风力发电技术

1风力发电技术2风能和风力发电概述二本课程内容三背景介绍一3第一节概述风能是大气运动形成的一种能源形式，其能量来自于大气所吸收的太阳能。人类对风能的利用历史久远，早在公元10世纪，波斯就出现了水平转动的风磨。4公元12世纪，欧洲开始使用风车抽水、碾磨谷物，此后风车一直是主要的动力机械之一。5我国开始利用风能作为动力大约在13世纪中叶。现在所说的风能利用主要是指风力发电。采用风力涡轮机发电的设想始于1890年丹麦的一项风力发电计划，到1918年丹麦已经投入运行了120台风力发电机。6风力发电走向规模化应用还是在20世纪90年代以后，风力发电的装机容量开始以每年平均20%以上的速度增长，已成为世界上各种能源中增长最快的一种。据统计，2007年底，全球风力发电新增装机容量19791MW，总装机容量达到94005MW，比2006年增加了27%，风力发电的总量已占全球电力消费总量的1%以上。7我国风能资源非常丰富。2006年国家气候中心研究结果表明，我国陆地10米高度层可开发和利用的风能储量除青藏高原外总量约为25亿kW，海上可开发和利用的风能储量约为7.5亿kW，共计约32.5亿kW。我国风电开发的空间十分巨大。目前，风力发电只占在全国电力装机总容量的1.2%。而根据国家发改委的长期产业规划，2020年10000万kW，占全国电力总装机的2%。8一、世界风能发电概述20世纪末，由于能源危急和全球环境保护的影响，欧洲、美国及亚洲的印度、中国风力发电出现强劲势头，其中丹麦的风电量已经超过了总发电量的20%。目前，欧洲最大的风力发电国是德国，西班牙居第二。全球风力发电保持高速发展的势头，预计到2010年，全球风力发电装机总量可以达到160GW。9风力发电快速增长的原因在于两个方面：一是经济发展对电力需求的快速增长和可持续发展的要求；二是风力发电技术的不断进步，促进了发电价格不断降低。风电价格不断降低的同时，化石燃料的价格呈总体上升趋势，加之环保和二氧化碳减排的要求，化石燃料发电的价格总体是上涨的。因此风力发电将称为21世纪重要的能源形式之一。10就风能资源的储量来说，地球上风力资源的利用才刚刚开始，发电技术的发展就是风力发电机技术的发展。目前，风力发电机在叶片材料、气体动力学特性、控制方式等方面不断进步的同时，主要是向大型化的方向发展。世界风能市场上风力发电机的主要供应商来自欧洲和美国，其中丹麦一直居世界领先地位，占全部市场份额的60%以上。11德国一直引领着世界风电市场的发展。德国2006年底发电装机容量2194MW，是目前世界上发电装机容量最多和风力发电机组技术最先进的国家。德国风力发电的制造技术和生产规模都处于世界领先水平，目前世界上在运行的最大的商用风力发电机组就产自德国。德国EnerconE112型风力发电机最大输出功率达到6MW,风力发电机全高186m,风轮直径为114m，切出风速为28~34m/s，是目前世界上最大的风轮机。12丹麦和西班牙----紧随德国之后丹麦和西班牙的风电也在高速发展。西班牙的2006年装机容量达到11.6GW，欲挑战德国争夺欧洲之冠的地位。丹麦已经成功地用风电来满足国内23%的电力需求，是世界上风电贡献率最高的国家。丹麦在风电机组制造、风能资源评价和风电场接入电网等领域的技术均居世界领先地位。13美国的风力发电美国的风能资源丰富，据估算，如果全部开发美国三个州(得克萨斯州等)的风电就可以满足全美的电力需求。在美国，风能发电已经很有竞争力，其成本相等甚至低于传统电力的平均价格。目前，美国最大的风电场是位于德克萨斯州的马谷风能中心，该中心建有421台风力发电机组，装机容量达到735MW，于2006年9月全部建成。美国新建风电场普遍使用GE公司1.5MW风力发电机，其次是西门子公司的2.3MW风力发电机。14印度--发展中国家的先锋从20世纪80年代起，印度就启动了风电项目。在20世纪90年代后期印度风电市场一度低靡，但最近却开始复苏。截至2006年底，风电装机容量已达6270MW，印度已经成为全球第五大风电生产国。在过去几年，政府积极推动风电产业的发展，鼓励大型私有和公有企业投资，并同时给予当地制造基地同样的政策激励。在印度，有的公司现在已经可以生产70%的风电机组零件，不需要从主要的欧洲制造商进口，从而大大降低了风电机组生产成本，并给当地创造出额外的就业机会。印度还建立了两百多个风力监测站，为风能资源的开发利用提供基础数据支持。15二、我国风力发电概况我国的风电事业起步较晚，在20世纪末，风力发电机组的制造还主要在于简单的小型家用风力发电机组。进入21世纪以来，我国的风电装机容量开始快速增长，2006年底，装机容量上升到将近260万kW。我国国土面积辽阔，风能资源丰富，目前风电装机容量还相对较低。规划预计到2010年风电装机总容量达到2500万kW,2020年风电装机总容量达到10000万kW。16中国的风能资源主要集中在两个带状地区,一条是“三北(东北、华北、西北)地区丰富带”,其风能功率密度在200瓦/平方米～300瓦/平方米以上,有的可达500瓦/平方米以上,如阿拉山口、达坂城、辉腾锡勒、锡林浩特的灰腾梁等,这些地区每年可利用风能的小时数在5000小时以上，有的可达7000小时以上。从新疆到东北,面积大、交通方便、地势平,风速随高度增加很快，三北地区风能在上百万千瓦的场地有四五个,这是欧洲没法比的。而这个地带的缺点是建网少,发出的电上不了网。一条是东部沿海风带，主要位于沿海几十公里的大陆海岸和海道，其风能资源比三北风带还好，海道煤和石油依靠大陆，电力联网困难，发展发电迫在眉睫。1718中国现代风电技术的开发利用始于20世纪70年代，0.1～15kW离网型风力发电机组开始试验、示范、应用推广。“六五”、“七五”、“八五”期间，国家和地方政府把22kW、30kW、55kW、75kW、120kW、200kW风电机组列入重点科技攻关项目，但由于诸多原因，都未商业化运行。规模化的风力发电场80年代后期投入运行。19截至2006年底，我国除台湾外累计安装风电机组3311台，装机容量259.9万kW,共建设91个风电场，分布在16个省。20“九五”期间，并网型风电机组得到快速发展。定桨距失速型200kW、250kW、300kW、600kW风电机组；变桨距双速型600kW风电机组；中国一拖和西班牙Made合资建立一拖美德风电设备公司，生产660kW风电机组；中国西航和德国Nordex合作建立西安维德风电设备公司，生产600kW风电机组。21“十五”期间，国家提出研制“兆瓦级风电机组”的攻关目标，有如下3个课题：1.3MW定桨距失速型风电机组1MW双馈型变速恒频风电机组1.2MW直驱型变速恒频风电机组22风力发电机组经过二十余年的发展，容量从十千瓦级增大到兆瓦级，从90年代定桨距失速型风电机组为主导机型，向变速变距型风电机组为主流机型的方向发展，且随着电力电子技术的发展，变速恒频的风力发电技术已经成了风力发电的大势所趋。兆瓦级机组的市场份额1997年及以前还不到10%，2001年则超过一半，2002年达到62.1%。风电装机容量约以平均每年增幅30%的速度在增长，成为增长速度最快的清洁能源。23新疆达坂城是我国最早建设规模化风电场的地区，于1989年建成的达坂城风电一场是我国第一个风能发电场，所有设备全部从丹麦引进。24广东省南澳岛风电场是我国第一个海岛风电场。南澳岛是广东唯一一个岛县，东南季风长，风力资源丰富，风况属世界最佳之列。到2005年底，装机容量达到5.6万kW，是亚洲最大的海岛风电场。252007年6月，我国最大的风电场是内蒙古的辉腾锡勒风电场，总装机容量189MW，为第29界奥运会输送绿色电力。同时还有两个风电项目在建，到2010年将建成百万千瓦级的风电场。26官厅位于北京市官厅水库南岸，是北京主要的风口之一，一期项目总装机容量49.5MW，2007年底竣工、并网发电，生产的电能直接输入北京电网，供给市民和奥运场馆使用。建设现场27三、我国风力发电工业的现状我国在20世纪50年代开始风力发电机的研制。目前大功率风力发电机组还依靠进口。与国际水平相比，我国风力发电机的单机容量较小，关键部件需要进口，整机质量还有差距。我国在海上发电的资源勘察、设备制造、施工安装工艺和运行管理方面还比较落后。282007年，国内风力发电机组生产厂家通过引进技术、合资、合作方式，可以批量生产600kW、660kW和750kW的风力发电机组，同时也研发了兆瓦级风力发电机组。2006年10月，我国首台自主研制的1.5MW变速恒频风力发电机组在沈阳华创风能有限公司正式出厂。对于我国实现大型风力发电机组的国产化具有重要意义，1.5MW变速恒频风力发电机组的研制填补了我国该项技术的空白。291.5MW双馈风力发电机组302MW永磁直驱式风电机组31我国风电产业的自主研发道路还十分漫长，一些领域与国外先进水平差距甚至在拉大。我国风电产业的发展应该是以我为主，中外合作，通过合资、合作的方式引进国外先进技术，同时大力开展风电领域的基础研究，逐步形成风电产业的自主研发能力。32四、风力发电的优点以及负面影响风力发电的优点风能是可再生能源形式，有利于可持续发展。有利于环境保护。随着风电技术的日趋成熟，风电成本越来越低，可以和其他能源形式相竞争。33风力发电的负面影响间接的不可再生能源利用和污染物排放。机组生产过程中造成的污染物的排放是风电的间接污染物排放。风电可能对鸟类造成伤害噪声问题对无线电通信的干扰安全问题，叶片折断伤人等34五、并网发电风力机的总发电成本的影响因素投资成本成是影响风力发电成本的主要因素，投资成本包括制造加工费、基建费等系统寿命运行费和维修成本风系特性。风能潜力与风速的三次方成正比，平均风速高则电站经济性好系统的能量转换效率技术利用率，即正常发电时间在一年中占的比例35第二节风能和风力发电一、风能风能是一种无污染的、可再生的能源，取之不尽，用之不竭，分布广泛，但能量密度相对较低，具有时空上的不稳定行。研究风能的利用离不开对风的特性描述，风的最大特性是他的变化性。对于风能的利用来讲，我们主要关心风速和风向。36风速的特性风速是指空气的移动速度，即单位时间内空气微团移动的距离。瞬时风速称为有效风速，即实际发生作用的风速，通常指很短时间间隔内的风速。平均风速是很长时间内风速的平均值，实际上是在较长时间范围内，多次风速测量的平均值，即1/i/nimimiuunumsumsn　　　　　　　　　　式中－平均风速，；－第次测量的瞬时风速，；　　－测量次数；37风速频率风速频率是风速在一年内或一个月内中所出现的时间分布。在计算风速频率是，通常把风速的间隔定为1m/s，依次划分风速区间，较长观测时间内各种风速吹风时数与该时间间隔内吹风总数的百分比就是风速频率分布。风速频率是确定风能电站年工作时数的基本数据。38风能“玫瑰”。风速是矢量，既有大小，也有方向。风速的大小随时变化，其方向也是不稳定的。在一段时间内，风速在不同的方向上出现的时间称为风速在该方向上的方向频率。方向频率与该方向上平均风速的三次方的乘积沿个方向的分布即为风能“玫瑰”。根据玫瑰图可以看出哪个方向上的风具有优势39风能的能量密度331,/2EJmum3322单位时间、单位迎风面积内流过的风能称为风能的能量密度或风能密度。单位体积的空气质量即为空气密度(kg/m),风速为u(m/s)的1m的运动空气的运动动能为u单位时间内，与风速垂直的单位面积内流过的空气体积为〔/(s.m)〕,因此，风能密度为21,/2Wm3P=Eu=u40风能资源的分布按照风能资源的多少可以划分成这样几个区域：最大风能资源区。我国的最大陆上风能资源区是东南沿海一带及其岛屿，这一带的面积相对较小，只在由海岸向