风力发电系统原理

第六章风力发电系统工作原理新疆是中国风力资源最丰富的地区之一，每年风蕴藏量为9127亿千瓦，仅次于内蒙古。新疆正在利用风力资源发电，风力发电将成为新疆未来重要的替代能源。位于中国西北边陲的新疆维吾尔自治区达坂城风力发电厂。乌鲁木齐风力发电站目前,新疆风能装机总容量已超过１０万千瓦，占全国三分之一以上。被称为“绿色能源”的风力发电在新疆电力工业优化资源配置、改善电源结构、减轻城市污染等方面展示出广阔的前景。图为德国的一座风力发电场，它位于法国TOTAL炼油厂烟囱前，两者均在来比锡，形成鲜明的反常。核电站内景可燃冰就是天然气水合物，是一种由天然气和水在低温、高压下形成的冰状白色固体物质。其外观像冰，而且其中含有大量甲烷或其他碳氢气体，极易燃烧，因此被科学家称为“易燃冰”或“可燃冰”。天然气水合物燃烧产生的能量比同等条件下的煤、石油、天然气产生的能量多得多，而且在燃烧以后几乎不产生任何残渣或废弃物，污染比煤、石油、天然气等要小得多。视频播放风是没有公害的能源之一。而且它取之不尽，用之不竭。对于缺水、缺燃料和交通不便的沿海岛屿、草原牧区、山区和高原地带，因地制宜地利用风力发电，非常适合，大有可为。地球上可用来发电的风力资源约有100亿千瓦，几乎是现在全世界水力发电量的10倍。目前全世界每年燃烧煤所获得的能量，只有风力在一年内所提供能量的三分之一。

怎样利用风力来发电呢?把风的动能转变成机械能，再把机械能转化为电能，这就是风力发电。风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。

风电发电的特点可归纳为下面六点：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。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/（kWh），持续下降到5美分/（kWh），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.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％。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。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。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。四、主要风力发电国家发展现状德国装机容量到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％。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％。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。二、我国风电场介绍广东省南澳风电场已安装风力机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。中国风电场分布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（视频）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。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：风能：空气运动产生的动能称为“风能”。风能密度：单位时间内通过单位截面积的风能。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，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。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。世界风能资源评估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。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。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)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。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。电能在现代社会中的广泛来源：发电机干电池蓄电池太阳能电池纽扣电池电池电能风力水力化学能太阳能核能还有潮汐发电，地热发电等电能在现代社会中的来源及应用：电灯——热和光电视机-光能、声能电风扇-动能洗衣机——动能电脑—光能、声能电冰箱——冷热变化发电机干电池蓄电池太阳能电池纽扣电池电池电能风力水力火力核能太阳能应用来源离网型风力发电系统1系统的基本组成离网型风力发电系统的主要组成由以下7部分组成。（1）风力发电机组（简称风力机组）。包含两部分：一是风力机，它的功能是将风能转换为机械能；二是发电机，它的功能好是将机械能转换为电能。（2）耗能负载（3）蓄电池组（4）控制器（5）逆变器（6）直流负载（7）交流负载离网型风力的优缺点1.优点（1）无需燃料费用（2）初投资低、发电成本低（3）耐用（4）扩容灵活（5）安全（6）自主供电（7）非集中电网2.缺点（1）需要储能设备（2）需要定期维护、检修（3）系统效率较低（4）需要技术培训风电系统图风力机结构图风力发电机的原理是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。风力发电机一般有风轮、发电机（包括装置）、调向器（尾翼）、塔架、限速安全机构和储能装置等构件组成.

视频风力发电机组的宣传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。（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)。视频人教资源2（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。(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。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当风速大于最大运行速度(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。水平轴中大风力发电机组基本结构四、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。现代风力发电机采用空气动力学原理，就像飞机的机翼一样。风并非“推”动风轮叶片，而是吹过叶片形成叶片正反面的压差，这种压差会产生升力，令风轮旋转。风力发电机的风轮并不能提取风的所有功率。根据Betz定律，理论上风电机能够提取的最大功率，是风的功率的59.3%。大多数风电机只能提取风的功率的40%或者更少。风力发电机主要包含三部分∶风轮、机舱和塔杆。大型与电网连接的风力发电机的最常见的结构，是横轴式三叶片风轮，并安装在直立管状塔杆上。风轮叶片由复合材料制造。不像小型风力发电机，大型风电机的风轮转动相当慢。比较简单的风力发电机是采用固定速度的。通常采用两个不同的速度在弱风下用低速和在强风下用高速。这些定速风电机的感应式异步/同步发电机能够直接产生电网频率的交流电。比较新型的设计一般是可变速的（比如Vestas公司的V52-850千瓦风电机转速为每分钟14转到每分钟31.4转）。利用可变速操作，风轮的空气动力效率可以得到改善，从而提取更多的能量，而且在弱风情况下噪音更低。因此，变速的风电机设计比起定速风电机，越来越受欢迎。机舱上安装的感测器探测风向，透过转向机械装置令机舱和风轮自动转向，面向来风。风轮的旋转运动通过齿轮变速箱传送到机舱内的发电机（如果没有齿轮变速箱则直接传