【正文】 選題的目的與意義 人類追求經(jīng)濟(jì)成長及現(xiàn)代化的結(jié)果使得能源大量消耗然而地球的化石燃料蘊(yùn)藏量有限統(tǒng)計(jì)顯示依照目前的消耗速率石油蘊(yùn)藏量能供人類使用不到 50 年天然氣不到 70 年煤炭較久超過 200 年終有一日人類將沒有石油可用然而風(fēng)力 發(fā)電不一樣由于攝取大自然的風(fēng)能只要太陽及地球仍在運(yùn)行即無匱乏之虞而且一部裝置在一般地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)在它 20 年使用壽命中所生產(chǎn)的電力發(fā)電機(jī)在卸除它能耗費(fèi)能源的 80 倍是能讓人們永續(xù)使用的再生能源之一 大自然的風(fēng)完全不用進(jìn)口是地道的自產(chǎn)能源多加利用可減低對(duì)進(jìn)口石油煤炭等化石能源的依賴促進(jìn)能源來源多元化在國家安全上也有其戰(zhàn)略意義在經(jīng)濟(jì)社會(huì)層面風(fēng)力發(fā)電可制造工作機(jī)會(huì)從零組件的生產(chǎn)運(yùn)輸組裝維護(hù)等皆為設(shè)置風(fēng)力發(fā)電機(jī)當(dāng)?shù)貛硐喈?dāng)?shù)木蜆I(yè)機(jī)會(huì)與新的產(chǎn)業(yè)有效利用風(fēng)能資源減少對(duì)不可再生資源的消耗降低對(duì)環(huán)境的污染 風(fēng)能利用已有數(shù)千年 的歷史在蒸汽機(jī)發(fā)明以前風(fēng)帆和風(fēng)車是人類生產(chǎn)和生活的重要?jiǎng)恿ρb置埃及被認(rèn)為可能是最先利用風(fēng)能的國家約在幾千年以前他們就開始用風(fēng)帆來幫助行船波斯和中國也很早開始利用風(fēng)能主要使用垂直軸風(fēng)車 我國是最早使用風(fēng)帆船和風(fēng)車的國家之一至少在 3000 年前的商代就出現(xiàn)了帆船到唐代風(fēng)帆船已廣泛用于江河航運(yùn)最輝煌的風(fēng)帆時(shí)代是明代 14 世紀(jì)初葉中國航海家鄭和七下西洋龐大的風(fēng)帆船隊(duì)功不可沒明代以后風(fēng)車得到了廣泛的應(yīng)用我國沿海沿江的風(fēng)帆船和用風(fēng)力提水灌溉或制鹽的做法一直延續(xù)到 20世紀(jì) 50年代僅在江蘇沿海利用風(fēng)力提水的設(shè)備增達(dá) 20 萬臺(tái) 歐 洲到中世紀(jì)才廣泛利用風(fēng)能荷蘭人發(fā)展了水平軸風(fēng)車 18 世紀(jì)荷蘭曾用近萬座風(fēng)車排水在低洼的海灘上造出良田成為著名的風(fēng)車之國 隨著蒸汽機(jī)的出現(xiàn)以及煤石油天然氣的大規(guī)模開采和廉價(jià)電力的獲得各種曾經(jīng)被廣泛使用的風(fēng)力機(jī)械由于成本高效率低使用不方便等無法與蒸汽機(jī)內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)等相競爭漸漸被淘汰 到了 19 世紀(jì)末開始利用風(fēng)力發(fā)電這在解決農(nóng)村電氣化方面顯示了重要的作用特別是 20 世紀(jì) 70 年代以后利用風(fēng)力發(fā)電更進(jìn)入了一個(gè)蓬勃發(fā)展的階段 太陽輻射造成地表面受熱不均引起大氣溫度密度和壓力差別風(fēng)能是地球表面空氣從壓力高的地方向壓力低的地方 移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能風(fēng)能資源是經(jīng)過測在量和質(zhì)上可供人類開發(fā)利用的風(fēng)能風(fēng)能的大小用風(fēng)功率密度來度量它與風(fēng)速的立方和空氣密度成正比 太陽輻射的能量在地球表面約有 2 轉(zhuǎn)化為風(fēng)能根據(jù)荷蘭和美國對(duì)風(fēng)能資源的研究考慮城鎮(zhèn)森林復(fù)雜地形交通困難的山區(qū)及社會(huì)環(huán)境的制約如景觀和噪音影響等取具有風(fēng)能資源土地面積的 4推算可利用的風(fēng)能資源儲(chǔ)量估計(jì)約 96 億 kW或 187 萬億 kW178。 ha 另外海岸線附近的淺海區(qū)域也有非常豐富的風(fēng)能資源且平均風(fēng)速大湍流小僅歐盟國家沿岸的海上風(fēng)能資源估計(jì)約 3 萬億 kW178。 h 還大如按 年滿功率發(fā)電 2 500h 計(jì)劃則裝機(jī)容量可達(dá) 12 億 kW 等氣體的排放量的增長導(dǎo)致了溫室效應(yīng)酸雨等現(xiàn)象的產(chǎn)生因此自20世紀(jì) 70年代末以來隨著世界各國對(duì)環(huán)境保護(hù)能源短缺及節(jié)能等問題的日益關(guān)注認(rèn)為大規(guī)模利用風(fēng)力發(fā)電是減少空氣污染減少有害氣體等排放氣體的有效措施之一 傳統(tǒng)火力發(fā)電燃燒化石燃料而排放大量的二氧化碳及其它污染物質(zhì)破壞環(huán)境并造成全球暖化嚴(yán)重影響生態(tài)系統(tǒng)病危及人類健康核能發(fā)電雖不像火力發(fā)電般排放許多污染物質(zhì)但溫排水可能影響海洋生態(tài)而且目前尚無法完善處理半衰期長達(dá)數(shù)千數(shù)萬年的高放射性核廢料使其部分環(huán)境造成影響相比 之下風(fēng)力發(fā)電完全沒有上述問題風(fēng)力發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)換電力過程中不排放二氧化碳及任何污染物質(zhì)更沒有放射性物質(zhì)的困擾是非常干凈的能源因此廣受注重環(huán)境保護(hù)的歐美國家的歡迎成為應(yīng)用最多的再生能源技術(shù)之一 12 目前國內(nèi)外風(fēng)電技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 簡稱風(fēng)電機(jī) 是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的機(jī)械風(fēng)輪是風(fēng)電機(jī)最主要的部件由漿葉和輪轂組成槳葉具有良好的空氣動(dòng)力外形在氣流作用下能產(chǎn)生空氣動(dòng)力使風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能再通過齒輪箱增速驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)變成電能在理論上最好的風(fēng)輪只能將約 60 的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)風(fēng)輪的效率可達(dá)到 40 風(fēng)電 機(jī)輸出達(dá)到額定功率前功率與風(fēng)速的立方成正比即風(fēng)速增加 1倍輸出功率增加 8 倍所以同力發(fā)電的效益與當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)速關(guān)系極大由于風(fēng)速隨時(shí)在變化風(fēng)電機(jī)常年在野外運(yùn)行承受十分復(fù)雜惡劣的交變載荷當(dāng)前生產(chǎn)的主力機(jī)型為 600750kW 機(jī)體龐大風(fēng)輪直徑和塔架高度都達(dá)到 4050m 設(shè)計(jì)和制造較困難目前風(fēng)電機(jī)的設(shè)計(jì)壽命是 20a 要求經(jīng)受住 60 ms 的 11 級(jí)暴風(fēng)襲擊代表機(jī)組可靠性的可利用率要達(dá)到 95 以上 Tab 11 Chinas installed capacity of wind power development unit 10000 KW 裝機(jī)容量 1999 2021 2021 2021 2021 2021 當(dāng)年新增 447 765 572 669 998 198 累計(jì)容量 2683 3448 4020 4662 566 764 累計(jì)容量 2683 3448 4020 4662 566 764 13 風(fēng)力發(fā)電的原理和需要解決的問題 風(fēng)力發(fā)電依靠空氣的流動(dòng) 也就是風(fēng) 來推動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片而發(fā)電風(fēng)的形成則是源于地球本身的自轉(zhuǎn)以及區(qū)域性的太陽輻射熱吸收不均勻而引起空氣的循環(huán)流動(dòng)小規(guī)模者如海路風(fēng)山谷風(fēng)大規(guī)模者如東北季風(fēng)或臺(tái)風(fēng) 一部典型的現(xiàn)代水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)包括葉片輪轂 與葉片合稱葉輪 機(jī)艙罩齒輪箱發(fā)電機(jī)塔架基座控制系統(tǒng)電纜線等當(dāng)風(fēng)流過葉片時(shí)由于空氣動(dòng)力的效應(yīng)帶動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)葉輪透過主軸連結(jié)齒輪箱經(jīng)過齒輪箱加速后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電目前亦有廠商推出無齒輪箱式機(jī)組可降低震動(dòng)噪音提高發(fā)電效率但成本相對(duì)較高 風(fēng)力發(fā)電機(jī)并不能將所有流經(jīng)的風(fēng)力能源轉(zhuǎn)換成電力理論上最高轉(zhuǎn)換效率約為 59實(shí)際上大多數(shù)的葉片轉(zhuǎn)換風(fēng)能效率約介于 3050之間經(jīng)過機(jī)電設(shè)備轉(zhuǎn)換成電力能后的總輸出效率則約介于 2045 由于發(fā)電效率較高只風(fēng)力發(fā)電機(jī)其經(jīng)濟(jì)效益較佳鑒于水平軸式擁有較高發(fā) 電效率現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)多為水平軸式 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電力輸出與風(fēng)的速度非常有關(guān)葉片能自風(fēng)獲得之能量與風(fēng)速的三次方成正比一般市場上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)風(fēng)速約介于 254ms 于風(fēng)速 1215ms時(shí)達(dá)到額定的輸出容量風(fēng)速更高時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制機(jī)構(gòu)將電力輸出穩(wěn)定在額定容量左右為避免過高的風(fēng)速損壞發(fā)電機(jī)大多于風(fēng)速達(dá) 2025ms 范圍內(nèi)停機(jī)一般采用旋角節(jié)制或失速節(jié)制方式來調(diào)節(jié)葉片之氣動(dòng)性能及葉輪之輸出 除了風(fēng)速外葉輪直徑?jīng)Q定了可攝取風(fēng)能的多少約與葉輪直徑平方成正比以目前商業(yè)化的中大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例容量 600kW 的機(jī)組其葉輪直徑約 45m 左右1000kW 的機(jī)組葉輪直徑約 55m 左右 2021kW 的機(jī)組葉輪直徑則約 75m 左右依生產(chǎn)工藝而異 葉片的數(shù)量亦影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出一般而言多葉片的風(fēng)車效率較低但機(jī)械力矩較高適用于汲水等工作少葉片型 13 葉片 效率較高而力矩較低其中又以 2葉及 3葉效率較高此外現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片多采用機(jī)翼翼型以更有效的攝取風(fēng)能 圖 11 葉輪直徑與風(fēng)能攝取量的關(guān)系 Fig 11 Impeller diameter intake and the number of wind energy 風(fēng)能利用發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)問題風(fēng)能技術(shù) 是一項(xiàng)涉及多個(gè)學(xué)科的綜合技術(shù)而且風(fēng)力機(jī)具有不同于通常機(jī)械系統(tǒng)的特性動(dòng)力源是具有很強(qiáng)隨機(jī)性和不連續(xù)性的自然風(fēng)葉片經(jīng)常運(yùn)行在失速工況傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力輸入異常不規(guī)則疲勞負(fù)載高于通常旋轉(zhuǎn)機(jī)械幾十倍對(duì)于這樣的強(qiáng)隨機(jī)性的綜合系統(tǒng)其技術(shù)發(fā)展中有下列幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題 1 空氣動(dòng)力學(xué)問題 空氣動(dòng)力設(shè)計(jì)是風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的基礎(chǔ)它主要涉及下列問題一是風(fēng)場湍流模型早期風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)采用簡化風(fēng)場模型對(duì)風(fēng)力機(jī)疲勞載荷和極端載荷的確定具有重要意義另一是動(dòng)態(tài)氣動(dòng)模型再一是新系列翼型 2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問題 準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析是風(fēng)力機(jī)向更大更柔和結(jié)構(gòu)更優(yōu) 方向發(fā)展的關(guān)鍵 3 控制技術(shù)問題 風(fēng)力機(jī)組的控制系統(tǒng)是一個(gè)綜合性的控制系統(tǒng)隨著風(fēng)力機(jī)組由恒速定漿距運(yùn)行發(fā)展到變速變漿距運(yùn)行控制系統(tǒng)除了對(duì)機(jī)組進(jìn)行并網(wǎng)脫網(wǎng)和調(diào)向控制外還要對(duì)機(jī)組進(jìn)行轉(zhuǎn)速和功率的控制以保證機(jī)組安全和跟蹤最佳運(yùn)行功率 14 我國風(fēng)能資源分布 風(fēng)能是空氣運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能它是太陽能的一種轉(zhuǎn)化形式是一種清潔的可再生能源全球風(fēng)能資源極為豐富據(jù)世界氣象組織估計(jì)地球上近地層的風(fēng)能總量約為可利用的風(fēng)能至少為約為地球上可利用水能總量的 10 倍 表 12 風(fēng)能資源比較豐富的省區(qū) Tab 12 Wind resource rich provinces 省區(qū) 風(fēng)力資源萬 KW 省區(qū) 風(fēng)力資源萬 KW 內(nèi)蒙古 6178 山東 394 新疆 3433 江西 293 黑龍江 1723 江蘇 238 甘肅 1143 廣東 195 吉林 638 浙江 164 河北 612 福建 137 遼寧 606 海南 64 全國總量萬 KW 25300 15 風(fēng)力機(jī)的類型和分類 風(fēng)力機(jī)將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能或其他形式的能量按功率輸出的大小風(fēng)力機(jī)一般分為小型 10KW 以下中型 10KW100KW 和大型 100KW 以上 風(fēng)力機(jī)的種類相當(dāng)多 依結(jié)構(gòu)式樣可分類為 按主軸與地面的相對(duì)位置可分為水平軸與垂直軸式 按轉(zhuǎn)子相對(duì)于風(fēng)向的位置可分為上風(fēng)式與下風(fēng)式 按轉(zhuǎn)子葉片工作原理可分為升力型與阻力型 按轉(zhuǎn)子葉片數(shù)量可分為單葉型雙葉型三葉型荷蘭型美國農(nóng)村多葉型 2 風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)理論 21 風(fēng)速風(fēng)能與空氣密度 風(fēng)場的風(fēng)速資料是設(shè)計(jì)風(fēng)輪機(jī)最基本的資料風(fēng)場的實(shí)際風(fēng)速是隨時(shí)間不斷變化的量因此風(fēng)速一般用瞬時(shí)風(fēng)速和平均風(fēng)速來描述瞬時(shí)風(fēng)速是短時(shí)間發(fā)生的實(shí)際風(fēng)速也稱有效風(fēng)速平均風(fēng)速是一段較長時(shí)間內(nèi)瞬時(shí)風(fēng)速的平均值 某地一年內(nèi)發(fā)生同一風(fēng)速的小時(shí)數(shù)與全年小時(shí)數(shù) 8760h 的比稱為該 風(fēng)速的風(fēng)速頻率它是風(fēng)能資源和風(fēng)能電站可研報(bào)告的基本數(shù)據(jù)風(fēng)速與地形地勢高度建筑物等密切相關(guān)風(fēng)能槳葉高度處的風(fēng)速才是風(fēng)輪設(shè)計(jì)風(fēng)速因此設(shè)計(jì)風(fēng)輪機(jī)電站還要有風(fēng)速沿高度的變化資料 風(fēng)的變化是隨機(jī)的任一地點(diǎn)的風(fēng)向風(fēng)速和持續(xù)的時(shí)間是變化的為定量地衡量風(fēng)力資源通常用風(fēng)能玫瑰圖來表示圖 21 上射線長度是某一方向上風(fēng)速頻率和平均風(fēng)速三次方的積用以評(píng)估各方向的風(fēng)能優(yōu)勢 圖 21 風(fēng)能玫瑰圖 Fig 2 1 Rose wind map 不同海拔高度風(fēng)場的空氣密度也不同它是風(fēng)力發(fā)電的一個(gè)重要計(jì)算參數(shù)不同海拔高度空氣密度見表 21 表 21 不同海拔高度風(fēng)場的空氣密度 Tab2 1 Different altitude wind farms air density m V m V 0 100 200 300 400 1013 1001 0989 0978 0966 0817 0826 0836 0846 0857 1224 1211 1196 1182 1167 500 1000 1500 2021 0955 0899 0847 0797 0866 0920 0977 1038 1155 1087 1024 0963 22 風(fēng)力等級(jí) 風(fēng)力等級(jí)是根據(jù)風(fēng)對(duì)地面或海面物體影響而引起的各種現(xiàn)象按風(fēng)力的強(qiáng)度等級(jí)來估計(jì)風(fēng)力的大小國際上采用的是英國人蒲福 Francis Beaufort17741859于 1805 年所擬定的等級(jí)故又稱蒲福風(fēng)級(jí)他把靜風(fēng)到颶風(fēng)分為 13 級(jí)見表 22 表 22 蒲福風(fēng)力等級(jí)表 Tab2 2 Bofu wind scale 風(fēng) 力 等 級(jí) 名稱 相當(dāng)于平地 10m 高處的風(fēng)速 ms 陸上地物征象 中文 英文 范圍 中數(shù) 0 靜風(fēng) Calm 0002 0 靜煙直上 1 軟風(fēng) Light air 0315 1 煙能表示風(fēng)向樹葉略有搖動(dòng) 2 輕風(fēng) Light breeze 1633 2 人面感覺有風(fēng)樹葉有微響旗子開始飄動(dòng)高的草開始搖動(dòng) 3 微風(fēng) Gentle breeze 3454 4 樹葉及小枝搖動(dòng)不息旗子展開高的草搖動(dòng)不息 4 和風(fēng) Moderate breeze 5579 7 能吹起地面灰塵和紙張樹枝動(dòng)搖高的草呈波浪起伏 5 清勁風(fēng) Fresh breeze 80107 9 有葉的小樹搖擺內(nèi)陸的水面有小波高的草波浪起伏明顯 6 強(qiáng)風(fēng) Strong breeze 108138 12 大樹枝 搖動(dòng)電線呼呼有聲撐傘困難高的草不時(shí)傾伏于地 7 疾風(fēng) Near gale 139171 16 大樹搖動(dòng)大樹枝彎下來迎風(fēng)步行感覺不變 8 大風(fēng) Gale 172207 20 可折毀小樹枝人迎風(fēng)前行感覺阻力甚大 9 烈風(fēng) Strong gale 208244 23 草房遭受破壞屋瓦被掀起大樹枝可折斷 10 狂風(fēng) Storm 245284 26 樹木可被吹倒一般建筑物遭破壞 11 暴風(fēng) Violent storm 285326 31 大樹可被吹倒一般建筑物遭嚴(yán)重破壞 12 颶風(fēng) Hurricane 326 33 陸上少見其摧毀力極大 23 理想風(fēng)能的利用 經(jīng)風(fēng)輪做功后的風(fēng)也有一定流速和動(dòng)能因此風(fēng)的能量只能被部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能風(fēng)輪前后流場如圖 22 設(shè) 21 由伯努利方程