《專業(yè)認(rèn)識實(shí)習(xí)技能模塊》風(fēng)能和風(fēng)力發(fā)電 課件

《專業(yè)認(rèn)識實(shí)習(xí)技能模塊》風(fēng)能和風(fēng)力發(fā)電主講人：劉越風(fēng)能和風(fēng)力發(fā)電風(fēng)能：風(fēng)能是一種無污染的、可再生的能源，取之不盡，用之不竭，分布廣泛，但能量密度相對較低，具有時(shí)空上的不穩(wěn)定行。研究風(fēng)能的利用離不開對風(fēng)的特性描述，風(fēng)的最大特性是他的變化性。對于風(fēng)能的利用來講，我們主要關(guān)心風(fēng)速和風(fēng)向。風(fēng)速的特性：風(fēng)速是指空氣的移動速度，即單位時(shí)間內(nèi)空氣微團(tuán)移動的距離。

瞬時(shí)風(fēng)速稱為有效風(fēng)速，即實(shí)際發(fā)生作用的風(fēng)速，通常指很短時(shí)間間隔內(nèi)的風(fēng)速。平均風(fēng)速是很長時(shí)間內(nèi)風(fēng)速的平均值，實(shí)際上是在較長時(shí)間范圍內(nèi)，

多次風(fēng)速測量的平均值，即n風(fēng)能和風(fēng)力發(fā)電

i

1式

中

u

m

－

平

均

風(fēng)

速

，

m

/ s；u

i－

第

i

次

測

量

的

瞬

時(shí)

風(fēng)

速

，

m

/ s；n－

測

量

次

數(shù)

；imuu

n風(fēng)速頻率：風(fēng)速頻率是風(fēng)速在一年內(nèi)或一個(gè)

月內(nèi)中所出現(xiàn)的時(shí)間分布。在計(jì)算風(fēng)

速頻率是，通常把風(fēng)速的間隔定為

1m/s，依次劃分風(fēng)速區(qū)間，較長觀

測時(shí)間內(nèi)各種風(fēng)速吹風(fēng)時(shí)數(shù)與該時(shí)間

間隔內(nèi)吹風(fēng)總數(shù)的百分比就是風(fēng)速頻

率分布。風(fēng)速頻率是確定風(fēng)能電站年

工作時(shí)數(shù)的基本數(shù)據(jù)。風(fēng)能和風(fēng)力發(fā)電風(fēng)能“玫瑰”：風(fēng)速是矢量，既有大小，也有方

向。風(fēng)速的大小隨時(shí)變化，其方向也

是不穩(wěn)定的。在一段時(shí)間內(nèi)，風(fēng)速在

不同的方向上出現(xiàn)的時(shí)間稱為風(fēng)速在

該方向上的方向頻率。方向頻率與該

方向上平均風(fēng)速的三次方的乘積沿個(gè)

方向的分布即為風(fēng)能“玫瑰”。根據(jù)

玫瑰圖可以看出哪個(gè)方向上的風(fēng)具有

優(yōu)勢風(fēng)能和風(fēng)力發(fā)電風(fēng)能的能量密度：單位時(shí)間、單位迎風(fēng)面積內(nèi)流過的風(fēng)能稱為風(fēng)能的能量密度或風(fēng)能密度。單位體積的空氣質(zhì)量即為空氣密度

(kg/m3

),風(fēng)速為u(m/s)的1m3的運(yùn)動空氣的運(yùn)動動能為E

1

u2

,

J

/

m32單位時(shí)間內(nèi)，與風(fēng)速垂直的單位面積內(nèi)流過的空氣體積為〔u

m3/(s.m2

)〕,因此，風(fēng)能密度為P=Eu=

1

u3

,W

/

m22風(fēng)能和風(fēng)力發(fā)電風(fēng)能資源的分布：按照風(fēng)能資源的多少可以劃分成這樣幾個(gè)區(qū)域：最大風(fēng)能資源區(qū)。我國的最大陸上風(fēng)能資源區(qū)是東南沿海一帶及其島嶼，這一帶的面積相對較小，只在由海岸向內(nèi)陸幾十公里的范圍內(nèi)才有較大的風(fēng)能資源。次最大風(fēng)能資源區(qū)。為內(nèi)蒙古和甘肅北部。這一帶面積遼闊，終年在西風(fēng)帶的控制之下，適合大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電，是我國最大的風(fēng)能資源區(qū)。風(fēng)能和風(fēng)力發(fā)電風(fēng)能資源的分布：按照風(fēng)能資源的多少可以劃分成這樣幾個(gè)區(qū)域：大風(fēng)能資源區(qū)。黑龍江和吉林省北部、遼東半島的沿海區(qū)。較大風(fēng)能資源區(qū)。除了上述地區(qū)以外的三北北部、青藏高原和其他沿海地區(qū)，其中青藏高原風(fēng)速全年出現(xiàn)時(shí)間可達(dá)6500h，但由于海拔高，空氣密度小，風(fēng)能密度也小。最小風(fēng)能資源區(qū)。云、貴、川地區(qū)，陜西南部，河南南部，湖南南部，福建、兩廣地區(qū)及塔里木盆地。其中西雙版納和四川盆地的風(fēng)能最小，只有部分山頂和峽谷等特殊地形的地區(qū)才可能進(jìn)行風(fēng)能利用。風(fēng)能和風(fēng)力發(fā)電風(fēng)能和風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電：目前風(fēng)力發(fā)電可分為兩種方式：離網(wǎng)型的小型分散風(fēng)力發(fā)電裝置。這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率小，風(fēng)速適應(yīng)范圍廣，生產(chǎn)技術(shù)成熟，適合家庭和邊遠(yuǎn)地區(qū)的小型用電負(fù)荷點(diǎn)?？紤]到風(fēng)能的不連續(xù)性，通常需要配置蓄電池。并網(wǎng)型大型風(fēng)力發(fā)電裝置。是風(fēng)力發(fā)電規(guī)模化利用的主要方式，最大的功率已經(jīng)達(dá)到6MW。丹麥、德國是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)技術(shù)比較領(lǐng)先的國家。風(fēng)能和風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電的價(jià)值：風(fēng)電的當(dāng)量燃料價(jià)值。風(fēng)能進(jìn)入電網(wǎng)，其他發(fā)電裝置就可以少發(fā)電，從而節(jié)省燃料。風(fēng)電的容量價(jià)值。電力系統(tǒng)要求有必要的備用容量儲備，風(fēng)力機(jī)組同樣也有容量價(jià)值。減少污染物和溫室氣體的排放。通過風(fēng)力發(fā)電所能節(jié)省的燃料、容量和排放費(fèi)用，可以計(jì)算出風(fēng)力發(fā)電的價(jià)值。風(fēng)能和風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電裝置：風(fēng)力發(fā)電裝置包括風(fēng)輪機(jī)（風(fēng)力機(jī)）、傳動變速機(jī)構(gòu)和發(fā)電機(jī)三個(gè)主要部分。其中風(fēng)輪機(jī)是發(fā)電裝置的核心，風(fēng)輪機(jī)大體上分為兩種：p 槳葉繞水平軸轉(zhuǎn)動的翼式風(fēng)輪機(jī)p 槳葉繞垂直軸轉(zhuǎn)動的風(fēng)輪機(jī)實(shí)際上，目前并網(wǎng)發(fā)電的風(fēng)輪機(jī)主要是三葉式繞水平軸轉(zhuǎn)動的翼式風(fēng)輪機(jī)。風(fēng)能和風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電裝置：水平軸的翼式風(fēng)力發(fā)電裝置主要由以下幾個(gè)部分組成：葉輪。也稱風(fēng)輪，將流體的運(yùn)動動能轉(zhuǎn)換成軸功向外傳遞。葉片的設(shè)計(jì)需要滿足幾項(xiàng)要求：對特定的風(fēng)速具有最大的轉(zhuǎn)換效率；最大功率輸出在限制范圍內(nèi)，以保護(hù)發(fā)電機(jī)；可承受最大風(fēng)荷和長期疲勞負(fù)荷；避免出現(xiàn)共振；質(zhì)量小，價(jià)格低。風(fēng)能和風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電裝置：偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和風(fēng)向標(biāo)：風(fēng)速不斷變化，風(fēng)輪葉片正對來風(fēng)方向，才能輸出最大的風(fēng)能。小型風(fēng)輪機(jī)用尾舵來調(diào)整方向，大型風(fēng)輪機(jī)普遍采用偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)對風(fēng)輪方向進(jìn)行精確控制。傳動機(jī)構(gòu)：一般包括低速軸、高速軸、增速齒輪箱、聯(lián)軸節(jié)和剎車裝置。齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最重最昂貴的部件，因此，很多工程師都在努力探索和研制由風(fēng)輪機(jī)直接驅(qū)動的低速發(fā)電機(jī)。風(fēng)能和風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電裝置：塔架：

風(fēng)速隨著高度的增加而增大，因此較高的塔架可以是風(fēng)輪機(jī)獲得更多的風(fēng)能。發(fā)電機(jī)：為了與電網(wǎng)頻率保持一致，通常的發(fā)電機(jī)組采用：恒速恒頻系統(tǒng)，利用風(fēng)能的份額??；變速恒頻系統(tǒng)，是目前風(fēng)能發(fā)電的重要發(fā)展方向。風(fēng)速儀和控制器：在風(fēng)速范圍內(nèi)控制器進(jìn)行風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，如風(fēng)速達(dá)到或超過啟動風(fēng)速，控制器啟動風(fēng)輪機(jī)；如風(fēng)速達(dá)到或超過切出風(fēng)速，控制器關(guān)閉風(fēng)輪機(jī)。風(fēng)能和風(fēng)力發(fā)電風(fēng)電場：建設(shè)風(fēng)電場除了要考慮風(fēng)速條件外，還要綜合考慮場地狀況、道路狀況、接入電網(wǎng)的條件等因素。一個(gè)完整的風(fēng)電場項(xiàng)目，一般包括以下幾個(gè)步驟:1.

風(fēng)電場選址2.

項(xiàng)目可行性評估3.

項(xiàng)目準(zhǔn)備4.

風(fēng)電場建設(shè)5.

風(fēng)電場運(yùn)行和維護(hù)6.

風(fēng)電場退役、場地恢復(fù)風(fēng)能和風(fēng)力發(fā)電風(fēng)電場選址：一般需要考慮以下一些因素：風(fēng)能資源。主要考慮年平均風(fēng)速，風(fēng)速頻率，年發(fā)電量和容量系數(shù)。容量系數(shù)：發(fā)電機(jī)組的年度電能凈輸出，與風(fēng)電機(jī)組額定容量與全年運(yùn)行8760h的乘積比值稱為風(fēng)電機(jī)組的容量系數(shù)。風(fēng)電場場地狀況：場地應(yīng)該開闊，地質(zhì)條件好，便于大規(guī)模開發(fā)。交通運(yùn)輸方便風(fēng)能和風(fēng)力發(fā)電風(fēng)電場選址：一般需要考慮以下一些因素：并網(wǎng)條件好：距離電網(wǎng)越近，并網(wǎng)投資越少，線損和壓降也越小。不利氣象條件和環(huán)境的影響：這些不利因素可能影響發(fā)電機(jī)組的壽命。土地征用和環(huán)境影響風(fēng)能和風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電機(jī)組選型和布置：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的選型：單機(jī)容量越大，風(fēng)能利用越高，但是，單機(jī)容量增大的同時(shí)價(jià)格也隨著增加，大容量的機(jī)組技術(shù)投入多而產(chǎn)量較小，成本偏高，所以總體來看，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量價(jià)格隨著單機(jī)容量的變化呈U字形曲線，國內(nèi)目前性價(jià)比較高的仍然是兆瓦級以下的機(jī)組。但單機(jī)大容量仍然是發(fā)展趨勢。風(fēng)能和風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電機(jī)組選型和布置：首先根據(jù)風(fēng)能玫瑰圖確定主導(dǎo)風(fēng)向，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組排列應(yīng)與主導(dǎo)風(fēng)向垂直。對于開闊、平坦的場地，上游風(fēng)力發(fā)電機(jī)組會對下游風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生干擾，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可以布置成有利于加大風(fēng)速的地形，采用單排布置或者多排差排布置方式。風(fēng)能和風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行和安全性：風(fēng)電場中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在工作期間可能處于如下狀態(tài)之一：? 正常工作狀態(tài)? 暫停狀態(tài)? 停機(jī)狀態(tài)? 緊急停機(jī)狀態(tài)每種工作狀態(tài)都可看作是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的一個(gè)活動層次，運(yùn)行狀態(tài)處在最高層次，緊急故障狀態(tài)處在最低層次。風(fēng)能和風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行和安全性：運(yùn)行控制系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的常規(guī)控制系統(tǒng)，此外，還有一套獨(dú)立于運(yùn)行控制系統(tǒng)的安全系統(tǒng)。安全系統(tǒng)的任務(wù)是在出現(xiàn)嚴(yán)重問題或檢測到潛在嚴(yán)重問題時(shí)保護(hù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，使之處于安全狀態(tài)。保護(hù)動作通常是緊急剎車，使風(fēng)輪機(jī)停止工作。安全系統(tǒng)必須獨(dú)立于控制系統(tǒng)，而且具有高度的可靠性和自動故障免除性。為了保證安全，必須配備兩套以上的剎車系統(tǒng)，而且各自的工作方式和動力源必須不同。風(fēng)能和風(fēng)力發(fā)電風(fēng)電對電網(wǎng)運(yùn)行的影響：風(fēng)速和風(fēng)向總是隨機(jī)變化，因此風(fēng)能的特點(diǎn)是具有不穩(wěn)定性，使得風(fēng)電場的輸出功率有波動性，從而影響局部的電能質(zhì)量。風(fēng)電容量到達(dá)一定程度后，會引起電壓不穩(wěn)，特別電網(wǎng)較大波動的時(shí)候，可能導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從電網(wǎng)解鏈，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致電網(wǎng)瓦解。風(fēng)能和風(fēng)力發(fā)