4.第三章 风力发电概述

第一节风力发电历史概述人类很早就利用风作为帆船、碾磨和灌溉的动力，其历史可以追溯到公元前5000年。当人们开始用汽轮机和水轮机发电的时候，就有人建议利用风能进行发电。1887年苏格兰教授JamesBlyth为了给用于照明的蓄电池充电而建立了人类历史上第一台用于发电的风机，该风机属于垂直轴型风机，高10米，叶轮直径8米。几乎在同一个时间克利夫兰市(美国俄亥俄州东北部城市)的CharlesF.Brush利用当时在美国建造了当时已经算非常先进的风机，该风机高20米，风轮直径17m，有144个由雪松木制作的叶片，通过两级皮带传动带动一个12KW的直流发电机。其安全系统确保发电机在任何转速下电压不能超过90伏，控制系统控制发电机的输出电压保持在70伏左右。Brush风机解决了很多令人头疼的问题，它不仅实现了自动控制，而且运行了20年。但是由于Brush本人对空气动力学缺乏的充足认识，加之当时的空气动力学还没有形成相当完备的理论体系，使得其设计的风机虽有较好的扭距输出，但是能量转换效率较低。1891年丹麦Askov大学教授PoulLaCour将气动翼型理论引入到风力发电机领域，并建造了一台只有四个叶片的直流风力发电机，该风机拥有相对较高的能量转换效率。到1918年第一次世界大战结束时，丹麦已建造了120台Cour式风力发电机，总装机容量达到3MW，发电量占到丹麦电力总消耗的3％。Blyth风机Brush风机Cour风机第一次世界大战之后，气动理论及相关技术发展到了一定的水平，所积累的大量经验促进了风电技术的进一步发展和理论的成熟。1920年德国人AlbertBetz(贝兹)提出了风机从风中获得最大能量的物理学准则，1926年，他借鉴空气动力学中的翼形理论对风机叶片的外形进行优化设计，并由此得出了一种简便的设计方法，即著名的Betz设计理论。今天，这些基本原理和方法还在为我们所使用。在这之后的时间里研工作者在风机的叶片，风机的结构，控制准则等方面不断的进行发展和研究，进一步推动了风电技术的发展。二战期间，欧洲各国因战争影响风机技术的发展一度放缓或者中止。处于北欧的丹麦，由于能源相对匮乏，风电技术得到了相对持续的发展。丹麦人在大量实践的基础上其风机逐渐形成自己的特色，发展出了“丹麦型”风机。1941年，丹麦的F.L.Smith公司建造了一些双叶片和三叶片风机。这些风机配备的还是直流发电机。上世纪50年代，丹麦工程师J.Juul等开发了世界上第一台交流风力发电机“VesterEgesborg”。1956年，J.Juul为SEAS公司设计建造了著名的Gedser风机，该风机为三叶片上风风机，装有额定功率为200kW的异步交流发电机，采用电动偏航和定桨失速控制，为了避免过大的转速和载荷，叶片尖端特别设计了气动刹车装置，该风机在没有重大维护的前提下自动运行了11年。该款风机的出现标志着“丹麦型”风机理论的完全形成，其主要特征即为：异步并网发电机、失速型叶片和尖端气动刹车。Gedser风机德国在同一时期的风力发电技术的发展以UlrichW.Hütter的风机为代表。1957年Hütter建成了他的原型机。该风机叶轮直径34m，双叶片，功率100kW，采用下风自动偏航设计。在以后的十多年时间里德国建造的许多风力发电机都采用了相似的设计理念，包括以后的GROWIEN风机。而且该风机首次采用了由玻璃纤维复合材料制造的叶片。由于这种材料良好的机械性能和耐疲劳性能，该类型叶片得到了迅速的推广和使用，这也极大的促进了风力发电技术的发展。Hütter风机GROWIEN风机1941年，美国Smith公司建造了由工程师Putnam设计的大型风力发电机（Smith-Putnam风机）。该风机叶轮直径53米，逆风偏航设计，配有额定功率1.25MW同步发电机。其两个巨大的叶片由不锈钢制成，通过连杆与主轴连接。为了实现转速调节和功率控制，该风机装备了液压变浆距系统。该风机是当时空气动力学研究和机械工艺技术的有效结合的产物，它代表了当时的技术发展水平。Smith-Putnam风机Jacobs风机二战后初期，化石能源的价格曾一路走低，风力发电在经济上毫无优势可言，加上欧洲大陆各个国家刚刚摆脱战争的阴影，使得风力发电技术的发展进一步的放缓。上世纪70年代连续出现的两次能源危机使得化石原料的价格一路上涨,加上日益严重的环境问题，各个国家开始重新考虑对可再生能源的利用。在美国、丹麦、德国、英国、瑞典等国家政府项目的推动下，许多叶轮直径超过60m的大型风力发电机由国家投资被建立起来用于相关技术的研究和实验验证。具有代表性的有德国的GROWIAN风机（叶轮直径100m，3MW）,瑞典的WTS3风机(叶轮直径78m，3MW)，瑞典的AEOLUSWTS7风机(叶轮直径75m,2MW),美国的BOEINGMOD-2风机（叶轮直径91m,2.5MW）,GEMod-1(2MW,叶轮直径61m)等。由于缺乏相关的风机建造和运行管理经验以及相关的技术，最后这些风机没有一个真正长期运行下来的。但是在这个过程中，大量的技术和经验被积累下来，为以后的发展奠定了基础。八十年代中后期欧洲和美洲都继续着大型风力发电机的研发，而以欧洲取得的成就最大。WTS3风机AEOLUSWTS7风机GEMod-1风机在美国的政策支持下，上世纪80年代出现美国加州风电潮，成千的风机被密密麻麻的布置在加州的山坡上，蔚为壮观。然而，这次风潮并没有持续多久的时间，1985年美国的支持计划终止后，大规模的风场建设便偃旗息鼓了。美国加州风电潮-1美国加州风电潮-2大型风力发电机的商业化阶段在上世纪八十年代后开始逐渐来临。大规模的商业应用首先出现在北欧（这与该地区的其它能源相对缺乏有关，以丹麦为代表），各种不同概念的风机相继出现，各种商业公司纷纷推出各自的产品，整个市场在群雄逐鹿的过程中成熟起来。伴随着各种优势资源的整合，许多著名的风电厂商在竞争和优胜劣汰中逐渐胜出，水平轴三叶片风力发电机更是成为了商业应用的绝对主流。风力发电技术已经曲曲折折的发展了一百多年，在这一百多年里，充满了各式各样的尝试、创新、成功和失败。经过了百年的洗礼，风电技术才逐渐成熟应用起来。如今德国，丹麦，美国等风电技术先进的国家无论是在风机设计技术上和还是在风机运行经验上都积累了丰富的经验。各种技术路线还在不断的互相借鉴并不断的改进和完善，各种新的概念和技术仍在不断的推出并应用于风电领域。陆上风资源已经开发完的德国等风电大国已经开始开发海上风场。海上风机-1海上风机-2随着全球经济的发展，风能市场也迅速发展起来。自2004年以来，全球风力发电能力翻了一番，2006年至2007年间，全球风能发电装机容量扩大27%。2007年已有9万兆瓦，这一数字到2010年将是16万兆瓦。预计未来20~25年内，世界风能市场每年将递增25%。随着技术进步和环保事业的发展，风能发电在商业上将完全可以与燃煤发电竞争。“十五”期间，中国的并网风电得到迅速发展。2006年，中国风电累计装机容量已经达到260万千瓦，成为继欧洲、美国和印度之后发展风力发电的主要市场之一。2007年我国风电产业规模延续暴发式增长态势，截至2007年底全国累计装机约600万千瓦。2008年8月，中国风电装机总量已经达到700万千瓦，占中国发电总装机容量的1%，位居世界第五，这也意味着中国已进入可再生能源大国行列。2008年以来，国内风电建设的热潮达到了白热化的程度。2009年，中国（不含台湾地区）新增风电机组10129台，容量13803.2MW，同比增长124%；累计安装风电机组21581台，容量25805.3MW。2009年，台湾地区新增风电机组37台，容量77.9MW；累计安装风电机组227台，容量436.05MW。风电发展到目前阶段，其性价比正在形成与煤电、水电的竞争优势。风电的优势在于：能力每增加一倍，成本就下降15%，近几年世界风电增长一直保持在30%以上。随着中国风电装机的国产化和发电的规模化，风电成本可望再降。第二节风一、风的形成由于地理位置的不同，局部地形的不同等因素，地球上受到的太阳辐射强度也各有差异。接受太阳辐射能少的地方，温度低，气压高；而接受太阳辐射能多的地方，温度高，气压低。另外，随着地球自转，温度、气压也存在着昼夜变化。这样由于地球表面各处的温度、气压变化，气流就会从压力高处向压力低处运动，因此形成不同方向的风。其成因主要有：大气环流、季风环流和局部环流。二、风的测量风是空气的流动，有大小和方向。风的测量包括风向测量和风速风速测量。风速的单位一般为m/s。风速的大小与风速计的安装高度和观察时间有关，世界各国基本以离地10m作为观察基准，但取多长时间的平均风速不统一，有取1min、2min、10min平均风速，有取1h平均风速，也有取瞬时风速的。风能资源计算使用10min种平均风速。风向一般用16方位表示。即北东北（NNE）、东北（NE）、东东北（ENE）、东（E）、东东南（ESE）、东南（SE）、南东南（SSE）、南（S）、南西南（SSW）、西南（SW）、西西南（WSW）、西（W）、西西北（WNW）、西北（NW）、北西北（NNW）、北（N）。静风记“C”。也可以用角度来表示，以正北基准，顺时针方向旋转，东风为90°，南风为180°，西风为270°北风为360°，最简单又常见的风速测量是三杯式风速仪，三个风杯由于阻力差而旋转，风力大则转速高，仪器内的转速传感器把风杯转速变为电信号输出。最简单又常见的风向测量是风向标，其原理不言而喻。其指向的角度由仪器内的角度传感器转变为电信号输出。一种同时可测量风速与风向的仪器，仪器前方有测量转速的浆叶，浆叶随风速加大而增高，仪器后方有随风而摆的翼片，仪器内有转速传感器与角度传感器分别把风速与风向转换为电信号输出。超声波风速风向仪有多种测量计算方法，其中传播时差法简单也用得较多。时差法通过超声波在空气中的传播速度来测量风速，顺风传播速度快，逆风传播速度慢，风速为零时双向速度一样。下面图就是一个超声波风速风向仪，在上方有四个超声波探头，每个探头即可发送超声波也能接受超声波，相对的两个探头是一组。每一组探头可测出相对方向的风速，两组探头联合则可测出具体的风速与风向。三、风的数学描述1、风廓线由于地面对风的摩擦力，风速随距地面高度有显著的变化。风廓线是表示风速随地面变化的曲线。2、风频特性（1）风向频率在一定时间内各种风向出现的次数占观察总次数的百分比。（2）风速频率在一个时间周期内（月、年）发生相同风速的时数占这段时间刮风总时数的比例。（3）风玫瑰图在极坐标底图（16方位图）上点绘出的某一地区在某一时段内各风向某一参数的统计图。因图形似玫瑰花朵，故名。有：风频玫瑰图、风速玫瑰图、风能玫瑰图等3、风功率及风功率密度（1）风功率和风功率密度的定义风功率：指单位时间内，以速度v垂直流过截面A的气流所具有的动能。时间t内，以速度v垂直流过截面A的气流所具有的动能为tAvvAvtmvW3212)(21221（3-1）式中W——风能，单位为J；——空气密度，单位为3/mkg；v——来流速度，单位为sm/；A——面积，单位为2m。风功率321AvtWPW（3-2）风功率密度：气流垂直通过单位面积的风功率。是表征一个地方风能资源多少的一个指标。321vAPpWW（3-3）（2）平均风功率密度风速是一个随机性很大的量，衡量一个地区分能资源的大小，常用一段时间（1年）内的平均风功率密度。定义为：iiWtvTp3211（3-4）式中，Wp——平均风功率密度，单位为2/mW；iv——风速，单位为sm/；it——风速为iv的时数，单位为h；T——总时数，单位为h。5、空气密度空气的密度直接影响风能的大小。在15℃时，海平面空气密度为2/225.1mkg，称为标准空气密度。随着海拔、气温、气压的不同，空气密度也有变化，其计算公式是1000)378.0(00366.01276.1ept（3-5）式中，p——气压，单位为hPa；（百帕）t—