風力發(fā)電知識入門

風力發(fā)電知識入門目錄1.風和風能2.風力資源3.風能轉(zhuǎn)換基本原理4.風力機的種類5.風力發(fā)電機組6.國際風電市場現(xiàn)狀7.我國的風能發(fā)展現(xiàn)狀1風和風能1.1風的特性1.2風能和風能密度1.3風速等級表1.4風向和風頻1.5風速頻率1.6風的測量1.1風的特性風的方向不定、大小多變風速隨高度的變化而變化

風隨季節(jié)的變化而變化風隨日夜的變化而變化風隨地形的變化而變化。（風特性參數(shù)）1.2風能和風能密度?風能：空氣運動的動能稱為“風能”,風能的計算公式為：

E＝0.5ρsV3

式中:E－風能（W）

ρ－空氣密度（kg/m3）

S－氣流截面積（m2)V－風速（m/s)?

風能密度：單位時間內(nèi)通過單位面積的風能

W＝0.5ρV3?有效風能密度：指風機可利用的風速范圍內(nèi)的風能密度（對應(yīng)的風速范圍大約是3～25m/s)

風力等級風速（m/s）風力等級

風速（m/s）00.0～0.2920.8～24.410.3～1.51024.5～28.421.6～3.31128.5～32.633.4～5.41232.7～36.945.5～7.91337.0～41.458.0～10.71441.5～46.1610.8～13.81546.2～50.9713.9～17.11651.0～56.0817.2～20.71756.1～61.21.3風速等級表1.4風向和風頻通常把風吹來的地平方向定為風的方向，在陸地上一般用16個方位來表示不同的風向。風頻是指風向的頻率，即在一定時間內(nèi)某風向出現(xiàn)的次數(shù)占各風向出現(xiàn)次數(shù)的百分比。

風向方位圖風向玫瑰圖

風速頻率是指一定時間內(nèi)某風速時數(shù)占各風速出現(xiàn)總時數(shù)的百分比。利用風速頻率分布可以計算出某一地區(qū)單位面積上全年的風能。1.5

風速頻率風速頻率分布曲線

初步選定風電場之后，要進行1～2年的測風。測風的主要目的是正確估計該地區(qū)可利用風能的大小,為裝備風力機提供風能依據(jù)。風的測量主要包括風向測量和風速測量兩項.

測風高度一般為10m、30m、50m、70m。從測量數(shù)據(jù)中整理出每分鐘（或每小時）的平均風速和最多風向，并選取日最大風速（10min平均）和極大風速（瞬時）以及對應(yīng)的風向和出現(xiàn)的時間。對影響風機出力和安全其它氣象數(shù)據(jù)（如氣溫、氣壓、濕度、太陽輻射、雨、冰雹、冰雪）以及特殊氣象情況（如臺風、雷電、沙暴、鹽霧、冰凍期等）有測量和統(tǒng)計。1.6風的測量2.風力資源

太陽輻射到地球的熱能中有約2％被轉(zhuǎn)變成風能，全球大氣中總的風能量約為1014MW（10億億千瓦）。其中可被開發(fā)利用的風能理論值約有3.5×109MW（3.5萬億千瓦），比世界上可利用的水能大10倍。·

陸上約有2.53億千瓦

(年電量5000億千瓦時)·

海上約有7.5億千瓦·

合計約10億千瓦

據(jù)中國氣象科學院預測，我國經(jīng)濟可開發(fā)風能資源為：2.1中國風力資源

2.1.1我國陸上風能分布圖2.1.2我國近海風力資源2.1.3我國各省區(qū)風能經(jīng)濟可開發(fā)儲量省區(qū)風能儲量省區(qū)風能儲量省區(qū)風能儲量內(nèi)蒙6,177.5山東393.6湖北192.7西藏3,993.0山西387.1廣西168.1新疆3,433.0河南367.5浙江163.5青海2,421.4云南366.6寧夏148.4黑龍江1,722.8江西292.9福建137.2甘肅1,143.0安徽250.5貴州100.6吉林637.5湖南246.5臺灣104.8河北611.9江蘇237.6海南64.0遼寧605.8陜西234.2四川435.8廣東195.0全國合計25,300.0單位：萬千瓦

如果將一塊薄板放在氣流中，則在沿氣流方向?qū)a(chǎn)生一正面阻力FD和一垂直于氣流方向的升力FL，其值分別由下式確定：

FD=0.5CdρSV2FL=0.5CLρSV2

式中：CD－阻力系數(shù)

CL－升力系數(shù)

S－薄板的面積

ρ－空氣的密度

V

－氣流速度如果把薄片當作葉片，將其裝在輪轂上組成風輪，那么風的作用力就會使風輪轉(zhuǎn)動。由作用于葉片上的阻力FD而使其轉(zhuǎn)動的風輪，稱為阻力型風輪；而由升力FL而使其轉(zhuǎn)動的風輪，稱為升力型風輪。

現(xiàn)代風力機絕大多數(shù)采用升力型風輪。3

風能轉(zhuǎn)換基本原理升力型風輪旋轉(zhuǎn)中心線阻力型風輪旋轉(zhuǎn)中心線4風力機的發(fā)展歷程及種類（1）風能的利用及

發(fā)展歷程

古代風車－－－磨碎糧食和提水帆船－－－利用風力提供航行動力13世紀起，水平軸風車在農(nóng)村的運用和作用近代廉價化石能源的發(fā)現(xiàn)與使用以及農(nóng)村電氣化的實現(xiàn)，導致風車逐漸退出了歷史舞臺。圖片分割線——————————————————————直到1973年的石油價格上漲導致西方國家出現(xiàn)的“石油危機”，在此之前的風力機多是科學試驗形式的，在此之后，政府開始資助一系列重大項目的發(fā)展和研究，并開始建造一系列示范風力發(fā)電機組。自此，風力發(fā)電的理論和技術(shù)開始逐步完善和發(fā)展，然而在一段時期以內(nèi)，葉片數(shù)目的選擇仍然不明確，單葉片、雙葉片以及三葉片的大型風力發(fā)電機組始終處于并存狀態(tài)。

4風力機的發(fā)展歷程及種類（2）風力機的分類根據(jù)不同的分類方法風力機可分為：

?按風輪軸線的方向可分為水平軸式和垂直軸式

?按風輪的位置可分為上風式和下風式

?按葉片的數(shù)目可分為單片式、雙片式、三片式、四片式和多片式

?按葉片的型式分為螺旋槳型、H型、S型和達里厄型等

?按風能轉(zhuǎn)換的原理可分為升力型和阻力型。風力發(fā)電所采用的風力機，水平軸式升力型的占絕大多數(shù)，達98％以上。4.1水平軸風力機

風輪軸基本上平行于風向的風力機稱為水平軸風力機，它一般由風輪、增速器、偏航裝置、發(fā)電機等組成，大中型的風力機還有自動控制系統(tǒng)，兆瓦級機組還普遍采用變槳距技術(shù)。部分先進的大功率風力機還采用變速衡頻發(fā)電技術(shù)。水平軸風力機的形式如左圖所示：水平軸風力機

風輪軸垂直的風力機稱為垂直軸風機。這類風力透平的形式也很多，如S型、H型、Ф

型等。雖然目前還沒有大量商品化，但它有許多特點，如不需要塔架、發(fā)電機可安裝在地面上、維修方便及葉片制造方便等。4.2垂直軸風力機垂直軸風力機

風力發(fā)電機組是將風能轉(zhuǎn)換為電能的機械、電氣及其控制設(shè)備的組合、通常包括風輪、變速器、發(fā)電機及控制器等。風力發(fā)電機組的單機容量范圍在幾十千瓦～幾兆瓦。發(fā)電機齒輪箱輪轂偏航驅(qū)動

偏航軸承主軸軸承制動器

機艙罩輪轂罩5.風力發(fā)電機組5.1風力發(fā)電機組的等級

風力發(fā)電機組的等級取決于風速和湍流參數(shù)，風力發(fā)電機組等級的基本參數(shù)見表：(源于GB18451.1－2001等同于IEC61400-11999）WTGS等級ⅠⅡⅢⅣSVref(m/s)5042.537.530由設(shè)計者規(guī)定各參數(shù)Vave(m/s)108.57.56AI15(-)a(-)0.180.180.180.182222BI15(-)a(-)0.160.160.160.163333表中：（各參數(shù)適用于輪轂高）

A－表示較高的湍流特性級I15－湍流強度15m/s時特性值

B－表示較低的湍流特性級a–

斜度參數(shù)（more)5.2

風力發(fā)電機組容量的發(fā)展歷程5.3風能利用系數(shù)Cp

風能利用系數(shù)的物理意義是風力機的風輪能夠從自然風能中吸取能量與風輪掃過面積內(nèi)氣流所具風能的百分比。風能利用系數(shù)Cp可用下式表示：

Cp=P/0.5ρSV3

P—風力機實際獲得的軸功率（W）

ρ—空氣密度（kg/m3）

S—風輪旋掃面積（m2）

V—上游風速（m/s）

(貝茨理論)5.4

葉尖速比λ

為了表示風輪運行速度的快慢常用葉片的葉尖圓周速度與來流的風速之比來描述，稱為葉尖速比λ

λ=2πrn/V（=ωr/V）

式中n－風輪的轉(zhuǎn)速（1/s）

r－葉尖的半徑（m）

V－上游風速（m/s）

ω－風輪旋轉(zhuǎn)角速度（rad/s）

葉尖速比的變化會改變氣流進入葉片的攻角，對風力機效率的影響很明顯。

(Moreinformation)

5.5風力發(fā)電機組常用術(shù)語1.切入風速9.垂直軸風力機2.額定風速10.輪轂3.切出風速11.機艙4.極端風速12.偏航5.額定功率13.鎖定6.下風向14.槳距角7.上風向15.掃掠面積8.水平軸風力機16.輪轂高度（詳細）1.定槳距風力發(fā)電機組葉片槳角固定的風力發(fā)電機組稱為定槳距風力發(fā)電機組。結(jié)構(gòu)簡單、容量從數(shù)十千瓦到兆瓦級、性能可靠,但效率較低。2.變槳距風力發(fā)電機組葉片槳角在一定范圍（一般0o～90o)內(nèi)變化的風力發(fā)電機組稱為變槳距風力發(fā)電機組。效率較高。兆瓦級及以上機組多采用此類機組。5.6定漿距和變槳距風力發(fā)電機組1.定槳距機組：失速控制葉尖干擾器控制采用雙速發(fā)電機2.變槳距機組：變槳控制低于額定風速時通過變槳提高效率，高于額定風速時通過變槳限制功率。5.6.1定槳距和變槳距風力發(fā)電機組

功率控制方法5.6.2變槳控制的優(yōu)點風速低于額定風速時，可通過改變?nèi)~片槳角提高風機效率。2.風速高于額定風速時，可通過改變?nèi)~片槳角限制風機功率，使其在額定功率下運行。3.停機時使葉片處于順槳狀態(tài)，以保護葉片和設(shè)備的安全。4.可使風機年平均發(fā)電量增加10％以上。（比較）液壓驅(qū)動電力驅(qū)動5.6.3變槳驅(qū)動方式（詳細）5.7定速運行和變速運行定速運行機組的運行轉(zhuǎn)速恒定，結(jié)構(gòu)簡單，造價較低。但效率較低。變速運行機組的運行轉(zhuǎn)速隨風速的變化而變化，采用變速運行－恒頻輸出技術(shù)，效率較高。但結(jié)構(gòu)較復雜，造價較高。用于兆瓦級以上機組，其性價比優(yōu)于定速運行機組。1.系統(tǒng)效率高變轉(zhuǎn)速運行可以使風力機以最佳葉尖速比運行,提高了風力機的運行效率,與變槳恒速運行機組相比,年發(fā)電量可提高10%以上。2.能提高供電品質(zhì)陣風時風輪轉(zhuǎn)速增加，把風能余量存儲在風輪轉(zhuǎn)動的動能中，隨后通過對葉片槳距的調(diào)節(jié)使其緩慢減速，將風輪動能緩慢釋放出來變?yōu)殡娔茌斔徒o電網(wǎng)，可減少對電網(wǎng)的沖擊。3.使槳角調(diào)節(jié)簡單化。低于額定風速時,槳角固定；高風速時,調(diào)節(jié)槳角限制輸出功率。4.環(huán)保效果好低風速時,風輪處于低轉(zhuǎn)速運行狀態(tài),使噪聲降低。也不易引起視覺疲勞。

5.7.1變速運行的優(yōu)點(moreinformation)鼠籠轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機＋全功率變頻器。(b)繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機+外接可變轉(zhuǎn)子電阻。調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率，實現(xiàn)變速運行衡頻輸出。(c)雙饋異步發(fā)電機＋部分功率變頻器。(d)永磁同步發(fā)電機（直驅(qū)式）＋全功率變頻器5.7.2變速恒頻技術(shù)（more）5.7.3雙饋異步發(fā)電機系統(tǒng)

雙饋發(fā)電技術(shù)是先進的變速衡頻發(fā)電技術(shù)，采用三相交流勵磁，通過變頻器改變勵磁電流的頻率來調(diào)整輸出電力的頻率，實現(xiàn)變速運行、衡頻輸出，要求控制精度高，控制計算較復雜。（more）5.8

驅(qū)動鏈形式有齒輪箱直驅(qū)式（無齒輪箱）半直驅(qū)式（有一級齒輪箱）（詳細）5.9風力發(fā)電機組樣機測試

風力發(fā)電機組新的機型通常需要通過船級社的認證，現(xiàn)場測試是其中的一個重要環(huán)節(jié)。風力發(fā)電機組現(xiàn)場測試的內(nèi)容包括功率性能（功率曲線）測試和機械載荷測試兩項。風機測試按照下列標準進行：

IEC61400－風力發(fā)電機組

-part12:風力發(fā)電機組功率性能測試

-part13:機械載荷測試

（詳細）5.10.1風力發(fā)電場的選址5.10.2風力發(fā)電場機組的排布5.10.3風力發(fā)電場的容量系數(shù)5.10.4風力發(fā)電機組的安裝和調(diào)試5.10風力發(fā)電場風電場場址選擇要求很嚴格，主要依據(jù)是：該地區(qū)的年平均風速在6m/s以上，且盛行風向穩(wěn)定。在預選場址內(nèi)進行1年以上的測風，獲取風速、風向及風速沿高度的變化等數(shù)據(jù)。對影響風機出力和安全其它氣象數(shù)據(jù)（如氣溫、氣壓、濕度、太陽輻射、雨、冰雹、冰雪）以及特殊氣象情況（如臺風、雷電、沙暴、鹽霧、冰凍期等）有測量和統(tǒng)計。地區(qū)內(nèi)的地形、地貌、障礙物有詳細資料。距公路和電力網(wǎng)應(yīng)較近，以便降低設(shè)備運輸成本和接入電網(wǎng)的工程費用。6.場址應(yīng)距居民點有一定的距離，以避免噪音的影響。5.10.1風力發(fā)電場的選址5.10.2風力發(fā)電場機組的排布

風電場的排布主要考慮地形、地貌以及風電機組之間尾流的影響，以獲得最大的發(fā)電量。由于受尾流影響，行距≤10倍風輪直徑的風電場配置中應(yīng)考慮通過風輪后尾流的相互作用對風力機的相互影響。考慮整個風場風能的利用率，在主風向非常明顯的地區(qū)，機組排列可以與主導風向垂直，平行交錯布置，行距一般為風輪直徑的5～9倍，列距一般為風輪直徑的3～5倍。在主風向不明顯的地區(qū)采用田字形排列，其行距和列距通常都取10～12倍風輪直徑或更大。由于風電場的地形、地貌以及障礙物等因素的影響，實際風電場的微觀選址較為復雜，需要在專用計算機軟件幫助下，求得最佳的排布方案。（圖片）

風電場容量系數(shù)是衡量發(fā)電場經(jīng)濟效益的重要指標，計算方法是：

容量系數(shù)（Cf)

＝整個風電場的容量系數(shù)為各臺風力發(fā)電機組容量系數(shù)的平均值，一般應(yīng)在0.25以上。即風力發(fā)電機組全年的發(fā)電量折算成滿負荷運行時數(shù)至少應(yīng)在2000小時以上。5.10.3風力發(fā)電場的容量系數(shù)

風力發(fā)電機組安裝工作量較小，單機安裝調(diào)試僅需約一周，主要工作包括部件吊裝、內(nèi)部線路連接和機組系統(tǒng)調(diào)試幾個部分。其最大難度在吊裝。風力發(fā)電機組主要由塔架、機艙和風輪三大部分組成，安裝方式主要采用大噸位吊車完成塔架的豎立、機艙吊裝、風輪的對接等工作。（Morepicture）（DV）5.10.4風力發(fā)電機組的安裝和調(diào)試風電技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢國際風電市場繼續(xù)高速增長近海風電進入商業(yè)化階段6.國際風電市場現(xiàn)狀風力發(fā)電技術(shù)主要分為風能資源評估與預測、風力發(fā)電裝備制造技術(shù)、風電機組測試、近海風電技術(shù)、風電對公共電網(wǎng)的影響、電網(wǎng)建設(shè)等。風電機組的技術(shù)沿著增大單機容量、采用新技術(shù)、減輕單位千瓦重量、提高轉(zhuǎn)換效率、降低成本的方向發(fā)展。目前最大的風電機組是由德國Repower公司生產(chǎn)的，容量為5MW，葉輪直徑達126m，掃掠面積達到12000m2,輪轂高度為120m。預計2010年開發(fā)出10MW的風電機組。提高風力發(fā)電機組的單機容量，是世界風電發(fā)展的趨勢，兆瓦級機組的市場份額1997年以前還不到10%，2001年則超過一半，2003年達到71.4%。6.1國際風電技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢6.2國際風電市場繼續(xù)高速增長2004年新增裝機容量約832萬千瓦，1996年到2004年八年的平均增長率約為30%。2004年底全球累計裝機容量達到4762萬千瓦，現(xiàn)在已超過5000萬千瓦，風電電量已經(jīng)占到世界總電量的0.5%。海上風電進展較緩慢，還有一些技術(shù)問題需要解決，成本較高。德國和丹麥市場萎縮，美國市場爆炸，風電機組零部件供不應(yīng)求，價格上揚，對國內(nèi)的影響是目前外商顧不上中國市場，有利于國內(nèi)企業(yè)發(fā)展。估計2007年以后美國市場將下滑，國內(nèi)企業(yè)若仍沒有跟上來，則要受到擠壓。排名2004年2005年2006年1德國1662.8德國1842.8德國2062.02西班牙826.3西班牙