风能发电技术介绍

风力发电技术讲座动力工程系宋长华副教授专题讲座1风电的优越性可归纳为下面六点：风能是一种无污染的可再生能源，它取之不尽，用之不竭，且没有常规能源（如煤电，油电）与核电会造成环境污染的问题。风电技术日趋成熟（可再生能源利用中），产品质量可靠，可用率已达95%以上，已是一种安全可靠的能源。风力发电的经济性日益提高，发电成本已接近煤电，低于油电与核电，若计及煤电的环境保护与交通运输的间接投资，则风电经济性将优于煤电。风力发电场建设工期短，单台机组安装仅需几周，从土建、安装到投产，只需半年至一年时间，是煤电、核电无可比拟的。投资规模灵活，有多少钱装多少机。在发电方式上还有多样化的特点，既可联网运行，也可和柴油发电机等级成互补系统或独立运行，这对于解决边远无电地区的用电问题提供了现实可能性。2一风力发电现状一、风力发电发展简史起源：世界上第1台用于发电的风力机于1891年在丹麦建成。发展：风电技术经过20年的开发日臻成熟，商业化机组的单机容量从55kW增加到1650kW，风电成本从20美分/（kW·h），持续下降到5美分/（kW·h），运行可靠性和发电成本接近常规火电，迅速发展成为初具规模的新兴产业。目前风力机之最为美国CE公司的“超级风力机”，单机功率为7.3MW，风车直径为112m.3世界风电现状全球风力发电能力在2007年又增长24％，达到5910万千瓦，比10年前的不足500万千瓦增长了12倍。风能是世界上增长最快的能源，过去10年间年平均增长率为29％。与之形成反差的是，同一期间每年煤电增长2.5％，核电增长1.8％，天然气发电增长2.5％，油发电增长1.7％。德国是风力发电装机容量最大的国家，风力发电量1840万千瓦，其电力的6％来自风电。西班牙位居第二，风电容量超过1000万千瓦，其电力的8％来自风电。丹麦的风电容量为310万千瓦，位居世界第五，可以满足其电力需求的20％，是世界上风电份额最大的国家。丹麦的海上风电装置居世界领先地位，现有的装机容量为40万千瓦。全球范围内，2006年年底之前海上风电装机容量将超过90万千瓦，全部在欧洲。。世界能源委员会预计，全世界到2020年风力发电装机容量可达18亿—47亿kw。按照国外经济发达国家风电占国家电网总量的10％计算，我国可开发风电容量将达到0.253亿千瓦，每年可发电506亿千瓦小时。中国风电规模居世界第五位。按当前的发展速度，预计今年风力发电装机可以达到1000万千瓦，2010年有望达到2000万千瓦，届时，中国将成为世界最大的风力发展国家。4世界风电发展预测世界风电在加速发展，装机容量每年以近30％的速度递增。按照德国风电发展计划，到2010年，风电电量将占总发电量的12.5％；到2050年，将占到50％。丹麦的风电电量2003年占全国总发电量的18％，规划到2030年，风电将占总发电量的50％。西班牙、英国和法国也加快了风电的发展。5三、我国风电现状2007年全球新增风力发电装机容量为20,073MW，增长32.1，美国(5,244MW)、西班牙(3,522MW)及中国(3,449MW)位居前三名，2007年全球累计风力发电装机容量为94,112MW，增长26.8，超出GWEC之前预估的22.6，其中中国07年累计的风力发电装置容量已达6,050MW（605万千瓦），挤下丹麦成为世界第五位风力发电国，中国07年风力发电总装置容量及新增装置容量增幅分别高达132.3及156，增长幅度同居世界第一位，到2010年，风力发电总装机容量达到1000万千瓦6我国风电现状2007年中国除省外新增风电机组3144台，装机容量328.7万kW。与2006年当年新增装机133.7万kW相比，2007年当年新增装机增长率为145.8%。2007年中国除台湾省外累计风电机组6458台，装机容量589.0万kW，风电场158个。分布在22个省（市、区、特别行政区），比前一年增加了北京、天津、山西、河南、湖北、湖南等六个省市。与2006年累计装机259.9万kW相比，2007年累计装机增长率为126.6%。2007年风电上网电量估计约52亿kW•h。7我国风电造价从统计数据看，全国风电上网电价比常规水电和火电厂高出许多，新疆常规火电上网平均电价在0.25元/千瓦时左右，而风电则平均达到0.6元/千瓦时以上。而风电利用小时数约在2000至3000小时左右，仅为火电的一半。另外，虽然风电单位千瓦平均造价已从10000元降到8000元左右，但仍远高于火电的4000元/千瓦造价，建设一座装机10万千瓦的风电场，约需8亿元以上，而建设同样规模的火电厂约为4至5亿元。

8四、主要风力发电国家发展现状(1)德国：装机容量到1994年末就达64．3万kw，到1997年未达200万kw以上，超过美国成为世界第一风电大国；仅在1999年1年就新增156．8万kw，使风电总装机达到444．5万kw，发电量占全国的4．5％。到2001年底，总装机容量达到873万kw，占世界风力发电总装机容量的35％。德国政府计划，到2010年要使新能源占总装机容量的10％，2050年时达到50％。9(2)美国到1994年容量就达到363万kw，占当年世界风电总容量的53％，使美国在1997年前一直成为雄居世界第一的风电大国。到2001年底，美国风电总装机为425万kw，居世界第2位。近两年美国又开始重视风力发电的发展，加大支持力度，将旧机更新换代，并制定了雄心勃勃的技术研究发展计划，最终日标是要将风电电价降到2.5美分/wh。目前联邦政府规定，可再生能源每发1kwh电可减1．5美分的税。1998年6月，议会提出“可再生能源有价证券法规”(RP5)，规定新能源必须在电力发电来源中占有一定比例，使得风力发电在总发电量中所占比重有可能从1998乍的2％提高到2010年的5.5％。10(3)丹麦丹麦是世界上最大的风力发电机组生产国，产量占世界60％以上。在其出口产业中占第二位。1999年丹麦风电总装机达174万kW，其发电量巳占全国总量的10％：2030年将达550万kw，发电量将占全国近50％，其中海上风电场装机将达400万kw。丹麦政府计划，未来新能源(主要是风电和生物质能)将提供75％以上的能源供应，燃煤发电将逐渐淘汰。11二、我国风电场介绍（图1、图2、图3）1、广东省南澳风电场（图）已安装风力机132台,总装机容量达5.7万千瓦,年发电量达1.4亿千瓦时,成为亚洲海岛最大的风力发电场，目前，总装机容量达7.55万千瓦的两个大型风电项目正在建设中，投资22亿多元的3个海上风电场项目已投入前期工作。南澳地处台湾海峡西南端喇叭口，风力资源丰富，风电场年平均风速达8.54米/秒，年有效风速时数超过7000小时，有效风能密度达1011瓦/平方米，风况属世界最佳之列，是我国少有的可以大规模开发风力发电场的地域之一。介绍12中国风电场分布132、达坂城风电场新疆天风发电股份有限公司成立于2003年，由三家风力发电企业（新疆天风发电股份有限公司，新疆达坂城风力发电有限责任公司，新疆风力发电厂）重组而成，由国电龙源集团控股。至2006底，公司有风力机组253台，其中国产机组40台，国外机组主要是从荷兰、丹麦等进口。装机总容量150MW，是中国最大的风力发电企业。单机容量有300、500、600、750KW，塔高为30、35、40、50，65米不等，最高年发电量为1.65亿千瓦时，单位千瓦造价平均约为9300元/千瓦。14达坂城风电场公司所处的达坂城地区，位于天山中部的一个山区盆地中，该盆地在中天山和东天山之间的谷地，海拔高度在1100-1200米之间，西北起于乌鲁木齐南郊，东南至达坂城山口，东西长约80公里，南北宽约15-20公里，是新疆南北疆的气流通道，常年盛行东南风和西北风，年均风速大于8米/秒，年有效风速大于7500小时，30米高度年平均风速约8.2m/s，可安装风力发电机的面积在1000平方公里以上，年风能蕴藏量250亿千瓦·时，可装机容量为2000MW以上，属于新疆九大风区中面积最小但开发条件最好的一个风区。153、辉腾锡勒风电场辉腾锡勒风电场是1995年成立的风电企业。场址位于内蒙中旗，海拔2010～2131m，风速7.4～8.2m/s。规划容量120万千瓦，年发电量33亿千瓦时。现装机72台，总容量42700kW。股东：龙源电力集团公司(50%)介绍16重庆风电武隆四眼坪风力发电场建设部正式与武隆供电公司签订施工用电合同，我市首座风力发电场建设正式启动开建。该发电场规划场区面积约6.6平方公里，高程约1460～1663米。工程估算总投资5.3亿元，电站总装机容量49.3兆瓦，单机容量850千瓦，共装机58台。建成后，平均每年可以向重庆提供约0.9亿度电量。四眼坪风力发电场位于武隆县和顺乡弹子山上，风电场风功率密度等级达到3级标准，在内陆省份是不可多得的理想风场。作为重庆市第一座风力发电场，武隆四眼坪风力发电机组预计2009年建成并网发电。我市还将在巫溪、巫山、奉节、云阳选址，建设首批8座风力发电场，利用山区风率频繁的特点，进行风力发电。8座风电场将在5年内全部建成，产生的电能将纳入全国电网。17世界风力发电发展趁势

风力发电技术目前还在不断发展，主要体现在单机容量不断增大上。目前主流风力发电机组的功率，己上升到600—750kw，Mw级的机组也已成批生产，2Mw级的机组己在试验生产。风力发电场未来的发展趋向将集中在：（1）提高机群安装场地选择的准确性；（2）改进机群布局的合理件；（3）提高运行的可靠性、稳定性，实现运行的最佳控制；（4）进一步降低设备投资及发电成本；（5）总装机容量在1MW以上的风力发电场将占据主导地位，风力发电场内的风力发电机组单机容量将主要是百千瓦以上至兆瓦级的。18我国“十五”期间风力发电的发展目标

“十五”期间，我国计划新增风电容量119.2万千瓦。其中达坂城及阿拉山口地区新增9.87万千瓦，内蒙古辉腾锡勒及赤峰地区新增13.85万千瓦，吉林通榆地区新增9.28万千瓦，黑龙江富锦及木兰地区新增6.18万千瓦，河北张北、黄骅及承德地区新增9.18万千瓦，江苏如东和启东地区新增9万千瓦，辽宁营口、大连、沈阳等地新增9.76万千瓦，广东南澳、惠来和湛江等地新增9.04万千瓦，上海崇明和南汇等地新增8万千瓦，其余省份“十五”期间合计新增35.04万千瓦。

“十五”期间，风力发电发展重点是：一是新建设10万千瓦风电场约3－5座（包括海上风电场），并取得规模效益；二是鼓励有风能资源但还未建设一座风电场地区的电力企业或非电力企业开发风电项目，尤其在经济发达地区，风电上网电价也较容易分摊，更需加快速度开发风电，为今后电源建设中风力发电占一定比例的配额制打好基础。19三、风与风力资源一、风的产生与特性产生：风是地球外表大气层由于太阳的热辐射而引起的空气流动；大气压差是风产生的根本原因。特性：周期性、多样性、复杂性20风的能量与测量1、产生能量的基本要素：

风具有一定的质量和速度。2、风能的一些主要特性参数：如风能、风能密度、风速与风级、风向与风频以及风的测量等。1）风能：空气运动产生的动能称为“风能”。2）风能密度：单位时间内通过单位截面积的风能。3）风速与风级：风速就是空气在单位时间内移动的距离，国际上的单位是米／秒(m/s)或千米／小时(km／h)。分13级4）风向与风频：通常把风吹来的地平方向定为风的方向，即风向。风频是指风向的频率，即在一定时间内某风向出现的次数占各风向出现总次数的百分比，5）风的测量：风的测量仪器主要有风向器、杯形风速器和三杯轻便风向风速表等。21风力资源据理论计算，太阳辐射到地球的热能中约有2％被转变成风能，全球大气中总的风能量约为1014MW，其中蕴藏的可被开发利用的风能约有3.5×109MW，这比世界上可利用的水能大10倍。（一）世界风力资源分布根据世界能源理事会的有关资料，地球表面有27％的地区年平均风速高于5m／s(距地而10m高)。如将这些地方用作风力发电场，则每km2的风力发电能力最大值可达8Mw，总装机容量可达24x1013w。据分析，实际上陆地面积中风力大于5m／s的地区，其中仅4％有可能安装风力发电机组。22世界风能资源评估23中国风力资源中国风能资源十分丰富，全国风能储量约4.83×109MW，可开发利用的风能资源总量达2.53亿kw。在中国，风能资源主要分布在新疆、内蒙古等北部地区和东部至南部沿海地带及岛屿。1、风能最佳区：(1)东南沿海、山东半岛、辽东半岛以及海上岛屿。(2)内蒙古、甘肃北部。(3)黑龙江南部、吉林东部。2、风能较佳区：(1)西藏高原中北部。（2）三北北部。(3)东南沿海(离海岸线20—50kM)3、风能可利用区：(1)两广沿海。(2)大小兴安岭山区。3)东从辽河平原向西，过华北太平原经西北到最西端，左侧绕西藏高原边缘部分，右侧从华北向南面淮讨、长江到南岭。24风能的利用按照不同的需要，风能可以被转化成其他不同形式的能量，如机械能、电能、热能等，以实现提水灌溉、发电、供热、风帆助航等功能。21世纪风能利用的主要领域是风力发电。25风电造价目前风电场造价成本约为8000～9000元/KW，机组（设备）占75%左右，基础设施占20%，其它占5%。风能利用小时数在2700～3200小时，其风电成本约0.45～0.6元/千瓦时，另外风电场运行成本费用很低，一旦建成风电场就是一源源不断的出钱机器（注：一般风电场机组寿命25年）。国家政策重点扶持发展新能源和洁净能源。据有关消息，大于1000KW风电机组进口免征进口关税；风力发电减半征收增值税，优先无条件上网，上网电价优惠等政策都有利和加快风电的发展。26水平轴风力发电机组成目前商用大型风力发电机组一般为水平轴风力发电机，它由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件所组成。风轮的作用是将风能转换为机械能，它由气动性能优异的叶片（目前商业机组一般为2—3个叶片）装在轮毂上所组成，低速转动的风轮通过传动系统由增速齿轮箱增速，将动力传递给发电机。上述这些部件都安装在机舱平面上，整个机舱由高大的搭架举起，由于风向经常变化，为了有效地利用风能，必须要有迎风装置，它根据风向传感器测得的风向信号，由控制器控制偏航电机，驱动与塔架上大齿轮咬合的小齿轮转动，使机舱始终对风。27四、风力发电设备一、组成：风力发电机组包括两大部分；一部分是风力机，由它将风能转换为机械能；另一部分是发电机，由它将机械能转换为电能。二、分类：1）根据它收集风能的结构形式及在空间的布置，可分为水平轴式或垂直轴式。2）从塔架位置上，分为上风式和下风式；3）还可以按桨叶数量，分为单叶片、双叶片、三叶片、四叶片和多叶片式。4）从桨叶和形式上分，有螺旋桨式、H型、S型等；5）按桨叶的工作原理分，则有升力型和阻力型的区别。6）以风力机的容量分，则有微型(1kW以下)、小型(1—10kW)、中型(10—100kW)和大型(100kw以上)机。281、水平轴力风机特点：风力机的风轮轴与地面呈水平状态，称水平轴风力机。组成：它一般内风轮增速器、调速器、调向装置、发电机和塔架等部件组成，大中型风力机还有自动控制系统。图应用：这种风力机的功率从几十千瓦到数兆瓦，是日前最具有灾际开发价值的风力机：类型：有传统风车、低速风力机及高速风力机等3大类型。29风力机的主要技术指标参数风轮直径，通常风力机的功率越大，直径越大；叶片数目，高速发电用风力机为2—4片，低速风力机大干4片；叶片材料，现代常采用高强度低密度的复合材料；风能利用系数，一般为0.15—0.5之间；启动风速，一般为3—5m/s;停机风速，通常为15—35m／s;输出功率，现代风力机一般为几百干瓦—几兆瓦；发电机，分为直流发电机和交流发电机；另外还有塔架高度等等。30水平轴力风机图312、垂直轴风力机特点：凡风轮转轴与地面呈垂直状态的风力机叫垂直抽风力机。形式有：如s型、H型、Ф型等。应用：虽然目前垂直轴风力机尚未大量商品化，但是它有许多特点，如不需大型塔架、发电机可安装在地面上、维修方便及叶片制造简便等，研究日趋增多，各种形式不断出现。各种形式的垂直轴风力机。32垂直轴型风力机图33五、风力发电系统及装置(一)风力发电机组的系统组成

风力发电系统是将风能转换为电能的机械、电气及共控制设备的组合。通常包括风轮、发电机、变速器(小、微容量及特殊类型的也有不包括变速器的)及有关控制器和储能装置。34（二）调向机构作用：用来调整风力机的风轮叶片旋转平而与空气流动方向相对位置的机构。因为当风轮叶片旋转平面与气流方向垂直时，也即是迎着风向时，风力机从流动的空气中获取的能量最大，因而风力机的输出功率最大，所以调向机构又称为迎风机构(国外通称偏航系统)。类型：小型水平轴风力机常用的调向机构有尾舵和尾车；风电场中并网运行的中大型风力机则采用由伺服电动机。35（三）发电机微型及容量在10kW以下的小型风力发电机组，采用永磁式或自励式交流发电机，经整流后向负载供电及向蓄电池充电；容量在l00kw以上的并网运行的风力发电机组，则应用同步发电机或异步发电机：（四）升速齿轮箱作用：是将风力机轴上的低速旋转输入转变为高速旋转输出，以便与发电机运转所需要的转速相匹配。36（五）塔架水平抽风力发电机组需要通过塔架将其置于空中，以捕捉更多的风能。类型：即由钢板制成的锥形筒状塔架和由角钢制成的桁架式塔架。（六）控制系统组成：100kw以上的中型风力发电机组及1Mw以上的大型风力发电机组皆配有由微机或可编程控制器(PLC)组成的控制系统来实现控制、自检和显示功能。37控制系统主要功能：①按预先设定的风速值(一般为3—4m／s)自动启动风力发电机组，并通过软启动装置将异步发电机并人电网。②借助各种传感器自动检测风力发电机组的运行参数及状态，包括风速、风向、风力机风轮转速、发电机转速、发电机温升、发电机输出功率、功率因数、电压、电流等以从齿轮箱轴承的油温、液压系统的油压等。③当风速大干最大运行速度(一般设定为25m／s)时实现自动停机。④故障保护。⑤通过调制解调器与电话线连接。38水平轴中大风力发电机组基本结构39六、大型并网型风力发电机组类型：目前世界上比较成熟的并网型风力发电机组多采用水平轴风力机，其形式多种多样常见的水平轴风力机类型有：①单叶片式；②双叶片式；②三叶片式；④多叶片风车式⑤车轮式多叶片风车式；⑥迎风式；⑦背风式等。基本组成：典型的大型风力发电机组通常主要由叶轮、传动系统、发电机、调向机构及控制系统等几大部分组成。40小型风力发电机图41风力发电连接电网系统图42低杨程风力提水机图43风电系统图144风力机结构图45南澳风电场46风电场147东山风电场48中国风电历年装机图49七、

风力发电运行方式分类：独立运行和并网运行两种运行方式。一、独立运行方式独立运行的风力发电机组，又称离网型风力发电机组，是把风力发电机组输出的电能经蓄电池蓄能，再供应用户使用，如需要交流电，则要加逆变器。（一）储能系统：风力发电系统采用的储能系统主要有：蓄电池储能、抽水蓄能。正在研究试验的有压缩空气储能、飞轮储能、电解水制氢储能等。50（一）风力发电特点及优势:它是一种安全可靠的发电方式，随着大型机组的技术成熟和产品商品化的进程，风力发电成本降低。风力发电不消耗资源、不污染环境，具有广阔的发展前景，建设周期一般很短，一台风机的运输安装时间不超过三个月，万千瓦级风电场建设期不到一年，而且安装一台可投产一台；装机规模灵活，可根据资金多少来确定，为筹集资金带来便利；运行简单，可完全做到无人值守；实际占地少，机组与监控、变电等建筑仅占风电场约1％的土地，其余场地仍可供农、牧、渔使用；对土地要求低，在山丘、海边、河堤、荒漠等地形条件下均可建设，在发电方式上还有多样化的特点，既可联网运行，也可和柴油发电机等级成互补系统或独立运行，这对于解决边远无电地区的用电问题提供了现实可能性。51(二)与其他发电形式的联合运行常用的方式主要有：

1风力——柴油发电联合运行

2风力——大阳能电地发电联合运行风力一光伏联合系统有两种不同的运行方式：（1）切换运行，即有风时由风力发电机组供电，有太阳光时由太阳能电池方阵供电，这种方式简单，但系统的效率较低：（2）同时运行，风力发电机组与太阳能电池方阵同时向苦电池组充电，可以充分发挥两者的效能，系统效率高。52(三)并网运行方式作用：采用风力发电机与电网连接，由电网输送电能的方式，是克服风的随机性而带来的蓄能问题的最稳妥易行的运行方式，同时可达到节约矿物燃料的目的。应用：10kw以上直至Mw级的风力发电机组皆可采用这种方式。并网运行又可分为两种不同的方式：①恒速桓频方式，即风力发电机组的转速不随风速的波动而变化，始终维持恒转速运转，从而输出恒定额定频率的交流电。这种方式目前已普遍采用，具有简单可靠的优点，但是对风能的利用不充分。②变速恒频方式，即风力发电机组的转速随风速的波动作变速运行，但仍输出恒定频率的交流电。这种方式可提高风能的利用率，但将导致必须增加实现恒频输出的电力电子设备，同时还应解决由于变速运行而在风力发电机组文撑结构上出现共振现象等问题。53八风电场一、概念风力发电场是日前世界上风力发电并网运行方式的基本形式。图1、图2、图3，在风能资源良好的地区，将几十台、几百台或几千台单机容量从数十kw、数百kw直至MW级以上的风力发电机组按一定的阵列布局方式成群安装而组成的风力发电机群体．称为风力发电场，简称风电场。风力发电场属于大规模利用风能的方式，其发出的电能全部经变电设备送往大电网。54风力发电场的选址1、考虑因素：风电场场址选择的最主要的因素是风能资源