第十一講風能及其利用

第十一講風能及其利用2021/10/10星期日1內容一、風能的概念二、世界風能的發(fā)展歷史三、世界風力發(fā)電現狀四、我國風力發(fā)電現狀五、風力發(fā)電設備六、風力發(fā)電產業(yè)介紹2021/10/10星期日2一、風能的概念1、風的形成

太陽輻射造成地球表面受熱不均，引起大氣層中壓力分布不均，在不均壓力作用下，空氣沿水平方向運動就形成風。

風是一個矢量，既有大小又有方向。

描述風況的兩個參數：風向、風速地球表面風的形成和風向2021/10/10星期日3

山谷風

海陸風

季風:隨季節(jié)轉換的風谷風：由于熱力原因引起的白天由谷地吹向平原或山坡山風：夜間由平原或山坡吹向谷地陸風：晚上陸風吹向海上海風：在沿海地區(qū)，白天由于陸地與海洋的溫度差而形成海風吹向陸地2021/10/10星期日42、風的特性(1)風隨時間的變化

風的日變化

地面上是夜間風弱，白天風強；高空中卻是夜里風強，白天風弱。在沿海地區(qū)，白天產生海風，夜晚產生陸風。

風的季節(jié)變化

由于在不同的季節(jié)，太陽和地球的相對位置不同，使地球上存在季節(jié)性溫度變化，因此，風也會產生季節(jié)性變化規(guī)律。季節(jié)性變化2021/10/10星期日5(2)風的隨機性變化

日變化典型的不同地點的風速日變化曲線

紊流

紊流主要是由于氣流與地面的摩擦而產生的。8min內風速風向隨時間的瞬時變化過程2021/10/10星期日63.風速的描述風力等級風的名稱陸地地面物的征象相應風速（km/h）(m/s)0無風大氣穩(wěn)靜，炊煙直上<10~0.21軟風煙隨風飄動，風向可辨，但風標不動1~50.3~1.52輕風臉有風感，樹葉動，風標也動6~111.6~3.33微風樹葉和細枝搖動，小旗展開12~193.4~5.44和風塵沙刮起，紙片飛舞，小樹枝搖動20~285.5~7.95清風有小樹搖動，池塘、沼澤水面掀起浪花29~388.0~10.76強風大樹搖動，電線鳴叫，舉傘困難39~4910.8~13.87疾風樹身搖動，頂風行走極為困難50~6113.9~17.12021/10/10星期日78大風小樹枝折斷，頂風行走極為困難62~7417.2~20.79烈風房屋發(fā)生輕微損毀（煙囪倒塌，房屋瓦片揭掉）75~8820.8~24.410狂風陸地少見，樹木連根拔起，建筑物嚴重破壞89~10224.5~28.411暴風陸地極少，一旦發(fā)生必有重大損毀103~11728.5~32.612颶風陸地絕不，其摧毀力極大>117>32.62021/10/10星期日84.風能資源地球風能約為2.74×109MW可利用風能為2×107MW，是地球水能的十倍只要利用上地球1%的風能就能滿足全球能源的需要降低成本，提高產出，是普及風能發(fā)電必須克服的障礙2021/10/10星期日9

風能密度通過截面積的風所含的能量，常以W/m2表示。風能密度與空氣密度有直接關系一般，海邊地勢地，氣壓高，空氣密度大，風能密度就高。高山氣壓低，空氣稀薄，風能密度就小些。如果高山風速大、氣溫低仍有相當大的風能潛力。2021/10/10星期日10我國探明風能理論儲量為32.26億KW可發(fā)利用為2.53億KW，近?？衫蔑L能7.5億KW東南沿海是最大風能資源區(qū)，風能密度為200W/M2～300W/M2大于6m/s的風速時間，全年3000h以上就可取得較大經濟利潤效益2021/10/10星期日11風能資源豐富的地區(qū)主要分布在西北、華北和東北的草原和戈壁，以及東部和東南沿海及島嶼西部地區(qū)的風能資源占全國風能資源的50%以上甘肅省實際可開發(fā)的風能儲量為1143萬kW青海省為2421萬kW新疆維吾爾自治區(qū)為3433萬kW內蒙古自治區(qū)為6178萬kW。云南省和西藏自治區(qū)也有很多地區(qū)可以利用風能。2021/10/10星期日12中國有效風能密度分布2021/10/10星期日13我國風能資源區(qū)劃風能豐富區(qū)東南沿海、山東半島、遼東半島三北地區(qū)松花江下游區(qū)風能較豐富區(qū)東南沿海內陸和渤海沿海區(qū)三北的南部區(qū)青藏高原風能可利用區(qū)兩廣沿海區(qū)大小興安嶺地區(qū)中部地區(qū)風能貧乏區(qū)川云貴和南嶺山地區(qū)雅魯藏布江和昌都區(qū)塔里木盆地西部區(qū)2021/10/10星期日14二、世界風能的發(fā)展歷史

人類開發(fā)利用風能的歷史風帆助航、風力發(fā)電、風車提水風電路燈微型風力發(fā)電機風車2021/10/10星期日1512世紀風車從中東傳入歐洲。16世紀，荷蘭人利用風車排水、與海爭地，在低洼的海灘上建國立業(yè)。在蒸汽機出現之前，風力機械是動力機械的一大支柱，但因競爭不過蒸汽機、內燃機等而被淘汰。19世紀丹麥人首先研制了風力發(fā)電機。1891年，丹麥建成世界第一座風力發(fā)電站。20世紀70年代后，風力發(fā)電蓬勃發(fā)展。21世紀中葉，風能成為世界能源供應的支柱之一。1.歐洲利用風能的歷史2021/10/10星期日163000年前的商代：開始出現帆船唐代：“乘風破浪會有時，直掛云帆濟滄?！泵鞔亨嵑拖挛餮竺鞔螅核螒恰短旃ら_物》有：“揚郡以風帆數扇，俟風轉車，風息則止”方以智著的《物理小識》有：“用風帆六幅，車水灌田，淮陽海皆為之”中國沿海沿江地區(qū)的風帆船和用風力提水灌溉或制鹽的做法，一直延續(xù)到20世紀50年代2.我國利用風能的歷史2021/10/10星期日173.積極開發(fā)風能的國家風能開發(fā)積極的國家主要有兩類第一類是德、美等歐美國家，為保護環(huán)境降低二氧化碳排放量，在考慮環(huán)境成本的基礎上，愿意花錢利用風能第二類是發(fā)展中國家，如印度、中國等，主要是因為缺電，愿意利用風能。但這類市場有賴于政府支持2021/10/10星期日18

中國風能發(fā)展需要制度創(chuàng)新中國風力資源豐富，但風電發(fā)展落后原因：缺乏透明、完整、可持續(xù)、有效力的風能政策和法律制度國家發(fā)改委制定的《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》指出：到2020年中國風電裝機容量將達到2000萬瓦，要實現這一目標需要制度創(chuàng)新2021/10/10星期日19三、世界風電發(fā)展狀況

世界風力發(fā)電持續(xù)快速發(fā)展根據世界風能協會（WWEA）統計，1996年世界風電總裝機容量為607萬KW，2007年為9385萬千瓦，2008年達到1.2億千瓦。08年世界當年風電裝機為2705萬千瓦，增速達到28.8％。2008年世界風力發(fā)電機組市場規(guī)模達到475億美元。2008年底全球1.2億千瓦的風電總裝機容量，意味著每年發(fā)電260TWh，可以減少二氧化碳排放1.58億噸。2021/10/10星期日201997年到2008年世界風力發(fā)電裝機2021/10/10星期日212003-2008年世界風力發(fā)電裝機容量前十位國家2021/10/10星期日222009-2030年世界風電裝機預測2021/10/10星期日232008年世界排名前十位的整機制造商2021/10/10星期日24美國世界上風力機裝機容量最多的國家，超過2X104MW，每年還以10％的速度增長瑞典、荷蘭、英國、丹麥、德國、日本、西班牙，制定了相應的風力發(fā)電計劃風力發(fā)電技術日趨受到世界各國的普遍重視。目前全世界風電裝機容量達到490萬千瓦，而且還在以年均60％的速度增長，反映了當今國際電力發(fā)展的一個新動向。2021/10/10星期日25預計２０２０年風電將進入每個歐洲家庭在整個歐洲創(chuàng)造300萬個工作機會重振衰退的工業(yè)和不景氣的行業(yè)創(chuàng)造幾百萬歐元的新能源市場使歐洲走上使用完全清潔能源供應系統之路，即安全、可靠和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供比煤電和核電更廉價的能源2021/10/10星期日26大型風力發(fā)電場2021/10/10星期日27MultibridM5000風力發(fā)電機組2021/10/10星期日28Repower5MW風力發(fā)電機組2021/10/10星期日29新S型垂直軸風力發(fā)電機2021/10/10星期日30新S型垂直軸風力發(fā)電機2021/10/10星期日31風箏風力發(fā)電機2021/10/10星期日32風箏風力發(fā)電機2021/10/10星期日33漁民船上的微型風力發(fā)電機2021/10/10星期日34小型風電機組2021/10/10星期日35風電路燈2021/10/10星期日36農田里的風機組2021/10/10星期日37

海上風力發(fā)電快速發(fā)展發(fā)展海上風電是國際上風電發(fā)展的一個方向。目前，海上風電技術日趨成熟，并開始進入規(guī)?；_發(fā)階段。至2006年止，世界海上風電總裝機容量已達80萬千瓦，主要集中在丹麥和英國。歐洲在開發(fā)海上風能方面依然走在世界前列。據專家預計，到2010年和2020年，歐洲海上風電總裝機容量將分別達到1000萬千瓦和7000萬千瓦。2021/10/10星期日381.5MW葉片海上風場運行2007年11月8日，由中海油投資的第一臺海上風力發(fā)電機組安裝運行，其中主機采用金風科技公司研發(fā)的1.5MW永磁直驅風力發(fā)電機組，葉片為HT34型葉片。2021/10/10星期日39海上發(fā)電2021/10/10星期日40海上風力發(fā)電快速發(fā)展2021/10/10星期日41

丹麥海灘風電場建設海上風電場2021/10/10星期日42海上風電場2021/10/10星期日43海上風電場2021/10/10星期日44四.我國風力發(fā)電現狀

2021/10/10星期日451.我國風力發(fā)電現狀2021/10/10星期日46（1）發(fā)展迅速，建設規(guī)模不斷擴大

我國的風力發(fā)電始于20世紀50年代后期1986年，在山東榮城建成了我國第一座并網運行的風電場到1990年已建成4座并網型風電場，總裝機容量為4.215MW，其最大單機容量為200kW。到1995年，全國共建成了5座并網型風電場，裝機總容量為36.1MW，最大單機容量為500kW。1996年后，風力發(fā)電進入了擴大建設規(guī)模的階段，最大單機容量為1500kW。據中國風能協會最新統計，2007年中國除臺灣省外新增風電機組3,144臺。2007年中國除臺灣省外累計風電機組6,458臺，裝機容量5,890MW。2021/10/10星期日47中國風力發(fā)電快速發(fā)展2021/10/10星期日48新疆達板城風電場2021/10/10星期日49廣東南澳風電場2021/10/10星期日50承德風電場2021/10/10星期日51

風電場圖片（內蒙輝騰西勒）2021/10/10星期日52中國風電市場將持續(xù)高速發(fā)展根據國家能源局最新規(guī)劃，2020年全國風力發(fā)電裝機將達到1億千瓦。從2009年到2020年國內新增風電裝機容量平均每年將達到740萬千瓦，投入風電場的資金將達到660億元—740億元，其中風機設備將達到444億元。國家能源局已規(guī)劃將在6個地區(qū)建設千萬千瓦級的風電場：甘肅酒泉1100萬千瓦；新疆哈密2000萬千瓦；內蒙西部2000萬千瓦；內蒙東部3000萬千瓦；河北1000萬千瓦；江蘇1000萬千瓦（含700萬海上風場）2021/10/10星期日53

（2）

國家及政府有關部門重視和支持風力發(fā)電

為了支持風力發(fā)電，原電力部制定了《風力發(fā)電場運行規(guī)程》電力行業(yè)標準，明確了風電上網及電價確定的原則2021/10/10星期日54

（3）專業(yè)隊伍和國產化水平逐漸提高

自20世紀70年代中、后期開始，我國真正進入了現代風力發(fā)電技術的研究和開發(fā)階段。同時也取得了明顯的社會效益和經濟效益，主要解決了邊遠無電地區(qū)的農、牧、漁民的用電問題。

經過多年的實踐，培養(yǎng)了一批專業(yè)的風電設計、開發(fā)建設和運行管理隊伍，為今后大規(guī)模發(fā)展風電創(chuàng)造了良好的條件。大型風電機組的制造技術我國已基本掌握，主要零部件國內都能自行制造，如發(fā)電機、齒輪箱和葉片等。2021/10/10星期日552.我國風力發(fā)電存在的問題

2021/10/10星期日56（1）

對風能資源勘察不夠全面

我國現有的風資源分布圖很粗，無法滿足現在風電場選址的要求，迫切需要進一步細化。2021/10/10星期日57（2）

風電設備和制造技術落后

我國風電建設遠遠落后于世界發(fā)展的主要原因是，沒有加大力度依靠國內雄厚的機電制造業(yè)基礎，吸收引進國外先進技術對風電成套設備進行自主開發(fā)。2021/10/10星期日58（3）

風電成本高

國內已經建成的微不足道的風電容量幾乎全部為進口的成套設備，導致風電場投資高、電價高，與火電、水電比，缺乏市場競爭能力。2021/10/10星期日59（4）

政策扶持力度不夠

風電開發(fā)前期投入巨大，而國內的風電項目缺乏正常的投融資渠道。由于長期給予風電的實際關注力度不夠，缺少對風電扶持的長期具體措施，與國外政府的扶持政策和取得的成效相比，存在著很大的差距。

2021/10/10星期日603.風力發(fā)電前景的建議

2021/10/10星期日61

（1）

做好風能資源的勘察

風資源的測定是發(fā)揮風電作用的前提基礎，因此將來應該在這方面增大投入，對我國實際的風資源在總體上有細致準確的了解，為政府和風電的決策者合理地規(guī)劃風電提供正確的指導。2021/10/10星期日62（2）

提高風電機組的制造技術

要提高我國風力發(fā)電應用的技術水平，需要不斷增進與發(fā)達國家的交流，學習其先進技術，只有清楚彼此差距，才能不斷提升我國的風電技術水平。提高風電技術也是降低風電成本和上網電價的關鍵所在。

2021/10/10星期日63（3）

依托政策發(fā)展風電

政策法規(guī)的出臺為風力發(fā)電的發(fā)展提供了制度上的支持，在具體的措施和規(guī)則上還要細化、規(guī)范、便于操作，使風電的發(fā)展穩(wěn)步，快速的發(fā)展起來。

2021/10/10星期日64五、風力發(fā)電設備2021/10/10星期日652021/10/10星期日662021/10/10星期日672021/10/10星期日68一、機艙2021/10/10星期日69

機艙座上覆蓋有機艙罩，材料是玻璃鋼，具有輕質高強的特點，有效地密封，以防止外界侵蝕，如雨、潮濕、鹽霧、風砂等。機艙上安裝有散熱器，用于齒輪箱和發(fā)電機的冷卻；同時，在機艙內還安裝有加熱器，使得風電機組在冬季寒冷的環(huán)境下，機艙內保持在10℃以上的溫度。2021/10/10星期日70二、葉片2021/10/10星期日71葉片結構選用材料主要材料由玻璃纖維增強塑料（GRP）、碳纖維增強塑料（CFRP）、木材、鋼和鋁等；對于大型風電機組來說，主要考慮葉片剛度、固有特性和經濟性，目前世界上絕大多數葉片都采用復合材料制造，即GRP或CFRP。主要優(yōu)點是輕質高強、易成型、抗腐蝕、維修方便等。2021/10/10星期日72復合材料葉片成型工藝目前國際上多采用玻璃纖維增強塑料，成型工藝有手工濕法成型、真空輔助注膠成型和手工預浸布鋪層等。碳纖維復合材料強度高、重量輕，但是其價格昂貴，經濟性差，一般在2MW米以上機組的葉片中使用，2MW以下的機組葉片使用很少。2021/10/10星期日73葉片剖面結構LM葉片Vastas葉片2021/10/10星期日742021/10/10星期日75三、主軸/主軸承座/軸承主軸的作用在于將轉子葉片上的旋轉力矩傳到齒輪箱上，主軸與齒輪箱的連接大多采用脹緊式聯軸器，這樣可保證主軸與齒輪箱同心，在運行中免于維護。主軸上堅固的三點懸掛支撐，能夠很好地吸收彎矩，降低齒輪箱輸入軸的徑向負載。有些風電機組采用雙軸承的結構設計，目的在于減少由于風作用于葉片而引起的軸向推力，以及消除風電機組運行時齒輪箱低速軸側的俯仰力矩，改善齒輪箱運行環(huán)境，避免近年來，世界范圍出現的齒輪箱行星輪系軸斷裂問題。兩個主軸承選用雙列向心推力滾子軸承，還可以吸收大部分的來自風輪的軸向推力，進而，降低齒輪箱輸入軸的軸向負載。2021/10/10星期日76四、齒輪箱600kW以下風電機組多為平行軸結構，大于600kW的風電機組基本是采用行星輪結構或行星輪加平行軸結構。齒輪箱體采用球鐵鑄造而成，齒輪箱的負荷及壓力通過齒輪箱兩側的支撐傳到塔架和基礎，該支撐為強力橡膠結構，可以降低風電機組的噪音和震動。在齒輪箱后部的高速軸上安裝有剎車盤，其連接方式是采用脹緊式聯軸器；液壓制動器通過螺栓緊固在齒輪箱體上；齒輪箱高速軸通過柔性連接與發(fā)電機軸連接。2021/10/10星期日77剎車機構的作用1、使風力發(fā)電機組在發(fā)生故障或緊急情況下，能快速、平穩(wěn)的制動停機。2、在運行情況下使機組保持穩(wěn)定，不被側風或繞流影響。五、剎車機構剎車機構組成1、葉尖剎車（阻尼板、動葉片、小葉片）2、風輪剎車（低速、高速制動裝置）3、偏航剎車（盤式制動器）2021/10/10星期日78葉尖剎車2021/10/10星期日79風輪剎車2021/10/10星期日80偏航剎車2021/10/10星期日81剎車程序1、正常剎車：得到指令后，釋放葉尖慢速剎車，電機在轉速低于同步轉速時切出，當電機轉速低于設定值（系統默認

750rpm或500rpm）時，一個圓盤剎車制動，當電機轉速為0rpm，第二個圓盤剎車制動。兩個圓盤剎車全部作用。2、快速剎車：得到指令后，釋放葉尖快速剎車，電機立即切出電網。風輪剎車得到指令，一個圓盤剎車制動。當電機轉速為0rpm，第二個圓盤剎車制動。兩個圓盤剎車全部作用。3、緊急剎車：得到指令后，釋放葉尖快速剎車，兩個圓盤剎車全部作用。電機立即切出電網。2021/10/10星期日82五、偏航系統

機艙的偏航是由電動偏航齒輪自動執(zhí)行的，它是根據風向儀提供的風向信號，由控制系統控制，通過驅、傳動機構，實現風電機組葉輪與風向保持一致，最大效率地吸收風能。偏航時間的長短，是由計算機控制的，一旦風向儀出現故障，自動偏航操作將中止，僅可以從控制柜或機艙頂部控制盒上人工方式操作偏航。偏航的控制：在風速低于3或3.5m/s下，自動偏航不會工作，風電機組將不會偏航到與風向一致。只有風速大于該值后，風電機組才自動撲捉風向，這樣，可以避免不必要的偏航和電能消耗。2021/10/10星期日83六、塔架塔架是用鋼板焊接成錐筒形，通過螺栓和法蘭連接塔筒的各部分。塔架是支撐機艙的結構部件，承受來自風電機組各部件的所有載荷，不僅要有一定的高度，使風電機組處于較為理想的位置上運轉，而且還應有足夠的強度和剛度，以保證在極端風況下，不會使風電機組傾倒。2021/10/10星期日84目前商業(yè)運行風電機組的種類定槳矩型變槳矩型變槳變速型直驅型2021/10/10星期日85定槳矩型風電機組優(yōu)點：

-結構簡單，運行可靠性較高缺點：

-效率低

-對電網影響大

-常發(fā)生過發(fā)電現象，加速機組的疲勞損壞市場情況：

-在歐美市場已停產

-在中國仍有一定的需求2021/10/10星期日86變槳矩風電機組優(yōu)點：

-結構較簡單，運行可靠性較高

-不會發(fā)生過發(fā)電現象缺點：

-效率不高

-對電網影響大市場情況：

-逐漸退出歐美市場

-中國市場仍有一定的需求

2021/10/10星期日87變槳變速型風電機組優(yōu)點：

-不會發(fā)生過發(fā)電現象

-效率高

-對電網影響小缺點：

-電控系統較復雜，運行維護難度較大市場情況：

-歐美市場大量在使用

-近幾年進入中國市場商業(yè)運行2021/10/10星期日88直驅型風電機組優(yōu)點：

-不會發(fā)生過發(fā)電現象

-效率高

-對電網影響小

-無齒輪箱損壞的風險缺點：

-電控系統復雜，運行維護難度較大市場情況：

-在歐美市場處于發(fā)展階段

-中國市場目前尚無商業(yè)運行機組2021/10/10星期日89風電機組發(fā)展情況目前較為成熟、質量和性能可靠、在國際國內市場上可以采購到的風電機組的容量等級在750KW到2500KW之間；750KW定槳矩風機國內已有生產銷售；在歐美市場，kW級風電機組已基本停止生產，轉而生產MW級的機組。風機技術發(fā)展趨勢是大型化、變槳變速、直驅型；2021/10/10星期日90六、風力發(fā)電產業(yè)介紹

2021/10/10星期日91中國風機制造產業(yè)介紹風電整機制造發(fā)展迅速，已明確進入風電整機制造業(yè)的企業(yè)有50多家，到2008年底進入風電場運行的整機廠家有23家。其中排名前三位華銳（140萬千瓦）、金風（113萬千瓦）、東汽（105萬千），共占據風電設備市場份額的54%。2021/10/10星期日922021/10/10星期日93國外品牌風電機組在中國設廠

在國有制造企業(yè)紛紛轉向風電產業(yè)的同時，國外知名的風電設備制造企業(yè)也看好中國的風電市場，紛紛在中國設立制造廠丹麥的Vestas公司、美國GE能源集團、西班牙Gamesa公司印度Suzlon公司獨資建廠。西班牙EHN集團、德國Nordex公司等采取合資建廠的方式。國外品牌風電機組進入風電市場對于中國風電產業(yè)既是一種促進，也是一種挑戰(zhàn)，競爭的市場環(huán)境是對國內企業(yè)自身能力的一種考驗。2021/10/10星期日94整機的發(fā)展帶動了部件制造風力發(fā)電機的主要部件有：風機葉片、發(fā)電機、齒輪箱、控制器、變流器、偏航系統。其他部件有液壓剎車系統、散熱器、連軸器、軸承等。塔架和結構件包括輪轂、主軸、機艙底坐、法蘭盤等。國內為風機廠配套大部件的生產廠數