風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)設(shè)計(jì)(已修改)
2024-10-24 07:43 本頁面
【正文】 第一章 緒論 風(fēng)能是一種清潔的、儲(chǔ)量極為豐富的可再生能源，它和存在于自然界的礦物質(zhì)燃料能源，如煤、石油、天然氣等不同，它不會(huì)隨著其本身的轉(zhuǎn)化和利用而減少，因此可以說是一種取之不盡、用之不竭的能源。而礦物質(zhì)燃料儲(chǔ)量有限，正在日趨減少，況且其帶來的嚴(yán)重的污染問題和溫室效應(yīng)正越來越困擾著人們。因此風(fēng)力發(fā)電正越來越引起人們的關(guān)注。 [1] 1 風(fēng)力發(fā)電概述 風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀與展望 全球風(fēng)能資源極為豐富，技術(shù)上可以利用的資源總量估計(jì)約 53 106 億 kWh /年。作為可再生的清潔能源，受到世界各國的高度重視。近 20 年來風(fēng) 電技術(shù)有了巨大的進(jìn)步，發(fā)展速度驚人。而風(fēng)能售價(jià)也已能為電力用戶所承受：一些美國的電力公司提供給客戶的風(fēng)電優(yōu)惠售價(jià)已達(dá)到 2～ 美分 /kWh，此售價(jià)使得美國家庭有 25%的電力可以通過購買風(fēng)電獲得。 2020 年歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)和綠色和平組織簽署了《風(fēng)力 12—— 關(guān)于 2020 年風(fēng)電達(dá)到世界電力總量的 12%的藍(lán)圖》的報(bào)告，“風(fēng)力 12%”的藍(lán)圖展示出風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為解決世界能源問題的不可或缺的重要力量。按照風(fēng)電目前的發(fā)展趨勢，預(yù)計(jì) 2020～ 2020 年期間裝機(jī)容量增長率為 20%，以后到 2020 年期間為 15%，2017～ 2020 年期間為 10%。其推算的結(jié)果 2020 年風(fēng)電裝機(jī) 億 KW，風(fēng)電電量 104 億 kWh， 2020 年風(fēng)電裝機(jī) 億 KW，風(fēng)電電量 104 億 kWh，占當(dāng)時(shí)世界總電消費(fèi)量 104 億 kWh 的 %。 [2] 世界風(fēng)電發(fā)展有如下特點(diǎn)： （ 1）風(fēng)電單機(jī)容量不斷擴(kuò)大。風(fēng)電機(jī)組的技術(shù)沿著增大單機(jī)容量、提高轉(zhuǎn)換效率的方向發(fā)展。風(fēng)機(jī)的單機(jī)容量已從 600KW 發(fā)展到 2020～ 5000KW,如德國在北海和易北河口已批量安裝了單機(jī) 5000KW 的風(fēng)機(jī) ,丹麥已批量建設(shè)了單機(jī)容量2020～ 2200KW 的 風(fēng)機(jī)。新的風(fēng)電機(jī)組葉片設(shè)計(jì)和制造廣泛采用了新技術(shù)和新材料，有效地改善并提高了風(fēng)力發(fā)電總體設(shè)計(jì)能力和水平。另外 ,可變槳翼和雙饋電機(jī)的采用 ,使機(jī)組更能適應(yīng)風(fēng)速的變化 , 大大提高了效率。最近 ,又發(fā)展了無齒風(fēng)機(jī)等 ,進(jìn)一步提高了安全性和效率。 （ 2）風(fēng)電制造企業(yè)集中度較高。目前，主要風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)集中在歐美國家，全世界風(fēng)電機(jī)組供應(yīng)商的前 10 位供應(yīng)了世界新增裝機(jī)容量的 90% 以上的份額，集中度比較高。近來， GE 風(fēng)能（ GE Wind Energy）、德國 REpower（ REpower Systems AG）和三菱重工（ MHI）的市場份額提高迅速。 （ 3）風(fēng)電電價(jià)快速下降。由于新技術(shù)的運(yùn)用，風(fēng)電的電價(jià)呈快速下降趨勢，且日益接近燃煤發(fā)電的成本。以美國為例，風(fēng)電機(jī)組的造價(jià)和發(fā)電成本正逐年降低，達(dá)到可與常規(guī)發(fā)電設(shè)備不相上下的水平。有關(guān)專家預(yù)測，世界風(fēng)力發(fā)電能力每增加一倍，成本就下降 15%。 中國的風(fēng)能資源十分豐富。根據(jù)全國 900 多個(gè)氣象站的觀測資料進(jìn)行估計(jì)，中國陸地風(fēng)能資源總儲(chǔ)量約 億 KW，其中可開發(fā)的風(fēng)能儲(chǔ)量為 億 KW，而海上的風(fēng)能儲(chǔ)量有 億 KW，總計(jì)為 10 億 KW。我國的風(fēng)電開發(fā)起步較晚，大體分為三個(gè)階 段。 第一階段是 1986～ 1990 年我國并網(wǎng)風(fēng)電項(xiàng)目的探索和示范階段。其特點(diǎn)是項(xiàng)目規(guī)模小，單機(jī)容量小，最大單機(jī) 200KW，總裝機(jī)容量 千 KW。 第二階段是 1991～ 1995 年示范項(xiàng)目取得成效并逐步推廣階段。共建 5 個(gè)風(fēng)電場，安裝風(fēng)機(jī) 131 臺(tái)，裝機(jī)容量 萬 KW，最大單機(jī) 500KW。 第三階段是 1996 年后擴(kuò)大建設(shè)規(guī)模階段。其特點(diǎn)是項(xiàng)目規(guī)模和裝機(jī)容量較大，發(fā)展速度較快，平均年新增裝機(jī)容量 萬 KW，最大單機(jī)容量達(dá)到 1300KW。 隨著風(fēng)電技術(shù)的日趨成熟和電力規(guī)模的擴(kuò)大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率 在向大型化方向發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電這一朝陽產(chǎn)業(yè)必將蓬勃發(fā)展，成為將來能源供給的支柱產(chǎn)業(yè) 。 風(fēng)能發(fā)電的原理和特點(diǎn) 風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)能來發(fā)電，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的機(jī)械。風(fēng)輪是風(fēng)電機(jī)組最主要的部件，由槳葉和輪轂組成。槳葉具有良好的動(dòng)力外形，在氣流的作用下能產(chǎn)生空氣動(dòng)力是風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再通過齒輪箱增速驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化電能。然后在依據(jù)具體要求需要，通過適當(dāng)?shù)淖儞Q將其存儲(chǔ)為化學(xué)能或者并網(wǎng)或者直接為負(fù)載供電。 [3] 風(fēng)力發(fā)電 有如下 特點(diǎn) （ 1） 可再生，且清潔無污染。 （ 2） 風(fēng)速隨時(shí)變化 ，風(fēng)電機(jī)組承受著十分惡劣的交變載荷。 （ 3） 風(fēng)電的不穩(wěn)定性會(huì)給電網(wǎng)或負(fù)載帶來一定的沖擊影響。 風(fēng)力發(fā)電的運(yùn)行方式主要有兩種：一類是獨(dú)立運(yùn)行的供電系統(tǒng)，即在電網(wǎng)未通達(dá)的地區(qū)，用小型發(fā)電機(jī)組為蓄電池充電，再通過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電向終端電器供電；另一類是作為常規(guī)電網(wǎng)的電源，與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行 。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)分類及結(jié)構(gòu) 風(fēng)力機(jī)經(jīng)過多年的發(fā)展和演變，已經(jīng)有很多形式，但是歸納起來，可分為兩類：水平軸風(fēng)力機(jī) 和垂直軸風(fēng)力機(jī)。風(fēng)力機(jī) 風(fēng) 輪 的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸與 地面呈水 平 狀態(tài)稱為 水平軸風(fēng)力機(jī) 如圖 11； 水平軸風(fēng)力機(jī)主要由葉片、輪轂、機(jī)艙、 塔架構(gòu)成。常見的風(fēng)力機(jī)有由三個(gè)葉片，葉片安裝在輪轂上構(gòu)成風(fēng)輪，風(fēng)吹風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)機(jī)艙 內(nèi)的發(fā)電機(jī)發(fā)電，塔架是整個(gè)風(fēng)力機(jī)的支撐 其結(jié)構(gòu)圖如圖 12 圖 11 水平軸風(fēng)力機(jī) 圖 12 水平軸風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu) 風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直與地面或氣流方向 稱為 垂直軸風(fēng)力機(jī) 如圖 13 圖 13 垂直軸風(fēng)力機(jī) 風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)原理 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要利用氣動(dòng)升力的風(fēng)輪。氣動(dòng)升力是由飛行器的機(jī)翼產(chǎn)生的一種力，如圖 14。 圖 14 氣動(dòng)升力圖 從圖可以看出，機(jī)翼翼型運(yùn)動(dòng)的氣流方向有所變化，在其上表面形成低壓區(qū)，在其下表面形成高壓區(qū) ，產(chǎn)生向上的合力，并垂直于氣流方向。在產(chǎn)生升力的同時(shí)也產(chǎn)生阻力，風(fēng)速也會(huì)有所下降。升力總是推動(dòng)葉片繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng) 風(fēng)力機(jī)的功率 風(fēng)的動(dòng)能和風(fēng)速的平方成正比，功率是力和速度的乘積，也可用于風(fēng)輪功率的計(jì)算。風(fēng)力與速度平方成正比，所以風(fēng)的功率與風(fēng)度的三次方成正比。如果風(fēng)速增加一倍，風(fēng)的功率便會(huì)增加 8 倍。 風(fēng)輪從風(fēng)中吸收的功率如下： 3pP C A v?? (2— 1) 2AR?? (2— 2) 式中： P 為輸出功率， pC 為風(fēng)輪機(jī)的功率系數(shù)， ρ 為空氣密度， R 為風(fēng)輪半徑， v 為風(fēng)速。 眾所周知，如果接近風(fēng)力機(jī)的空氣全部動(dòng)能都被風(fēng)力機(jī)全部吸收，那么風(fēng)輪后的空氣就不動(dòng)了，然而空氣當(dāng)然不能完全停止，所以風(fēng)力機(jī)的效率總是小于 1
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