毕业设计说明书(论文)
作者：傅兴元学号：0445201
院系：自动化工程学院仪器科学与技术系
专业：测控技术及仪器
题目：风力发电综述
指导者：仇林庆副教授
评阅者：
2008 年 6 月吉林
摘要
当今能源日趋紧张, 能源多样化逐渐得到人们的关注。研究开发可再生能源来补充或替代常规能源, 得到世界各国的广泛重视。风能作为取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源,已日益受到我国政府的重视,由于我国风力资源丰富,且风力发电机制造成本在逐年下降,因此风力发电前景广阔。本文主要介绍了世界风力发电的现状、风力发电原理、风电的经济性、风电场的建设过程、风电机组和电网介绍、风力发电控制系统、风车的组成和维护、风力发电对环境的影响和自身的特点,以及风电的发展前景。同时，还分析了制约我国风力发电的因素和风力发电与其他发电方式的区别。
关键词：风力发电；风电场建设；环境影响；制约因素；发展前景
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ABSTRACT
As the energy become more and more tensive today, energy
diversification ,especially researching and developing the renewable energy to supplement or replace conventional energy sources,is payed more attention by all countries in the world. Wind energy as inexhaustible and renewable sources of clean energy, has been increasingly attended by our government. as the rich wind resources and the decreased cost of the wind turbine manufacturing year by year, wind power had a broad prospect. This paper mainly describes the status of wind power in the world, the theories of wind power , the economic of wind power, the constructive process of wind power field, the introduction of the wind power unit and power, control system of wind power, the composition and maintenance of windmills, influence on the environment of wind power and its own characteristics and the prospects of the development of wind power. At the same time, analyzing the factors of restricting wind power of our country and the distinctions of wind power and others.
Keywords:Wind Power; The construction of wind power; Environmental influece;
Restrictive factors; Development prospects
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目录
摘要 ................................................................. I ABSTRACT .............................................................. II 目录 ............................................................... III 第一章概述 .. (1)
0 引言 (1)
1. 1 世界风力发电概况 (2)
1. 2 中国风力发电概况 (2)
第二章风与风能 (4)
2. 1 风的产生与特性 (4)
2. 2 风的能量与测量 (4)
2. 3 中国风能资源 (6)
第三章风力发电 (7)
3. 1 风车 (7)
3. 1. 1 风力发电机的构成和各个部分的功能 (7)
3. 1. 2 小型风力发电机的维护和故障排除 (8)
3. 2 风力发电的原理 (10)
3. 3 风力发电机组 (12)
3. 3. 1 总述 (12)
3. 3. 2 风电机组运行方式 (13)
3. 3. 3 大型风力发电机组的结构和特点 (14)
3. 3. 4 国外风力发电机组的结构和特点 (16)
3. 4 风力发电控制系统 (17)
3. 4. 1 风力发电机组的控制目标 (17)
3. 4. 2 风力发电机组的现代控制技术 (18)
第四章风电场建设 (22)
4. 1 风电场选址 (22)
4. 2 风电厂施工 (23)
4. 2. 1 风电场施工特点 (23)
4. 2. 2 应对策略 (24)
第五章风力发电的特点 (27)
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5. 1 风力发电的优点 (27)
5. 2 风力发电与环境的关系 (28)
5. 3 制约我国风力发电的因素 (31)
第六章风力发电的经济性分析 (34)
6. 1 影响风力发电经济性的因素 (34)
6. 2 风力发电成本的计算 (34)
第七章风力发电未来的发展 (37)
7. 1 我国海上风力发电 (37)
7. 2 海洋风电的开发 (38)
7. 3 中国发展风电的展望 (39)
结语 (41)
参考文献 (42)
致谢 (46)
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第一章概述
0 引言
能源是国民经济发展和人民生活所必须的重要物质基础，对社会、经济发展和提高人民物质文化生活水平极为重要。现代社会的生产和生活，几乎完全依赖于能源的大量消耗]1[。在未来的能源结构中,煤炭、水能、核能都会受到资源的制约:火电方面,如果在2020年后维持年产40亿吨煤，并且不再增加,按已知探明可利用的煤炭储量1145亿吨计,我国经济可利用的煤炭资源仅能再维持30年;中国的水能资源经济可开采量约为4亿千瓦,当前水电装机约为1亿千瓦,即使在15～20年内将剩余的经济可开采的3亿千瓦水电资源都开发出来,最终还将受到资源的制约;核能方面,我国天然铀资源短缺,仅能支持50座标准的核电站连续运转40年]2[。在我们进入21 世纪的今天,世界能源结构也正在孕育着重大的转变,即由矿物能源系统向以可再生能源为基础的可持续能源系统转变。所谓可再生能源就是取之不尽、用之不竭、与人类共存的能源。它包括太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能等。在这众多的可再生能源中,目前发展最快、商业化最广泛、经济上最适用的,当数风力发电。
在各种能源中,风能是利用起来比较简单的一种,它不同于煤、石油、天然气, 需要从地下采掘出来,运送到火力发电厂的锅炉设备中去燃烧; 也不同于水能,必须建造坝,来推动水轮机运转;也不像原子能那样,需要昂贵的装置和防护设备。而风能的利用由于简单,且机动灵活,因此有着广阔的前途。特别是在缺乏水力资源、缺乏燃料和交通不方便的沿海岛屿、山区和高原地带,都具有速度很高的风,这是很宝贵的能源,如果能利用起来发电对当地人民的生活和生产都会很有利]3[。
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1. 1 世界风力发电概况
国际能源研究报告表明,如果各国采取有力措施,风力发电到2010年可提供世界电力需求的10%,创造170万个就业机会,并在全球范围内减少100多亿吨二
氧化碳废气。风能将成为发展最快的能源,到2010年风电总装机容量达到
40.00GW,2020 年达到0.1TW,到2010年德国新增500万千瓦,西班牙新增520万千瓦,年生产能力将达到800万千瓦,可满足全国电力需求的10%。美国和加拿大是北美利用风能最好的国家。在美国的50个州中,大约有30个州已经开始利用风能资源。在1998-2004年期间, 美国风力发电的总装机容量已经超6740MW,可以满足160万个中等家庭的日常用电需求。随着技术的进步和规模的扩大,风电发电成本继续下降,估计10年后它完全可以和清洁的燃煤电厂竞争。风电技术开发的趋势是大容量和变转速运行。更大单机容量的机组仍在继续研制。随着风电容量在电力系统中的比例越来越大,对系统的影响日益明显。人们已经开始利用天气预报的技术来预测风电场功率输出,以优化运行速度。由于600kW级大型风力发电机组技术已经成熟,正在大批量生产,2000kW级风力发电机组不久将投入商业运行,风力发电的造价由现在的1000美元/kW有可能下降为600-800美元/kW, 发电成本从现在的4-5美分/(kWh),下降到3-4美分/(kWh),风力发电规模经济效益更加明显,可以和火电、水电、核电相竞争, 这也是其它新能源所无法比拟的。由于风力发电是可再生洁净能源, 其环境效益也十分明显, 随着风力发电技术的日益成熟, 发电成本的进一步降低,风力发电会越来越被更多的人认识和接受。这也是全世界很多国家都热衷风力发电的主要原因。风力发电的迅猛发展也使那些本地能源短缺的发展中国家收益,如巴西、阿根廷、摩洛哥、埃及和哥斯达黎加等国是发展中国家风力发电的佼佼者。中国、印度也在积极发展风电]4[。
1. 2 中国风力发电概况
我国幅员辽阔,陆疆总长2万多千米,海岸线1.8万多千米,是一个风力资源
丰富的国家,全国约有2/3的地带为多风带。风能总储量为32.26亿千瓦,实际可开发的风能储量为2.53亿千瓦,为可再生能源和新能源利用技术提供了强大的
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资源条件。两大风能地带—西北、华北、东北和东南沿海为风能资源丰富区,跨全国21个省、市、自治区。到1999年底已开发微小户用型风力发电机16万台,并网型风电场24座,总装机容量26万千瓦,其中绝大多数机组是从丹麦、德国、美国、比利时、瑞典引进的,最大单机容量为600kW。毫无疑问,中国风能等可再生能源的利用也受到一系列因素的限制,其中包括资金和技术资源供应的不足、政策的不相配套等。和常规资源相比,它会缺乏竞争力。但从可持续发展的目的出发,从中央到地方的各级政府已对这些资源的开发给予了关注]5[。
目前,我国国产化机组产量仍然偏小,远未达到规模效益,使得零部件采购
价格偏高,利润空间很小。因此,我国的风力发电装备市场至今仍由国外风力发电机组占据。这一现实要求我国的风力发电设备制造企业应加快适合中国国情的新型风力发电装备的研制进度。尽快提高大型风力发电装备的设计和制造技术,加大风力发电装备国产化进程。还应注意稳定产品质量,提高国产机组可靠性,以取得风电场建设者的认可,逐步加大市场份额。据相关资料报道,到2020年,预计我国将新增发电能力500GW,其中121GW为可再生能源。2010年以前,我国计划新建20座风力发电场,每座风场的发电能力达到100MW以上,且达到4000MW的
风力发电总目标,风力发电设备将尽量达到本土化]6[。
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第二章 风与风能
2. 1 风的产生与特性
在大气层中，高度愈高，空气愈稀薄，气压也就愈低。然而，由于受太阳照射的强度不同，空气的温度和密度不相同，即使在同一高度上各处的大气压力也不相同。这种气压高低的不同，促使空气产生水平运动，就形成了风]7[。
风的大小，同样受到气压的影响，水平方向的气压差别愈大，空气的水平运动就愈迅速，风就愈大；反之，如果一定范围内水平方向的气压没有差别，空气便不会产生水平运动，也就不会有风了]8[。根据气象学家的解释，风是由于空气流动产生的。大气压差是风产生的根本原因。 风的特性：①风的方向不定，大小不同。
②风速随着高度的增加而增加，大致的表示为n H H V V )(0
0= （2-1） 其中，V--高度为H （m ）时的风速，m/s;V 0--高度为H 0（m ）时的风速，m/s 。一般取H 0为10米，修正质数n 为1/2—1/8。③风随着季节的变化而变化]9[。
2. 2 风的能量与测量
风能的主要特性参数如下]10[：
① 风能： 222
121pSV mV E == ，W ； （2-2） 其中，m —气体的质量kg ；V —气流的速度m/s ；S —面积m ；p —空气的密度kg/m 3
② 风能的密度： 32
1pV S E W == （2-3）根据中国300个气象站的计算经验得出空气密度与海拔高度的关系式
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为：)/(225.1300012.0m kg h p h -= （2-4） ③ 有效风能密度：当风速由0逐渐增加到某一风速V m （切入风速）时，风力机才开始提供功率。在该风速下，风力机所得到的有效功率是整个风力机在无负载损失时所吸收的。然后，风速继续增加，达到某一确定值V N (额定风速)，在该风速下风力机提供额定功率或正常功率。超过该值时，利用调节系统，输出功率将保持常数。如果风速再增加到某一值V M （切断风速）时，出于安全考虑，风力机应停止运转。
④ 风速与风级如下表：
表2-1 风速（m/s ）与风级对应关系表
⑤ 风向与风频：风向方位图如下：
图2-1风向方位图
某风向的风频=某风向出现的次数/风向总观测次数*100% （2-5）
风的测量方法：主要有3种，一是将每小时内测得的风速取平均值；
二是将每小时最后10分钟内测量的风速取平均值；三是在每小时内选几个瞬时测量风速值再取其平均值。
2. 3 中国风能资源
风能的大小用风功率密度(2
W)来度量,它与空气密度和风速的立方成正
/m
比。我国的风能资源,据中国气象科学研究院对全国900多个气象站年平均风能功率密度的估算,10m高度层的总资源量为3226GW。假设其中1/10在技术上可供开发,并考虑风轮扫掠面积系数0.785,得出技术可开发资源量为253GW,主要分
布在西北、东北和华北的草原和戈壁,以及东部和东南沿海及岛屿。我国东部沿海水深2—15m的近海海域,风能资源丰富,专家初步估计约为陆上风能资源的3倍,750GW]11[。
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第三章风力发电
3. 1 风车
3. 1. 1 风力发电机的构成和各个部分的功能
图3-1风力发电机内部结构图
（1）机舱：机舱包容着风电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。维护人员可以通过风电机塔进入机舱。机舱左端是风电机转子，即转子叶片及轴。
（2）齿轮箱：齿轮箱左边是低速轴，它可以将高速轴的转速提高至低速轴50倍。
（3）高速轴及其机械闸：高速轴以1500转每分钟运转，并驱动发电机。它装备有紧急机械闸，用于空气动力闸失效时，或风电机被维修时。
（4）转子叶片：捕获风，并将风力传送到转子轴心。现代600千瓦风电机上，每个转子叶片的测量长度大约为20米，而且被设计得很象飞机的机翼。
（5）轴心：转子轴心附着在风电机的低速轴上。
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（6）低速轴：风电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。在现代600千瓦风电机上，转子转速相当慢，大约为19至30转每分钟。轴中有用于液压系统的导管，来激发空气动力闸的运行。
（7）偏航装置：借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。通常，在风改变其方向时，风电机一次只会偏转几度。
（8）电子控制器：包含一台不断监控风电机状态的计算机，并控制偏航装置。为防止任何故障（即齿轮箱或发电机的过热），该控制器可以自动停止风电机的转动，并通过电话调制解调器来呼叫风电机操作员。
（9）发电机：通常被称为感应电机或异步发电机。在现代风电机上，最大电力输出通常为500至1500千瓦。
（10）液压系统：用于重置风电机的空气动力闸。
（11）冷却元件：包含一个风扇，用于冷却发电机。此外，它包含一个油冷却元件，用于冷却齿轮箱内的油。一些风电机具有水冷发电机。
（12）塔铜：风电机塔载有机舱及转子。通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速越大。现代600千瓦风汽轮机的塔高为40至60米。它可以为管状的塔，也可以是格子状的塔。管状的塔对维修人员来说更为安全，因为他们可以通过内部的梯子到达塔顶。格状的塔的优点在于它比较便宜。
（13）风速计及风向标：用于测量风速及风向]12[。
3. 1. 2 小型风力发电机的维护和故障排除
首先是风机部分的维护]13[
风力发电机安装后，便始终处在大自然的严酷考验之中，寒来暑往，年复一年。它除了经受风霜雨雪日晒的侵袭之外，还可能遭受雷击、冰雹和风沙的袭击。自然环境恶劣。因此，风机的保养和维修就显得十分重要。其基本保养如下：
1、检查塔架的钢索是否过松或过紧，并及时调整，尤其在安装初期和大风过后。
2、检查各部件连接线缆是否受损，各接线点是否松动锈蚀，确保电气安全。
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3、蓄电池需注意保持电解液高度，如有减少及时添加，具体方法请参考蓄电池使用说明书。
4、在暴风或其他恶劣天气来临前，为了避免不可预料的损失发生，建议放到塔架。
5、建议每三个月进行一次检查。
其次是一般故障的排除]14[
1．风力发电机剧烈抖动风力发电机剧烈抖动有以下现象：风轮运转不平稳，并且响声增大，风机机头和机身有明显的振动，严重时可将钢丝绳拉索拔起，使风机摔倒损坏。
(1)风力发电机剧烈抖动的原因分析。发电机底座固定螺栓松动；变桨距风轮有卡滞现象；定桨距风轮叶片变形；尾翼固定螺钉松动；立柱拉索松弛。
(2)剧烈抖动故障的排除方法风力发电机剧烈抖动时有发生，多数是因主要工作部件螺栓松动引起的。若螺栓松动，将松动的螺栓拧紧(注意加弹簧垫)即可；若定桨距风轮叶片变形，需要卸下修复或更换新叶片(注意，风轮叶片更换应成对、成付一起更换)，若变桨距风轮出现卡滞，此时应卸下风轮，取下叶片，并用汽油清洗变桨距的滑槽、滑块和弹簧等零件，然后再重新装回原位(注意两个叶片的零件不得相互装错，以免破坏风轮平衡)。
2.调向不灵风机调向不灵有以下现象：风轮在低风速时(一般3-5m／s以下)，经常不迎风，机头转动困难，风大时(如风速超过12m／s以上)，风轮不能及时偏转限速，使风轮长时间超速旋转，致使风机工作稳定性变坏。
(1)调向不灵的原因分析。风机立柱(或塔架)上端压力轴承损坏，或风机安装时没有安装压力轴承，因长期不保养风机，使机座回转体长套内和压力轴承处油泥过多，黄油老化变硬，致使机头回转困难，回转体和压力轴承安装时，根本就没有加黄油，致使回转体内部生锈。
(2)调向不灵故障的排除方法卸下回转体，清洗后，若没有安装轴承，则需要补装压力轴承，若长期没有保养，使油泥过多或根本没有加油，则需认真清洗后，再涂新黄油即可。
3．异常杂音风机运行中的异常杂音有如下现象：当风速小时出现明显的响声，或摩擦声，或出现明显的敲击声等。
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