风力发电知识入门

风力发电知识入门目录1.风和风能2.风力资源3.风能转换基本原理4.风力机的种类5.风力发电机组6.国际风电市场现状7.我国的风能发展现状1风和风能1.1风的特性1.2风能和风能密度1.3风速等级表1.4风向和风频1.5风速频率1.6风的测量1.1风的特性风的方向不定、大小多变风速随高度的变化而变化

风随季节的变化而变化风随日夜的变化而变化风随地形的变化而变化。（风特性参数）1.2风能和风能密度•风能：空气运动的动能称为“风能”,风能的计算公式为：

E＝0.5ρsV3

式中:E－风能（W）

ρ－空气密度（kg/m3）

S－气流截面积（m2)V－风速（m/s)•

风能密度：单位时间内通过单位面积的风能

W＝0.5ρV3•有效风能密度：指风机可利用的风速范围内的风能密度（对应的风速范围大约是3～25m/s)

风力等级风速（m/s）风力等级

风速（m/s）00.0～0.2920.8～24.410.3～1.51024.5～28.421.6～3.31128.5～32.633.4～5.41232.7～36.945.5～7.91337.0～41.458.0～10.71441.5～46.1610.8～13.81546.2～50.9713.9～17.11651.0～56.0817.2～20.71756.1～61.21.3风速等级表1.4风向和风频通常把风吹来的地平方向定为风的方向，在陆地上一般用16个方位来表示不同的风向。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次数的百分比。

风向方位图风向玫瑰图

风速频率是指一定时间内某风速时数占各风速出现总时数的百分比。利用风速频率分布可以计算出某一地区单位面积上全年的风能。1.5

风速频率风速频率分布曲线

初步选定风电场之后，要进行1～2年的测风。测风的主要目的是正确估计该地区可利用风能的大小,为装备风力机提供风能依据。风的测量主要包括风向测量和风速测量两项.

测风高度一般为10m、30m、50m、70m。从测量数据中整理出每分钟（或每小时）的平均风速和最多风向，并选取日最大风速（10min平均）和极大风速（瞬时）以及对应的风向和出现的时间。对影响风机出力和安全其它气象数据（如气温、气压、湿度、太阳辐射、雨、冰雹、冰雪）以及特殊气象情况（如台风、雷电、沙暴、盐雾、冰冻期等）有测量和统计。1.6风的测量2.风力资源

太阳辐射到地球的热能中有约2％被转变成风能，全球大气中总的风能量约为1014MW（10亿亿千瓦）。其中可被开发利用的风能理论值约有3.5×109MW（3.5万亿千瓦），比世界上可利用的水能大10倍。·

陆上约有2.53亿千瓦

(年电量5000亿千瓦时)·

海上约有7.5亿千瓦·

合计约10亿千瓦

据中国气象科学院预测，我国经济可开发风能资源为：2.1中国风力资源

2.1.1我国陆上风能分布图2.1.2我国近海风力资源2.1.3我国各省区风能经济可开发储量省区风能储量省区风能储量省区风能储量内蒙6,177.5山东393.6湖北192.7西藏3,993.0山西387.1广西168.1新疆3,433.0河南367.5浙江163.5青海2,421.4云南366.6宁夏148.4黑龙江1,722.8江西292.9福建137.2甘肃1,143.0安徽250.5贵州100.6吉林637.5湖南246.5台湾104.8河北611.9江苏237.6海南64.0辽宁605.8陕西234.2四川435.8广东195.0全国合计25,300.0单位：万千瓦

如果将一块薄板放在气流中，则在沿气流方向将产生一正面阻力FD和一垂直于气流方向的升力FL，其值分别由下式确定：

FD=0.5CdρSV2FL=0.5CLρSV2

式中：CD－阻力系数

CL－升力系数

S－薄板的面积

ρ－空气的密度

V

－气流速度如果把薄片当作叶片，将其装在轮毂上组成风轮，那么风的作用力就会使风轮转动。由作用于叶片上的阻力FD而使其转动的风轮，称为阻力型风轮；而由升力FL而使其转动的风轮，称为升力型风轮。

现代风力机绝大多数采用升力型风轮。3

风能转换基本原理升力型风轮旋转中心线阻力型风轮旋转中心线4风力机的发展历程及种类（1）风能的利用及

发展历程

古代风车－－－磨碎粮食和提水帆船－－－利用风力提供航行动力13世纪起，水平轴风车在农村的运用和作用近代廉价化石能源的发现与使用以及农村电气化的实现，导致风车逐渐退出了历史舞台。图片分割线——————————————————————直到1973年的石油价格上涨导致西方国家出现的“石油危机”，在此之前的风力机多是科学试验形式的，在此之后，政府开始资助一系列重大项目的发展和研究，并开始建造一系列示范风力发电机组。自此，风力发电的理论和技术开始逐步完善和发展，然而在一段时期以内，叶片数目的选择仍然不明确，单叶片、双叶片以及三叶片的大型风力发电机组始终处于并存状态。

4风力机的发展历程及种类（2）风力机的分类根据不同的分类方法风力机可分为：

•按风轮轴线的方向可分为水平轴式和垂直轴式

•按风轮的位置可分为上风式和下风式

•按叶片的数目可分为单片式、双片式、三片式、四片式和多片式

•按叶片的型式分为螺旋桨型、H型、S型和达里厄型等

•按风能转换的原理可分为升力型和阻力型。风力发电所采用的风力机，水平轴式升力型的占绝大多数，达98％以上。4.1水平轴风力机

风轮轴基本上平行于风向的风力机称为水平轴风力机，它一般由风轮、增速器、偏航装置、发电机等组成，大中型的风力机还有自动控制系统，兆瓦级机组还普遍采用变桨距技术。部分先进的大功率风力机还采用变速衡频发电技术。水平轴风力机的形式如左图所示：水平轴风力机

风轮轴垂直的风力机称为垂直轴风机。这类风力透平的形式也很多，如S型、H型、Ф

型等。虽然目前还没有大量商品化，但它有许多特点，如不需要塔架、发电机可安装在地面上、维修方便及叶片制造方便等。4.2垂直轴风力机垂直轴风力机

风力发电机组是将风能转换为电能的机械、电气及其控制设备的组合、通常包括风轮、变速器、发电机及控制器等。风力发电机组的单机容量范围在几十千瓦～几兆瓦。发电机齿轮箱轮毂偏航驱动

偏航轴承主轴轴承制动器

机舱罩轮毂罩5.风力发电机组5.1风力发电机组的等级

风力发电机组的等级取决于风速和湍流参数，风力发电机组等级的基本参数见表：(源于GB18451.1－2001等同于IEC61400-11999）WTGS等级ⅠⅡⅢⅣSVref(m/s)5042.537.530由设计者规定各参数Vave(m/s)108.57.56AI15(-)a(-)0.180.180.180.182222BI15(-)a(-)0.160.160.160.163333表中：（各参数适用于轮毂高）

A－表示较高的湍流特性级I15－湍流强度15m/s时特性值

B－表示较低的湍流特性级a–

斜度参数（more)5.2

风力发电机组容量的发展历程5.3风能利用系数Cp

风能利用系数的物理意义是风力机的风轮能够从自然风能中吸取能量与风轮扫过面积内气流所具风能的百分比。风能利用系数Cp可用下式表示：

Cp=P/0.5ρSV3

P—风力机实际获得的轴功率（W）

ρ—空气密度（kg/m3）

S—风轮旋扫面积（m2）

V—上游风速（m/s）

(贝茨理论)5.4

叶尖速比λ

为了表示风轮运行速度的快慢常用叶片的叶尖圆周速度与来流的风速之比来描述，称为叶尖速比λ

λ=2πrn/V（=ωr/V）

式中n－风轮的转速（1/s）

r－叶尖的半径（m）

V－上游风速（m/s）

ω－风轮旋转角速度（rad/s）

叶尖速比的变化会改变气流进入叶片的攻角，对风力机效率的影响很明显。

(Moreinformation)

5.5风力发电机组常用术语1.切入风速9.垂直轴风力机2.额定风速10.轮毂3.切出风速11.机舱4.极端风速12.偏航5.额定功率13.锁定6.下风向14.桨距角7.上风向15.扫掠面积8.水平轴风力机16.轮毂高度（详细）1.定桨距风力发电机组叶片桨角固定的风力发电机组称为定桨距风力发电机组。结构简单、容量从数十千瓦到兆瓦级、性能可靠,但效率较低。2.变桨距风力发电机组叶片桨角在一定范围（一般0o～90o)内变化的风力发电机组称为变桨距风力发电机组。效率较高。兆瓦级及以上机组多采用此类机组。5.6定浆距和变桨距风力发电机组1.定桨距机组：失速控制叶尖干扰器控制采用双速发电机2.变桨距机组：变桨控制低于额定风速时通过变桨提高效率，高于额定风速时通过变桨限制功率。5.6.1定桨距和变桨距风力发电机组

功率控制方法5.6.2变桨控制的优点风速低于额定风速时，可通过改变叶片桨角提高风机效率。2.风速高于额定风速时，可通过改变叶片桨角限制风机功率，使其在额定功率下运行。3.停机时使叶片处于顺桨状态，以保护叶片和设备的安全。4.可使风机年平均发电量增加10％以上。（比较）液压驱动电力驱动5.6.3变桨驱动方式（详细）5.7定速运行和变速运行定速运行机组的运行转速恒定，结构简单，造价较低。但效率较低。变速运行机组的运行转速随风速的变化而变化，采用变速运行－恒频输出技术，效率较高。但结构较复杂，造价较高。用于兆瓦级以上机组，其性价比优于定速运行机组。1.系统效率高变转速运行可以使风力机以最佳叶尖速比运行,提高了风力机的运行效率,与变桨恒速运行机组相比,年发电量可提高10%以上。2.能提高供电品质阵风时风轮转速增加，把风能余量存储在风轮转动的动能中，随后通过对叶片桨距的调节使其缓慢减速，将风轮动能缓慢释放出来变为电能输送给电网，可减少对电网的冲击。3.使桨角调节简单化。低于额定风速时,桨角固定；高风速时,调节桨角限制输出功率。4.环保效果好低风速时,风轮处于低转速运行状态,使噪声降低。也不易引起视觉疲劳。

5.7.1变速运行的优点(moreinformation)鼠笼转子异步发电机＋全功率变频器。(b)绕线转子异步发电机+外接可变转子电阻。调节发电机的转差率，实现变速运行衡频输出。(c)双馈异步发电机＋部分功率变频器。(d)永磁同步发电机（直驱式）＋全功率变频器5.7.2变速恒频技术（more）5.7.3双馈异步发电机系统

双馈发电技术是先进的变速衡频发电技术，采用三相交流励磁，通过变频器改变励磁电流的频率来调整输出电力的频率，实现变速运行、衡频输出，要求控制精度高，控制计算较复杂。（more）5.8

驱动链形式有齿轮箱直驱式（无齿轮箱）半直驱式（有一级齿轮箱）（详细）5.9风力发电机组样机测试

风力发电机组新的机型通常需要通过船级社的认证，现场测试是其中的一个重要环节。风力发电机组现场测试的内容包括功率性能（功率曲线）测试和机械载荷测试两项。风机测试按照下列标准进行：

IEC61400－风力发电机组

-part12:风力发电机组功率性能测试

-part13:机械载荷测试

（详细）5.10.1风力发电场的选址5.10.2风力发电场机组的排布5.10.3风力发电场的容量系数5.10.4风力发电机组的安装和调试5.10风力发电场风电场场址选择要求很严格，主要依据是：该地区的年平均风速在6m/s以上，且盛行风向稳定。在预选场址内进行1年以上的测风，获取风速、风向及风速沿高度的变化等数据。对影响风机出力和安全其它气象数据（如气温、气压、湿度、太阳辐射、雨、冰雹、冰雪）以及特殊气象情况（如台风、雷电、沙暴、盐雾、冰冻期等）有测量和统计。地区内的地形、地貌、障碍物有详细资料。距公路和电力网应较近，以便降低设备运输成本和接入电网的工程费用。6.场址应距居民点有一定的距离，以避免噪音的影响。5.10.1风力发电场的选址5.10.2风力发电场机组的排布

风电场的排布主要考虑地形、地貌以及风电机组之间尾流的影响，以获得最大的发电量。由于受尾流影响，行距≤10倍风轮直径的风电场配置中应考虑通过风轮后尾流的相互作用对风力机的相互影响。考虑整个风场风能的利用率，在主风向非常明显的地区，机组排列可以与主导风向垂直，平行交错布置，行距一般为风轮直径的5～9倍，列距一般为风轮直径的3～5倍。在主风向不明显的地区采用田字形排列，其行距和列距通常都取10～12倍风轮直径或更大。由于风电场的地形、地貌以及障碍物等因素的影响，实际风电场的微观选址较为复杂，需要在专用计算机软件帮助下，求得最佳的排布方案。（图片）

风电场容量系数是衡量发电场经济效益的重要指标，计算方法是：

容量系数（Cf)

＝整个风电场的容量系数为各台风力发电机组容量系数的平均值，一般应在0.25以上。即风力发电机组全年的发电量折算成满负荷运行时数至少应在2000小时以上。5.10.3风力发电场的容量系数

风力发电机组安装工作量较小，单机安装调试仅需约一周，主要工作包括部件吊装、内部线路连接和机组系统调试几个部分。其最大难度在吊装。风力发电机组主要由塔架、机舱和风轮三大部分组成，安装方式主要采用大吨位吊车完成塔架的竖立、机舱吊装、风轮的对接等工作。（Morepicture）（DV）5.10.4风力发电机组的安装和调试风电技术现状及发展趋势国际风电市场继续高速增长近海风电进入商业化阶段6.国际风电市场现状风力发电技术主要分为风能资源评估与预测、风力发电装备制造技术、风电机组测试、近海风电技术、风电对公共电网的影响、电网建设等。风电机组的技术沿着增大单机容量、采用新技术、减轻单位千瓦重量、提高转换效率、降低成本的方向发展。目前最大的风电机组是由德国Repower公司生产的，容量为5MW，叶轮直径达126m，扫掠面积达到12000m2,轮毂高度为120m。预计2010年开发出10MW的风电机组。提高风力发电机组的单机容量，是世界风电发展的趋势，兆瓦级机组的市场份额1997年以前还不到10%，2001年则超过一半，2003年达到71.4%。6.1国际风电技术现状及发展趋势6.2国际风电市场继续高速增长2004年新增装机容量约832万千瓦，1996年到2004年八年的平均增长率约为30%。2004年底全球累计装机容量达到4762万千瓦，现在已超过5000万千瓦，风电电量已经占到世界总电量的0.5%。海上风电进展较缓慢，还有一些技术问题需要解决，成本较高。德国和丹麦市场萎缩，美国市场爆炸，风电机组零部件供不应求，价格上扬，对国内的影响是目前外商顾不上中国市场，有利于国内企业发展。估计2007年以后美国市场将下滑，国内企业若仍没有跟上来，则要受到挤压。排名2004年2005年2006年1德国1662.8德国1842.8德国2062.02西班牙826.3西班牙