风力发电概述

风力发电概述

风能利用的历史风是地球上的一种自然现象，它是由太阳辐射热引起的。风能是太阳能的一种转换形式，是一种重要的自然能源。太阳照射到地球表面，地球表面各处受热不同，产生温差，从而引起大气的对流运动形成风。风能利用已有数千年的历史。在蒸汽机发明以前，风帆和风车是人类生产和生活的重要动力装置。埃及被认为可能是最先利用风能的国家，约在几千年前，他们就开始利用风帆来帮助行船。波斯和中国也在很早就开始利用风能，主要使用垂直轴风车。我国至少在3000年前的商代就出现了帆船，到唐代，风帆船已广泛用于江河运输。最辉煌的是明代，14世纪郑和七下西洋，庞大的帆船队功不可没。明代以后，风车广泛应用，沿海一带主要用于帆船和风力机提水灌溉，制盐。在欧洲到中世纪才广泛利用风能，荷兰人发明了风车。18世纪荷兰曾用近万台风车排水，在低洼的海滩上围海造田，成为风车之国。成为有名的农用风车，最多达到了600万台。随着蒸汽机的出现，以及煤，石油，天然气的开采，风力机无法和蒸汽机，内燃机，电动机等相竞争，逐渐被淘汰。到了19世纪末，开始利用风力发电，特别是在20世纪70年代，利用风力发电进入了一个蓬勃发展的时代。风力发电的发展

19世纪末，丹麦人首先研制了风力发电机，并于1891年建成了世界第一个风力发电站。但是由于技术方面的原因，风力发电一直没有成为电网中的电源。1973年石油危机以后，美国，西欧等发达国家为了寻找替代化石燃料的能源，开始投入大量的经费，研制风力发电机组，并于20世纪80年代初开始建立示范风电场，开始了并网发电的新时期。到了90年代，对环境保护的要求日益严格，风力发电更加受到重视。经过20多年的研究开发，世界风力发电取得了引人注目的成就。下表是1983年以来世界风电发展的情况。1983--2004年世界风电发展情况及

2004年累计风电装机最多的10个国家（万千瓦）风力资源的特点：

1蕴量巨大；据估计到达地球的太阳能中虽然只有大约2％转化为风能，但其总量仍是十分可观的。全球的风能约为2.74X109MW，其中可利用的风能为2X107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。2可以再生；3分布广泛；4没有污染，绿色环保；5密度低；6不稳定；7地区差异大中国的风能资源分布

1．三北（东北、华北、西北）地区丰富带，风能功率密度在200～300瓦/米2以上，有的可达500瓦/米2以上，如阿拉山口、达坂城、辉腾锡勒、锡林浩特的灰腾梁等、可利用的小时数在5000小时以上，有的可达7000小时以上。这一风能丰富带的形成，主要是由于三北地区处于中高纬度的地理位置有关。

2．沿海及其岛屿地丰富带。年有效风能功率密度在200瓦/米2以上，将风能功率密度线平行于海岸线，沿海岛屿风能功率密度在500瓦/米2以上如台山、平潭、东山、南鹿、大陈、南澳、马祖、马公、东沙等。可利用小时数约在7000-8000小时，这一地区特别是东南沿海，由海岸向内陆是丘陵连绵，所以风能丰富地区仅在海岸50km之内，再向内陆不但不是风能丰富区，反而成为全国最小风能区，风能功率密度仅50瓦/米2左右，基本上是风能不能利用的地区。3．内陆风能丰富地区，在两个风能丰富带之外，风能功率密度一般在100w/m2以下，可以利用小时数3000小时以下。但是在一些地区由于湖泊和特殊地形的影响，风能也较丰富，如鄱阳湖附近较周围地区风能就大，湖南衡山、安徽的黄山、云南太华山等也较平地风能为大。但是这些只限于很小范围之内，不像两大带那样大的面积，特别是三北地区面积更大。青藏高原海拔4000m以上，这里的风速比较大，但空气密度小，如在4000m的空气密度大致为地面的67%，也就是说，同样是8m/s的风速，在平原上风能功率密度为313.6w/m2，而在4000m只为209.9w/m2，而这里年平风速在3~5m/s，所以风能仍属一般地区。浙江地区风能资源及发展现状浙江位于我国的东部沿海，海域广阔，属亚热带季风气候，风速随地形变化风能明显，资源丰富。全省0m高层风能资源理论储量8,300万千瓦。其中陆地风能资源理论储量2,100万千瓦，海岸到近海20m等深线以内海域风能资源理论储量6,200万千瓦。浙风电项目成本偏高。浙江省经济较为发达，人多地少，导致土地资源紧缺且土地征用费非常高，有些项目为内地部分风电场的十倍以上。另外浙江省劳力成本较内地省份高，也导致了项目开发运行成本偏高。风能资源的分布不佳导致风电项目相关的道路建设、交通运输等费用也高于其他省份。同时浙江省的风力资源主要集中在沿海海域和海岛等地区，这些地区受台风等气象灾害影响较大。灾难性天气直接导致风电场设备修理、维护费用高于国内其他地区。省内风电企业规模偏小，产品质量不够稳定。风力发电是一个新兴的产业，同样也具有规模效应。中国风电企业排名位列前五的分别为维斯塔斯、金风科技、四川风瑞、GAMESA、GE能源集团，其中没有浙江企业。目前国内风电设备的采购主要采用公开国际招标的方式，招标方对投标方的资质要求很高。在同国外风电制造商以及国内大型风电企业的竞争中，浙江的风电企业均处于劣势。由于大订单不足，难以进行规模化生产，导致各配套生产企业投入有限，部件质量难以控制，从而影响到整机的质量稳定性。风力机的分类按照功率输出的大小分为小型（10KW以下）；中型（10KW—100KW），大型（100KW以上）；结构形式多种多样，大体上可以分为;水平轴风机，垂直轴风机；Φ型垂直轴风机单叶水平轴风机根据功率的控制，可以分为三种：失速控制风机（定桨）；变桨距控制风机和主动失速控制2叶水平轴风机垂直轴风机3叶水平轴风机风力发电机的组成结构

1主机架2主轴3轮毂4叶片5叶片支承6齿轮箱7齿轮箱扭力臂8盘式制动器9发电机10万向联轴器11液压单元12偏航马达13偏航减速器14扭缆传感器15顶部控制器风力发电系统的种类

风力发电系统可以分为两类1离网型风电系统（独立的风电系统）又分为：a独立的风电系统（一般100W—10Kw的下小型机组）b风力-柴油机发电联合系统（10Kw—200Kw的风电机组）c风力—太阳能发电联合系统一般才用太阳能电池方阵（10Kw—200Kw的风电机组）2并网型风电系统一般单机容量在200Kw以上，或者多台联网形成风电场。并网型风力发电系统的组成：2.1发电机异步电机特点：坚固耐用，机械结构简单，价格便宜；但是运行时必须外加无功利磁电流，消耗无功功率。需要电容组或电网提供无功。同步电机特点：发电机不仅可以提供有功功率，而且可以提供无功功率，但是它的结构复杂，成本较高。风力发电系统的种类

2.2软启动器主要有晶闸管和控制器组成。作用是降低并网时的电流冲击，减小并网时的电压下降；减小发电机和齿轮箱的机械冲击。2.3电容器组主要是提供无功补偿作用，增加电压的稳定性，减少电网的额外损失。2.4变频器变频器是一种功率电子元件，它可以很方便地把频率不同的电力系统连接起来。一般来说，变频器都包含了绝缘珊双极晶体管IGBT（InsulatedGateBiopolarTransisters）.IGBT的特点是具有很高的开关频率，可以高达10KHz。使用变频器的意义：可以调控频率；可以调控无功功率，提高供电质量。风电场的选址

风电场的选址，需要综合考虑多方面的因素。包括风能资源的评估，风机与电网的连接，机组设备的运输与安装，地形地貌，和社会经济发展等因素。A 风能资源的评估：1年平均风速；一般来说，只有年平均风速大于6m/s的地区才适合建设风场。2年平均风能密度；这和空气密度以及风速有关，在青藏高原，风速很高，但是空气密度小，所以风能密度也小，不适于装风机。3年有效风速时间（小时数）：有效风速时间大于2000小时；6—20m/s风速时数在500—1500小时，该地区具有安装风机的资源条件；4主要风向分布；风机进可能安装在盛行风向比较稳定，季节变化比较小的地方；4湍流强度；湍流会减少发电机的功率输出，会使整个发电机发生机械振动，湍流严重时可能损坏整个发电机；5自然灾害；主要考虑强风，冰雪，烟雾等因素。

厂址选择应考虑的因素1尽可能靠近电网；2交通方便；3地形地质；4地理位置，远离地震带，火山频繁暴发区。远离人口密集区；5尽量减少对环境的不利影响。主要是对飞禽的伤害，以及对草原的环境破坏。B风电机组的排列风电机组的排列主要和风向和发电机组的数量，场地的实际情况有关。由于风通过叶轮以后，风速会下降并且产生湍流，要经过一定的距离后才能恢复。理想条件下，在主风向上，风机布置得越远越好，，以减少风机之间的影响，但是这会增加电缆长度和费用，并且占用较多的土地资源。指导原则是，在盛行风向上机组之间相隔5—9倍的风轮直径，在垂直于盛行风向上要求机组间隔3—5倍的风轮直径。风电场的运行和维护风力发电机组日常运行工作主要包括：1通过中控室的计算机，监视各个机组的各项参数变化以及运行状态，并按规定填写风场运行日志；2当发生异常变化或者遇到故障时及时处理，并做好记录；3定期巡视检查；风力机的维护与检修（Eulikind主要做质保期内的维护和检修）1正常维护指运行人员平时对风机进行的检查，调整，注油润滑，清理，以及临时故障的检查，分析和处理。2定期检修（具体参照技术文件ES00010，检修手册）定期检查是按照Gamesa的工艺规定进行。主要对以下部件进行检查：叶片，轮毂，叶片轴承，变桨机构，主轴，齿轮箱，联轴器，发电机，机架，塔筒，偏航系统，液压站，螺栓力矩；控制系统检测；功能检查：叶片变桨的各个参数设定；速度控制性能；超速保护性能等；风电技术的发展趋势

1单机容量增大在过去的20年里，风力发电机典型装机容量已经从50KW发展到1500KW。目前商业化机组的容量达到了3.6MW。REpower公司已经开发出了5MW，叶轮直径为126米的风机。一些新的复合材料和新技术也应用在大型风机的制造中。大型风机更适合于滨海风电场。在人口密集的国家，随着陆地风场的利用殆尽，滨海风场在未来的风能开发中将占越来越重要的份额。GE3.6MW风机

风电技术的发展趋势2塔架高度的提高 在地处平坦地带的风机，在50米高度捕捉的风能要比30米高处多20%3控制技术的发展，变频恒频成为主流 低速交流变频发电机的研发与运行—无齿轮箱直接驱动型发电机。该风机采用了低速多极交流发电机，在叶轮和发电机之间不需要安装增速箱。这种发电机转子外圆以及定子内经大大增加，轴向长度则很短，呈圆环状。系统采用IGBT变频器。该种机型的优点：由于不采用齿轮箱，减少了齿轮箱的传动损失和发生故障的概率；发电机转速和叶轮转速相同且随风速变化，风轮可转换更多的风能；总体重量减轻，所以风机支撑结构减轻，基础费用也可降低，运行维护费用也低。无变速箱风机4海上风力发电迅速发展

由于海上风速大并且比较稳定，风速约比沿岸高出25%，且海面粗糙度小，湍流小，具有稳定的主风向。大型风机在海面上比较容易运输和安装。一般陆上风场平均设备利用小时数为2000小时；好的可以达到2600小时。在海上则可以达到3000小时以上。为了便于浮吊施工，海上风场一般建在水深为3—8米处。同容量装机，海上比陆上成本增加60%（海上基础占23%，线路占20%，陆上仅各占5%），电量增加50%以上。目前，欧洲海上风机已经有16个，装机301台，总容量620MW。海上风场中国小型风力机应用发展八十年代中后期，我国的小型风力发电机已形成了规模化生产的能力，在内蒙古等偏远地区推广小型风力发电机近二十万台，到1990年在丹东召开全国风力机械行业协会成立大会时，会员单位有五十多家。但由于没有适时建立产品质量检测体系和市场监督机制，致使大批低质量低价的小型风力发电机涌入市场，导致产品的成本与市场价格错位，优质产品的企业失去了市场，也丧失了产品更新换代和进一步研发的能力。加上产品的售后服务体系没建立，小型风力发电机产品大面积出现质量问题，用户对小风机产品失去了信心，市场急剧萎缩，从而使整个小型风力发电机制造行业全面萎缩。按全国风力机械行业协会2000年对全国小型风力发电机产品销售量的统计，全国共销售小型风力发电机产品12670台套，其中300w以下的产品12000台套，并且是低质低价的产品为主，工业产值不足2000万元，不及一个中小企业的年产值。存在问题与原因分析目前我国小型风力发电之所以出现这种局面，我们认为主要原因如下：

一、对小型风力发电机的技术难度认识不足

1992年美国宇航局曾发表过一篇文章，说明美国宇航局和波音公司由于对小型风力发电机的技术难度估计不足，而导致为军方研制的便携式小型风力发电机失败，文章中主要提到小型风力发电机研制上的困难在于：

1、小型风力发电机所面对的自然环境极为恶劣，由于风受地面粗糙度和障碍物的影响很大，离地面高度越高，风速越稳定。而小风机受安装高度限制，而且不能远离用电者居住的地方，所以小风机是工作在风的紊流区域，风速风向的无规则频繁变化对风机的破坏性很大。

2、小型风力发电机所能提供的能源有限，考虑到单位功率成本的因素，好的材料和先进的控制技术无法采用，可选择的材料和技术手段有限。长期以来，我国的小风机研制缺乏对小风机使用环境的研究，比较注重风机的性能测试数据，缺乏对风机在不同环境下进行运行考核的要求。

二、产品的技术要求不合理

虽然我国的小型风力