刘喜峰毕业论文

唐山工业职业技术学院2013届毕业论文PAGEPAGE16唐山工业职业技术学院2013届毕业论文PAGE1第一章绪论1.1风能风能(windenergy)是因空气流做功而提供给人类的一种可利用的能量。空气流具有的动能称风能。空气流速越高，动能越大。人们可以用风车把风的动能转化为旋转的动作去推动发电机，以产生电力，方法是透过传动轴，将转子（由以空气动力推动的扇叶组成）的旋转动力传送至发电机。到2008年为止，全世界以风力产生的电力约有94.1百万千瓦，供应的电力已超过全世界用量的1%。风能虽然对大多数国家而言还不是主要的能源，但在1999年到2005年之间已经成长了四倍以上。有效风能密度：为了衡量一个地方风能的大小，评价一地地区的风能潜力，风能密度是直接反映风能丰欠的指标量。风能密度表述气流在单位时间垂直通过单位面积的风能。由于风速是一个随机性很大的量，通常用平均风能密度和有效风能密度来评价某地带的风能潜力。装机容量指的是一个发电厂或一个区域电网具有的汽(水)轮发电机组总容量，一般以“万千瓦”或“兆瓦”为单位，说的是它的发电能力，是功率单位。1.2发展新能源的背景目前，生活于地球这颗行星上的人数已超过60亿，到本世纪中期，大有达到百亿之势，维持人类日常生活、文化，需消费大量的能源。但过度的能源消耗在促进人类发展的同时，会使地球环境恶化，甚至成为威胁人类生存的因素。在20世纪100年间，全世界人口从16.5亿增长了3.7倍，但消费的能源以惊人的速度增长到原来的9倍，由于消耗的大部分能源来自矿物燃料，必然导致CO2排放量增加，因此大气温室效应不断加重。如果21世纪继续维持这种能源消耗增长之势，社会生活大有无法维继的危险。因此，为了今后人类的可持续发展，由传统的矿物燃料向太阳能、风能之类的绿色可再生能源的转变是能源发展的必然趋势。联合国副秘书长、联合国环境规划署执行主任阿西姆·施泰纳也表示：“风力发电迅速发展，正在成为实现全球低碳、高效经济的核心技术之一。在哥本哈根达成一个具有雄心的协议，有助于风能在更多国家推广”1.3风力发电的优缺点风能的发展对环境有正面影响和负面影响.未来的发展将依赖于如何使正面影响达到最大,而同时负面影响保持在最低.优点：1）风能为洁净的能量来源。2）风能设施日趋进步，大量生产降低成本，在适当地点，风力发电成本已低于发电机。3）风能设施多为不立体化设施，可保护陆地和生态。4）风力发电是可再生能源，很环保。5)风能发电不会释放二氧化碳,不会带来酸雨,大雾和放射等污染,也不会造成对陆地海水,和水资源的污染.风能的大规模使用可能是减少二氧化碳排放的最经济快速的方法.缺点：1）风力发电在生态上的问题是可能干扰鸟类，如美国堪萨斯州的松鸡在风车出现之后已渐渐消失，目前的解决方案是离岸发电，离岸发电价格较高但效率也高；2）在一些地区，风力发电的经济性不足；许多地区的风力有间歇性，更糟糕的是如台湾等地在电力需求较高的夏季及白日，是风力较少的时间；必须等待压缩空气等储量能技术发展；3）风力发电需要大量土地兴建风力发电厂，才可以生产比较多的能源；4）进行风力发电时，风力发电机会发出庞大的噪音，所以要找一些空旷的地方来兴建；5)风力机引起的电磁干扰,当风力机被放置在一台收音机,电视机或微波收发器之间时,他有时会反射一些电磁射线,其反射波与原信号会混合在一起,到达接收器.这可能造成原信号很大的扭曲.有些风力机使用薄木板做的叶片就可以避免这样的问题,因为薄木板可以吸收的无线电波大于反射的电波.6）现在风力发电还未成熟，还有相当发展空间；1.4风能利用潜力提到能源，大家会联想到什么？也许有人会想起初中或高中物理课程中令人头痛的势能、动能、热能等问题；也有人会想起石油危机，脑海中会浮现出抢购卫生纸的情景；也有人会从最近报纸、杂志等刊登的有关温室效应的报道，联想到矿物燃料的埋藏量、太阳能、风能等新能源的有效利用。风能作为一种重要的可再生能源，是地球上最古老，最重要的能源之一，它具有蕴藏量巨大、可再生、分布广、无污染等特点，风力发电已成为世界可再生能源发展的重要方向。目前利用风力发电已成为风能利用的主要形式，受到世界各国的高度重视，而且发展速度非常快。与热力发电设施不同，风力发电不需要冷却水，应用风力发电可使公用系统用水减少17%，相当于不需在建设80GW的新燃煤电厂。风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染；而且从经济的角度讲，风力仪器比太阳能仪器要便宜九成多。中国风能储量很大，分布面广，甚至比水能还要丰富。合理利用风能既可减少环境污染，又可减轻越来越严重的能源短缺的压力。第二章风能发电实验原理2.1风力发电原理概述风力发电有3种运行方式，通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力，它用蓄电池蓄能，以保证无风时的用电；二是风力发电与其他发电方式相结合，向一个单位、一个村庄或一个岛屿供电；三是风力发电并入常规电网运行，向大电网提供电力，常常是一处风电场安装几十台甚至几百台风力发电机，这是风力发电的主要发展方向。风力发电机一般由风轮、发电机、调向器、塔架、限速安全机构和储能装置等构成，风力发电机的工作原理比较简单，风轮在风的作用下旋转，它把风能转变为风轮的机械能，风轮发电机在风轮轴的带动下旋转发电。图2-1风力发电机2.2风轮吸收的风能风能公式：式中ρ为空气密度，单位kg/m3

V为风速，单位m/s

F是气流通过的面积，m2

评价一地风能资源潜力，常用风功率密度：单位：瓦/米2

P=(1/2)ρV3ACpCp吸收效率ρ空气密度，标准密度：1.225kg/mV风速A风轮面积，pD2/4P为吸收的风能2.3曹妃甸风速变化图及风区分类1、天气变化数据图曹妃甸港口常年都有海风在吹，因此我搜集了曹妃甸一年的天气变化情况，并做了统计。2、风区分类由于在海边各个地区的风速是不一定的所以搜集了各种风速并做了分类。如下图：GL规范平均风速（m／s）年最大风速（m／s）年极限风速（m／s）50年暴风风速（m／s）50年极限风速（m／s）一类风区10.0040.0056.0046.5065.10二类风区8.5034.0047.6039.5355.34三类风区7.5030.0042.0034.8848.83四类风区6.0024.0033.6027.9039.102.4实验原理风力发电实验装置结构原理示意图如图9所示，整机实物照片及各部位标注如图10所示，其中九孔插板上各元件标注如图11所示。实验装置结构原理示意图9表明，该实验仪包括风源S、风速计M（通过支架Z2安装在导轨上）、风轮（由轮毂2和叶片1构成）、三相交流永磁同步发电机4、整流滤波电路、测量电路、电能的存储与利用电路、带标尺的导轨3。其中的整流滤波电路、电能的存储与利用电路中的所有电学元件及测量电路中的可变负载插在“九孔插板”上并通过该插板实现连接，实现即插即用、方便快捷搭建电路的目的。风轮、三相交流永磁同步发电机通过水平转动轴连接并安装在支架Z3上。所有从叶片传来的风力，通过轮毂传递到转动系统，再传递给发电机。图3.1风力发电实验装置结构原理示意图所述整流滤波电路：包括与三相交流永磁同步发电机连接的六个二极管（D1，D2，D3，D4，D5，D6）以及电容5并联支路，其中，六个二极管按三相桥式全波整流电路连接，用以将发电机输出的三相交流电转换为直流电；所述电容5，用以对电流进一步滤波。测量电路：包括智能电压表6支路和由一个可变负载7与一个智能电流表8串联构成的支路，两个支路分别与整流滤波电路并联。所述电能的存储与利用电路：包括由双刀双掷开关K2控制的发光二极管LED回路和储能蓄电池9回路。电能的存储与利用电路与测量电路之间安装有一个控制开关K1。所述导轨的两侧带有可定位的标尺，在导轨一侧面开有一凹槽，放置智能电压表和智能电流表。2.5风能转化为电能的大致草图2.6电能的利用与存储电能的利用：利用风力产生的电能可以取暖、用于日常照明、还有港口电气设备的电能需求。电能的存储：为了增进风能转化为电能的利用效率，使用合适的电能储存系统可以在不增加电网容量投资的基础上，满足负荷高峰时的需求。一个基础性的问题在于，负荷情况可能因每天，每小时，季节变化而变化，必须有足够容量的设备提供高峰时的需求。理论上，发电和用电应该是相等的。电能发电设备必须能较快地实现投入和切除，比如，微型燃气轮机的反应时间较长，抽水蓄能电站的投入时间较短，然而，石化燃料电站及核电站均不适合频繁起停。此外，这些电站在固定于某个输出的时候才能达到较高的效率。因此，让大型电站处于连续运行状态，并通过寻找合适的电源方式以在用电低谷的时候吸收电能，用电高峰的时候发出电能以平抑需求和供给的差异的方式被认为是经济性和效率较高的一种方式。由于受环境影响因素较大，很少利用自然资源类型直接作为电能存储的媒介，比如，太阳能，风能，海浪能，潮汐能，这些类型的能源也必须结合合适的电能存储设备才能充分发挥调峰的功效。电能的存储设备通常需要将电能转化为其他类型的能量，在特定时间段内，将此种类型的能量再次反转为电能以用于生产生活所需。第三章风能发电的优越性与可行性3.1风能发电的优势风力是一种蕴藏丰富而又洁净的自然能源，没有环境污染问题。建造风力发电厂的费用低廉。利用风力发电不需火电所需的煤、石油等燃料或核电站所需的核材料即可产生电力，除常规保养外，没有其他任何消耗。风力发电技术已经成熟，市场前景广阔。我国风力发电的区位条件：地处季风区，风能资源丰富。国家政府在政策和经济上大力支持。风力发电技术日益成熟。风能发电成本低，市场前景广阔。3.2我国的发展计划与政策发展计划：概括地讲，国家“三委”、“四部”都非常重视风力发电事业的发展。“三委”指国家计委、国家科委、国家经贸委，“四部”指电力部、机械部、航天部、水利部。电力部制订了一系列风力发电的优惠政策，其中两条非常重要，一是允许风力发电就近并网，二是风电价格要在发电成本加还本付息的基础上，允许有合理的利润空间，超出电网电价部分由全电网平摊。这种优惠政策有力地支持了风电事业的发展。1992年，国家成立了第一个风能公司——福霖公司，负责风电场的投资、建设和管理，先后建成了南澳、东岗等风电场。机械部为国产化大型风电机组而努力，1989年，中国农业机械工业协会风力机械分会成立。在“八五”期间，曾在中国第一拖拉机厂组建了一个风电办公室，派人去德国学习风力发电技术，在德国胡苏姆造船厂和德国专家一起组装了10台HSW-250T机组。航天部1992年成立了万电公司，专门从事大型风电机组的研制。万电公司隶属中国运载火箭技术研究院。1996年2月，万电公司和奥地利比尔公司签订了风力发电技术引进合同，花费50万美元从比尔公司购买了600kW机组的技术资料。水利部也非常重视风力发电。隶属水利部的新疆达坂城一风电场，1989年建成，现在已利用国外政府无偿援助2000多万元人民币，引进22台机组，总容量达6100kW。1996年又在新疆布尔津建成一个风/水互补的供电系统。风电场装机容量为1050kW。国家计委提出两个计划：一个是“光明工程”，一个是“乘风计划”，前者是支持国内微小型风力发电机组的发展，解决偏远地区供电问题；后者就是支持国内风电场建设和大型风电机组的国产化。政策实施：1）国家经委1999年印发了《关于进一步促进风力发电发展的若干意见》。指出：发展新能源是我国能源建设实施可持续发展战略的需要，对促进电力工业结构调整、减少环境污染、推进技术进步、培育新的经济增长点具有重要意义。风力发电是新能源发电中技术最成熟、最具规模化开发条件和商业化发展前景的发电技术之一。近年来，我国风力发电得到了快速发展，己成为电力工业的组成部分。2）为了进一步促进我国风力发电事业快速、健康发展，国家经贸委公布的消息说，风力发电的成本主要是固定资产投资，约占总投资的百分之八十五以上。按照中国增值税抵扣政策，固定资产投资的增值税不能抵扣。风力发电执行百分之十七的增值税税率，因为没有购买燃料等方面的抵扣，风力发电实际税负明显高于火力发电。

3）国家经贸委和国家税务局风力电厂投资的实际情况，规定：为鼓励风力发电产业的发展，中国将对风力发电实行按增值税应纳税额减半征收的优惠政策。按照新的税收政策，中国风电电价平均将降低约人民币五到六分钱，新建风电场电价水平有望降低到零点五元/千瓦以下。

4）目前，国家发展计划委员会“全球环境基金（GEF）世界银行中国再生能源商业化发展促进项目”的启动，将对我国风力发电事业的发展起到积极的促进作用。气象部门也将在发展我国风力发电事业上将大有作为。

5）我国到1996年底尚有近720万人口没有用上电，这些人口分布在边远地区以及部分海岛、边防哨所、微波通讯站、气象站等，这些地区远离电网，然而，大部分无电区都有着丰富的风能和太阳能资源。据悉，“光明工程”首期计划将用5年时间完成300个无电乡、100个无电哨所和100个微波通讯站的风电系统建设，使100万人中能用上电。

6）我国风能资源丰富，风力发电在国外已经商业推广应用，因其环境效益好，许多国家将发展风电作为减少温室气体排放的重要措施，应制定激励政策，促进发展。国家经贸委指出：我国应有计划组织风力发电组的生产，实现国产化、标准化、批量化，在条件适宜的地区（如新疆、沿海等）开辟规模化风电场。规划风力发电规模，争取在20年内使上网电价政策，以激励风电的发展。3.3风力发电与火力发电的成本比较与煤电相比，风电的成本要高33％～60％。

风电成本高的原因在于：首先，固定资产折旧费高；其次，发电系数低；例如与煤电相比，风力发电的固定资产折旧费是煤（20%～22%）的1倍多，但发电系数只相当于煤电的1/2。主要原因是风能的密度和分布差异大等物理因素的影响。

据研究，中国风电在综合考虑了装机容量、技术水平提高等因素变化的前提下，成本有逐步下降的趋势，预测的极限成本为0.22元/kWh。而当成本到达0.25元/kWh时，风电在价格上就有了和煤电竞争的条件。

第四章中国风力发电应用进展4.1中国风力发电的进展中国风能储备在世界上排名第一，陆上可用风能高达2.5亿kw，海上可利用风能高达7.5亿kw，中国幅员辽阔，陆疆总长达约20000km，还有约18000km的海岸线，边缘海中有岛屿5000多个，风能资源丰富，中国现有风电场地区的年平均风速都达到6m/s以上，实际发利用的风能资源储备量为2.53亿kw，东南沿海及其附近岛屿是风能资源丰富地区有效风能密度大于或等于200w/m2的等线平行于海岸线，沿海岛屿有效风能密度在300w/m2以上，全年中风速大于或等于3m/s的时数为7000-8000h，大于或等于6m/s的时数为4000h；新疆北部、内蒙古、甘肃北部也是中国风能资源丰富的地区，有效风能密度为200-300w/m2，全年中风速大于或等于3m/s的时数为5000h以上，大于或等于6m/s的时数为3000h以上。4.1—1中国各地风能资源分布风能资源潜力的多少，是风能利用的关键。中国地域辽阔，风能资源丰富，特别是东南沿海及其附近岛屿，不仅风能密度大，年平均风速也高，发展风能利用的潜力很大。根据年有效风能密度和年风速大于等于3m/s风的年累计小时数的多少,将全国分为四个区,如下表所示:表4-1中国风能资源的区划丰富区较丰富区可利用区贫乏区年有效风能密度/(W/m2)≥200200-150150-50≤50风速≥3m/s的年小时数/h≥50005000-40004000-2000≤2000占全国面积(%)8185024我国现在风电厂厂址的年平均风速均达到6m/s以上。一般认为，可将风电场况分为三类:年平均风速6m/s以上时为较好；7m/s以上为好；8m/s以上为很好，我国相当于6m/s以上的地区，在全国范围内仅仅限于较少数几个地带，就内陆而言，大约仅占全国总面积的1/100，这些地区是我国最大的风能资源区以及风能资源丰富区包括:1)内蒙古内蒙古风能具有分布范围广、稳定性高、连续性好等特点，年可利用时间4400-7800wh，近年来，内蒙古风电产业发展步伐明显加快，风电装机容量于2005年底达17万kw，2006年年底增加到60万kw，2007年增加到165万kw。2)新疆新疆是我国开发风力发电项目最佳地区之一，风力资源占全国陆上风能源总量的37%,仅次于占40%的内蒙古。中国目前已建成的最大风力发电场位于新疆达坂城。3）宁夏宁夏是我国能源最丰富的地区之一，全年有效风速的时间为5500-7400h。宁夏发展风力发电还有很多便利条件，首先入网简单，风场不需要很多线路成本，就可以就近入电网，成本低，其次是破坏性风较少；另外，在半荒漠地带建设的风力发电厂，有望成为银川本地一项可开发的旅游资源。4）甘肃甘肃是全国是全国风能资源最丰富的地区之一，风能资源理论储量为2.37亿kw。居全国第五位。可开发利用的风能面积为17.66万平方千米，占全国总面积的39%。5）青海青海省格尔木是于2008年5月与北京新华能源控股有限公司签订10万kw风力发电项目投资协议，在格尔木市建设2座风力发电厂。还有黑龙江，辽宁，山东，江苏，重庆，广东，福建，河北等，在上述地区，利用风力发电，以节约能源，改善环境，缓解电力供应紧张状况，具有重要意义。4.1—2中国风力发电的特点风力发电是利用风能来发电，而风力发电机组是将风能转化为电能的机械，在理论上，最好的风轮约60%的风能转化为机械能。现代风力发电机组风轮效率可达40%，在风力发电机组输出达到额定功率之前，其功率与风速的立方成正比，风力发电的突出优点是环境效益好，不排放任何有害气体和废物，风电场虽然占了大片土地，但是风力发电机组基础使用面积很小，农田和牧场的正常生产，同时开发了旅游资源。世界风能协会（WWEA）发布“世界风能报告”指出，2005年以来，风能行业与世界其他工业部门相比，创造了较多就业机会，截至2009年，已有55万人从业于风能行业。我国发展风力点的特点：在风能资源丰富或较丰富的边远无电，缺电地区，以发展小型或中型独立运行的风电系统（包括风力/柴油联合发电和风/光联合发电等）为主，利用风力发电解决边远地区的生活用电和部分生产用电；在风力资源丰富，电网通达的地区，风力发电则作为一种清洁能源，补充和逐步代替部分常规能源，缓解电力供应紧张的矛盾，提高当地的环境质量，所以应从发展大型电厂为主。4.2中国风力发电的规模风力发电厂是将多台并网型风力发电机安装在风力资源好的场地，按照地形和主要风向排成阵列，组成集群向电网供电，简称风电场。风电场是大规模利用风电的有效方式，于20世纪80年代在美国兴起，我国计划到2010年，并网电装机达500万千瓦，目前，我国的风电装机容量还不到全国总装机容量（4·5亿千瓦）的0·5%，根据我国能源发展规划，我国风电具有大规模的前景和市场需求。风力发电能够成为中国结构的重要组成部分，发展风电有利于调整能源结构。目前，中国的电源结构中75%是煤电，排放污染严重，增加风电等清洁电源比重刻不容缓。尤其在减少二氧化碳等温室气体排放，缓解全球气候变暖方面，风电是有效措施之一。从长远来看，中国常规能源资源人均拥有量相对较少，为保持经济和社会的可持续发展，必须采取措施解决能源供应。中国风能资源丰富，如果能够充分开发，按目前估计的技术可开发储量计算，用电年发电量可达几万千瓦时。根据官方和专家的推算，中国2020年需要10亿千瓦的发电装机，4千亿千瓦时的发电量，之后如果按照人均2千瓦，达到中等发达国家生活水平的基本要求，在2050年中国需要大约30亿千瓦的发电装机和12万亿时发电量。庞大的装机和发电量需求，给风力发电的发展提供了足够的空间。第五章风能利用的展望至2008年年底，在全球金融危机的大环境下，其他行业的投资都受到了不同程度的影响，风能行业一些新的项目以及风力涡轮和组件的合同实施也有所减缓，但风电市场的投资依然方兴未艾，这主要是由风电自身的发展状况决定的。风电目前在电源结构中的比例不高，其装机不到世界发电装机容量的3%，发电量约1%，潜力巨大；变速恒频风电机组的开发和商品化，目前，安装在世界各地风电场的风力发电组，绝大多数为恒速运行机组，而采用变速恒频发电系统后，风力机就可以改恒速运行为变速运行，这样就可能使风轮的转速随风速度变化并保持一个恒定的最佳叶尖池，使风力发电机的风能利用系数在额定风速以下的整个运行风速范围内都处于最大值，从而可以恒速运行获取更多的能量，尤其是这种变速机组可适应不同的风速。1)单机容量增大随着技术逐渐成熟,多样化的设计概念也逐渐走向统一。由于风力场中所采用的大的涡轮风力机比小的更加经济,因而风力机的容量不断增加。涡轮风力机的容量将继续增大。2)风力机桨叶的变化单机容量不断增大,桨叶的长度也不断增长,目前最长的叶片已做到50米。涡轮风力机技术现已成熟,机器的可靠性极高,可利用率通常在98%-99%之间。3)塔架高度上升在中小型风电机的设计中,采用了更高的塔架,以捕获更多的风能,在50米高度捕捉的风能要比30米高处多20%。4)控制技术的发展近年来发展了一种变速风