风力发电原理范文（精选11篇）
风力发电原理 第1篇
关键词：风能,风力发电机组,风电系统
0 引言
众所周知,可再生能源有水能、风能、太阳能、生物质能、潮汐能、地热能六大形式。其中,风能源于太阳辐射使地球表面受热不均、导致大气层中压力分布不均而使空气沿水平方向运动所获得的动能。据估计,地球上可开发利用的风能约为2×107MW,是水能的10倍,只要利用1%的风能即可满足全球能源的需求[1]。在石油、天然气等不可再生能源日益短缺及大量化石能源燃烧导致大气污染、“酸雨”和“温室效应”加剧的现实面前,风力发电作为当今世界清洁可再生能源开发利用中技术最成熟、发展最迅速、商业化前景最广阔的发电方式之一已受到广泛重视。文中阐述了风力发电机组及恒速恒频、变速恒频风力发电系统的基本结构和工作原理,综述了国内外风力发电技术的发展现状和发展趋势。
1 风力发电机组的基本结构和工作原理
典型的风力发电机组主要由风轮(包括叶片、轮毂)、(增速)齿轮箱、发电机、对风装置(偏航系统)、塔架等构成(图1)。其工作原理为:风以一定的速度和攻角流过桨叶,使风轮获得旋转力矩而转动,风轮通过主轴联接齿轮箱,经齿轮箱增速后带动发电机发电。
由于风力发电机组频繁起停,风轮转动惯量又很大(大型风力发电机组的单个叶片重达数吨),故风轮的转速设计值较低,通常为20～30r/min(机组容量越大,转速越低)[2];另一方面,为了限制发电机的体积和重量,其极对数较少,故在风轮与发电机间通常设置增速齿轮箱,将风轮输入的较低转速增速到1000～1500r/min[1]以满足发电机所需。
风力机按风轮主轴的方向分为水平轴、垂直轴两大类;对水平轴风力机,需要风轮保持迎风状态,根据风轮是在塔架前还是在塔架后迎风旋转分为上风向和下风向两类。现代风力发电机组大多数采用上风向(风轮在塔架前面迎着风向旋转)、水平轴式(风轮的旋转平面与风向垂直、旋转轴与地面平行)、3叶片,且在大型机组中采用变桨距风轮,即桨叶与轮毂不象传统的定桨距失速型那样采用刚性联接,而是通过可转动的推力轴承或回转支撑联接,以使叶片攻角可随风速变化进行调整从而对风轮进行调速(限速)。
偏航系统是上风向水平轴式风力机风轮始终保持迎风状态及提供安全运行所需锁紧力矩的特有伺服系统,其通过驱动机舱围绕塔架的垂直轴转动以使风轮主轴保持与稳定的风向一致;另外,当因偏航动作导致机舱内引出电缆扭绞时,偏航系统应能自动解除扭绞。
风力发电机组中的发电机一般为异步发电机(包括笼型、绕线型)或同步发电机(包括永磁、电励磁),采用何种形式的发电机主要取决于风力发电系统的形式。
根据风力机的基础理论,风力机从自然风中捕获风能所获得的机械功率为[2]
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式中:Pm ——机械功率,W;
v1 ——距离风机一定距离的上游风速,m/s;
ρ ——空气密度,kg/m3;
S ——风轮的扫风面积,m2;
Cp ——风能利用系数。德国的空气动力学家贝兹(Albert Betz)1926年提出的“贝兹极限”[2,4,5]表明:风力机的实际风能利用系数Cp<0.593。
风能利用系数Cp是体现风轮气动特性优劣的主要参数,其是叶尖速比λ和桨叶桨距角β的非线性函数,而叶尖速比λ为风轮叶片叶尖的线速度与风速v1之比,即
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式中:n ——风轮的转速,r/min;
ω ——风轮的角速度,rad/s;
R ——风轮的半径,m;
v1 ——上游风速,m/s。
图2和图3分别为基于某定桨距风力机四参数模型、某变桨距风力机七参数模型的Cp-λ曲线[6]。
图2表明,当桨距角保持不变时,风能利用系数Cp只在对应最佳叶尖速比λopt点处获得最大值Cpmax。
显然,在不同的风速下,若通过调节风轮的转速使其叶尖速比λ=λopt,则可维持风力机在最大风能利用率下运行,这正是变速风力发电机组转速控制的基本目标。
图3表明,同一叶尖速比下,不同的桨距角对应不同的风能利用系数,因此,通过改变桨距角可控制风力发电机组的功率。事实上,与功率输出完全依靠桨叶气动性能的定桨距风电机组相比,桨距角可控制的变桨距风电机组具有如下优势[2]:在额定功率点以上输出功率平稳;在额定点风能利用系数较高;可保证在高风速段输出额定功率;优良的起动、制动性能。
2 风力发电系统的基本结构和工作原理
风力发电系统从形式上有离网型、并网型。离网型的单机容量小(约为0.1～5kW,一般不超过10kW),主要采用直流发电系统并配合蓄电池储能装置独立运行;并网型的单机容量大(可达MW级),且由多台风电机组构成风力发电机群(风电场)集中向电网输送电能。另外,中型风力发电机组(几十kW到几百kW)可并网运行,也可与其它能源发电方式相结合(如风电-水电互补、风电-柴油机组发电联合)形成微电网。并网型风力发电的频率应保持恒等于电网频率,按其发电机运行方式可分为恒速恒频风力发电系统和变速恒频风力发电系统两大类。
2.1 恒速恒频风力发电系统
恒速恒频风力发电系统中主要采用三相同步发电机(运行于由电机极对数和频率所决定的同步转速n0)、鼠笼式异步发电机(SCIG)。且在定桨距并网型风电机组中,一般采用SCIG,通过定桨距失速控制的风轮使其在略高于同步转速n0的转速(一般在(1～1.05)n0之间)稳定发电运行。图4为采用SCIG的恒速恒频风力发电系统结构示意图,由于SCIG在向电网输出有功功率的同时,需从电网吸收滞后的无功功率以建立转速为n0的旋转磁场,这加重了电网无功功率的负担、导致电网功率因数下降,为此在SCIG机组与电网之间设置合适容量的并联电容器组以补偿无功。在整个运行风速范围内(3m/s
恒速恒频风力发电系统具有电机结构简单、成本低、可靠性高等优点,其主要缺点为:运行范围窄;不能充分利用风能(其风能利用系数不可能保持在最大值);风速跃升时会导致主轴、齿轮箱和发电机等部件承受很大的机械应力。
2.2 变速恒频风力发电系统
为了克服恒速恒频风力发电系统的缺点,20世纪90年代中期,基于变桨距技术的各种变速恒频风力发电系统开始进入市场,其主要特点为:低于额定风速时,调节发电机转矩使转速跟随风速变化,使风轮的叶尖速比保持在最佳值,维持风电机组在最大风能利用率下运行;高于额定风速时,调节桨距以限制风力机吸收的功率不超过最大值;恒频电能的获得是通过发电机与电力电子变换装置相结合实现的。目前,变速恒频风电机组主要采用绕线转子双馈异步发电机,低速同步发电机直驱型风力发电系统亦受到广泛重视。
a) 基于绕线转子双馈异步发电机的变速恒频风力发电系统
绕线转子双馈异步发电机(DFIG)的转子侧通过集电环和电刷加入交流励磁,既可输入电能也可输出电能。图5为基于绕线转子双馈异步发电机的变速恒频风力发电系统结构示意图,其中,DFIG的转子绕组通过可逆变换器与电网相连,通过控制转子励磁电流的频率实现宽范围变速恒频发电运行,其工作原理为:转子通入三相低频励磁电流形成低速旋转磁场,该磁场的旋转速度n2与转子机械转速nr相叠加,等于定子的同步转速n0,即
nr±n2=n0 (3)
从而在DFIG定子绕组中感应出相应于同步转速n0的工频电压。当发电机转速nr随风速变化而变化时(一般的变化范围为n0的30%,可双向调节),调节转子励磁电流的频率即可调节n2,以补偿nr的变化,保持输出电能频率恒定。
图5所示变速恒频方案由于是在转子电路中实现的,而流过转子电路的功率是由DFIG转速运行范围所决定的转差功率,一般只为额定功率的1/4～1/3,故显著降低了变换器的容量、成本。此外,调节转子励磁电流的有功、无功分量,可独立调节发电机的有功、无功功率,以调节电网的功率因数、补偿电网的无功需求。事实上,由于DFIG转子采用了可调节频率、幅值、相位的交流励磁,发电机和电力系统构成了“柔性连接”[7]。徳国DeWind公司生产的D6型机组(其额定功率为1250kW,起动、额定、切出风速分别为2.5m/s,13m/s,28m/s)是采用这种变速恒频方案的典型产品[2]。
b) 基于低速同步发电机的直驱型风力发电系统
直驱型风力发电系统中,风轮与永磁式(或电励磁式)同步发电机直接连接,省去了常用的升速齿轮箱。图6为永磁直驱型变速恒频风力发电系统结构示意图,风能通过风机和永磁同步发电机(PMSG)转换为PMSG定子绕组中频率、幅值变化的交流电,输入到全功率变换器中(其通常采用可控PWM整流或不控整流后接DC/AC变换),先经整流为直流,然后经三相逆变器变换为三相工频交流电输出。该系统通过定子侧的全功率变换器对系统的有功、无功功率进行控制,并控制发电机的电磁转矩以调节风轮转速,实现最大功率跟踪。与基于DFIG的风力发电系统相比,该系统可在较宽的转速范围内并网,但其全功率变换器的容量较大。与带齿轮箱的风力发电系统相比,该系统提高了效率与可靠性、降低了运行噪声,但发电机转速低,为获得一定的功率,发电机应具备较大的电磁转矩,故其体积大、成本高。
3 风力发电技术的发展现状及发展趋势[1,2,5,6,7,9,10,11,12,13]
丹麦的Poul la Cour教授是风力发电研究的先驱者,1891年他在丹麦的Askov 成立了风力发电研究所并安装了试验用的4叶片风力发电机。到1910年,丹麦已建成100座5～25kW的风力发电站。但从19世纪末到20世纪初期实现的风力发电均为小容量直流发电。
1931年,在前苏联的Balaclave建成世界上第一座中型风力发电机,其容量为100kW。1957年,丹麦成功制造了风轮直径24m,额定功率200kW的Gedser(盖瑟)风力发电机组,其为三叶片、上风向、采用定桨距风轮失速调节限制机组的功率、带有电动机械偏航、采用异步发电机。1983年,美国波音公司研制的MOD-5b型风力发电机组(额定功率3.2MW、风轮直径98m)投入运行。到1990年末,世界上已有多个生产兆瓦级风力发电机组的制造商。
起源于丹麦的定桨距失速控制方式因结构简单、性能可靠,曾在相当长的时间内占据主导地位,但随着风力发电机组趋向大型化和兆瓦级机组的商业化,全桨叶变距控制成为发展趋势。
进入21世纪,陆地风力发电机组的主力机型单机容量为2MW,风轮直径为60～80m,近海风力发电机组的主力机型单机容量多为3MW以上;大型变速恒频风力发电技术已成为主要发展方向。其中,双馈型变速恒频风力机组是目前国际风力发电市场的主流机型,直驱型风力发电机组以其固有的优势正日益受到关注(ENERCON公司2006年生产的直驱型风力发电机组在德国市场销售量第一)。事实上,从定桨距恒速恒频机组发展到变桨距变速恒频机组,可谓基本实现了风力发电机组从能够向电网提供电力到理想地向电网提供电力的最终目标。
2001年以来,全球每年风电装机容量增长速度为20%～30%,风力发电已成为世界上增长速度最快的清洁能源。到2008年底,全球风电装机容量已达1.20亿kW,前3位的国家分别是美国、德国、西班牙。
我国的风电发展主要集中在2003年以后。近年来,显示出前所未有的发展势头。到2008年底,风电机组总装机容量达1215.3万kW,位列全球第4。随着我国风电装备制造业的快速发展,我国的华锐风电、金风科技两家企业进入2008年全球大型风电机组制造商前10名[11]。目前,国内风电制造技术发展呈现的主要特点为:兆瓦级风电机组已成为主流机型;变桨距、变速恒频技术得到广泛采用;双馈异步发电技术仍占主流;直驱型风电机组发展迅速。
综观世界风力发电近几年迅猛发展的轨迹,呈现出如下发展趋势及发展动态:
风力发电机工作原理 第2篇
2007-04-16 15:57阅读1139评论1
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现代变速双馈风力发电机的工作原理就是通过叶轮将风能转变为机械转距（风轮转动惯量），通过主轴传动链，经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后，通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电
网。如果超过发电机同步转速，转子也处于发电状态，通过变流器向电网馈电。
最简单的风力发电机可由叶轮和发电机两部分构成，立在一定高度的塔干上，这是小型离网风机。最初的风力发电机发出的电能随风变化时有时无，电压和频率不稳定，没有实际应用价值。为了解决这些
问题，现代风机增加了齿轮箱、偏航系统、液压系统、刹车系统和控制系统等。
齿轮箱可以将很低的风轮转速（1500千瓦的风机通常为12-22转/分）变为很高的发电机转速（发电机同步转速通常为1500转/分）。同时也使得发电机易于控制，实现稳定的频率和电压输出。偏航系统可以使风轮扫掠面积总是垂直于主风向。要知道，1500千瓦的风机机舱总重50多吨，叶轮30吨，使这
样一个系统随时对准主风向也有相当的技术难度。
风机是有许多转动部件的，机舱在水平面旋转，随时偏航对准风向；风轮沿水平轴旋转，以便产生动力扭距。对变桨矩风机，组成风轮的叶片要围绕根部的中心轴旋转，以便适应不同的风况而变桨距。在停机时，叶片要顺桨，以便形成阻尼刹车。
早期采用液压系统用于调节叶片桨矩（同时作为阻尼、停机、刹车等状态下使用），现在电变距系
统逐步取代液压变距。
就1500千瓦风机而言，一般在4米/秒左右的风速自动启动，在13米/秒左右发出额定功率。然后，随着风速的增加，一直控制在额定功率附近发电，直到风速达到25米/秒时自动停机。
现代风机的设计极限风速为60-70米/秒，也就是说在这么大的风速下风机也不会立即破坏。理论上的12级飓风，其风速范围也仅为32.7-36.9米/秒。
风机的控制系统要根据风速、风向对系统加以控制，在稳定的电压和频率下运行，自动地并网和脱网；同时监视齿轮箱、发电机的运行温度，液压系统的油压，对出现的任何异常进行报警，必要时自动停
风力发电不如猫 第3篇
一只鸟的3％代表什么意思?天鹅翼展最尖端的7厘米?鸵鸟的右脚?还是平均每具风力发电机造成鸟的死亡数目?据美国国家科学院《风能计划对环境冲击》的报告，是指第三种说法，这是统计30具涡轮扇叶一年对一只鸟杀伤率的数据。
写报告的科学家共搜集了14项自认可信的研究，很自然地对得到的数字附加了许多警告。他们知道死亡率会因地点不同而大有差异，正如哈姆雷特的名旬“一只麻雀的死生，都是命运预先注定的”，因此即使死的是一只秃鹰，也不值得去设法避免。
分析的结论是，不论怎么算，在美国被风力发电扇叶打死的小鸟一年不超过4万只，这个数目显然不能与每年被猫咬死的以“亿”为单位的小鸟比较。执笔者写到，涡轮扇叶虽然比用棒子挥击的伤害大些，最近的研究也发现鸟尸比预期多，但数目仍然微不足道。然而，有关连雀死亡阴影的研究未能平息爱鸟人士的忧虑，这批人看到风力发电机就会反感。以无碳能源来说，风力发电在环保人士眼中声名狼藉，大部分的抱怨都是为了鸟类安全及景观问题。风力发电厂并未拿到完全清白的“健康证书”，正如美国国家科学院报告中所指出的，大部分的资料都有局限性，英国实证保育中心主持人普林也认为证据十分薄弱。
拥有大量会员且颇具实力的英国皇家鸟类保护协会，反对在沿海岸发展大面积风力发电，因为陆地上的小规模装置被证实效果有限。这个组织坚决反对在苏格兰赫布里底群岛中的路易斯岛设立234座风力发电机的计划。
风力发电排名世界第三，仅次于美国、德国的西班牙也表发布研究指称，造成鸟类死亡的数目很小。但是西班牙环境保护论者认为，该数字未说出全部实情，环保顾问卡米尼亚曾监视140座风力发电厂中的70座。他说，2004年发表的研究，野外调查却是在10年前完成的，那个时代的涡轮扇叶要少得多。
卡米尼亚受雇于里奥哈、瓦伦西亚及安达卢西亚三个地方政府。他最近向马德里环保署递出的一项即将发表的报告指出，重点是猛禽被伤害的数量。举例来说，自2000年起，共有886只鲁氏粗毛秃鹫因此死亡。他表示，了解大型鸟类的死亡很重要，这是因为它们的繁衍较慢，只要有少数死亡就会影响到整体数量。
猛禽类在美国也引起重大争议，20世纪80年代开始运作的加州阿特蒙隘口风力发电机就曾有扫落金鹰的记录。但是拥有阿特蒙涡轮发电机的总裁柯埃比则辩称，这种说法是“欲加之罪，何患无辞”。“我听说每年有1000只鸟会撞上华盛顿纪念碑，这是否也应拆除?我们做的是拯救地球的事，甚至也救了鸟类，因为污染对鸟类的伤害是人类的2倍。”
风力发电和光伏发电并网问题研究 第4篇
关键词：风力发电,光伏发电,并网问题
0引言
风力发电是根据自然界的风力进行供电的一种方式, 而光伏发电是直接对太阳能进行使用的一种方式, 对于这两种新型能源提供方式来说, 其对于我国能源的节约以及环境的保护都具有积极的意义。但是, 由于这两种能源同我国传统使用的能源类型相比具有一定的差异, 就使其在实际调度以及运行的过程中难免会存在一定的问题, 对此, 就需要我们能够对这部分问题产生的原因进行良好地掌握, 从而更好地找寻解决的办法。
1风力发电和光伏发电并网过程中所存在的问题
对于光伏以及风力发电来说, 其所具有的发电功率波动都较大, 且具有较大的不确定性。对于使用风力以及光伏发电, 容量较大的系统就需要具有更高的发电备用容量以及输电网络容量。但是, 即使具备这部分条件其在并网的过程依然会出现一定的问题:
1.1孤岛效应所谓孤岛效应, 就是如果电力企业在实际供电的过程中由于维修以及出现故障而使电力出现了中断的现象, 那么用户端的发电系统却不能够及时地对这种停电行为进行检测, 从而将自身切离市电网络, 进而将周围的光伏以及风力发电网络形成一种脱离电力企业掌控的一个孤岛, 而出现这种情况的频率也会随着光伏以及电力发电量的增大而增大。如果出现了这种孤岛效应, 那么就很可能对电力企业线路的维修以及工作人员造成威胁;使配电系统中的保护开关动作程度受到影响, 并很可能会由于出现较大的冲击电流而对电力系统中设备的安全运行造成威胁;因为孤岛区域所存在的频率以及电压的波动性使系统设备受到危害等等。
1.2可靠性问题对于光伏以及风力发电方式来说, 其在实际应用过程中还存在着一定的不可靠性, 其主要表现为:首先, 当电力系统出现停电情况时间, 就会使光伏以及风力发电工作也会暂停, 不能够良好地提升供电工作的可靠性;其次, 如果两者在继电保护方面没有进行良好的落实, 那么也会使继电保护出现误动作的情况, 也会对可靠性产生影响;最后, 如果在安装环节中没有选择好两者的连接方式以及安装地点, 也会对整个系统的可靠性产生影响。而对其产生影响最大的就是风速灰根据天气所存在的随机性, 以及光照根季节以及天气所存在的不稳定情况, 从而使通过这两种方式进行供电的系统电压情况变化较大, 不能够使我们很好地对其进行预测。
1.3电网效益问题对于光伏以及风力发电方式来说, 其在接入系统之后可以将配网中原有的部分设备变成备用以及闲置的状态, 比如在这两种发电方式运行的过程中, 同配电系统相连接的电缆线路以及配电变压器往往会由于自身所具有的负荷情况较小而出现轻载的情况, 从而直接使配电设备成为两种新能源发电方式的备用设备, 进而造成整个配电网的成本增加、效益降低的情况。
2风力发电和光伏发电并网问题的解决措施
2.1构建风力发电和光伏发电系统的研究验证环境
2.1.1建模研究与验证环境对于风力发电和光伏发电系统来说, 需要能够首先对其发电系统的特性进行研究, 并在相应的电力分析软件中对这两种发电系统建立起全面的动态以及静态模型, 并将光伏发电同控制器的两种特性进行全面的比较, 并在比较的基础上建立起一套完善且全面的风力发电和光伏发电控制系统模型, 从而通过在电力软件对这两种发电系统所具有的供电能力进行计算的基础上, 为后续风力及光伏发电的验证以及测试打好基础。
2.1.2仿真实验环境在对风力及光伏发电系统进行建模研究之后, 也需要能够适时地对风力及光伏发电典型的案例进行研究, 并对典型案例的发电系统、运行方式、故障场景以及对其进行控制的措施进行研究分析, 之后再对这部分案例进行仿真计算, 从而能够通过这种方式不断地积累相关经验, 并以建立专门数据库的形式将这部分成功的参数以及做法为后续工作的开展作出保障。
2.2深入研究风力及光伏发电系统同电网共同作用的机理当风力及光伏发电网络通过微网的方式同电网进行连接之后, 两者间所具有的作用情况则是十分复杂的, 且会对电网的运行特性产生较大的影响。而对于这种情况来说, 则需要能够通过全新的方式对影响情况进行分析, 并且需要通过全新的分析方式对配电系统的稳定性以及同微网之间的影响进行研究, 从而通过这种形式来找出主网同微网之间所存在的本质区别以及发展的方式。
2.3研究新型配电系统的方式在对风力及光伏发电并网工作所具有的特点进行一定的掌握之后, 则需要对配电系统的方法以及规划理论进行一定的研究。首先, 需要找出风力及光伏发电电源的优化位置、容量以及选址情况, 从而以此为基础进一步地对风力及光伏发电的控制方式、并网方式以及接入位置等等进行研究, 并更好地分析电网对于电压波动以及电压谐波所产生的影响。而在实际开展规划的过程中, 也需要能够充分地对风力及光伏发电在电网运行过程中的合理性进行考虑, 并对其影响进行评估, 从而在电力系统的层面上保证整个配电网络能够以一种环保、经济、安全的方式运行。
2.4风力及光伏发电电网运行的控制设备及技术
2.4.1对于光伏发电系统而言, 其通过微网接入到系统之中, 从而以一种非常彻底的方式对系统故障原有的特征进行了改变, 而这也会使电网在出现故障后一系列电气量方面具有了非常复杂的变化, 而以往经常使用的故障检测方法以及保护方式也会因此而受到较大的影响, 对此, 就需要我们能够努力地根据实际情况, 在今后不断地研究新的电网保护方式以及新技术。
2.4.2当整个电网系统出现故障时, 并网分布式电源则会同主网断开, 并能够继续以独立运行的方式向本地符合继续进行供电。而面对这种情况, 为了能够更好地保障用电的质量以及安全, 就需要我们能够及时地对这种孤岛情况进行检测, 并对这种孤岛同系统所分离的部分实行适合的调控措施, 并在整个系统故障解决、恢复运行之后再继续以并网的方式运行。同时, 还需要我们能够努力研制出更及时、更准确的孤岛检测方式, 以及在紧急状态下对于孤岛进行划分的优化技术, 从而能够在系统产生故障时能够更好地对故障进行切除、更好地恢复供电。
3结束语
总的来说, 电力是我国目前社会以及经济发展过程中非常重要的一个环节, 而风力及光伏发电则更是保障我国电力事业良好发展、保护我国环境以及能源的有效方式, 需要我们能够对其引起充分的重视。在上文中, 对于风力及光伏发电的并网问题以及解决措施进行了一定的研究分析, 而在实际操作的过程中, 也需要能够充分地联系实际, 并以新知识、新技术的应用来保障风力及光伏发电技术能够更好地为我们所服务。
参考文献
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风力发电原理 第5篇
班级：材料工程111 学号：205110137 姓名：张宇
摘要：本文对中国风能现状及资源分布，近年来中国风力产业的发展状况以及复合材料在风电叶片上的应用进行论述。
关键词：风力发电；发展状况；复合材料；风电叶片
Abstract:This review concerns about the stituation and resource distribution of windy energy in China,the development status of chinese wind power-generation enterprises and the application of composites in wind power-generation.Key words:Wind power-generation；Development status；Composites；Wind turbine blade 引言
社会经济的持续发展导致能源消耗不断增加，我们正面临日益严峻的能源形势。全球范围的石油、天然气能源逐渐枯竭，环境恶化等因素迫使我们寻找更加清洁、可持续发展的新能源，风力发电应运而生。中国风能资源非常丰富，主要集中在三北地区及东部沿海风能丰富带。
风力发电产业市场巨大，竞争激烈。据估计，2006到2010年之间，我国风电叶片的需求量大约在7000多片，2011到2020年的需求量则将达到惊人的50000片。巨大的市场前景使得目前风机行业的竞争空前激烈。整机方面，目前国际市场格局已初步成型。2005年全球超过75％的市场份额被丹麦Vestas、西班牙Gamesa、德国Enercon和美国GE WIND四家企业占据，新进入企业的生存空间不大；国内的整机生产企业中，新疆金风、浙江运达、大连重工集团、东方汽轮机厂等几家的市场前景被业界看好，这其中又以新疆金风科技在国内品牌中的市场份额最大。叶片市场的情况与整机基本类似，单是丹麦LM Glasfiber公司一家就占据了国际市场40%以上的份额，其产品被GE WIND、西门子、Repower、Nordex等公司全部或部分采用；另外Vestas和Enercon公司也拥有各自的叶片生产部门。国内的叶片生产企业主要有中航保定惠腾、连云港中复连众复合材料集团等。
风电叶片作为风力发电机组系统最关键、最核心的部件之一．叶片的设计及其采用的材料决定着风力发电机组的性能和功率，也决定着其电力成本及价格。复合材料在风力发电上的应用，实际上主要是在风电叶片上的应用。风电叶片占风力发电整个系统成本的20%到30%。制造叶片的材料工艺对其成本有决定性影响，因此材料的选择、制备工艺的优化对风电叶片十分重要。
1.中国风能资源及其分布
1.1中国风能资源
据有关研究成果预测，我国风能仅次于俄罗斯和美国，居世界第三位，理论储32260GW，陆地上离地10m高可开发和利用的风能储量约为2.53亿kw(依据陆地上离地10m高度资料计算)，近海(水深不超过10米)区域，离海面10米高度层可开发和利用的风能储量约为7.5亿kW，共计10亿kW，风能资源非常丰富。
1.2中国风能资源分布
风能资源丰富的地区主要分布在东南沿海及附近岛屿以及“三北”(东北、华北、西北)地区。另外，内陆也有个别风能丰富点，海上风能资源也非常丰富。“三北”地区包括东北3省、河北、内蒙古、甘肃、青海、西藏和新疆等省自治区近200km宽的地带，风功率密度在200~300W/m2以上，有的可达500W/m2以上，可开发利用的风能储量约2亿kW，约占全国陆地可利用储量的79%。该地区风电场地形平坦，交通方便，没有破坏性风速，是我国连成一片的最大风能资源区，有利于大规模的开发风电场。包括山东，广西和海南等省市沿海近10km宽的地带，年有效风功率密度在200W/m2以上，沿海岛屿风功率密度在500W/m2以上，风功率密度线平行于海岸线，可开发利用储量为0.11亿kW，约占全国陆地可利用储量的4%。东南沿海及其岛屿是我国风能最佳丰富区。我国有海岸线1800km，岛屿6000多个，大有风能开发利用的前景。
2.近年来中国风电产业发展
2.1产业发展现状
2000至2009年10年间，中国风能产业飞速发展，风能累计装机的容量平均的怎张速度高达72.8%。从2005年起，总装机容量的增长速度超过了100%。截止到2009年12月31日，中国（不含台湾省）风电累计装机超过1000MW的省份超过9个，其中超过2000MW的省份4个，分别为内蒙古(9196.2MW)河北(2788.1 MW)辽宁(2425.3MW)吉林(2063.9MW)内蒙古2009年当年新增装机5545MW，累计装机9196.2MW，实现150%的大幅度增长。
从风电零部件制造方面来看，据统计，2004年中国仅有6家风力涡轮机制造商，2009年这一数字已提高到80家以上。已开始生产的内资叶片企业52家，轴承企业16家，齿轮箱企业10家，变流器企业12家，塔筒生产企业则有近100家。其中，叶片制造企业中复连众、中材科技年供货已超过500套，中航惠腾年供货超过2000套；轴承制造企业洛轴、瓦轴、天马等已具备批量主轴轴承生产供应能力齿轮箱制造企业中南高齿年产超过3000台，大重减速机超过2000台、重齿超过1000台；
从风电整机制造方面来看，2009年，华锐风电、金风科技和四川东汽继续保持市场前“三甲“的位置，华锐新增装机34.5万kW，金风新增装机272.2万kW，东汽新增装机203.5万kW。联合动力以装机容量768MW，占中国新增市场5.6%的优势，排名全国第四。随着国产整机产能释放及零部件配套能力增强，产业链瓶颈将消除，产业发展迅速；风电设备市场呈现寡头垄断格局，避免了市场无序竞争，有利于领头企业做大做强。2009年我国新增风电装机及累计装机排名前10名制造企业市场份额。内资变流器制造企业供应能力增强，质量获得客户认可。可见，国内风电零部件产业发展的繁荣景象。
2.2国家的优惠政策
中国颁布的政策主要从两个方面扶持风电行业，一方面是通过财政补贴、电网全额收购、确定风电并网价格，以保证风力发电项目合理盈利，从经纪商进行促进；另一方面是在国内市场启动的同时，扶持风机制造业发展，为中长期的风电产业发展奠定基础。归纳为一下四大点：
(1)风电全额上网
2006年1月1日开始实施《可再生能源法》。该法要求电网企业为可再生能源电力上网提供方便，并全额收购符合标准的可再生能源电量，以使可再生能源电力企业得以生存，并逐步提高其能源市场的竞争力。
(2)财税扶持
考虑到现阶段可再生能源开发利用的投资成本比较高，《可再生能源法》还分别就设立可再生能源发展专项资金为加快技术开发和市场形成提供援助，为可再生能源开发利用项目提供有财政贴息优惠的贷款，对列入可再生能源产业发展指导目标的项目提供税收优惠等扶持措施作了规定。
(4)上网电价
当前风电定价采用特许权招标方式，导致一些企业以不合理的低价进行投标。风电特许权招标先后作出了三次修改，总的看来，电价在招标中的比重有所减少；技术、国产化率等指标有所加强；风电政策已由过去的注重发电专项了注重扶持中国企业风电设备制造。目前，有关部门正在抓紧研究风电电价调整的具体办法，调整的原则将有利于可再生能源的开发，特许权招标的定价方式有可能改变，2008年1月第五期风电特许权招标采取中间价方式，就是一个最新的尝试和探索，避免了恶性低价的竞争局面，有助于风电电价开始向理性回归，有利于整个风电产业的发展。
(4)国产化率要求
2005年7月国家出台了《关于风电建设管理有关要求的通知》，明确规定了风电设备国产化率要达到70%以上，为满足要求的风电场建设不许建设，进口设备要按章纳税。2006年风电特许权招标原则规定：每个投标人必须有一个风电设备制造商参与，而且风电设备制造商要向招标人提供保证供应复合75%国产化率风电机组承诺函。投标人在中标后必须并且只能采用投标书中所确定的制造商生产的风机。在政策扶持下，2007年风机国产化率已经达到56%，2010年风机国产化率也达到85%以上。
2.3风电产业发展趋势
我国海上资源丰富，发展海上风电，将依托于风能资源丰富的海域，同时以“建设大基地、融入大电网”的方式进行整体规划和布局。目前，我国海上风电开发已经启动，国内对大容量风电机组的需求也在增加，国内风电制造企业纷纷开发大容量海上风电机组。华锐、金风、东汽、联合动力、湘电、明阳等都已开始5MW及以上风力发电机组研发。相信随着整机及零部件技术的不断进步，大容量海上风电的规模化化发展。
3.复合材料在风电叶片上的应用
风力发电装置最核心的部分是叶片，叶片的结构与性能将直接影响到风力发电的效率及性能。风电叶片的成本占整个风力发电装置成本的20%左右，因此采用廉价、性能优异的复合材料成为了许多企业研究的方向。现在使用比较多的复合材料有玻璃纤维增强聚酯树脂、玻璃纤维增强环氧树脂，局部采用玻璃纤维或者碳纤维增强环氧树脂作为主承力结构。
3.1碳纤维增强复合材料及其优点
碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得的微晶石墨材料。碳纤维是一种力学性能优异的新材料。它的比重不到钢的1/4。碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500MP以上，是钢的7~9倍。抗拉弹性模量为材料的强度与其密度之比可达到2000MPa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59MPa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大。碳纤维的轴向强度和模量高、无蠕变。耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好。但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此，碳纤维在使用前须进行表面处理。
使用碳纤维增强复合材料能大幅度减少叶片的重量，而且比一般的玻璃纤维的增强体模量高3到8倍，可以用于大型风机叶片。碳纤维复合材料具有优异的抗疲劳特性，与树脂混合后能够抵抗恶劣的天气条件。
3.2TM玻璃纤维增强复合材料
TM玻璃纤维具有高强度、高模量的性能，具有较高的抗拉强度、弹性模量、耐疲劳强度、耐性和耐化学腐蚀性。其密度为2.59-2.63g/cm3，拉伸强度为3000~3200MPa,模量为84～86GPa。是大型风电叶片的首选，但是其密度相比于上述的碳纤维增强体要高，所以其缺点是重量太大。TM玻璃纤维中不含硼和氟，是一种环保型的材料。
4.结论
我国是最早利用风能的国家，国家对风能这种清洁的可再生能源的高度重视，新型复合材料在风电叶片上的应用有利于风电产业的发展，我国风电业将进入一个崭新的大规模高速发展阶段。
风力发电发展SWOT分析 第6篇
【关键词】通榆县；风力发电；SWOT分析
1 引言
随着国家必然对绿色清洁能源的需求不断增加， 近几年来， 风力发电是现存被认为最清洁的发电方式成为了国家大力发展的新兴产业。作为新一种清洁能源，风力发电时人们依靠自然力量在不消耗现有能源基础上还不对外排放二氧化碳能等一些有害的副产物，这无疑是电力产业发展的新福音。
2 通榆县风力发电的SWOT分析
2.1 内在优势
通榆风力发电企业的初期发展和后续发展都有其自身的内部优势。第一，对于刚刚步入风电企业的通榆县来说，通榆风电企业属于国家特权项目，直接由中央特批，不经过省里的很多流程，这是风力发电在程序上一切从简，除此之外，风电设备等都属于国家科研项目均有相关政策支持。第二，在国家电量供大于求时，国家能源局规定限电时，首先考虑该特批企业不限电。也就是说，在限电的特殊时期，通榆风电企业等一些特批企业有优先的不限电权利，这使得这些企业在特殊时期仍可以保持收益。第三，通榆县风力发电地区每度电收益分为招标价格为0.3元加上国际补贴的0.15元，相对于南方0.6元～0.9元的电力成本而言其招标价格比较低，可以在低成本的条件上获得收益。第四，通榆县地处风口，风沙严重，风资源相对较大，这也是通榆地区在风力发电方面不可多得的优势。第五，风力发电相较火力发电来说属于绿色清洁能源，不排放CO2，不对环境造成危害，并且国家给予CDF补贴，这在一定程度上节约了煤等一系列不可再生资源。
2.2 内在劣势
通榆县风力发电的发展除存在内部优势外，还存在很多内部劣势。第一，风力发电产业属于“靠风吃饭”的产业，有风有效益，无风无效益，这是电厂效益的不可抗拒的弊端。第二，风力发电存在很多安全隐患，首先是设备安全：设备质量问题至关重要。其次是人员安全：员工的操作安全、思想安全以及不违章作业是避免安全问题的重要因素。最后是环境安全：通榆县地处山区“春秋风沙大，夏季存在雷雨季节”是当地的自然条件，也是影响风电厂工作与设备运行的环境保障。第三，风电产业的技术落后和人才缺失。偌大的风电厂员工仅有二十余人，其中风电企业所在地偏远以及人员待遇相对不高等因素都是人才流失的因素。第四，建立风电厂的一次性投入较大，设备维修维护等一系列费用较大，者造成了风力发电地的巨大成本。第五，风电厂的地区偏远，道路比较远，因此设备的运输路程比较远，造成输送成本大。且设备的备件储存数量有限，无法及时更换。这些都是制约着风力发电产业更快、更好发展的重要因素。
2.3 外部机遇
为了给风力发电产业长期发展提供良好的外部环境，自2005年起国家相继出台了《可再生能源法》等多项扶持风力发电产业的政策。目前国内对于风力发电产业的外部机遇主要如下：
为鼓励国内风力发电产业的发展，在1996年国家计委推出了“乘风计划”。该计划以市场换技术为策略，提出：以一定的风力发电机定单为筹码，采取合资合作方式引进技术，在“十五”期间，实现大型风力发电机风机国产化率60%-80%以上的目标。根据国家有关可再生能源发电配额规定，到2010 年和2020 年，权益发电装机总容量超过500 万千瓦的投资者，所拥有的非水电可再生能源发电权益装机容量应分别达到其权益装机总容量的3%和8%以上。
《可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法》确定了风电项目的价格分摊机制。相关规定，风电与常规电源上网的电价之差在全国用电量中进行分摊。据统计，2006年度可再生能源电价附加补贴金额合计2.6亿元，包括38个发电项目的支付补贴电量和补贴金额，涉及装机容量141.4万千瓦。其中，受补贴的风电项目占133万千瓦，比例达95%；获补贴2.27亿元，占87%。
此外，我国政府还对可再生能源电力技术的增值税、所得税减免优惠制度，其中风电的增值税税率从正常的17%降到8.5%，风力发电项目的所得税税率由33%降到15%。
随着现代风力发电技术发展的日趋成熟，风力发电机组正不断向大型化发展。2002年前后，国际风力发电市场上主流机型已经达到1500千瓦以上。目前，欧洲已批量安装3600千瓦风力发电机组，美国已研制成功7000千瓦风力发电机组，而英国正在研制巨型风力发电机组。世界各地风力发电产业良好的发展为我们做了良好的榜样，随着改革开放的进一步推进，这都是我们可借鉴的良好资源。
2.4 外部威胁
通榆县风力发电的发展虽然存在很少发展机遇和良好的前景，但与此同时我们也不能忽视了风力发电发展的外部威胁。当我们大力发展风力发电时，一系列的外部威胁就成了我们发展的绊脚石，而这些威胁重要分为一下几个方面：第一，是沟通问题：主要包括与人沟通和企业之间的沟通，由于当地人对占地补偿等问题不满意造成了风力发电企业在与当地人沟通产生问题，以至于当地人们不积极配合风厂工作。此外，风力发电作为新兴的发电产业必然和现有的火电、水电等企业间存在沟通与配合问题，如何最有效的分配多种发电的比例关系成为了发电产业的难题。第二，是电量的供过于求与电量运输问题。由于振兴东北老工业基地的失败，通榆等地区在用电方面相对落后，用电量有限，以至于风力发电厂发的电量远超过真正电量需求，此外送电线路存在瓶颈，电网限电现象严重，导致效率下降。第三，是备件采购困难的问题，风电设备由于型号各异，因此备件的型号很难符合要求，从而替换出现问题。
事物的发展是一个长期持久的过程，为了使得通榆县风力发电产业良好发展，相关人员应发展自身优势，克服自身劣势，把握外部机遇，避免外部威胁，只有遮掩个，才能使得通榆县风力发电产业发展的越来越好。
作者单位
1.吉林财经大学 吉林省长春市 130117
风力发电原理 第7篇
风力发电机是风电系统中实现风能转换为电能的核心部件,在发展初期均采用小容量直流发电机,随着风电机组向大型化方向发展,交流发电机已成为当今风力发电机的主要形式,如表1所示[4]。
现阐述了表1所示并网型风电机组常用的交流发电机及其电力电子变流装置的基本结构和工作原理,综述了具有商业化发展前景的新型风力发电机,展望了风力发电机及其电力电子变流技术的发展趋势。
1 常用的并网运行风力发电机
a) 笼型异步发电机
笼型异步发电机的定子绕组为三相对称绕组,转子绕组采用笼型结构。当频率为f1的三相对称电流通入极对数为p的三相对称绕组,则在定、转子气隙内建立同步转速n0如式(1)所示的旋转磁场,即
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异步电机转子的转速nr与n0不可能相等,转差率s是表征其运行状态的基本变量,即
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在风力机驱动下, 笼型异步电机发电运行时, nr一般在(1～1.05) n0之间, 故称为恒速风力发电机,其优点是结构简单、成本低、可靠性高,故在定桨距(失速型)并网型风电机组中得到了广泛应用,且为了提高定桨距风电机组在低风速运行时的效率,其普遍采用了“双速发电机”,即低风速时,绕组极对数p=3的小发电机工作;高风速时,绕组极对数p=2的大发电机工作[6]。
由于并网前笼型异步发电机尚未建立电压,为了获得平稳的并网过渡过程、限制并网瞬间的冲击电流,不仅应在发电机相序与电网相序相同和发电机转速接近同步转速n0时并网,且应采用晶闸管软并网技术,即在发电机定子和电网之间每相串入双向晶闸管,控制其导通角以控制并网时的冲击电流。另外,为了减轻电网无功功率的负担,应在笼型异步发电机机端并联电容器以提供建立磁场所需的励磁电流、补偿无功。
b) 绕线型异步发电机
绕线型异步发电机的转子绕组为连接成星形接法的三相对称绕组,可通过电力电子装置调整转子回路电阻,使其在最小值(转子绕组电阻)和最大值(转子绕组电阻与外接电阻之和)间变化,进而使发电机可稳定运行的转差率绝对值范围扩大为0.6%～10%,构成图1所示的“有限变速异步风力发电机”[1,3],实现在一定的风速范围内,发电机变速运行,不调节风力机叶片桨距而维持发电机输出额定功率,既减小了风速频繁变化时的功率波动,又避免了变桨距控制系统频繁动作。
如图1所示,转子电流指令与实测值比较后经电流控制算法得到PWM信号的占空比,PWM信号经栅极驱动电路控制IGBT主开关S的导通与关断以控制转子电流,从而等效调整转子回路电阻,即调节转差率,实现异步发电机一定范围内的变速运行。这种与变桨距风力机配合,转子电流受控的绕线型异步发电机的局限为:外接转子电阻消耗能量,降低了发电机效率;变速范围有限,至多可获得相对于同步转速10%左右的转速变化。
c) 有刷双馈异步发电机
有刷双馈异步发电机(Doubly fed induction generator, DFIG)是绕线型转子三相异步发电机的一种,其转子侧通过集电环和电刷加入交流励磁变流器,如图2所示。
图2中的转子励磁变流器采用了IGBT构成的PWM整流-PWM逆变型式的交-直-交静止变频器,其具有能量双向流动的能力,且通过控制转子励磁电流的频率为转差频率(即sf1)实现宽范围(70%～130%同步转速)变速恒频发电运行;通过调节转子励磁电流的有功、无功分量,可独立调节发电机的有功、无功功率,从而调节风力机转速以实现最大风能捕获跟踪控制、调节电网的功率因数以补偿电网的无功功率需求。
与改变转子回路电阻实现“有限变速”的绕线型异步风力发电机相比, DFIG的转子能量没有消耗在转子回路,而是通过电力电子变流器在转子与电网之间双向流动。事实上, DFIG具有相对同步转速±30%左右的可变速范围,即使转子转速低于同步转速时也可发电运行(亚同步运行),定子绕组并网后始终输出电功率,而转子绕组端口的电功率流向则由转差率s的正负决定。
d) 多极同步发电机
同步发电机的定子与异步发电机相同,转子上有直流励磁绕组(电励磁式)或永久磁钢(永磁式) 。在风力机驱动下,转子以转速nr旋转, 旋转的转子磁场切割定子三相对称绕组,产生频率f1如式(3)所示的三相对称定子感应电势和感应电流,而定子三相对称感应电流建立的定子旋转磁场转速n0与转子转速(即转子磁场转速)相同,即
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随着风电机组向大型化方向发展, 多级增速齿轮箱故障率高、效率低、噪音大等问题日益突出, 多级增速齿轮箱传动向直驱型(无齿轮箱,风轮直接驱动多极发电机)、半直驱型(风轮经单级增速齿轮箱驱动多极发电机)方向发展已成趋势。
图3为采用多极永磁同步发电机的直驱型变速恒频风力发电系统示意图。
图3中的全功率变换器采用了PWM可控整流后接电压源型PWM逆变器的“三相双PWM变换器”拓扑,永磁同步发电机定子输出的频率、幅值变化的交流电经发电机侧PWM变换器整流为直流,然后经网侧PWM变换器将直流逆变为与电网同频率的三相交流电。该系统通过发电机侧PWM可控整流器控制系统有功、无功功率,并控制其电磁转矩以调节风轮转速,实现最大功率跟踪;而网侧PWM逆变器则以保持直流母线电压恒定为控制目标以实现输入输出能量平衡。
低速同步发电机除采用永磁式外,也可采用电励磁式,同样可实现直驱型风力发电系统[3] 。
2 新型风力发电机
a) 无刷双馈异步发电机
采用无刷双馈异步发电机(brushless doubly induction fed generator,BDFG)的风电系统如图4所示。
BDFG转子为自行闭合的环路结构。定子有两套极数不同、相互独立的绕组,分别为功率绕组、控制绕组,其作用分别相当于有刷双馈异步发电机中的定、转子绕组,当电机转速变化时,只要经双向变流器调整控制绕组电流频率,即可使功率绕组电流频率与电网相同,实现与有刷双馈异步发电机相同的变速恒频控制目标。
b) 开关磁阻发电机
开关磁阻发电机(Switched reluctance generator,SRG) 结构坚固、简单、成本低,其定、转子均为凸极结构, 定子绕组为集中线圈, 转子无任何绕组亦无永磁体,最大允许温升较高,适用于环境恶劣场合,功率变换器是单极性的,相绕组与主开关串联,安全裕度较大。
图5为采用SRG的风力发电系统结构示意图,SRG的转子由风力机驱动旋转,借助转子位置传感器实现位置闭环控制,功率变换器为SRG提供励磁电源,且以相绕组续流电流给蓄电池充电的方式提取SRG所发出的电能,然后通过逆变器将直流电能变换为交流电。
c) 定子永磁同步发电机
永磁同步发电机无需外部提供励磁电源,具有效率和功率密度高的优势,是直驱型变速恒频风力发电系统中的主流发电机。但目前得到广泛应用的一般均为转子永磁结构,即将永磁体贴装在转子表面,存在永磁体因离心力作用而脱落及因温升而不可逆退磁的隐患。因此, 永磁体置于定子侧的“定子永磁同步发电机”新结构不断出现,例如,双凸极永磁电机(DSPM电机)、磁通切换永磁电机(FSPM电机)、定子内永磁电机(SIPM电机)等[11],其均保留了开关磁阻电机定转子均为凸极、转子既无绕组也无永磁体等结构简单、坚固、可靠性高的优点,且具有效率高、功率密度高、功率因数高等优点,在变速恒频风力发电系统中应用前景广阔。
3 展望
a) 以笼型异步发电机为主流发电机的定桨距恒速恒频风电机组虽然具有结构简单、成本低、可靠性高等优点,但其具有运行范围窄、不能充分利用风能等缺点,因而发展空间有限;采用双PWM变流器控制有刷双馈异步发电机转子励磁电流的变速恒频风电机组可实现最大风能跟踪,改善并优化机组的运行条件,便于顺利实现并网操作,发展前景广阔; 采用多极永磁同步发电机的直驱型变速恒频风力发电系统省去了增速齿轮箱,提高了效率与可靠性,降低了噪声,利用基于现代电力电子技术的全功率变流器控制系统的有功、无功功率,实现最大风能跟踪,是风力发电技术的新兴发展方向。
b) BDFG与DFIG的运行机理不同,但可通过同样的控制策略实现相同的变速恒频控制目标。BDFG未使用集电环和电刷,因此在风力发电系统中具有良好应用前景。
c) SRG结构坚固、简单、效率高、容错能力较强,适合应用于风力发电。
d) DSPM电机、FSPM电机、SIPM电机均是定、转子为双凸极结构的定子永磁电机,在风力发电系统中具有良好应用前景。且与永磁磁链为单极性分布的DSPM电机相比,永磁磁链分布为双极性的FSPM电机、SIPM电机在风力发电中的应用前景更为广阔。
e) 变速恒频风力发电系统中的电力电子变流技术是核心技术之一,其不仅将风力发电机所发频率变化的交流电转换为与电网频率相同、能与电网柔性连接的交流电,且实现最大风能跟踪控制,总体上有交-交变流电路和交-直-交变流电路两大类拓扑结构。方兴未艾的矩阵变换器从原理上可望克服传统交-交变换器低频谐波大的局限。在交-直-交变换器中,两电平电压型双PWM变换器应用较多,若要降低输出电压的变化率、谐波,可采用基于SVPWM控制策略的多电平变换器。
参考文献
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低风速风力发电技术 第8篇
低风速风力发电技术。
二、技术类别
零碳技术。
三、所属领域及适用范围
电力行业低风速区域风电领域。
四、技术应用现状及产业化情况
随着我国风力发电装机容量的不断增加及风电场项目大规模开发, 国内可开发利用的优良风资源地区日益减少。余下大量待开发的地域大多属于准Ⅱ类或Ⅲ类地区, 有些甚至是IV类风资源区。低风速风力发电技术的发电机组主要应用于内陆、近海等可开发IEC S类风区, 单机规模可达到2 MW级。低风速风力发电机组样机已于2011年12月实现并网发电, 并在2013年实现规模化生产。
五、技术内容
1. 技术原理
对机组的控制策略进行系列优化, 通过加大风轮直径, 优化叶片的气动外形, 提高机组的效率及寿命;降低额定转速, 在保持机组功率等级不变的条件下, 可大幅提高机组性能, 并突破2 MW以上低风速大风轮直径型风力发电机组优化设计。
2. 关键技术
(1) 低风速利用技术;
(2) 多环境适用技术。机组具有抗冰冻、抗风沙、抗盐雾等特点, 可在各类条件恶劣的低风速风电场应用;
(3) 四段式塔筒设计。针对机型可能应用的特殊地形, 除设计了标准80 m三段式塔筒, 还特别设计了四段式塔筒和70 m/90 m塔筒等, 安装更为方便灵活。
3. 工艺流程
低风速风力发电机组生产工艺流程图见图1。
六、主要技术指标
(1) 额定输出功率2000 k W, 额定电压690 V;
(2) 叶轮直径105 m, 扫风面积8626 m2;
(3) 适用风区等级80 m高度、年平均风速6 m/s的低风速风区;
(4) 运行温度-30~40℃ (低温型) , -10~40℃ (常温型) 。
七、技术鉴定情况
获得3项国家发明专利, 1项实用新型专利。
八、典型用户及投资效益
典型用户:中国国电集团公司、中国华能集团公司、中国华电集团公司等。
典型案例1:中电投江西笔架山风电场项目。
建设规模:50 MW风电场。建设条件:80 m高度年平均风速6 m/s的低风速风区。主要建设内容:风力发电场、变电站。主要设备为2 MW低风速风力发电机组。项目总投资4.3亿元, 建设期1年。年减排CO2量7.7万t, 年经济效益6000万元, 投资回收期7年。减排CO2成本为50~100元/t。
典型案例2:中国风电湖北江华大陆铺风电场项目。
建设规模:50 MW风电场。建设条件:80 m高度年平均风速6m/s的低风速风区。主要建设内容:风力发电场、变电站、进场道路、风力发电机组设备及相关土建及电气工程。主要设备为2MW低风速风力发电机组。项目总投资4.5亿元, 建设期1.5年。年减排CO2量7.7万t, 年经济效益6000万元, 投资回收期8年。减排CO2成本为100~150元/t。
九、推广前景和减排潜力
风力发电挡横风系统 第9篇
我国一些多风强风地区时有横风引起的交通事故。一些偏远地区道路,目前仍然还存在缺电的情况,这对交通的发展产生影响。结合风机底座土建,在道路两旁安装系列发电风轮机形成“挡风墙”,风机所发电力也可为当地照明或其它交通设施供电。
1 系统设计
1.1 风机选型
垂直轴发电机主要有萨渥纽斯型(H型)和达里厄型(S型)。H型风轮无反向力矩,能量利用率高,但风速低时难自行启动。S型风轮启动风速低,但反向力矩较大,能量利用率低。路边挡风风机只有充分消耗风能,才能有效降低机后风速。考虑两种风轮的优缺点,二者结合形成共轴组合式风轮,使组合风轮表现出优良的低风速气动性能和较高的风能利用率。
1.2 挡风“墙”挡风结构由若干风轮沿道路一侧或两侧排列组
成。风机由垂直转轴、风机叶轮以及风机底座构成。风机底座间可由垂直的挡风结构物连接。
1.2.1 底座间连接墙
底座间连接墙为垂直网状或栅栏状挡风结构。相关研究表明,栅栏透风率小于30%时对挡风率影响不大[2]。为降低材料消耗,可以采用透风面积约为30%的栏栅,挡风效率约为70%[2]。连接体和底座共同构成低矮的“硬”挡风墙,也使得其上部的风力更加强劲,推动风轮转动。
1.2.2 风轮结构设计
两种风机的配合尺度依据组合后最优的风能利用率决定。风能利用率是指风机抽取的功率和来风总功率的比值。尖速比是指风轮外边缘切线风速与来流风速的比值,即[3]。
当姿S=0.95时,S型风轮达到最佳风能利用率,风轮效率CSpmax=0.3,而当λH=5时,H型风轮才达到最佳风能利用率,效率为CHpmax=0.4。当H、S型共轴形成组合,则有ωS=ωH。来流风速度可看成相同,S和H型风轮同时达到最佳效率由尖速比计算式推算出H型风轮半经5倍于S型。
风轮扫风面上的最大宽度与高度之比称为高径比,分别表示为。其中h、d为S型风轮叶片高度和直径,H、R分别为H型风轮叶片高度与半径。不同类型的风轮有不同的最佳高径比。考虑单位叶片长要使风轮扫风面积最大,iS≈4,iH≈1时,S型、H型风轮风能利用率最佳[4]。根据文献,风轮的启动风速v起,额定风速为V能驱动功率为P的发电机;启动力矩与阻力矩之和为Me;电机效率η1及传动效率η2;要使风轮无外力启动,S型风轮产生的力矩必须大于启动力矩和传动力矩。保守计算,设一个可靠系数μ(μ>1)。
r为S型风轮的叶尖半径,Ms为S型风轮的启动力矩,Cm为S型风轮的启动力矩系数,ρ为来流空气密度,e为S型风轮的重叠宽度,通常[1]。S型、H型风轮扫风面积As、AH及他们的功率为:
通过迭代,可以求得H型风轮叶片半径R,再由(1)、(2)式得到S型风轮叶尖半径r、风轮叶片直径d、风轮叶片高度h以及H型风轮高度H、半径R,为设计所用。
1.2.3 挡风系统的高度和风轮间距设计
系统视为一堵有一定透风率的连续墙体。β为设置单侧风轮时,“墙体”的挡风效率。若设置双侧风轮则挡风效率约为1.3β。根据一般风力发电厂风轮的布置经验,S一般为3R~6R。风的速率垂向呈对数分布,当风吹过挡风系统后,风速自行调整为对数分布,顶端速度和来风速率一致,地面风速为0。随高度变化的速度分布函数为v(z)=5.57u1n(z/k+1),其中,u为摩阻风速,k为地表粗糙度,z为高度(mm)。平均风速可由垂向积分除以分布高度获得。经挡风结构后的风能:
风机消耗的能量与底座遮挡的风能之和应为单个挡风单元的效率与来流风能的乘积,其中β为单侧系统消能效率。V2(z)为装置后风速分布,为挡风墙前后的平均风速,为汽车上的平均风速,按照设计标准,据经验设定S值,联立(3)式得H总、β。
2 结语
风力发电挡横风系统可以与当地风力发电场建设配合,风机设置在道路两侧,不仅可有效缓解横风影响,还可以帮助解决偏远地区供电困难问题。和太阳能一样,风能挖掘利用、为偏远地区交通服务,应该是绿色交通发展的又一个新方向。
参考文献
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[2]郑继平.南疆线桥梁挡风墙结构性能研究.西南交通大学硕士学位论文,2008.
[3]何宗敏.Darrieus-savonius组合风轮几何尺寸确定方法的探讨.太阳能学报,1993,10.
[4]张瑞嘉.基于风洞试验的垂直轴风机性能研究.华南理工硕士毕业论文,2010.
风力发电相关问题研究 第10篇
随着全球人口数量的上升和经济规模的不断增长,世界范围内对能源需求持续增加,化石能源、生物能源等常规能源使用带来的环境问题日益突出,在此背景下,低碳经济即以低能耗、低污染、低排放为基础的能源经济发展模式应运而生,风力发电作为清洁能源的一种,是适应当前经济下国际能源发展的新型发电技术,有着得天独厚的优势:风能分布广泛,蕴藏量巨大,是一种可再生资源,有利于可持续发展;风力发电无温室气体排放,清洁无污染,完全符合低碳经济低能耗、低污染、低排放的要求;风力发电施工周期短,占地少。
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,来促使发电机发电。风力发电技术是一种利用风能驱动风机桨叶,进而带动发电机组发电的能源技术。由于风能储量丰富、用之不竭、无污染等特点,被各国广泛重视,纷纷投入大量的人力、物力、财力来发展风力发电技术。根据国际新能源网的有关资料显示,迄今为止,世界上已有82个国家在积极开发和应用风能资源。目前,风电发展正在不断超越其预期的发展速度而发展,并一直保持着世界增长最快能源的地位。
2 我国风力发电的现状
1986年,在山东荣成建成了我国第一座并网运行的风电场,安装了3台55kW风电机组,随后,我国的风力发展迅速,建设规模不断扩大。我国1989年底的年风电总装机容量仅4 200kW,1993年为1.71万kW,1996年后,风力发电进入了扩大建设规模的阶段,最大单机容量为1 500kW,1998 年风电总装机容量增至22.6 万kW。到2003年底,中国已经在14个省、自治区建立了40个风电场,安装的风电机组累计1 061台,总装机容量达到568.41MW,约占中国电力总装机量的0.15%。在2005年到2009年的5年期间,每年的增长率都超过了百分之百,风电占全国电力总装机比例在不断提高(表1)。
注:2005～2008年数据来自中国电力企业联合会统计数据;2009年数据为中国可再生能源学会风能专业委员会统计数据。
随着风电规模的快速扩大,技术水平的不断提高,在2008年,我国中小型发电行业得到了快速发展,至2008年底,据不完全统计,我国中小型发电机组开发、研制、生产的单位达到了74家,共有19种风力发电机型:1kW、2kW、3kW、4kW、5kW、10kW、15kW、20kW、100kW,150kW、200kW、300kW、400kW、600kW。年生产力为8万台左右。而在大型机组方面,我国已具备批量生产1.5MW级风电机组的能力,2MW和3MW风机也已经投入运行,5MW或者更大功率的风机也正在研发之中。
从2005年开始,我国的风电总装机连续5年实现翻番。截至2010年底,我国新增风电装机1 600万kW,累计装机容量达到4 182.7万kW,均居世界第一,其中3 100万kW装机实现并网发电。
风电的快速发展,与国家政策的支持、市场化运作模式、风电技术水平提高是密不可分的。我国政府非常重视风电能源的开发,不断加大投入的力度支持风力发电技术的开发。很显然,经过多年的技术积累和资本投入,国内风电设备生产水平不断提高,兆瓦级风机、海上风机等科技难关被相继攻克。风电设备的国产化,带动了国内风电技术水平和运营质量的快速提升。目前,我国风力发电采用的是世界主流技术。
3 世界风力发电技术的特点
3.1 水平轴风电机组技术成为主流技术
水平轴风电机组技术,因其具有风电转换效率高、转轴较短,在大型风电机组上更显出经济性等优点,使水平轴风电机组成为世界风电发展的主流机型,并占到95%以上的市场份额。同期发展的垂直轴风电机组因转轴过长、风能转换效率不高,启动停机和变浆困难等问题,目前市场份额很小、应用数量有限,但由于其全风向对风、变速装置及发电机可以置于风轮下方或地面等优点,近年来,国际上相关研究和开发也在不断进行并取得一定进展。
3.2 变桨距调节成为气动功率调节的主流方式
变桨调节技术是根据风速的变化调整风轮叶片的安装角,当风速大于额定风速时,风机组仍可以保持稳定的输出功率。很明显,变桨距功率调节方式具有载荷控制平稳、安全和高效等优点。目前,绝大多数的风力发电机采用这种技术。2009年,在全球所安装的风电机组中有95%的风电机组采用了变桨变速方式,而且比例还在逐渐上升。我国2009年安装的MW级风电机组中,也全部是变桨距机组。2MW以上的风电机组大多采用3个独立的电控调桨机构,通过3组变速电机和减速箱对桨叶分别进行闭环控制。
3.3 变速恒频发电系统将取代恒频恒速发电系统
风电的特点和常规发电相比主要是有功功率是波动的。有功功率是根据风速变化而变化,不像常规火电、水电,主要是按照电力系统调度的需求来发电的。变速恒频发电机就是根据风速变化来调节发电机转速,以适应风速变化引起的风电机功率的变化,最大限度地利用风能,因而效率比较高,同时有较好的调节系统的有功功率、无功功率。因此变速恒频发电系统迅速取代风能转换效率较低的恒频恒速发电系统。
4 我国风力发电技术存在的问题
4.1 风力发电机组控制系统滞后
控制技术是锋利发电机组安全高效运行的关键。风力发电机组是复杂多变量非线性系统,具有不确定性和多干扰等特点。风力发电控制系统的基本目标为保证可靠运行,获得最大能量,提供良好电力质量,延长机组寿命。其作用在于实现功率优化、结构动力学稳定、气弹稳定、减缓疲劳载荷等智能控制策略,同时确保风电机组在电力系统中的稳定运行。但是由于风力发电的不稳定性,风电无法像火电,核电等常规能源进行安排控制,增加了电网稳定运行控制和调度的难度。从风电机组电子控制上来讲,当风机处于狂风状态时,可以自动调节风轮叶片自动卸载,使叶片与风向平行,这样叶片受到风的作用力最小,也就抵抗了风的破坏作用。但风电机在台风中损毁,说明风电机的控制系统还不可靠,并存在严重缺陷。我国风电机组控制系统滞后性必然会造成一定的风险。
4.2 并网技术问题凸现
随着风能大规模的开发和并网,风电功率的波动性和随机性对电网的冲击逐步显现出来。风电不像火电、水电,风电时有时无,并是很稳定,风电占总电网不能大于5%,如果超过5%,就会干扰电网质量。电网很强,风力发电很容易被消纳,因此我国风力发电将面临着电网不堪重负的问题,这是一个迫切需要解决的问题。并网的瓶颈将严重影响风电产业的发展。国外发电机主要采用分散入网方式,当处于风速和风向变化很大的强风状态时,风电机不稳定,不能满足并网条件,此时风电机可以随时脱网;风电机稳定后,又可以随时并网,并且电网很强,不会对电网造成太大冲击。而我国的情况却与此相反,风力发电机组大多采用软并网方式。由于风电的不连续性和不稳定性,风速的变化和风机的塔影效应都会导致风机出力的波动,而其波动正好处在能够产生电压闪变的频率范围之内。因此,风机在正常运行时也会给电网带来闪变问题,影响电能质量。
5 结语
风力发电技术是一个多学科的综合性高技术系统工程。先进的风力发电机组控制系统会提高机组容量、改善风电质量、提高风电系统的效率和提高抗风险的能力。针对当前风电大规模并网对电网运行的冲击,加大并网技术的研发,探讨如何通过机组设计和运行调度来实现风电大规模并入后电网的稳定可靠运行。
随着陆上优质风资源圈占完毕,海上风资源竞争愈见激烈。海上风电既是国际能源开发的潮流,也是中国风电未来的开发重点。海上风电场是风电技术的发展方向之一。
摘要：指出了随着我国风力发电市场快速发展,迫切要求风力发电技术的同步发展,对世界风力发电技术的特点及我国风力发电技术存在的问题作了简单阐述,从提高控制系统效率和稳定性方面,探讨了风力发电技术的发展趋势。
关键词：风能,风力发电技术,风电机组
参考文献
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中国风力发电前景探讨 第11篇
关键词：风能,风力发电,风电场,潜力
随着全球气候变暖和化石能源日趋枯竭, 受能源供应安全和保护环境的驱动, 自20世纪70年代中期以来, 世界主要发达国家和一些发展中国家都在加紧对风能的开发和利用, 减少二氧化碳等温室气体的排放, 保护人类赖以生存的地球。风能将是21世纪最主要的绿色动力之一。
风力发电是一种主要的风能利用形式, 风力发电相对于太阳能、生物质等可再生能源技术更为成熟、成本更低, 对环境破坏更小。风力发电是世界电力发展的潮流和趋势[1]。
目前全世界风电装机容量达到490万千瓦, 我国中西部地区及海上有丰富的风能资源。世界风能利用的先进国家, 如荷兰等国家已经掌握了先进的风能发电技术。给予这些原因, 我国已经具备了发展风电的条件。
1 风力发电简介
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, 来促使发电机发电。简单的说风力发电结构主要包括齿轮箱、发电机。维护人员可以通过风力发电机塔进入机舱。机舱左端是风力发电机转子, 即转子叶片及轴。在过去的20多年中, 系列风力机的直径和额定功率快速增加。例如:在1983年, 1台风力机的直径为15m, 发电机功率为55k W;而到了2005年, 直径为90m, 功率为2500k W的风力机已成为成熟的批产机型;直径为126m, 功率为5000k W的样机已在试运行之中。此时, 风力机的可利用率达到了97%, 甚至更高。简而言之, 在很短的时间之内, 风力发电技术得到高速发展, 并且获得了大规模的应用, 形成了具有影响力的能源产业。1986年中国在山东荣成建成第一个风电场, 安装了3台55k W的风电机组。自此之后, 在全国各地陆续建设了一批风电场[2]。
2 我国具备大力发展风力发电的条件
2.1 我国蕴藏丰富的风电资源
我国风能资源仅次于美国和前苏联居世界第三。已探明的中国风能理论储量为32.26亿千瓦, 可开发利用的风能储量约10亿k W, 其中, 陆地上风能储量约2.53亿k W (陆地上离地10m高度资料计算) , 海上可开发和利用的风能储量约7.5亿k W, 共计10亿k W。
我国风能资源主要分布在两个大带里。三北 (东北、华北、西北) 地区丰富带, 风能功率密度在200~300W/m2以上, 有的可达500W/m2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5000h以上, 有的可达7000h以上。沿海及其岛屿地丰富带。年有效风能功率密度在200W/m2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500W/m2以上如台山、平潭、东山、南鹿、大陈、嵊泗、南澳、马祖、马公、东沙等。海上风电产业是后起之秀, 海上风电产业不仅自己发展了30多年, 积累了丰富的经验, 更重要的是, 陆上风电的发展时间远远超过海上风电, 海上和陆上的发展模式有很多很相似的地方, 可以借鉴陆上风电发展的经验。[3]
2.2 我国可借鉴的国外先进风电技术
(1) 丹麦于1891年建成世界上第1台用于发电的风力机。目前丹麦在风力发电方面也走在世界前列, 据丹麦政府报告说2030年丹麦风电总装机达将达550万k W, 发电量将占全国近50%, 其中海上风电场装机将达400万k W。丹麦政府计划, 未来新能源 (主要是风电和生物质能) 将提供75%以上的能源供应, 燃煤发电将逐渐淘汰。丹麦在大规模发展风力发电及消除风电入网障碍方面已经取得了非常宝贵的经验, 可以被中国借鉴。
(2) 美国是目前界上风能利用较好、发展较快、技术比较先进的国家之一。美国风力发电机容量占世界风力发电容量的一半左右。在美国加州南部和北部己分别建设了若干个大型风力发电场, 拥有风力发电设备2万台, 装机容量约60万千瓦, 年发电量20亿千瓦·小时。美国CE公司的“超级风力机”, 单机功率为7.3MW, 风车直径为112m。为世界之最。在大型风力发电场建设方面, 我国可以很好的学习美国的经验
(3) 荷兰有“风车之乡”的美誉, 风力发电历史久远, 技术领先于世。堪称荷兰利用海风发电杰作的北海风力发电场今年四月全面竣工并成功运营。目前, 这个由36台先进海上风力发电机组位于北海之上, 其巨型风电方阵, 不仅满足当地十几万户家庭用电之需, 而且成为荷兰发展清洁能源的战略标志之一。海洋比陆地的环境复杂, 我国在风电领域尤其是海上风电领域的技术比较薄弱缺少相应的海上风电经验成为海上风电发展的限制之一。因此, 我们在研究海上风力发电技术和实施海上风力发电项目时, 可以直接借鉴荷兰现成经验。
2.3 我国目前已积累的风电经验
我国利用风力发电是从20世纪50年代开始的, 到80年代初, 微型风力发电技术趋于成熟和稳定。到1994年底我国在内蒙、新疆及沿海等地推广小型风力发电机, 并已建成13万座。近年来, 我国对风力发电也很重视, 已选定在广东、海南、福建、山东、内蒙、新疆等风力资源丰富的地区大力发展风电。目前, 正在制定长远的风力发电规划, 国家新能源政策的重点也是大力发展和加快开发利用风力发电。我国目前已建设的比较大的风电项目。
2.3.1 广东省南澳风电场
已安装风力机132台, 总装机容量达5.7万千瓦, 年发电量达1.4亿千瓦时, 成为亚洲海岛最大的风力发电场。目前, 总装机容量达7.55万千瓦的两个大型风电项目正在建设中, 投资22亿多元的3个海上风电场项目已投入前期工作。
2.3.2 平潭长江澳二期风电项目
平潭岛风能资源十分优越, 是全国风能最佳区之一, 全县全年平均风速为8.4m/s, 其中有效风速占全年的76%, 平均风能密度达到567W/m2, 可利用风能的地区为2230多平方公里。装机容量可达15万千瓦。
2.3.3 达坂城风电场
至2006底, 公司有风力机组253台, 其中国产机组40台, 国外机组主要是从荷兰、丹麦等进口。装机总容量150MW, 是中国最大的风力发电企业。单机容量有300、500、600、750k W, 塔高为30、35、40、50, 65m不等, 最高年发电量为1.65亿千瓦时, 单位千瓦造价平均约为9300元/千瓦。
3 结语
风是没有公害的能源之一。而且它取之不尽, 用之不竭。对于中国缺水、缺燃料和交通不便的沿海岛屿、草原牧区、山区和高原地带, 因地制宜地利用风力发电, 非常适合, 大有可为。中国正处在风电能源市场的启步阶段, 市场潜力巨大。发展风能等清洁可再生能源是人类的必然选择。中国有很好的风电条件, 风电产业和相关的科研机构应该抓住这一契机, 为风电的全面发展作一个系统可行的规划, 逐步解决风电发展中的困难, 完善风电机制。同时, 为发展风电等清洁能源提供政策、资金和技术等多方面支持, 相信中国风电产业会发展很快。
参考文献
[1]王建录, 郭慧文, 吴雪霞.风力发电技术丛书——风力机械技术标准精编[M].北京:化学工业出版社, 2010, 3.
[2]廖明夫R.Gasch J.Twele.风力发电技术[M].西安:西北工业大学出版社, 2 00 9, 3.