastas 1.5MW Vastas 1.5MW风机原形于1996年问世。最初模式是63米叶轮直径，一台1500kW发电机。最新模式是6

17、8米叶轮直径一台两极发电机1650/300kW。照片上吊车正在吊装机舱。在它左侧能够看到ELSAM 2MW测试风机（混凝土塔架），还有再远一些NEG Micon 1500kW风力机。 风电发展史第32页兆瓦级风机未来 到1998年兆瓦级风机出现之前，600和750kW风机一直是主流。兆瓦级风机主要用于海上或安装地点稀少地域，因而兆瓦级风机能够开发利用更多风资源。 风电发展史第33页十、多兆瓦级风力机 NEG Micon 2MW NEG Micon 2MW风力机于1999年8月投入运行。叶轮直径为72米。在这种条件下（丹麦Hagesholm），风机塔架高度为68米。在图片背景中能够看到另两台风机

18、基础。风机将用于海上风电。外界象1500kWNEG Micon这么风机如此之多，致使你不得不经过观察风机停顿状态（叶片侧风）来区分：2MW风机叶片是桨矩调整，因为风机是主动失速控制，而1500kW风机是被动失速控制。 风电发展史第34页Bonus 2MW Bonus 2MW于1998年秋投入运行。叶轮直径为72米。在这种情况下（德国威廉港），塔架为60米。风机主要为海上风电场而设计，为混合失速控制（Bonus商标上称其为主动失速）。类似风机有Bonus 1MW 和1.3MW风机。 风电发展史第35页Nordex 2.5MW Nordex 2.5MW风机于年春投入运行。叶轮直径为80米。 图片中

19、风机位于德国Grevenbroich，塔架高度为80米。风机为桨矩控制。现在是世界上最大商业化风力发电机。 风电发展史第36页GE 3.6MW风电发展史第37页Vestas 4.5MW叶轮直径 120米风电发展史第38页Repower 5MW 额定功率 叶轮直径 轮毂高度 功率控制 叶轮转速 5 MW 126,0 m 100120 m 陆地 电动变桨 6,912,1 1/min 90100 m 近海风电发展史第39页丹麦技术水平轴上风向三叶片气动叶尖刹车失速调整固定转速 双绕阻感应型发电机十一、风力发电技术发展现实状况风电发展史第40页恒速a) 失速调整b) 桨矩调整变速a) 双馈异步电机，带

20、齿箱b) 直驱同时电机，无齿箱风力发电机类型风电发展史第41页风电发展史第42页风电发展史第43页风电发展史第44页风电发展史第45页风电发展史第46页风电发展史第47页风电发展史第48页恒速风力机优点1. 设计简单 造价低2. 愈加可靠，停机时间短3. 维护量少4. 直接并网缺点1. 气动效率低2. 给电网造成电网波动3. 从电网吸收无功功率风电发展史第49页恒速风力机工作示意图GEAR BOXGENSOFT STARTSTEP UP TRANSFORERNET WORK PFC风电发展史第50页变速风力机优点1. 气动效率高2. 机械应力小3. 功率波动小4. 成本效率高5. 支撑结构轻缺

21、点1. 功率对电压降敏感2. 造价高3. 维护量高风电发展史第51页变速风力机工作示意图GEAR BOXGENINVERTERD.C CONVERTERD.C BUSACSTEP UP TRANSFORERNET WORK风电发展史第52页风电发展史第53页变速风力机双馈感应发电机优点1. 发电机使用相当标准2. 变流器廉价，只有1/3功率经过。缺点1. 维护量依然比较多2. 齿轮箱存在潜在不可靠性 直驱同时发电机优点1. 省去了齿轮箱2.不会吸收电网无功缺点 需要大型变流器，因为全部功率都要经过风电发展史第54页风电发展史第55页frequency converterDCgenerator

22、sideconverterline sideconverterwind turbine controlbrakepitch driverotor bearingsynchronousgenerator converter control10.24 kV, f = 50 Hz line coupling transformermain circuitbreakermedium voltageswitchgear永磁无齿箱直接驱动发电机风电发展史第56页风电发展史第57页恒速Bonus (1.0 MW)NEG Micon (600 kW-1.5 MW)Nordex (600 kW-1.3 MW)G

23、E (600 kW)Repower (750 kW)Suzlon (1MW-1.25 MW)变速直驱同时发电机Enercon (300 kW-4.5 MW)Lagerway (750 kW - 2 MW)Vensys (1.2 MW)发电机类型举例 变速双馈异步电机 GE (900 kW, 1.5 MW & 3.6 MW) Dewind (600 kW-2MW) NEG Micon (2.75 MW-4.5 MW) Nordex (1.5 MW 2.5 MW) RE Power (1.5 MW - 2MW) Vestas (850 kW-3 MW)风电发展史第58页双绕阻发电机发电机绕阻提供两

24、种容量如：600/125kW,1250/250 kW, 两极 如： 4/6级, 6/8级两种转速 如：1500/1000 rpm优点气动效率稍高发电机效率稍高风电发展史第59页发电机特征极数转速23000415006100087501060020300100602003040015发电机转速 = 频率 (50 Hz) x 极对数风电发展史第60页降低机组重量 结构紧凑型驱动链 轻型叶片 结构紧凑型齿轮箱优化滑差永磁发电机未来技术发展趋势风电发展史第61页总机头重量S.No.企业容量(MW)叶轮直径(M)机头总重量 (吨)1.Enercon4.51125002.RE Power5.0126.53

25、503.Pfleiderer5.01162904.NEG Micon4.21102145.Vestas3.090104低机头总重量 降低造价 降低安装成本 对系统受力有利风电发展史第62页紧凑型驱动链轮毂直接与轴承相连如: Vensys2.5 MW VestasV90-3MW轮毂直接安装在单级齿箱行星齿轮上如： multibrid, Pfleiderer 5MW风电发展史第63页大型风力机和叶片年份容量叶片长度1995600 kW22 m19992 MW34 m3.6 MW GE50 m4.5 MW Enercon52 m5.0 MW Repower, 5.0 MW Pfleiderer61.

26、5 m叶片占总重量10至14% 占总成本15 至 20%不停降低叶片重量和成本:1. 优化气动设计 2. 材料最小设计，细叶片 3. 对叶根挠度受力和振动降低到最小化 4. 使用更轻强度更大材料使用碳纤维是一个处理方案，但它成本是玻璃纤维10倍探索使用木环氧和凯夫拉尔纤维风电发展史第64页齿轮箱设计趋势齿轮箱技术水平是两级行星齿加一级平行齿如: Vestas V90, 3MWNEG-Micon NM 110/4200, 4.2 MWRePower, 5MWGE Wind, 104 m 叶轮直径, 3.5 MW风电发展史第65页其它概念Multibrid5 MW 德国Pfleiderer 风机(叶轮转速 7 to 15 rpm)a. 带齿箱发电机转速 1500 rpm(4极), 齿轮传动比约100 。如： REPower 5 MWb. 无齿箱发电机极数为400， Enercon 4.5 MWMultibrid 概念:1. 单级行星齿轮箱 1:10 转速比2. 中速发电机 (最大150 rpm 40 极) 3. 机头总重 290 T风电发展史第66页frequency convertersynchronous generator (speed typically 120.450 rpm)integratedgearbrakep