7风力发电2011.ppt

风力发电WindPower,风的能量是由太阳辐射能转化来的，太阳每小时辐射地球的能量是4,423,000,000MW。太阳的辐射造成地球表面受热不均，引起大气层中压力分布不均，空气沿水平方向运动形成风。风能大约占太阳提供总能量的百分之一或二，太阳辐射能量中的一部分被地球上的植物转换成生物能，而被转化的风能总量大约是生物能的50100倍。全球的风能约为2.74109MW，其中可利用的风能为2.0107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。中国可开发风能资源总量约为102.5亿kW。其中青海、甘肃、新疆和内蒙可开发的风能储量分别为1143万kW、2421万kW、3433万kW和6178万kW，是中国大陆风能储备最丰富的地区。风能是一种干净的自然能源，没有常规能源（如煤电，油电）与核电会造成环境污染的问题。平均每装一台单机容量为1MW的风能发电机，每年可以减排2000吨二氧化碳、10吨二氧化硫、6吨二氧化氮。,概述,风电技术日趋成熟，产品质量可靠，可用率已达95以上，已是一种安全可靠的能源，风力发电的经济性日益提高，发电成本已接近煤电，低于油电与核电。风力发电场建设工期短，是煤电、核电无可比拟的。对沿海岛屿，交通不便的边远山区，地广人稀的草原牧场，以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、边疆来说，可作为解决生产和生活能源的一种有效途径，风能作为一种高效清洁的新能源有着巨大的发展潜力。据报道，甘肃酒泉1000万千瓦级风电基地于2008年8月全面启动，标志着我国正式步入了打造“风电三峡”工程阶段。据气象部门最新风能评估结果表明，酒泉风能资源总储量为1.5亿千瓦，可开发量4000万千瓦以上，可利用面积近1万平方公里。,中国风力资源分布图,风力发电场（简称风电场），是将多台大型并网式的风力发电机安装在风能资源好的场地，按照地形和主风向排成阵列，组成机群向电网供电。风力发电机就像种庄稼一样排列在地面上，故形象地称为“风力田”。风力发电场于20世纪80年代初在美国的加利福尼亚州兴起，现在被全世界大力发展风电的各个国家广泛采用。风电场的风力发电机相互之间需要有足够的距离，以免造成过强的湍流相互影响，或由于“尾流效应”而严重减低后排风电机的功率输出。为了配合运送大型设备（特别是叶片）到安装现场，须要建设道路。另外亦须要建设输电线，把风电场的输出连接到电网接入点。,荷兰四叶风车windmill,蒂哈查皮山口风力发电场，美国-南加州562MW,中国新疆达坂城风力发电场125MW,海上风车园（风电场）丹麦40MW,田野上的风车（德国）,将风机桨叶吊上50多米高的塔筒,风机桨叶运输,风机叶片,风机安装（德国）,新型风轮,在欧洲和美国风电成为新增容量最快和容量最大的发电电源之一，其中美国风电装机占其新增发电装机容量的40以上，欧盟27国风电装机占其新增发电装机容量的35以上，成为重要的替代能源。到2008年底，中国累计风电装机容量达到1215.2万kW，过去10年的年平均增长速度达到46。中国在风电装机容量的世界排名中，2004年居第10位，2008年跃居第4位，并有望成为世界最大的风电市场。按照中国资源综合利用协会可再生能源专业委员会的估计，2010年，中国风电有望超过欧、美，成为世界风电第一大国，可能达到或超过3000万kW，提前10年达到中国政府确定的风电2020年发展目标，2020年有望实现1亿kW或1.2亿kW的风电装机容量。,中、外风电的发展,风的能量指的是风的动能，是指风所负载的能量，特定质量的空气的动能可以用下列公式计算风能的利用主要就是将它的动能转化为其他形式的能，因此计算风能的大小也就是计算气流所具有的动能。在单位时间内流过垂立于风速截向积A的风能，即风功率为式中E为风功率，单位为W；空气密度一般取1.225千克/立方米。空气密度随气压和温度而变。随着高度的升高，空气密度将会下降。,,,,风能及其利用,风功率密度是气流垂直通过单位截面积（风轮面积）的风能，它是表征一个地方风能资源多少的指标。将上式除以相应的面积A，当A＝l时，便得到风功率密度公式，也称风能密度公式，即由于风速是一个随机性很大的量，必须通过一定时间长度的观测来了解它的平均状况。因此，在一段时间长度内的平均风能密度，可以将上式对时间积分后平均，即,,,,风力机需要根据个确定的风速来确定风力机的额定功率，这个风速称为额定风速。在这种风速下，风力机功率达到最大。在风力工程中，将风力机开始运行做功时的这个风速称为启动风速或切入风速。当风速大到某一极限时，风力机就有损坏的危险，必须停止运行，这一风速称为停机风速或切出风速。因此，在统计风速资料计算风能潜力时，必须考虑这两个因素。通常将切入风速到切出风速之间的风能称有效风能。有效风能密度是有效风能范围内的风能平均密度。,以目前使用最为广泛的水平轴风力发电机为例，其结构主要由叶轮，调速或限速装置，偏航系统，传动机构，发电机系统，塔架等组成。,风力发电机各部件介绍,叶轮风力机区别于其他机械的最主要特征就是叶轮。叶轮一般由2～3个叶片和轮毂所组成，其功能是将风能转换为机械能。除小型风力机的叶片部分采用木质材料外，中、大型风力机的叶片都采用玻璃纤维或高强度复合材料制成。风力机叶片都要装在轮毂上。轮毂是叶轮的枢纽，也是叶片根部与主轴的连接件。所有从叶片传来的力，都通过轮毂传递到传动系统，再传到风力机驱动的对象。同时轮毂也是控制叶片桨距（使叶片作俯仰转动）的所在。轮毂的作用是连接叶片和低速轴，要求能承受大的，复杂的载荷。,调速或限速装置在很多情况下，要求风力机不论风速如何变化转速总保持恒定或不超过某一限定值，为此目的而采用了调速或限速装置。当风速过高时，这些装置还用来限制功率，并减小作用在叶片上的力。调速或限速装置有各种各样的类型，但从原理上来看大致有三类，一类是使叶轮偏离主风向，另一类是利用气动阻力，第三类是改变叶片的桨距角。,偏航系统为了让叶轮能自然地对准风向，通常风机都会采用调向装置，对大型风力发电机组而言，一般采用的是电动机驱动的风向跟踪系统。整个偏航系统由电动机及减速机构、偏航调节系统和扭缆保护装置等部分组成。偏航调节系统包括风向标和偏航系统调节软件。风向标对应每一个风向都有一个相应的脉冲输出信号，通过偏航系统软件确定其偏航方向和偏航角度，然后将偏航信号放大传送给电动机，通过减速机构转动风力机平台，直到对准风向为止。,传动系统风机的传动系统一般包括低速轴、高速轴、齿轮箱、联轴节和制动器等。但不是每一种风机都必须具备所有这些环节。有些风机的轮毂直接连接到齿轮箱上，不需要低速传动轴。也有一些风机设计成无齿轮箱的，叶轮直接连接到发电机。叶轮叶片产生的机械能由机舱里的传动系统传递给发电机，它包括一个齿轮箱、离合器和一个能使风力机在停止运行时的紧急情况下复位的刹车系统。齿轮箱用于增加叶轮转速，从2050转/分到10001500转/分，后者是驱动大多数发电机所需的转速。齿轮箱可以是一个简单的平行轴齿轮箱，其中输出轴是不同轴的，或者它也可以是输入、输出轴共线，使结构更紧凑。,发电机系统风力发电包含了由风能到机械能和由机械能到电能两个能量转换过程，发电机及其控制系统承担了后一种能量转换任务。恒速恒频发电机系统一般来说比较简单，所采用的发电机主要有两种，即同步发电机和鼠笼型感应发电机。变速恒频发电机系统是20世纪70年代中期以后逐渐发展起来的一种新型风力发电系统，其主要优点在于叶轮以变速运行，可以在很宽的风速范围内保持近乎恒定的最佳叶尖速比，从而提高了风力机的运行效率，从风中获取的能量可以比恒速风力机高得多。此外，这种风机在结构上和实用中还有很多的优越性。,塔架风力机的塔架除了要支撑风力机的重量，还要承受吹向风力机和塔架的风压，以及风力机运行中的动载荷。它的刚度和风力机的振动有密切关系。水平轴风力发电机的塔架主要可分为管柱型和桁架型两类，管柱型塔架可从最简单的木杆，一直到大型钢管和混凝土管柱。小型风力机塔杆为了增加抗弯矩的能力，可以用拉线来加强。中、大型塔杆为了运输方便，可以将钢管分成几段。一般圆柱形塔架对风的阻力较小，特别是对于下风向风力机，产生紊流的影响要比桁架式塔架小。桁架式塔架常用于中小型风力机上，其优点是造价不高，运输也方便。但这种塔架会使下风向风力机的叶片产生很大的紊流。,现代风力发电机采用空气动力学原理，就像飞机的机翼一样。风并非“推”动风轮叶片，而是吹过叶片形成叶片正反面的压差，这种压差会产生升力，令风轮旋转并不断横切风流。风力发电机的风轮并不能提取风的所有功率。因为经过风轮做功后的风速不会为零，仅仅是减小，故风只能把一部分能量转交给风轮。根据Betz定律（理想情况下风能所能转换成电能的极限比值为16/27，约为59.26，是风力发电中关于风能利用效率的一条基本的理论，由德国物理学家AlbertBetz于1919年提出。），理论上风电机能够提取的最大功率，是风的功率的59.26。大多数风电机只能提取风的功率的40或者更少。,风力发电机的工作原理与运行,截面为流线型的飞机翼片阻力很小，即使与气流方向平行也会有升力，因为翼片上表面弯曲，下表面平直，翼片上方气流速度比下方快，跟据流体力学的伯努利原理，上方气体压强比下方小，翼片就受到向上的升力作用。,风机空气动力学基础,当翼片与气流方向有夹角（该角称攻角或迎角）时，随攻角增加升力会增大，阻力也会增大，平衡这一利弊，一般说来攻角为8至15度较好。超过15度后翼片上方气流会发生分离，产生涡流，升力会迅速下降，阻力会急剧上升，这一现象称为失速。,风力机叶片运动时所感受到的风速是外来风速与叶片运动速度的合成速度，称为相对风速。上图是一个风力机的叶片截面，当叶片运动时，叶片感受到的相对风速为w，它是叶片的线速度（矢量）u与风进叶轮前的速度（矢量）v的合成矢量。,,相对风速与叶片弦线之间的夹角就是叶片的攻角α,,相对风速与叶片弦线之间的夹角就是叶片的攻角α,,相对风速与叶片弦线之间的夹角就是叶片的攻角α,相对风速与叶片弦线之间的夹角就是叶片的攻角α,,叶尖速比风轮叶片尖端线速度与风速之比称为叶尖速比。右图是一个风力机的叶轮，u是旋转的风力机风轮外径切线速度，v是风进叶轮前的速度，叶尖速比λu/v升力型风力机叶尖速比一般为3至8。叶尖速比直接反映了相对风速与叶片运动方向的夹角，即直接关系到叶片的攻角，是分析风力机性能的重要参数。,实度比风力机叶片的总面积与风通过风轮的面积（风轮扫掠面积）之比称为实度比（容积比），是风力机的一个参考数据。右图为水平轴风力机叶轮，S为每个叶片对风的投影面积，B为叶片个数，R为风轮半径，实度比为σBS/πR2多叶片的风力机有高实度比，适合低风速、低转速的风力机，其效率较低。风力发电机多采用少叶片与窄叶片的低实度比风力机，可以较高效率高转速运行。,风力发电机的功率曲线在风速很低的时候，风电机风轮会保持不动。当到达切入风速时（通常每秒3到4米），风轮开始旋转并牵引发电机开始发电。随著风力越来越强，输出功率会增加。当风速达到额定风速时，风电机会输出其额定功率。之后输出功率会保留大致不变。当风速进一步增加，达到切出风速的时候，风电机会剎车，不再输出功率，为免受损。风力发电机的性能可以用功率曲线来表达。功率曲线是用作显示在不同风速下（切入风速到切出风速）风电机的输出功率。,风速,风能是一种波动不稳定的能源，如果没有储能装置或与其他发电装置互补，风力发电装置本身难以提供连续稳定的电能输出。而大型风机与电力网并网运行则可解决此问题。对应于风力发电机组的规模，通常有三种运行方式（1）大、中型风力发电机组（100kW以上）与电力网并网运行；（2）小型风力发电机（10kW到100kW瓦）与柴油发电机或其他发电装置并联互补运行；（3）微型风力发电机（10kW以下）主要采用直流发电系统并配合蓄电池储能装置独立运行。所以，与就近的电力网并网，是风电场最常见的运行方式选择。,风力发电运行模式,测风由于风速通常以年为周期变化，因此每个项目点的测风时间至少需要测一年。但在实践中，在我们国家很多地区，同一项目点的同一测风塔实际年与年之间的测得的风速还是有变化的，很多地方年与年之间的风速变化甚至超过了1米/秒。而1米/秒的风速差异造成的一台600千瓦的风电机组一年发电量差异达到20万kW.h小时。消除这种差异的方式是必须利用其他气象测站的长期数据做相关性分析，得到常年平均风速。一般要求，风电场的测风应该在位于风电场中央地势开阔，比较具有代表性的地方设立测风塔。但是由于一些地形比较复杂的地方，比如山地，为了能让测风减少周围地形和障碍物的干扰，往往会把测风塔设立在山顶上。而实际在排布风电机组时却不可能把风机都排布在山顶上，这个点测得的风速相对于全场其他位置的风速偏大，因此直接用这个风速代表整个风电场风速来估算发电量，显然偏离了实际。,影响风电项目投资收益的因素,设备选型和运行维护通常我们在设备选型中需要考虑很多因素，如设备的价格，技术先进性等等。在我国的风电项目中，不但出现了对国外设备厂家不了解，采购回来的风机设备不能用的情况，也出现了合同执行过程中由于设备厂家破产致使合同无法执行的问题。给投资方造成了巨大损失。因此在设备选择过程中，应对设备供应商进行充分考察，选择优秀讲信誉的供应商，同时选择成熟可靠的设备，这样才能在根本上解决投资商的稳定回报。风电项目的投资回收期比价长，往往都在7年以上，很多项目回收期都超过10年，因此在此期间保证设备稳定运行至关重要，除了选择好的设备，运行维护水平也很重要。风电机组长期在恶劣环境中运行，必须进行很好的保养，才能保证设备长期稳定。风电设备涉及的零部件众多，受风机制造商产品更新换代的影响，大多数整机在若干年后都已经停产，其中的很多零部件都很难继续采购，需要设备运行方去改进更替，以保证设备长期正常运行。,