【正文】 .......................................................... 41 參考文獻 .............................................................. 42 致 謝 ................................................................ 46 第 一 章 概 述 1 第一章 概 述 0 引 言 能 源是國民經濟發(fā)展和人民生活所必須的重要物質基礎，對社會、經濟發(fā)展和提高人民物質文化生活水平極為重要。 在未來的能源結構中 ,煤炭、水能、核能都會受到資源的制約 :火電方面 ,如果在 2020年后維持年產 40億噸煤 ，并 且不再增加 ,按已知探明可利用的煤炭儲量 1145億噸計 ,我國經濟可利用的煤炭資源僅能再維持 30年 。核能方面 ,我國天然鈾資源短缺 ,僅能支持 50座標準 的 核電站連續(xù)運轉 40年 ]2[ 。所謂可再生能源就是取之不盡、用之不竭、與人類共存的能源。在這眾多的可再生能源中 ,目前發(fā)展最快、商業(yè)化最廣泛、經濟上最適用的 ,當數(shù)風力發(fā)電。 也不同于水能 ,必須建造壩 ,來推動水輪機運轉 。而風能的利用由于簡單 ,且機動靈活 ,因此有著廣闊的前途。 1. 1 世界風力發(fā)電概況 國際能源研究報告表明 ,如果各國采取有 力措施 ,風力發(fā)電到 2020年可提供世界電力需求的 10%,創(chuàng)造 170萬個就業(yè)機會 ,并在全球范圍內減少 100多億噸二氧化碳廢氣。美國和加拿大是北美利用風能最好的國家。在 19982020年期間 , 美國風力發(fā)電的總裝機容量已經超 6740MW,可以 滿足 160萬個中等家庭的日常用電需求。風電技術開發(fā)的趨勢是大容量和變轉速運行。隨著風電容量在電力系統(tǒng)中的比例越來越大 ,對系統(tǒng)的影響日益明顯。由于 600kW級大型風力發(fā)電機組技術已經成熟 ,正在大批量生產 ,2020kW級風力發(fā)電機組不久將投入商業(yè)運行 ,風力發(fā)電的造價由現(xiàn)在的 1000美元 /kW有可能下降為 600800美 元 /kW, 發(fā)電成本從現(xiàn)在的 45美分 /(kWh),下降到 34美分 /(kWh),風力發(fā)電規(guī)模經濟效益更加明顯 ,可以和火電、水電、核電相競爭 , 這也是其它新能源所無法比擬的。這也是全世界很多國家都熱衷風力發(fā)電的主要原因。中國、印度也在積極 發(fā)展風電]4[ 。風能總儲量為 ,實際可開發(fā)的風能儲量為 ,為可再生能源和新能源利用技術提供了強大的第 一 章 概 述 3 資源條件。到 1999年底已開發(fā)微小戶用型風力發(fā)電機 16萬臺 ,并網型風電場 24座 ,總裝機容量 26萬千瓦 ,其中絕大多數(shù)機 組是從丹麥、德國、美國、比利時、瑞典引進的 ,最大單機容量為 600kW。和常規(guī)資源相比 ,它會缺乏競爭力。 目前 ,我國國產化機組產量仍然偏小 ,遠未達到規(guī)模效益 ,使得零部件采購價格偏高 ,利潤空間很小。這一現(xiàn)實要求我國的風力發(fā) 電設備制造企業(yè)應加快適合中國國情的新型風力發(fā)電裝備的研制進度。還應注意穩(wěn)定產品質量 ,提高國產機組可靠性 ,以取得風電場建設者的認可 ,逐步加大市場份額。 2020年以前 ,我國計劃新建 20座風力發(fā)電場 ,每座風場的發(fā)電能力達到 100MW以上 ,且達到 4000MW的風力發(fā)電總目標 ,風力發(fā)電設備將盡量達到本土化 ]6[ 。然而，由于受太陽照射的強度不同，空氣的溫度和密度不相同，即使在同一高度上各處的大氣壓力也不相同。 風的大小，同樣受到氣壓的影響，水平方向的氣壓差別愈大，空氣的水平運動就愈迅速，風就愈大；反之，如果一定范圍內水平方向的氣壓沒有差別，空氣便不會產生水平運動，也就不會有風了 ]8[ 。大氣壓差是風產生的根本原因。 ②風速隨著高度的增加而增加，大致的表示為 nHHVV )( 00 ? （ 21） 其中， V高度為 H（ m）時的風速， m/s。一般取 H0 為 10 米，修正質數(shù) n 為 1/2— 1/8。 2. 2 風的能量與測量 風能的主要特性參數(shù)如下 ]10[ ： ① 風能： 22 2121 pSVmVE ?? ， W ； （ 22） 其中， m— 氣體的質量 kg； V— 氣流的速度 m/s； S— 面積 m； p— 空氣的密度kg/m3 ② 風能的密度： 321 pVSEW ?? （ 23）根據(jù)中國 300 個氣象站的計算經驗得出空氣密度與海拔高度的關系式第 二 章 風與風能 5 為： )/(2 2 mkghp h ?? （ 24） ③ 有效風能密度：當風速由 0 逐漸增加到某一風速 Vm （切入風速）時，風力機才開始提供功率。然后，風速繼續(xù)增加，達到某一確定值VN (額定風速 )，在該風速下風力機提供額定功率或正常功率。如果風速再增加到某一值 VM （切斷風速）時，出于安全考慮，風力機應停止運轉。 2. 3 中國風能資源 風能的大小用風功率密度 ( 2/mW )來度量 ,它與空氣密度和風速的立方成正比。假設其中 1/10在技術上可供開發(fā) ,并考慮風輪掃掠面積系數(shù) ,得出技術可開發(fā)資源量為 253GW,主要分布在西北、東北和華北的草原和戈壁 ,以及東部和東南沿海及島嶼。 第三章 風力發(fā)電 7 第三章 風力發(fā)電 3. 1 風車 3. 1. 1 風力發(fā)電機的構成和各個部分的功能 圖 31風力發(fā)電機內部結構圖 （ 1） 機艙：機艙包容著風電機的關鍵設備，包括齒輪箱、發(fā)電機。機艙左端是風電機轉子，即轉子葉片及軸。 （ 3） 高速軸及其機械閘：高速軸以 1500 轉每分鐘運轉，并驅動發(fā)電機。 （ 4） 轉子葉片： 捕 獲風，并將風力傳送到轉子軸心。 （ 5） 軸心：轉子軸心附著在風電機的低速軸上。在現(xiàn)代600 千瓦風電機上，轉子轉速相當慢，大約為 19 至 30 轉每分鐘。 （ 7） 偏航裝置：借助電動機轉動機艙，以使轉子正對著風。通常，在風改變其方向時，風電機一次只會偏轉幾度。為防止任何故障（即齒輪箱或發(fā)電機的過熱），該控制 器可以自動停止風電機的轉動，并通過電話調制解調器來呼叫風電機操作員。在現(xiàn)代風電機上，最大電力輸出通常為 500 至 1500 千瓦。 （ 11） 冷卻元件：包含一個風扇，用于冷卻發(fā)電機。一些風電機具有水冷發(fā)電機。通常高的塔具有優(yōu)勢，因為離地面越高，風速越大。它可以為管狀的塔，也可以是格子狀的塔 。格狀的塔的優(yōu)點在于它比較便宜。 3. 1. 2 小型風力發(fā)電機的維護和故障排除 首先是 風機部分的維護 ]13[ 風力發(fā)電機安裝后，便始終處在大自然的嚴酷考驗之中，寒來暑往，年復一年。自然環(huán)境惡劣。其基本保養(yǎng)如下： 檢查塔架的鋼索是否過松或過緊，并及時調整，尤其在安裝初期和大風過后。 第三章 風力發(fā)電 9 蓄電池需注意保持電解液高度，如有減少及時添加，具體方法請參考蓄電池使用說明書。 建議每三個月進行一次檢查。 (1)風力發(fā)電機劇烈抖動的原因分析。 (2)劇烈抖動故障的排除方法 風力發(fā)電機劇烈抖動時有發(fā)生，多數(shù)是因主要工作部件螺栓松動引起的。 風機調向不靈有以下現(xiàn)象：風輪在低風速時 (一般 35m／ s以下 )，經常不迎風，機頭轉動困難，風大時 (如風速超過 12m／ s 以上 )，風輪不能及時偏轉限速，使風輪長時間超速旋轉，致使風機工作穩(wěn)定性變壞。風機立柱 (或塔架 )上端壓力軸承損壞，或風機安裝時沒有安裝壓力軸承，因長期不保養(yǎng)風機，使機座回轉體長套內和壓力軸承處油泥過多，黃油老化變硬，致使機頭回轉困難，回轉體和壓力軸承安裝時，根本就沒有加 黃油，致使回轉體內部生銹。 3．異常雜音 風機運行中的異常雜音有如下現(xiàn)象：當風速小時出現(xiàn)明顯的響聲，或摩擦聲，或出現(xiàn)明顯的敲擊聲等。螺釘、螺栓各緊固部位有松動之處；發(fā)電機軸承缺油或松動；發(fā)電機軸承損壞；風輪與其他部件摩擦。發(fā)現(xiàn)風機運轉工作時有異常雜音，應立即停機檢查。 發(fā)電機不發(fā)電的現(xiàn)象：發(fā)電機運轉工作時，無電流輸出。發(fā)電機輸電線斷路；發(fā)電機整流管損壞；輸電線接頭接觸不良；發(fā)電機過熱或線圈燒壞；保險管燒壞。如發(fā)現(xiàn)發(fā)電機不發(fā)電，應立即停機檢查，檢 查時本著先易后難、由表及里的原則，先檢查輸電線各接頭處接觸是否牢靠，若各接頭沒有問題，可進一步檢查發(fā)電機整流管或保險管是否有損壞，如整流管和保險管沒有問題，則可進一步認定是發(fā)電機里邊的問題。 5．風輪轉速明顯降低 風輪轉速明顯降低的現(xiàn)象，一般比較直觀。 (1)風輪轉速明顯降低的原因分析。 (2)排除方法。 3. 2 風力發(fā)電的原理 風力發(fā)電機的基本工作原理比較簡單 ,風輪在風力的作用下旋轉 ,將風的動能轉變?yōu)轱L輪軸的機械能 ,風輪軸帶動發(fā)電機旋轉發(fā)電。風力機的核心部件為葉輪的設計 ,隨著空氣動力學的飛速發(fā)展 ,葉輪設第三章 風力發(fā)電 11 計已經取得了巨大的進步。如圖 32 葉輪 ： 圖 32 葉輪 現(xiàn)代風輪設計一般采用新翼形設計 ,除按照傳統(tǒng)要求在尖部采用薄翼型以滿足高升阻力、根部采用厚翼型滿足機械強度外 ,新翼形和傳統(tǒng)的航空翼形有較大差別 :一般在葉輪尖部采用較低的最大升力系數(shù) ,并減少尖部葉片弦長 ,以控制轉子尖部的負荷。這樣的設計可使風輪年平均的能量輸出大大增加 ]15[ 。 現(xiàn)代并網風力發(fā)電機主要分為恒速恒頻和變速恒頻兩種發(fā)電運行方式。這種方式簡單可靠 ,但是對風能的利用不充分 ,而且風輪調速機構體積較大 ,結構復雜 ,也增加了設備投資。這種 方式可增加 10%的風能利用率 ,以前需增加 來 實現(xiàn)恒頻輸出的較昂貴的電力電子設備 ,現(xiàn)在已經開始使用微機控制的雙饋電機 ,在變速恒頻風力發(fā)電上已有比較成功的應用。當風力發(fā)電裝置作為穩(wěn)定電源經常供電時，還必須裝設蓄能裝置（如蓄電池）。轉子一般為立式，葉片數(shù)一般為 2～3片，葉片的方向與風向垂直，轉速只有 40～ 50r／ min，而發(fā)電機的轉速較高（例如 1500rmin、 50Hz的發(fā)電機），必須裝設升速裝置（齒輪、鏈條和皮帶等）。調速裝置用來維持發(fā)電機定速回轉。 風力發(fā)電機組是實現(xiàn)由風能到電能轉換的關鍵設備 ]16[ 。由于控制十分復雜 ,現(xiàn)在普遍采用微機控制。 我國風能資源比較豐富，是風能利用的大國之一，風力提水和風帆運輸曾有過輝煌歷史。 50～ 200W 微型風力發(fā)電機組己定型投入批量牛產，年第三章 風力發(fā)電 13 生產能力達一萬臺以上； l～ 20kW 容量的中、小型風力發(fā)電機組己 經 達到小批量生產階段。據(jù) 1992 年末的統(tǒng)計，已推廣使用微型風力發(fā)電機組約 12 萬臺，總裝機容量約 。僅新疆達板城風電場裝機容量己突破 10MW，其經濟效益越來越明顯 ?？晒┻呥h地區(qū) ,氣象臺站、邊防哨所等電網覆蓋不到的地區(qū)利用。風力發(fā)電機組還可與其他動力源聯(lián)合使用 ,常用的方式主要有風力 — 柴油發(fā)電聯(lián)合運行、風力 — 太陽能電池發(fā)電聯(lián)合運行等。這種方式是克服風的隨機性而帶來的蓄能問題的最穩(wěn)妥易行的運行方式 ,同時可達到節(jié)約礦物燃料的目的。并網運行又可分為兩種不同的方式 :恒速桓頻方式和變速恒頻方式。 3. 3. 3 大型風力發(fā)電機組的結構和特點 風電機組向大容量 、 優(yōu)良的發(fā)電質量 、 提高材料利用率 、 減少噪音 、 降低成本 、 提高效率的方向發(fā)展 。兆瓦級機組的市場份額 1997年以前不到 10%， 2020年則超過一半 ， 2020年達到%。圖 33示出這種方式的原理結構。顯然 ,變頻器的容量必須與發(fā)電機的額定容量對等 ,因此 ,一些資料把這種變頻器稱 作全額定值變頻器。缺點是變頻器容量大 ,體積大。 圖 33 變頻器與電樞繞組相連 這種方式中的發(fā)電機可以采用鼠籠型異步發(fā)電機 ,也可以用永磁同步發(fā)電機。 除上述圖 33這種方式外 ,較為受世人關注的是用變頻器對風力發(fā)電機進行勵磁方式。發(fā)電機為繞線式轉子異步電機 ,轉子勵磁線圈通過滑環(huán)與電刷和靜止變頻器相聯(lián) ,所以稱為有刷勵磁。 圖 34 用變頻器進行 有 刷勵磁 這種方式的優(yōu)點是所用變頻器的體積容量大為減小 ,僅為被勵發(fā)電機容量的 1/31/4,而且省去了風力機與發(fā)電機間的增速齒輪箱 ,以及發(fā)電機電樞 繞組與電網間的可能需要設置的升壓變壓器。圖 35表示用變頻器進行無刷勵磁方式。 2套轉子繞組在電氣上直接相聯(lián) ,如圖 35（ b）所示 ,實質上是一種無刷歇爾皮斯系統(tǒng) ,變頻器在勵磁機的定子回路 ,并與工頻電源相聯(lián) ,這樣便構成無刷勵磁系統(tǒng)。 無刷勵磁方式較有刷勵磁而言 ,發(fā)電機結構較為復雜 ,但突出優(yōu)點是運行維護簡單 ,所以仍不失為一種好的風力發(fā)電方式 ,為用戶所青睞 ]18[ 。單機容量為 35MW的風力發(fā)電機群 ,對變頻器的配置方式如圖 7所示。 這種方式的特點是直流母線上的電壓是多臺發(fā)電機整流輸出后得到的 ,由每臺發(fā)電機間交流輸出電壓的相位不同 ,相當于 3n=24相交流電壓的整流輸出 , 紋波系數(shù)特別小 ,盡管每臺發(fā)電機輸出電壓頻率很低 ,約為 510HZ,也不會損壞