<<新能源发电技术>>课程论文

 风能发电

 学院:电气学院

    时间：2010年12月

姓名：潘明达

   学号：3070501078

      指导老师:廖志凌/孙欣

风力发电的原理,是利用风力带动风车叶片旋转,再透过增速机将旋转的速度提升,来促使发电。依据目前的风车技术,大约是每秒三米的微风速度(微风的程度),便可以开始发电。

风能发电的主要形式有三种：一是运行；二是风力发电与其他发电方式(如柴油机发电)相结合；三是风力并网发电。由于并网发电的单机容量大、发展潜力大，故本文所指的风电均指并网发电。

                1、小型风力发电系统

　　小型风力发电系统一般不并网发电，只能使用，单台装机容量约为100瓦-5千瓦，通常不超过10千瓦。它的构成为：风力发电机＋充电器＋数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。因风量不稳定，故小型风力发电机输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V电，才能保证稳定使用。

2、并网风力发电系统

　　德国、丹麦、西班牙等国家的企业开发建立了评估风力资源的测量及计算机模拟系统，发展变桨距控制及失速控制的风力机设计理论，采用新型风力机叶片材料及叶片翼型，研制出变极、变滑差、变速恒频及低速永磁等新型发电机，开发了由微机控制的单台及多台风力发电机组成的机群的自动控制技术，从而大大提高了风力发电的效率及可靠性。在此基础上，风力发电机单机装机容量可以达到600千瓦以上。不少国家建立了众多的中型及大型风力发电场，并实现了与大电网的对接。

　　现代风力发电机多为水平轴式。一部典型的现代水平轴式风力发电机包括叶片、轮毂(与叶片合称叶轮)、机舱罩、齿轮箱、发电机、塔架、基座、控制系统、制动系统、偏航系统、液压装置等。其工作原理是：当风流过叶片时，由于空气动力的效应带动叶轮转动，叶轮透过主轴连结齿轮箱，经过齿轮箱(或增速机)加速后带动发电机发电。目前也有厂商推出无齿轮箱式机组，可降低震动、噪音，提高发电效率，但成本相对较高。

　　风力发电机并不能将所有流经的风力能源转换成电力，理论上最高转换效率约为59%，实际上大多数的叶片转换风能效率约介于30-50%之间，经过机电设备转换成电能后的总输出效率约为20-45%。一般市场上风力发电机的启动风速约为2.5-4米/秒，于风速12-15米/秒时达到额定的输出容量。当风速更高时，风力发电机的控制机构将电力输出稳定在额定容量左右，为避免过高的风速损坏发电机，大多于风速达20-25米/秒范围内停机。一般采用旋角节制或失速节制方式来调节叶片之气动性能及叶轮的输出。依据目前的技术，3米/秒左右的风速(微风的程度)便可以进行发电。但在进行风场评估时，通常要求离地10米高的       年平均风速达到5-5.5米/秒以上。

　　风机叶片从风的流动获得的能量与风速的三次方成正比。风速之外，叶轮直径决定了可撷取风能的多寡，约与叶轮直径平方成正比。叶片的数量也会影响到风机的输出。一般来说，2叶、3叶风机效率较高，力矩较低，适用于发电。 此外，现代风机的叶片多采用机翼的翼型。

　　近年来，风电机组技术改进的主要方向是降低制造成本、提高单机容量、提高风能转换效率、自动控制等。主流风电机组的单机容量为600-2000千瓦，容量越大，发电效率越高，技术难度越大。目前，国内单机容量750-2000千瓦的机组最受欢迎。国外正在开发、应用的机组单机容量是3000-5000千瓦。2003年，德国Enercon公司安装了第一台4500千瓦的风电机组样机。

                              3， 变速恒频发电系统

目前风力发电系统采用最多的异步发电机都属于恒速恒频发电系统，但变速恒频发电系统可以使风力机在很大风速范围内按最佳效率运行的重要优点，越来越引起人们的重视。从风力机的运行原理可知，这就要求风力机的转速正比于风速并保持一个恒定的最佳叶尖速比 ，从而使风力机的风能利用系数 保持最大值不变，风力发电机组输出最大的功率，最大限度的利用风能，提高了风力机的运行效率。自上世纪90年代开始，国外新建的大型风力发电系统大多采用变速恒频方式，特别是兆瓦级以上大容量风电系统，因为此时最大限度捕获风能、提高发电效率的意义十分重要。

       可用于风力发电的变速恒频发电系统多种，如交─直─交系统、磁场调制发电机系统、交流励磁双馈发电机系统、无刷双馈发电机系统、爪极式发电机系统、开关磁阻发电机系统等，这些变速恒频发电系统有的是发电机与电力电子装置相结合实现变速恒频的，有的是通过改造发电机本身结构而实现变速恒频的。这些系统都有自己的特点，可以适用于各种不同场合。     

3，风电的优劣之处

　　风电的优点包括：(1)、利用自然界的可再生能源，干净无污染，无须燃料；(2)、运行成本低，风电机组的设计寿命约为20-25年，运行和维护的费用通常相当于机组总成本的3%-5%；(3)、建设周期短，若不计测风，快者一年左右可建成。它的主要不足有三：

　　(1)、选址时对自然环境(风速)要求较高，光测风阶段就要历时一年以上；风场占地面积通常在几百亩到几千亩，与火电相比，单位土地面积的发电出力相差较大(尽管风机塔架周围的土地仍可进行其它利用)；风力大的地区通常人口稀少，离电力负荷中心较远，对电网输送要求较高；

　　(2)、出力不稳定(取决于不可控的风速)，利用小时数低(通常为2000小时/年左右)，通常认为风力发电量占电网总电量的比重不能过高(10-12%，也有说是20%)，否则会影响电网稳定。

　　2003年德国曾经因为风电出力骤减导致电价上涨20%。有些人认为，丹麦的经验表明，风电能占到电网20%以上的发电量比重。其实不尽然。丹麦也有它的特殊情况。它的风电夏季发电量仅为冬季的一半，而夏季用电需求弱于冬季；夏季白天发电量较夜间大，白天用电需求正好也高于夜间；冬季夜间发电量最大，此时的用电需求正好也在高位。而在，夏天白天是全年用电高峰，此时风电出力反而最低，仅及冬季的10%左右。我国多数地区也是冬春季节风速高，夏季风速小；沿海地区还经常受到台风的侵扰(台风风速过大，不利于发电)。

　　(3)、一次性投资较火电大，上网电价高于火电、水电。目前国内风电场的千瓦造价通常要8000-12000元，比西方还高，原因之一是进口设备价格较贵。2002年，采用当时先进的风电机组在最佳条件下，欧洲每千瓦装机的投资成本为832欧元(现价折人民币8428元)，每度电的成本为0.0388欧元(合人民币不到0.4元/度，我国火电成本通常为0.15-0.25元/度左右)。随着技术的进步，风电成本将会下降。有研究称，预期风电成本会从0.04欧元/度，下降至2010年的0.03欧分/度(假设装机成本降至628欧元/千瓦)；到2020年，再降低至0.0234欧元/度(装机成本为497欧元/千瓦)。届时，风力发电的成本已跟燃煤机组的成本相近。

     地球上风力资源蕴藏量很大，是一种既清洁又廉价的再生资源。世界气象组织（WMO）估计地球上海洋和陆地的风能源约为200亿kW，其中陆地约占一半。在全球范围内能源短缺和生态环境日益恶化的今天，各国对风能的开发利用越来越重视。许多国家把风电建设作为重要的能源。目前有些发达国家成功地使每千瓦风电投资接近火电投资，并将进一步降低发电成本。风电工业将在全世界有较大的发展前景。

     我国有丰富的风力资源，在沿海和、内蒙古、黑龙江、甘肃等内陆地区，有大量的风资源可开发利用。国家和国家科委共同制定的“1996—2010年中国新能源和可再生能源发展纲要”及“新能源可再生能源优先发展项目”也体现出风力发电是我国可再生能源的发展方向，它可改善我国能源工业面临的经济增长和环境保护的双重压力。

      绿色能源中，风能不仅储量大，可利用率高，而且便于大规模开发。1990年以来，全球风力发电设备总装机容量增长了15%，年平均增长率达到20%。截至2001年底，全世界风力发电装机容量已达24100MW。已运行机组的最大单机容量已达5MW。我国可开发利用的风能资源陆地为2.53亿kW，近海7.5亿kW，合计10.03亿kW，仅次于前苏联和美国，居世界第三位。近年来，我国风力发电装机容量增加较快，2003年达550MW。按照国家发展规划，我国风电装机容量到2005年将达1000MW；2010年将达4000MW；2015年将达10000MW；2020年将达到20000MW。目前我国新建和在建的风电场的机组基本上是由丹麦、德国等国提供成套设备或引进技术和部件在国内制造组装。下载本文