風力發(fā)電基本知識

1、風力發(fā)電基礎知識風力發(fā)電是把風的動能轉為電能。風能作為一種清潔的可再生能源，越來越 受到世界各國的重視。其蘊量巨大，全球的風能約為2.74x10八9MW，其中可利 用的風能為2x10八7MW ,比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍。風很早 就被人們利用-主要是通過風車來抽水、磨面等，而現(xiàn)在，人們感興趣的是如何 利用風來發(fā)電。中文名風力發(fā)電外文名wind power generation使用介質自然風力資 源約10億kW資源我國風能資源豐富，可開發(fā)利用的風能儲量約10億kW ,其中，陸地上風能儲 量約2.53億kW（陸地上離地10m高度資料計算），海上可開發(fā)和利用的風能儲 量約7.5億kW，

2、共計10億kW。而2003年底全國電力裝機約5.67億kW。風是沒有公害的能源之一。而且它取之不盡，用之不竭。對于缺水、缺燃料和交 通不便的沿海島嶼、草原牧區(qū)、山區(qū)和高原地帶，因地制宜地利用風力發(fā)電，非 常適合，大有可為。海上風電是可再生能源發(fā)展的重要領域，是推動風電技術進 步和產(chǎn)業(yè)升級的重要力量，是促進能源結構調整的重要措施。我國海上風能資源 豐富，加快海上風電項目建設，對于促進沿海地區(qū)治理大氣霧霾、調整能源結構 和轉變經(jīng)濟發(fā)展方式具有重要意義。國家能源局2015年9月21日發(fā)布數(shù)據(jù)顯示，到2015年7月底，納入海上風 電開發(fā)建設方案的項目已建成投產(chǎn)2個、裝機容量6.1萬千瓦，核準在建9個、

3、 裝機容量170.2萬千瓦，核準待建6個，裝機容量154萬千瓦。這與2014年末 國家能源局全國海上風電開發(fā)建設方案(2014-2016 )規(guī)劃的總裝機容量1053 萬千瓦的44個項目相距甚遠。為此，國家能源局要求，進一步做好海上風電開 發(fā)建設工作，加快推動海上風電發(fā)展。利用風是一種潛力很大的新能源，十八世紀初，橫掃英法兩國的一次狂暴大風，吹毀 了四百座風力磨坊、八百座房屋、一百座教堂、四百多條帆船，并有數(shù)千人受到 傷害，二十五萬株大樹連根拔起。僅就拔樹一事而論，風在數(shù)秒鐘內就發(fā)出了一 千萬馬力(即750萬千瓦；一馬力等于0 . 75千瓦)的功率!有人估計過，地球上 可用來發(fā)電的風力資源約有1

4、00億千瓦 幾乎是現(xiàn)在全世界水力發(fā)電量的10倍。 目前全世界每年燃燒煤所獲得的能量，只有風力在一年內所提供能量的三分之 一。因此，國內外都很重視利用風力來發(fā)電，開發(fā)新能源。利用風力發(fā)電的嘗試，早在二十世紀初就已經(jīng)開始了。三十年代，丹麥、瑞典、 蘇聯(lián)和美國應用航空工業(yè)的旋翼技術，成功地研制了一些小型風力發(fā)電裝置。這 種小型風力發(fā)電機，廣泛在多風的海島和偏僻的鄉(xiāng)村使用，它所獲得的電力成本 比小型內燃機的發(fā)電成本低得多。不過，當時的發(fā)電量較低，大都在5千瓦以下。 目前，據(jù)了解，國外已生產(chǎn)出15 , 40,45 , 100 , 225千瓦的風力發(fā)電機了。 1978年1月，美國在新墨西哥州的克萊頓鎮(zhèn)建成

5、的200千瓦風力發(fā)電機，其葉 片直徑為38米，發(fā)電量足夠60戶居民用電。而1978年初夏，在丹麥日德蘭半 島西海岸投入運行的風力發(fā)電裝置，其發(fā)電量則達2000千瓦，風車高57米， 所發(fā)電量的75%送入電網(wǎng)，其余供給附近的一所學校用。1979年上半年，美國在北卡羅來納州的藍嶺山，又建成了一座世界上最大的發(fā) 電用的風車。這個風車有十層樓高，風車鋼葉片的直徑60米；葉片安裝在一個 塔型建筑物上，因此風車可自由轉動并從任何一個方向獲得電力；風力時速在 38公里以上時，發(fā)電能力也可達2000千瓦。由于這個丘陵地區(qū)的平均風力時速 只有29公里，因此風車不能全部運動。據(jù)估計，即使全年只有一半時間運轉， 它就

6、能夠滿足北卡羅來納州七個縣1%到2%的用電需要。歷史 風很早就被人們利用-主要是通過風車來抽水、磨面.。現(xiàn)在，人們感興趣的， 首先是如何利用風來發(fā)電。風是一種潛力很大的新能源，人們也許還記得，十八世紀初，橫掃英法兩國的一 次狂暴大風，吹毀了四百座風力磨坊、八百座房屋、一百座教堂、四百多條帆船， 并有數(shù)千人受到傷害，二十五萬株大樹連根拔起。僅就拔樹一事而論，風在數(shù)秒 鐘內就發(fā)出了一千萬馬力（即750萬千瓦；一馬力等于0 . 75千瓦）的功率!有人 估計過，地球上可用來發(fā)電的風力資源約有100億千瓦，幾乎是現(xiàn)在全世界水 力發(fā)電量的10倍。目前全世界每年燃燒煤所獲得的能量，只有風力在一年內所 提供能

7、量的三分之一。因此，國內外都很重視利用風力來發(fā)電，開發(fā)新能源。原理把風的動能轉變成機械動能，再把機械能轉化為電力動能，這就是風力發(fā)電。風 力發(fā)電的原理，是利用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機將旋轉的速度提升， 來促使發(fā)電機發(fā)電。依據(jù)目前的風車技術，大約是每秒三米的微風速度（微風的 程度），便可以開始發(fā)電。風力發(fā)電正在世界上形成一股熱潮，因為風力發(fā)電不 需要使用燃料，也不會產(chǎn)生輻射或空氣污染。風力發(fā)電所需要的裝置，稱作風力發(fā)電機組。這種風力發(fā)電機組，大體上可分風 輪（包括尾舵）、發(fā)電機和鐵塔三部分。（大型風力發(fā)電站基本上沒有尾舵，一般 只有小型（包括家用型）才會擁有尾舵）風輪是把風的動能轉變?yōu)?/p>

8、機械能的重要部件，它由兩只（或更多只）螺旋槳形的葉 輪組成。當風吹向漿葉時，槳葉上產(chǎn)生氣動力驅動風輪轉動。槳葉的材料要求強 度高、重量輕，目前多用玻璃鋼或其它復合材料（如碳纖維）來制造。（現(xiàn)在還有 些垂直風輪，s型旋轉葉片等，其作用也與常規(guī)螺旋槳型葉片相同）由于風輪的轉速比較低，而且風力的大小和方向經(jīng)常變化著，這又使轉速不穩(wěn)定； 所以，在帶動發(fā)電機之前，還必須附加一個把轉速提高到發(fā)電機額定轉速的齒輪 變速箱，再加一個調速機構使轉速保持穩(wěn)定，然后再聯(lián)接到發(fā)電機上。為保持風 輪始終對準風向以獲得最大的功率，還需在風輪的后面裝一個類似風向標的尾 舵。鐵塔是支承風輪、尾舵和發(fā)電機的構架。它一般修建得比

9、較高，為的是獲得較大 的和較均勻的風力，又要有足夠的強度。鐵塔高度視地面障礙物對風速影響的情 況，以及風輪的直徑大小而定，一般在6-20米范圍內。發(fā)電機的作用，是把由風輪得到的恒定轉速，通過升速傳遞給發(fā)電機構均勻運轉， 因而把機械能轉變?yōu)殡娔?。風力發(fā)電在芬蘭、丹麥等國家很流行；中國也在西部地區(qū)大力提倡。小型風力發(fā) 電系統(tǒng)效率很高，但它不是只由一個發(fā)電機頭組成的，而是一個有一定科技含量 的小系統(tǒng)：風力發(fā)電機+充電器+數(shù)字逆變器。風力發(fā)電機由機頭、轉體、尾翼、 葉片組成。每一部分都很重要，各部分功能為：葉片用來接受風力并通過機頭轉 為電能；尾翼使葉片始終對著來風的方向從而獲得最大的風能；轉體能使機

10、頭靈 活地轉動以實現(xiàn)尾翼調整方向的功能；機頭的轉子是永磁體，定子繞組切割磁力 線產(chǎn)生電能。一般說來，三級風就有利用的價值。但從經(jīng)濟合理的角度出發(fā)，風速大于每秒4 米才適宜于發(fā)電。據(jù)測定，一臺55千瓦的風力發(fā)電機組，當風速為每秒9.5米 時，機組的輸出功率為55千瓦；當風速每秒8米時，功率為38千瓦；風速每 秒6米時，只有16千瓦；而風速每秒5米時，僅為9.5千瓦?？梢婏L力愈大， 經(jīng)濟效益也愈大。在我國，現(xiàn)在已有不少成功的中、小型風力發(fā)電裝置在運轉。我國的風力資源極為豐富，絕大多數(shù)地區(qū)的平均風速都在每秒3米以上，特別是 東北、西北、西南高原和沿海島嶼，平均風速更大；有的地方，一年三分之一以 上的

11、時間都是大風天。在這些地區(qū)，發(fā)展風力發(fā)電是很有前途的。風力發(fā)電的輸出風力發(fā)電機因風量不穩(wěn)定，故其輸出的是1325V變化的交流電，須經(jīng)充電器 整流，再對蓄電瓶充電，使風力發(fā)電機產(chǎn)生的電能變成化學能。然后用有保護電 路的逆變電源，把電瓶里的化學能轉變成交流220V市電，才能保證穩(wěn)定使用。 通常人們認為，風力發(fā)電的功率完全由風力發(fā)電機的功率決定，總想選購大一點 的風力發(fā)電機，而這是不正確的。目前的風力發(fā)電機只是給電瓶充電，而由電瓶 把電能貯存起來，人們最終使用電功率的大小與電瓶大小有更密切的關系。功率 的大小更主要取決于風量的大小，而不僅是機頭功率的大小。在內地，小的風力 發(fā)電機會比大的更合適。因為

12、它更容易被小風量帶動而發(fā)電，持續(xù)不斷的小風， 會比一時狂風更能供給較大的能量。當無風時人們還可以正常使用風力帶來的電 能，也就是說一臺200W風力發(fā)電機也可以通過大電瓶與逆變器的配合使用， 獲得500W甚至1000W乃至更大的功率輸出。使用風力發(fā)電機，就是源源不斷地把風能變成我們家庭使用的標準市電，其節(jié)約 的程度是明顯的，一個家庭一年的用電只需20元電瓶液的代價。而現(xiàn)在的風力 發(fā)電機比幾年前的性能有很大改進，以前只是在少數(shù)邊遠地區(qū)使用，風力發(fā)電機 接一個15W的燈泡直接用電，一明一暗并會經(jīng)常損壞燈泡。而現(xiàn)在由于技術進 步，采用先進的充電器、逆變器，風力發(fā)電成為有一定科技含量的小系統(tǒng)，并能 在一

13、定條件下代替正常的市電。山區(qū)可以借此系統(tǒng)做一個常年不花錢的路燈；高 速公路可用它做夜晚的路標燈；山區(qū)的孩子可以在日光燈下晚自習；城市小高層 樓頂也可用風力電機，這不但節(jié)約而且是真正綠色電源。家庭用風力發(fā)電機，不 但可以防止停電，而且還能增加生活情趣。在旅游景區(qū)、邊防、學校、部隊乃至 落后的山區(qū)，風力發(fā)電機正在成為人們的采購熱點。無線電愛好者可用自己的技 術在風力發(fā)電方面為山區(qū)人民服務，使人們看電視及照明用電與城市同步，也能 使自己勞動致富。種類概述盡管風力發(fā)電機多種多樣，但歸納起來可分為兩類：水平軸風力發(fā)電機，風輪 的旋轉軸與風向平行；垂直軸風力發(fā)電機，風輪的旋轉軸垂直于地面或者氣流 方向。水

14、平軸風力發(fā)電機水平軸風力發(fā)電機科分為升力型和阻力型兩類。升力型風力發(fā)電機旋轉速度快， 阻力型旋轉速度慢。對于風力發(fā)電，多采用升力型水平軸風力發(fā)電機。大多數(shù)水 平軸風力發(fā)電機具有對風裝置，能隨風向改變而轉動。對于小型風力發(fā)電機，這 種對風裝置采用尾舵，而對于大型的風力發(fā)電機，則利用風向傳感元件以及伺服 電機組成的傳動機構。風力機的風輪在塔架前面的稱為上風向風力機，風輪在塔架后面的則成為下風向 風機。水平軸風力發(fā)電機的式樣很多，有的具有反轉葉片的風輪，有的再一個塔 架上安裝多個風輪，以便在輸出功率一定的條件下減少塔架的成本，還有的水平 軸風力發(fā)電機在風輪周圍產(chǎn)生漩渦，集中氣流，增加氣流速度。垂直軸

15、風力發(fā)電機垂直軸風力發(fā)電機在風向改變的時候無需對風，在這點上相對于水平軸風力發(fā)電 機是一大優(yōu)勢，它不僅使結構設計簡化，而且也減少了風輪對風時的陀螺力。 利用阻力旋轉的垂直軸風力發(fā)電機有幾種類型，其中有利用平板和被子做成的風 輪，這是一種純阻力裝置；S型風車，具有部分升力，但主要還是阻力裝置。這 些裝置有較大的啟動力矩，但尖速比低，在風輪尺寸、重量和成本一定的情況下， 提供的功率輸出低。達里厄式風輪是法國G.J.M達里厄于19世紀30年代發(fā)明的。在20世紀70年代，加拿大國 家科學研究院對此進行了大量的研究，現(xiàn)在是水平軸風力發(fā)電機的主要競爭者。 達里厄式風輪是一種升力裝置，彎曲葉片的剖面是翼型，

16、它的啟動力矩低，但尖 速比可以很高，對于給定的風輪重量和成本，有較高的功率輸出?，F(xiàn)在有多種達 里厄式風力發(fā)電機，如型，型，Y型和H型等。這些風輪可以設計成單葉片， 雙葉片，三葉片或者多葉片。雙饋型發(fā)電機隨著電力電子技術的發(fā)展，雙饋型感應發(fā)電機(Double-Fed Induction Generator )在風能發(fā)電中的應用越來越廣。這種技術不過分依賴于蓄電池的容 量，而是從勵磁系統(tǒng)入手，對勵磁電流加以適當?shù)目刂?，從而達到輸出一個恒頻 電能的目的。雙饋感應發(fā)電機在結構上類似于異步發(fā)電機，但在勵磁上雙饋發(fā)電 機采用交流勵磁。我們知道一個脈振磁勢可以分解為兩個方向相反的旋轉磁勢， 而三相繞組的適當

17、安排可以使其中一個磁勢的效果消去，這樣一來就得到一個在 空間旋轉的磁勢，這就相當于同步發(fā)電機中帶有直流勵磁的轉子。雙饋發(fā)電機的 優(yōu)勢就在于，交流勵磁的頻率是可調的，這就是說旋轉勵磁磁動勢的頻率可調。 這樣當原動機的轉速不定時，適當調節(jié)勵磁電流的頻率，就可以滿足輸出恒頻電 能的目的。由于電力電子元器件的容量越來越大，所以雙饋發(fā)電機組的勵磁系統(tǒng) 調節(jié)能力也越來越強，這使得雙饋機的單機容量得以提高。雖然，部分理論還在 完善當中，但是雙饋反應發(fā)電機的廣泛應用這一趨勢將越來越明顯。風力發(fā)電原理圖風力發(fā)電原理圖內紛紛上馬的風力發(fā)電廠大多是形象工程。工信部副部長苗圩近日語出驚人，他 認為中國風沙伴存，風電設

18、備受風沙磨損大，上馬太多風電項目不合我國國情。苗圩說，國外有風地方?jīng)]有沙，比如說是海洋風。苗圩說：中國是有風的地方就 有沙，風沙對風力發(fā)電設備磨損非常厲害?，F(xiàn)在風能發(fā)電風機應該是20年的壽 命，但是如果有風沙的侵蝕壽命還到不了 20年。再過5年，壽命肯定要出問題， 特別是甘肅那個千萬千瓦級的風力發(fā)電站典型的形象工程。就此話題，苗圩表示， 能源布局的重點，應該是供給端和使用端要做到平衡。而現(xiàn)狀是高級能源拉著低 級能源運轉。苗圩舉例說，湖北本來水電是優(yōu)勢，三峽的電應該更多留在湖北用， 這是最好的清潔能源。但是現(xiàn)在卻把湖北的電運到東部區(qū)，湖北再從周邊買煤運 到湖北，引發(fā)一連串的效應，河南就不夠用了，

19、就再到山西、山東甚至到新疆去 運煤。進行全國大旅行，全國鐵路貨運一半用來運送煤炭。這是多大的物流成本， 多大的浪費。據(jù)報道，甘肅酒泉千萬千瓦級風電基地于2008年8月全面啟動， 標志著中國正式步入了打造風電三峽工程階段。據(jù)氣象部門最新風能評估結果表 明，酒泉風能資源總儲量為1.5億千瓦，可開發(fā)量4000萬千瓦以上，可利用面 積近1萬平方公里。馬格努斯效應風輪 馬格努斯效應風輪，由自旋的圓柱體組成，當它在氣流中工作時，產(chǎn)生的移動力 是由于馬格努斯效應引起的，其大小與風速成正比。有的垂直軸風輪使用管道或 者漩渦發(fā)生器塔，通過套管或者擴壓器使水平氣流變成垂直氣流，以增加速度， 偶寫還利用太陽能或者燃

20、燒某種燃料，是水平氣流變成垂直方向的氣流。徑流雙輪效應風輪 徑流雙輪效應或叫雙輪效應是一種新型風能轉化方式。首先它是一種雙輪結構，相對于水平軸流式風機，它是徑流式的，同已有的立軸 式風機一樣都是沿長軸布設槳葉的，直接利用風的推力旋轉工作的，單輪立軸風 輪因軸兩側槳葉同時接受風力而扭矩相反，相互抵消，輸出力矩不大。設計為雙 輪結構并靠近安裝，同步運轉，就將原來的立軸力矩輸出對槳葉流體力學形狀的 依賴進而改變?yōu)殡p輪間的利用轉動產(chǎn)生渦流力的利用，兩輪相互借力，相互推動； 而對吹向兩輪間的逆向風流可以互相遮擋，進而又依次輪流將其分撥于兩輪的外 側，使兩輪外側獲得有疊加的風流，因此使雙輪的外緣線速度可以

21、高于風速，雙 輪結構的這種互相助力，主動利用風力的特點產(chǎn)生了“雙輪效應。相比有些單輪式結構風機中采用外加的遮擋法、活動式變槳矩等被動式減少葉輪 回轉復位阻力的設計，體現(xiàn)了積極利用風力的特點。因此這一發(fā)明的不僅具有實 用作用，促進風力利用的研究和發(fā)展，而且具有新的流體力學方面的意義。它開 辟了風能發(fā)展的新空間，是一項帶有基礎性質的發(fā)明，這種雙輪風機具有的設計 簡捷，易于制造加工，轉數(shù)較低，重心下降，安全性好，運行成本低，維護容易， 無噪音污染等明顯特點，可以廣泛普及推廣，適應中國節(jié)能減排需求，大有市場 前景。檢測方風力機運行狀態(tài)的監(jiān)控.單個風電機組的信息，風電機組轉子，傳動鏈，發(fā)電機，變換器，變

22、壓器， 艙室，偏航系統(tǒng)，塔架，氣象站狀態(tài)監(jiān)控。3.風速，風向，葉輪轉速，電網(wǎng)頻率，三相電壓，三相電流，發(fā)電機繞組溫 度，環(huán)境溫度，機艙溫度，出力等監(jiān)控！4.保證風電廠數(shù)據(jù)的實時性和可靠性。實時調整風能的最優(yōu)性，實現(xiàn)風電綠 色能源，滿足國家電力系統(tǒng)二次防護要求。優(yōu)缺點優(yōu)點 1、清潔，環(huán)境效益好； 2、可再生，永不枯竭； 3、基建周期短； 4、裝機規(guī)模靈活。缺點1、噪聲，視覺污染；2、占用大片土地；3、不穩(wěn)定，不可控；4、目前成本仍然很高。5、影響鳥類。風能市場市場狀況風能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。其蘊量巨大，全 球的風能約為2.74X109MW ,其中可利用的風能為2X

23、107MW，比地球上可開發(fā) 利用的水能總量還要大10倍。中國風能儲量很大、分布面廣，僅陸地上的風能 儲量就有約2.53億千瓦。隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展，風能市場也迅速發(fā)展起來。自2004年以來，全球風力發(fā) 電能力翻了一番，2006年至2007年間，全球風能發(fā)電裝機容量擴大27%。2007 年已有9萬兆瓦，這一數(shù)字到2010年將是16萬兆瓦。預計未來20-25年內， 世界風能市場每年將遞增25%。隨著技術進步和環(huán)保事業(yè)的發(fā)展，風能發(fā)電在 商業(yè)上將完全可以與燃煤發(fā)電競爭。中國市場“十五”期間，中國的并網(wǎng)風電得到迅速發(fā)展。2006年，中國風電累計裝機容量 已經(jīng)達到260萬千瓦，成為繼歐洲、美國和印度之后發(fā)

24、展風力發(fā)電的主要市場 之一。2007年我國風電產(chǎn)業(yè)規(guī)模延續(xù)暴發(fā)式增長態(tài)勢，截至2007年底全國累 計裝機約600萬千瓦。2008年8月，中國風電裝機總量已經(jīng)達到700萬千瓦， 占中國發(fā)電總裝機容量的1%，位居世界第五，這也意味著中國已進入可再生能 源大國行列。2008年以來，國內風電建設的熱潮達到了白熱化的程度。2009年，中國（不含 臺灣地區(qū)）新增風電機組10129臺，容量13803.2MW，同比增長124% ;累計 安裝風電機組21581臺，容量25805.3MW。2009年，臺灣地區(qū)新增風電機組37臺，容量77.9MW ;累計安裝風電機組227臺，容量436.05MW。區(qū)域發(fā)展從各地區(qū)發(fā)

25、展來看，截止到2009年12月31日，中國風電累計裝機超過1000MW 的省份超過9個，其中超過2000MW的省份4個，分別為內蒙古（9196.2MW） 河北（2788.1MW X 遼寧（2425.3MW）和吉林（2063.9MW）內蒙古 2009 年當年新增裝機5545.2MW，累計裝機9196.2MW，實現(xiàn)150%的大幅度增長。?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）和地 區(qū)2008年累 計2009 新 增2009年累 計內蒙古3650.995545.179196.16河北1107.71680.42788.1遼寧1224.261201.052425.31吉林1066.46997.42063.86黑龍江836.3823.451659.75山東562.2