風力發(fā)電概述

風力發(fā)電概述

風能利用的歷史風是地球上的一種自然現(xiàn)象，它是由太陽輻射熱引起的。風能是太陽能的一種轉(zhuǎn)換形式，是一種重要的自然能源。太陽照射到地球表面，地球表面各處受熱不同，產(chǎn)生溫差，從而引起大氣的對流運動形成風。風能利用已有數(shù)千年的歷史。在蒸汽機發(fā)明以前，風帆和風車是人類生產(chǎn)和生活的重要動力裝置。埃及被認為可能是最先利用風能的國家，約在幾千年前，他們就開始利用風帆來幫助行船。波斯和中國也在很早就開始利用風能，主要使用垂直軸風車。我國至少在3000年前的商代就出現(xiàn)了帆船，到唐代，風帆船已廣泛用于江河運輸。最輝煌的是明代，14世紀鄭和七下西洋，龐大的帆船隊功不可沒。明代以后，風車廣泛應用，沿海一帶主要用于帆船和風力機提水灌溉，制鹽。在歐洲到中世紀才廣泛利用風能，荷蘭人發(fā)明了風車。18世紀荷蘭曾用近萬臺風車排水，在低洼的海灘上圍海造田，成為風車之國。成為有名的農(nóng)用風車，最多達到了600萬臺。隨著蒸汽機的出現(xiàn)，以及煤，石油，天然氣的開采，風力機無法和蒸汽機，內(nèi)燃機，電動機等相競爭，逐漸被淘汰。到了19世紀末，開始利用風力發(fā)電，特別是在20世紀70年代，利用風力發(fā)電進入了一個蓬勃發(fā)展的時代。風力發(fā)電的發(fā)展

19世紀末，丹麥人首先研制了風力發(fā)電機，并于1891年建成了世界第一個風力發(fā)電站。但是由于技術(shù)方面的原因，風力發(fā)電一直沒有成為電網(wǎng)中的電源。1973年石油危機以后，美國，西歐等發(fā)達國家為了尋找替代化石燃料的能源，開始投入大量的經(jīng)費，研制風力發(fā)電機組，并于20世紀80年代初開始建立示范風電場，開始了并網(wǎng)發(fā)電的新時期。到了90年代，對環(huán)境保護的要求日益嚴格，風力發(fā)電更加受到重視。經(jīng)過20多年的研究開發(fā)，世界風力發(fā)電取得了引人注目的成就。下表是1983年以來世界風電發(fā)展的情況。1983--2004年世界風電發(fā)展情況及

2004年累計風電裝機最多的10個國家（萬千瓦）風力資源的特點：

1蘊量巨大；據(jù)估計到達地球的太陽能中雖然只有大約2％轉(zhuǎn)化為風能，但其總量仍是十分可觀的。全球的風能約為2.74X109MW，其中可利用的風能為2X107MW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍。2可以再生；3分布廣泛；4沒有污染，綠色環(huán)保；5密度低；6不穩(wěn)定；7地區(qū)差異大中國的風能資源分布

1．三北（東北、華北、西北）地區(qū)豐富帶，風能功率密度在200～300瓦/米2以上，有的可達500瓦/米2以上，如阿拉山口、達坂城、輝騰錫勒、錫林浩特的灰騰梁等、可利用的小時數(shù)在5000小時以上，有的可達7000小時以上。這一風能豐富帶的形成，主要是由于三北地區(qū)處于中高緯度的地理位置有關(guān)。

2．沿海及其島嶼地豐富帶。年有效風能功率密度在200瓦/米2以上，將風能功率密度線平行于海岸線，沿海島嶼風能功率密度在500瓦/米2以上如臺山、平潭、東山、南鹿、大陳、南澳、馬祖、馬公、東沙等。可利用小時數(shù)約在7000-8000小時，這一地區(qū)特別是東南沿海，由海岸向內(nèi)陸是丘陵連綿，所以風能豐富地區(qū)僅在海岸50km之內(nèi)，再向內(nèi)陸不但不是風能豐富區(qū)，反而成為全國最小風能區(qū)，風能功率密度僅50瓦/米2左右，基本上是風能不能利用的地區(qū)。3．內(nèi)陸風能豐富地區(qū)，在兩個風能豐富帶之外，風能功率密度一般在100w/m2以下，可以利用小時數(shù)3000小時以下。但是在一些地區(qū)由于湖泊和特殊地形的影響，風能也較豐富，如鄱陽湖附近較周圍地區(qū)風能就大，湖南衡山、安徽的黃山、云南太華山等也較平地風能為大。但是這些只限于很小范圍之內(nèi)，不像兩大帶那樣大的面積，特別是三北地區(qū)面積更大。青藏高原海拔4000m以上，這里的風速比較大，但空氣密度小，如在4000m的空氣密度大致為地面的67%，也就是說，同樣是8m/s的風速，在平原上風能功率密度為313.6w/m2，而在4000m只為209.9w/m2，而這里年平風速在3~5m/s，所以風能仍屬一般地區(qū)。浙江地區(qū)風能資源及發(fā)展現(xiàn)狀浙江位于我國的東部沿海，海域廣闊，屬亞熱帶季風氣候，風速隨地形變化風能明顯，資源豐富。全省0m高層風能資源理論儲量8,300萬千瓦。其中陸地風能資源理論儲量2,100萬千瓦，海岸到近海20m等深線以內(nèi)海域風能資源理論儲量6,200萬千瓦。浙風電項目成本偏高。浙江省經(jīng)濟較為發(fā)達，人多地少，導致土地資源緊缺且土地征用費非常高，有些項目為內(nèi)地部分風電場的十倍以上。另外浙江省勞力成本較內(nèi)地省份高，也導致了項目開發(fā)運行成本偏高。風能資源的分布不佳導致風電項目相關(guān)的道路建設、交通運輸?shù)荣M用也高于其他省份。同時浙江省的風力資源主要集中在沿海海域和海島等地區(qū)，這些地區(qū)受臺風等氣象災害影響較大。災難性天氣直接導致風電場設備修理、維護費用高于國內(nèi)其他地區(qū)。省內(nèi)風電企業(yè)規(guī)模偏小，產(chǎn)品質(zhì)量不夠穩(wěn)定。風力發(fā)電是一個新興的產(chǎn)業(yè)，同樣也具有規(guī)模效應。中國風電企業(yè)排名位列前五的分別為維斯塔斯、金風科技、四川風瑞、GAMESA、GE能源集團，其中沒有浙江企業(yè)。目前國內(nèi)風電設備的采購主要采用公開國際招標的方式，招標方對投標方的資質(zhì)要求很高。在同國外風電制造商以及國內(nèi)大型風電企業(yè)的競爭中，浙江的風電企業(yè)均處于劣勢。由于大訂單不足，難以進行規(guī)?；a(chǎn)，導致各配套生產(chǎn)企業(yè)投入有限，部件質(zhì)量難以控制，從而影響到整機的質(zhì)量穩(wěn)定性。風力機的分類按照功率輸出的大小分為小型（10KW以下）；中型（10KW—100KW），大型（100KW以上）；結(jié)構(gòu)形式多種多樣，大體上可以分為;水平軸風機，垂直軸風機；Φ型垂直軸風機單葉水平軸風機根據(jù)功率的控制，可以分為三種：失速控制風機（定槳）；變槳距控制風機和主動失速控制2葉水平軸風機垂直軸風機3葉水平軸風機風力發(fā)電機的組成結(jié)構(gòu)

1主機架2主軸3輪轂4葉片5葉片支承6齒輪箱7齒輪箱扭力臂8盤式制動器9發(fā)電機10萬向聯(lián)軸器11液壓單元12偏航馬達13偏航減速器14扭纜傳感器15頂部控制器風力發(fā)電系統(tǒng)的種類

風力發(fā)電系統(tǒng)可以分為兩類1離網(wǎng)型風電系統(tǒng)（獨立的風電系統(tǒng)）又分為：a獨立的風電系統(tǒng)（一般100W—10Kw的下小型機組）b風力-柴油機發(fā)電聯(lián)合系統(tǒng)（10Kw—200Kw的風電機組）c風力—太陽能發(fā)電聯(lián)合系統(tǒng)一般才用太陽能電池方陣（10Kw—200Kw的風電機組）2并網(wǎng)型風電系統(tǒng)一般單機容量在200Kw以上，或者多臺聯(lián)網(wǎng)形成風電場。并網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)的組成：2.1發(fā)電機異步電機特點：堅固耐用，機械結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜；但是運行時必須外加無功利磁電流，消耗無功功率。需要電容組或電網(wǎng)提供無功。同步電機特點：發(fā)電機不僅可以提供有功功率，而且可以提供無功功率，但是它的結(jié)構(gòu)復雜，成本較高。風力發(fā)電系統(tǒng)的種類

2.2軟啟動器主要有晶閘管和控制器組成。作用是降低并網(wǎng)時的電流沖擊，減小并網(wǎng)時的電壓下降；減小發(fā)電機和齒輪箱的機械沖擊。2.3電容器組主要是提供無功補償作用，增加電壓的穩(wěn)定性，減少電網(wǎng)的額外損失。2.4變頻器變頻器是一種功率電子元件，它可以很方便地把頻率不同的電力系統(tǒng)連接起來。一般來說，變頻器都包含了絕緣珊雙極晶體管IGBT（InsulatedGateBiopolarTransisters）.IGBT的特點是具有很高的開關(guān)頻率，可以高達10KHz。使用變頻器的意義：可以調(diào)控頻率；可以調(diào)控無功功率，提高供電質(zhì)量。風電場的選址

風電場的選址，需要綜合考慮多方面的因素。包括風能資源的評估，風機與電網(wǎng)的連接，機組設備的運輸與安裝，地形地貌，和社會經(jīng)濟發(fā)展等因素。A 風能資源的評估：1年平均風速；一般來說，只有年平均風速大于6m/s的地區(qū)才適合建設風場。2年平均風能密度；這和空氣密度以及風速有關(guān)，在青藏高原，風速很高，但是空氣密度小，所以風能密度也小，不適于裝風機。3年有效風速時間（小時數(shù)）：有效風速時間大于2000小時；6—20m/s風速時數(shù)在500—1500小時，該地區(qū)具有安裝風機的資源條件；4主要風向分布；風機進可能安裝在盛行風向比較穩(wěn)定，季節(jié)變化比較小的地方；4湍流強度；湍流會減少發(fā)電機的功率輸出，會使整個發(fā)電機發(fā)生機械振動，湍流嚴重時可能損壞整個發(fā)電機；5自然災害；主要考慮強風，冰雪，煙霧等因素。

廠址選擇應考慮的因素1盡可能靠近電網(wǎng)；2交通方便；3地形地質(zhì)；4地理位置，遠離地震帶，火山頻繁暴發(fā)區(qū)。遠離人口密集區(qū)；5盡量減少對環(huán)境的不利影響。主要是對飛禽的傷害，以及對草原的環(huán)境破壞。B風電機組的排列風電機組的排列主要和風向和發(fā)電機組的數(shù)量，場地的實際情況有關(guān)。由于風通過葉輪以后，風速會下降并且產(chǎn)生湍流，要經(jīng)過一定的距離后才能恢復。理想條件下，在主風向上，風機布置得越遠越好，，以減少風機之間的影響，但是這會增加電纜長度和費用，并且占用較多的土地資源。指導原則是，在盛行風向上機組之間相隔5—9倍的風輪直徑，在垂直于盛行風向上要求機組間隔3—5倍的風輪直徑。風電場的運行和維護風力發(fā)電機組日常運行工作主要包括：1通過中控室的計算機，監(jiān)視各個機組的各項參數(shù)變化以及運行狀態(tài)，并按規(guī)定填寫風場運行日志；2當發(fā)生異常變化或者遇到故障時及時處理，并做好記錄；3定期巡視檢查；風力機的維護與檢修（Eulikind主要做質(zhì)保期內(nèi)的維護和檢修）1正常維護指運行人員平時對風機進行的檢查，調(diào)整，注油潤滑，清理，以及臨時故障的檢查，分析和處理。2定期檢修（具體參照技術(shù)文件ES00010，檢修手冊）定期檢查是按照Gamesa的工藝規(guī)定進行。主要對以下部件進行檢查：葉片，輪轂，葉片軸承，變槳機構(gòu)，主軸，齒輪箱，聯(lián)軸器，發(fā)電機，機架，塔筒，偏航系統(tǒng)，液壓站，螺栓力矩；控制系統(tǒng)檢測；功能檢查：葉片變槳的各個參數(shù)設定；速度控制性能；超速保護性能等；風電技術(shù)的發(fā)展趨勢

1單機容量增大在過去的20年里，風力發(fā)電機典型裝機容量已經(jīng)從50KW發(fā)展到1500KW。目前商業(yè)化機組的容量達到了3.6MW。REpower公司已經(jīng)開發(fā)出了5MW，葉輪直徑為126米的風機。一些新的復合材料和新技術(shù)也應用在大型風機的制造中。大型風機更適合于濱海風電場。在人口密集的國家，隨著陸地風場的利用殆盡，濱海風場在未來的風能開發(fā)中將占越來越重要的份額。GE3.6MW風機

風電技術(shù)的發(fā)展趨勢2塔架高度的提高 在地處平坦地帶的風機，在50米高度捕捉的風能要比30米高處多20%3控制技術(shù)的發(fā)展，變頻恒頻成為主流 低速交流變頻發(fā)電機的研發(fā)與運行—無齒輪箱直接驅(qū)動型發(fā)電機。該風機采用了低速多極交流發(fā)電機，在葉輪和發(fā)電機之間不需要安裝增速箱。這種發(fā)電機轉(zhuǎn)子外圓以及定子內(nèi)經(jīng)大大增加，軸向長度則很短，呈圓環(huán)狀。系統(tǒng)采用IGBT變頻器。該種機型的優(yōu)點：由于不采用齒輪箱，減少了齒輪箱的傳動損失和發(fā)生故障的概率；發(fā)電機轉(zhuǎn)速和葉輪轉(zhuǎn)速相同且隨風速變化，風輪可轉(zhuǎn)換更多的風能；總體重量減輕，所以風機支撐結(jié)構(gòu)減輕，基礎(chǔ)費用也可降低，運行維護費用也低。無變速箱風機4海上風力發(fā)電迅速發(fā)展

由于海上風速大并且比較穩(wěn)定，風速約比沿岸高出25%，且海面粗糙度小，湍流小，具有穩(wěn)定的主風向。大型風機在海面上比較容易運輸和安裝。一般陸上風場平均設備利用小時數(shù)為2000小時；好的可以達到2600小時。在海上則可以達到3000小時以上。為了便于浮吊施工，海上風場一般建在水深為3—8米處。同容量裝機，海上比陸上成本增加60%（海上基礎(chǔ)占23%，線路占20%，陸上僅各占5%），電量增加50%以上。目前，歐洲海上風機已經(jīng)有16個，裝機301臺，總?cè)萘?20MW。海上風場中國小型風力機應用發(fā)展八十年代中后期，我國的小型風力發(fā)電機已形成了規(guī)模化生產(chǎn)的能力，在內(nèi)蒙古等偏遠地區(qū)推廣小型風力發(fā)電機近二十萬臺，到1990年在丹東召開全國風力機械行業(yè)協(xié)會成立大會時，會員單位有五十多家。但由于沒有適時建立產(chǎn)品質(zhì)量檢測體系和市場監(jiān)督機制，致使大批低質(zhì)量低價的小型風力發(fā)電機涌入市場，導致產(chǎn)品的成本與市場價格錯位，優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的企業(yè)失去了市場，也喪失了產(chǎn)品更新?lián)Q代和進一步研發(fā)的能力。加上產(chǎn)品的售后服務體系沒建立，小型風力發(fā)電機產(chǎn)品大面積出現(xiàn)質(zhì)量問題，用戶對小風機產(chǎn)品失去了信心，市場急劇萎縮，從而使整個小型風力發(fā)電機制造行業(yè)全面萎縮。按全國風力機械行業(yè)協(xié)會2000年對全國小型風力發(fā)電機產(chǎn)品銷售量的統(tǒng)計，全國共銷售小型風力發(fā)電機產(chǎn)品12670臺套，其中300w以下的產(chǎn)品12000臺套，并且是低質(zhì)低價的產(chǎn)品為主，工業(yè)產(chǎn)值不足2000萬元，不及一個中小企業(yè)的年產(chǎn)值。存在問題與原因分析目前我國小型風力發(fā)電之所以出現(xiàn)這種局面，我們認為主要原因如下：

一、對小型風力發(fā)電機的技術(shù)難度認識不足

1992年美國宇航局曾發(fā)表過一篇文章，說明美國宇航局和波音公司由于對小型風力發(fā)電機的技術(shù)難度估計不足，而導致為軍方研制的便攜式小型風力發(fā)電機失敗，文章中主要提到小型風力發(fā)電機研制上的困難在于：

1、小型風力發(fā)電機所面對的自然環(huán)境極為惡劣，由于風受地面粗糙度和障礙物的影響很大，離地面高度越高，風速越穩(wěn)定。而小風機受安裝高度限制，而且不能遠離用電者居住的地方，所以小風機是工作在風的紊流區(qū)域，風速風向的無規(guī)則頻繁變化對風機的破壞性很大。

2、小型風力發(fā)電機所能提供的能源有限，考慮到單位功率成本的因素，好的材料和先進的控制技術(shù)無法采用，可選擇的材料和技術(shù)手段有限。長期以來，我國的小風機研制缺乏對小風機使用環(huán)境的研究，比較注重風機的性能測試數(shù)據(jù)，缺乏對風機在不同環(huán)境下進行運行考核的要求。

二、產(chǎn)品的技術(shù)要求不合理

雖然我國的小型風力