江苏大学新能源--风力发电论文

新能源发电技术论文学院：电气信息工程姓名：学号：日期：2013.10.19风力发电论文摘要：随着新能源日益受到人们的重视和有利的政策导向，中国风力发电行业将获得新的发展。文中介绍了风力发电机工作原理、运行方式并比较了世界和中国国内的风力发电现状，分析了风力发电产业的发展状况和趋势，展望了中国风电事业的前景。关键词：风力发电国内外运行方式并网发展随着科技的不断进步，社会的不断发展，能源问题将会成为未来人类必须解决的问题之一，同时可再生能源结构会成为未来能源的倾向之一。现如今风能作为一种无污染的可再生能源备受人们的关注，在一定程度上，风力发电将会成为未来最具潜力的新能源之一。一、风力发电机工作原理目前，在我国得到广泛使用的风力发电机主要是水平轴式风力发电机，水平轴式风力发电机是目前技术最成熟、生产量最多的一种形式。它由叶轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件所组成。从大的结构划分来说，风力发电机可由叶轮和发电机两部分构成，空气流动的动能作用在叶轮上，将动能转换成机械能,从而推动叶轮旋转。这样就通过叶轮将风能转换为机械能，低速转动的叶轮通过传动系统由增速齿轮箱增速，将动力传递给发电机，然后由高速转动的机械能经过电机转变成电能。在这里齿轮箱可以将很低的叶轮转速（600千瓦的风机通常为27转/分）变为很高的发电机转速（通常为1500转/分）。同时也使得发电机易于控制，实现稳定的频率和电压输出。整个机舱由高大的塔架举起，由于风向经常变化，为了有效地利用风能，还安装有迎风装置，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啮合的小齿轮转动，使机舱始终对风（注：一般600千瓦的风机机舱总重20多吨），所以偏航系统的作用就是可以使叶轮扫掠面积总是垂直于主风向。由于风方向的不定，所以风轮必须时刻正对风的方向，而大型的风轮是不能由人力来控制其转向的，进而在风力发电机的机舱转盘底座上安装了调向机构，以便可以随时根据需要调整风轮的转向，使发电机可以正常的工作，为人们提供能量。对于调向系统而言，其必须具有自动解缆和扭缆的保护装置，以便可以更好地工作，不致在工作中出现问题。同时由于风有大小之分，并且风轮的直径比较大，所以在运行时，风轮的转速是比较低的。为了使其满足发电机的转速要求，技术人员便在低速的风轮轴和高速的发电机轴之间安装了增速器，增速器的功能在于使转速可以达到额定转速，这样发电机才可以正常的工作。需要注意的是并不是风速越大越好，而是要将风速控制在许可的范围内，这样风力发电机才可以正常发电。所以风电场都是具有测风装置的，其装置主要是风速仪，同时每个风力发电机还必须具备一套完整的调速装置，其作用在于当风速过大的时候，可以在一定程度上降低风速使发电机可以正常的工作，而不致于被破坏。二、风力发电运行方式风力发电通常有独立运行和并网运行两种运行方式。1、独立运行方式独立运行方式的风力发电机组，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。如用户需要交流电，则需在蓄电池与用户负荷之间加装逆变器。5kW以下的风力发电机组多采用这种运行方式，可供边远农村、牧区、海岛、气象台站、导航灯塔、电视差转台、边防哨所等电网覆盖不到的地区利用。在容量较大的独立运行方式下，为了避免大量使用蓄电池，常采取由负荷控制器按负荷的优先保证次序来直接控制负荷的接通与断开，以适应风速大小的变化，具有负荷调节的的独立运行风力发电系统。这种方式的缺点是在无风期不能供电，为了克服这一缺点，可配备少量蓄电池来保证不能断电的设备在无风期间内从蓄电池获得电能。2、并网运行方式采用风力发电机组与电网连接，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。10kW以上直至MW级的风力发电机组皆可采用这种运行方式。并网运行又可分为两种不同的方式：①恒速恒频方式，即风力发电机组的转速不随风速波动而变化，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，因为风力机只有在一定的叶尖速比的数值下才能达到最高的风能利用率。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支撑结构上出现共振现象等问题。三、国内外风力发电现状及发展趋势1、国外风力发电现状：国际能源研究报告表明，如果各国采取有力措施，风力发电到2010年可提供世界电力需求的10%，创造170万个就业机会，并在全球范围内减少100多亿吨二氧化碳废气。风能将成为发展最快的能源，到2010年风电总装机容量达到40.00GW，2020年达到0.1TW，到2010年德国新增500万千瓦，西班牙新增520万千瓦，年生产能力将达到800万千瓦，可满足全国电力需求的10%。美国和加拿大是北美利用风能最好的国家。在美国的50个州中，大约有30个州已经开始利用风能资源。在1998-2004年期间，美国风力发电的总装机容量已经超过6740MW，可以满足160万个中等家庭的日常用电需求。随着技术的进步和规模的扩大，风电发电成本继续下降，估计10年后它完全可以和清洁的燃煤电厂竞争。风电技术开发的趋势是大容量和变转速运行。更大单机容量的机组仍在继续研制。随着风电容量在电力系统中的比例越来越大，对系统的影响日益明显。人们已经开始利用天气预报的技术预测风电场功率输出，以优化运行速度。由于600kW级大型风力发电机组技术成熟，正在大批量生产，2000kW级风力发电机组不久将投入商业运行，风力发电的造价由现在的1000美元/kW有可能下降为600-800美元/kW，发电成本从现在的4-5美分/(kWh)，下降到3-4美分/(kWh)，风力发电规模经济效益更加明显，可以和火电、水电、核电相竞争，这也是其它新能源所无法比拟的。由于风力发电是可再生洁净能源，其环境效益也十分明显，随着风力发电技术的日益成熟，发电成本的进一步降低，风力发电会越来越被更多的人认识和接受。这也是全世界很多国家都热衷风力发电的主要原因。风力发电的迅猛发展也使那些本地能源短缺的发展中国家收益，如巴西、阿根廷、摩洛哥、埃及和哥斯达黎加等国是发展中国家风力发电的佼佼者。中国、印度也在积极发展风电。2、我国风力发电现状：我国幅员辽阔，陆疆总长2万多千米，海岸线1.8万多千米，是一个风力资源丰富的国家，全国约有2/3的地带为多风带。风能总储量为32.26亿千瓦，实际可开发的风能储量为2.53亿千瓦，为可再生能源和新能源利用技术提供了强大的资源条件。两大风能地带———西北、华北、东北和东南沿海为风能资源丰富区，跨全国21个省、市、自治区。到1999年底已开发微小户用型风力发电机16万台，并网型风电场24座，总装机容量26万千瓦，其中绝大多数机组是从丹麦、德国、美国、比利时、瑞典引进的，最大单机容量为600kW。毫无疑问，中国风能等可再生能源的利用受到一系列因素的限制，其中包括资金和技术资源供应的不足、政策的不相配套等。和常规资源相比，它会缺乏竞争力。但从可持续发展的目的出发，从中央到地方的各级政府已对这些资源的开发给予了关注。目前，我国国产化机组产量仍然偏小，远未达到规模效益，使得零部件采购价格偏高，利润空间很小。因此，我国的风力发电装备市场至今仍由国外风力发电机组占据。这一现实要求我国的风力发电设备制造企业应加快适合中国国情的新型风力发电装备的研制进度。尽快提高大型风力发电装备的设计和制造技术，加大风力发电装备国产化进程。还应注意稳定产品质量，提高国产机组可靠性，以取得风电场建设者的认可，逐步加大市场份额。据相关资料报道，到2020年，预计我国将新增发电能力500GW，其中121GW为可再生能源。2010年以前，我国计划新建20座风力发电场，每座风场的发电能力达到100MW以上，且达到4000MW的风力发电总目标，并要求风力发电设备本土化。四、风力发电的展望风力发电将是21世界发展最快的一种可再生能源。其发展的驱动因素，在20世纪70年代，主要是为了减少对外地能源的依赖；到了20世纪90年代，主要是为了保护地球环境，减排温室气体CO2，减少日益枯竭的化石燃料的消耗；到2010年左右，由于风力发电技术的进一步提高，风力发电将更有竞争性，在世界电力构成中所占比重进一步提高，其清洁性和安全性将更符合经济社会的可持续发展战略方向。目前，世界各国都通过立法或给予不同的优惠政策积极激励、扶持和推进风力发电的发展。中国是风能资源较丰富的国家，有悠久的开发利用风能的历史。近年来，在国家的鼓励和支持下，在部门的规划和领导下，在地方的组织和落实下，取得了可喜的进步。在“六五”到“十五”期间的科技攻关项目中，在产业化发展中，在国家“863”计划中，都将风力机的研制列在其中。国家制定了风力发电的发展规划和优惠政策，为大规模开发利用我国丰富的风力资源打下了良好的基础。但是无论从发电能力的需求还是从环境保护的压力来分析，我国风能开发利用还任重道远，应在以下几方面开展工作。1、继续发展小型风力机组我国幅员辽阔，地域差别大，经济发展不平衡，一些边远和海岛地区的人民还没有用上电。小型风力发电机组在解决有风无电地区的生活用电方面是一条非常有效的方式，这方面我国有很好的研制基础和应用推广经验，应继续大力发展。2、加速发展大型风力发电机组我国风电场运行的风力发电机组绝大部分是从国外引进或合作制造，国内自行研究的机组很少。因此，加速大型风力机组的国产化势在必行。要组织国内相关单位的技术攻关，同时加强基础研究工作。3、加快建设风电场实践表明，风电场是大规模利用风能，实现风电产业化的最好方式。要制定适合国情的优惠政策和法规，各相关部门也应大力扶持风电场的建设。4、综合利用新能源和可再生能源风能在众多可再生资源中最有大规模发电前景，但也受到资源的限制，为更好的利用风能，应与其他形式的新能源综合利用，根据当地对能源的不同需求做到新能源和可再生能源与常规能源之间的综合利用，如组成风-光混合系统；风-油混合系统等。另外，在重点发展风力发电的同时，要注意解决风能在提水、助航、制冷、制氢等方面的应用问题。五、关于风电并网难的一些探究与想法据前瞻产业研究院统计，2011年我国部分省市风电弃风达20%左右，“三北”(东北、华北和西北)一些风资源丰富的地区或超过30%，直接经济损失达近百亿元。风电并网一直是个难题。一方面，风电企业发展如火如荼，上百亿千瓦时风电电量无用武之地；另一方面，电网消纳风电的积极性不高，最大原因在于被电网嫌弃。经过这几年发展，中国2010年就已经成长为世界最大的风电装机国，但由于风电并网问题没有得到彻底解决，使得中国一直无法成为最大的风电利用国。中国可再生能源行业协会的统计显示，因电网建设跟不上，很多风电场“窝电”现象严重，造成大量能源浪费。2011年去年全国有100亿千瓦时左右风电电量被弃。“目前风电入网在技术上已经不是问题，之所以会出现上千亿瓦风电电量被弃，是因为电网的调度问题，不愿意让稳定的火电给不稳定的风电让路。由于风电具有波动性，电网需要搭精力和财力去做很多前期工作。”此外，除了上述问题，风电企业本身发展过快也是造成风电电量被弃的一个主要原因。虽然风电并网问题还未解决，但仍旧没有挡住风电企业“大跃进式”的发展。实际上，风电入网问题一直是制约风电发展的一大问题。由于风电的不稳定性对电网安全运营带来的冲击较大，国家又没有出台相关的经济补偿措施，电网吸纳风电入网的积极性不高。政府应当采取一些激励措施，引导和鼓励企业积极进行技术研发，尽快增加电网接纳的可再生能源电力。六、结束语本文简要介绍了风力发电工作原理及运行方式、国内外风力发电现状、以及阐述了对我国风力发电的展望和存在的并网问题。通过对本课程的学习，又查阅了相关书籍和论文等，学到了很多知识，开拓了眼界。参考文献：［1］蒋峥,殷明.风能利用及风力发电.矿