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1、 風力發(fā)電機簡述 日益加劇的世界能源危機和環(huán)境惡化問題，迫使人類在能源使用方式和能源使用類型選擇上做出改變。節(jié)能減排、開源節(jié)流，發(fā)展低碳化經(jīng)濟等一系列 體現(xiàn)環(huán)境友好的政策陸續(xù)出臺。在世界范圍內(nèi)掀起了以保護環(huán)境，促進人類可持續(xù)發(fā)展為特征的新能源產(chǎn)業(yè)運動。其中，以風能為能源來源的風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)在近期發(fā)展迅速，成為新能源產(chǎn)業(yè)里發(fā)展最具產(chǎn)業(yè)性、系統(tǒng)性、商業(yè)性的產(chǎn)業(yè)。本文將簡要介紹風力發(fā)電機的發(fā)展歷史和水平軸風力發(fā)電機原理與技術。 一、風力發(fā)電概念 1.1 相關概念 風能是指：地球表面大量空氣流動所產(chǎn)生的動能。由于地面各處受太陽輻照后氣溫變化不同和空氣中水蒸氣的含量不同，因而引起各地氣壓的差

2、異，在水平方向高壓空氣向低壓地區(qū)流動，即形成風。簡單地說，風能就是“風" 所蘊藏的能量。由定義可以知道它包含六層含義：第一，風能是太陽能的一種 形式；第二風能是一種動能；第三風能的分布是全球性的；第四，風能是一種自然界本身自有的既存的能量形式；第五，是不排放污染物的清潔能源；第六， 是可以再生的能源。對風能進行界定最重要的結(jié)論莫過于其是一種可利用的清潔的資源。亦即，風能是可以持續(xù)利用的與自然環(huán)境“友好”的自然資源。 風能的利用主要是以風能作動力和風力發(fā)電兩種形式，其中以風力發(fā)電為 主要的利用方式。以風能作動力其實就是利用風的運動帶動機械裝置實現(xiàn)人類生產(chǎn)和生活目的。風力發(fā)電則是將風的動能轉(zhuǎn)化成

3、電能的形式。風力發(fā)電機也就是將風能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。 1.2 風能利用的優(yōu)勢 風能利用具有巨大的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在以下幾點： （1）風力資源非常豐富； （2）風力資源是清潔型，節(jié)約型能源； （3）風能是一種便宜的能源； （4）風能對土地的占用率極??； （5）風能非常安全 ； （6）內(nèi)陸地區(qū)的風能利用能帶來更好的經(jīng)濟效益； （7）風能利用的巨大優(yōu)勢； （8）風能技術有廣泛的適用性； （9）風能技術對于發(fā)展中國家來說是比較理想的； （10）風能的利用是一種先進技術的利用； （11）風能的發(fā)展增加就業(yè)機會； （12）風力發(fā)電機有非常好的可靠性。 1.3 風能利用的局限

4、雖然風能是一種可以利用的自然界白生能源，但其自然屬性不因人類的科技技術能力的提升的而有改變，人類對風能的利用只是在無限的了解其自然屬性。因其自然屬性之下生成的利用風能困難的表現(xiàn)：第一，時間與地點相異的條件下，太陽輻射強弱不一導致氣壓差大小的多變，因而使得風的流動快慢不一，表現(xiàn)在：風速不穩(wěn)定，產(chǎn)生的能量大小不穩(wěn)定，這種不穩(wěn)定性是人力無法改變的。第二，太陽輻射的“全球性”反而成為了風能利用的極大限制因素。 地球表面的地貌狀況是千變?nèi)f化的，太陽輻射產(chǎn)生的氣流運動因地理狀況而存在差異。適合人類生存的地理環(huán)境不一定會有豐富的風能，且一般情況下風能資源豐富的地區(qū)是不適合人類聚居的。故而風能全球性分布的價值

5、性因風能自然屬性與人類 精選文檔 社會發(fā)展相沖突大打折扣。相對于風能不穩(wěn)定產(chǎn)生的不利益因素來說，風能蘊藏區(qū)的分布與人類社會發(fā)展的矛盾性在很大程度上是可以解決的。 除此之外，人類自身的智力局限性也影響到風能的利用。表現(xiàn)在：科技水 平的發(fā)展還不足以完全駕馭風能，利用風能的設備還不足以將風能的不穩(wěn)定性 的難點克服，所以能源轉(zhuǎn)換率低。風能利用的科技技術還不是相當?shù)募兪臁? 二、風力發(fā)電機發(fā)展歷史 自十九世紀末至二十世紀六十年代末，一些國家對風能 資源的開發(fā)，尚處于小規(guī)模的利用階段。 1888年美國電力工業(yè)奠基人之一Charles F. Brush安裝了被現(xiàn)代人 認為是第一臺自動運行且

6、用于發(fā)電的風力機。 圖2.1 Charles F. Brush和其開發(fā)的風力機 1890年丹麥的拉庫爾研制成功了風力發(fā)電機，1908年 丹麥已建成幾百個小型風力發(fā)電站。世界上第一個風力發(fā)電期刊《Journal of Wind Electricity 》也是由Poulla Cour 創(chuàng)立的。 精選文檔 圖2.2拉庫爾（右）及其風機 1918年，丹麥約有120個地方公用事業(yè)擁有 風力發(fā)電機，通常的單機容量是20-35kW， 總裝機約3MW。這些風電容量當時占丹麥電 力消耗量的3%。丹麥對風力發(fā)電的興趣在隨后的若干年逐漸減退，直到二次世界大戰(zhàn)期 間出現(xiàn)供電危機為止。 在二次世

7、界大戰(zhàn)期間，丹麥工程公司F.L.Smidth （現(xiàn)在是水泥機械制造商）安裝了一批兩葉片和 三葉片的風機。丹麥風機制造商已經(jīng)生產(chǎn)出了兩 葉片的風機，盡管所謂的“丹麥概念”是三葉片的 風機。所有這些風機（與它們的前輩一樣）發(fā)的 是直流電。 這些三葉片F(xiàn).L.Smidth風機于1942年安裝在 Bobo島，它們看起來很象“丹麥”風機。這些風機 是風-柴系統(tǒng)中的一部分，給小島供電。1951年， 這些直流發(fā)電機被35kW的交流異步發(fā)電機取代， 如此一來，第二臺生產(chǎn)交流電的風機問世了。 圖2.3 F.L.Smidth 兩葉片和三葉片風機 1957年200kW Gedser風力發(fā)電機安裝在丹麥Ged

8、ser海岸，三葉片帶有電動機機械偏航、交流異步發(fā)電機、失速型風力機，是現(xiàn)代風力發(fā)電機的設計先驅(qū)。創(chuàng)新的200KW Gedser風力發(fā)電機在1956-57年 由Johannes Juul為SEAS電力公司建成，風機安裝 在丹麥南部的Gedser海岸。三葉片，上風向，帶 有電動機械偏航和異步發(fā)電機的風力發(fā)電機是現(xiàn) 代風力發(fā)電機的設計先驅(qū)。這臺風力機是失速調(diào) 節(jié)型風力機，Johannes Juul發(fā)明了緊急氣動葉尖剎車，在風機過速時通過離心力的作用釋放。基本上，現(xiàn)代失速型風力發(fā)電機上使用著相同的系統(tǒng)。這臺風力發(fā)電機，在隨后的很多年中一直是世界上大的。它在無需維護的情況下，運行了 11年。風力機的機艙

9、和葉輪現(xiàn)在在丹麥電力博物館中展出。 精選文檔 圖2.4 Gedser 200kW 風機發(fā)電機 在1973年第一次石油危機后，幾個國家起對風能的興趣重新點燃。在丹麥，電力公司立即把目標放在的制造大型風力發(fā)電機上，德國、瑞典、英國和美國也緊跟其后。1979年，他們安裝了兩臺 630KW風力發(fā)電機，一臺是槳矩控制的，另一臺是失速控制的。 1973年的石油危機之后，風力發(fā)電發(fā)展的到一些國家政府大力支持，風力發(fā)電由小型逐漸向大中型發(fā)展。 80年代后，由Geders風力發(fā)電機改良的古典三葉片、上風向風力發(fā)電機設計在激烈的竟爭中成為商業(yè)贏家。Tvind2MW，葉輪直徑54米，同步發(fā)電機通過

10、電力電子設備與電網(wǎng)相連。 90年代后開始進入現(xiàn)代風力發(fā)電技術，600kW-750kW風力發(fā)電機組以及兆瓦級風力發(fā)電機組。 三、風力發(fā)電機的分類 1.、按主軸與地面的關系分為水平軸風力發(fā)電機組合垂直軸風力發(fā)電機組。 2.、按功率調(diào)節(jié)方式可分為定槳距風力發(fā)電機、變槳距風力發(fā)電機和主動失速風力發(fā)電機。 定槳距風機：槳葉于輪轂固定連接，槳葉的迎風角度不隨風速而變化。依靠槳葉的氣動特性自動失速，即當風速大于額定風速時依靠葉片的失 速特性保持輸入功率基本恒定。 變槳距調(diào)節(jié)：風速低于額定風速時，保證葉片在佳攻角狀態(tài)，以獲得大風能；當風速超過額定風速后，變槳系統(tǒng)減小葉片攻角，保證輸出 功率在額

11、定范圍內(nèi)。 主動失速調(diào)節(jié)：風速低于額定風速時，控制系統(tǒng)根據(jù)風速分幾級控制，控制精度低于變槳距控制；當風速超過額定風速后，變槳系統(tǒng)通過增加 葉片攻角，使葉片“失速”，限制風輪吸收功率增加。 3、按傳動形式可分為高傳動比齒輪箱型、直接驅(qū)動型和中傳動比型。 高傳動比齒輪箱型：風輪的轉(zhuǎn)速較低，通常達不到發(fā)電機發(fā)電的要求，必須通過齒輪箱齒輪副的增速作用來實現(xiàn)，故也將齒輪箱稱之為增速箱。 直接驅(qū)動型：應用多極同步風力發(fā)電機可以去掉風力發(fā)電系統(tǒng)中常見的齒輪箱，讓風力發(fā)電機直接拖動發(fā)電機轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)在低速狀 態(tài)，這就沒有了齒輪箱所帶來的噪聲，故障率高和維護成本大等問題，提高了運行可靠性。 中傳動比齒輪箱

12、（半直驅(qū)）型：這種風機的工作原理是以上兩種形式的綜合。中傳動比型風力機減少了傳統(tǒng)齒輪箱的傳動比，同時也相應地減少了多極同步風力發(fā)電機的極數(shù)，從而減小了發(fā)電機的體積。 4、按發(fā)電機驅(qū)動方式可分為固定轉(zhuǎn)速的異步發(fā)電機組型、雙饋異步發(fā)電機組型和永磁直驅(qū)同步發(fā)電機組型。 四、水平軸風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu) 水平軸風力發(fā)電機由葉輪，機艙和塔架等組成，具體結(jié)構(gòu)如圖4.1所示。 精選文檔 圖4.1 水平軸鋒利發(fā)電機結(jié)構(gòu) 圖中，1－葉片；2－輪轂；3－機艙；4－葉輪軸與主軸連接；5－主軸；6－齒 輪箱；7－剎車機構(gòu)；8－聯(lián)軸器；9－發(fā)電機；10－散熱器；11－冷卻風扇 ；12－風速儀和風向標；

13、13－控制系統(tǒng)；14－液壓系統(tǒng)；15－偏航驅(qū)動； 16－偏航軸承；17－機艙蓋；18－塔架；19、變槳距部分。 4.2 風輪 4.2.1 風輪的結(jié)構(gòu) 風輪是風力機最重要的部件，它是風力機區(qū)別 于其它動力機的主要標志。風輪的作用是捕捉和吸收風能。并將風能轉(zhuǎn)變成機械能。再由風輪軸將能量送給傳動裝置。風輪由葉片，輪轂和風輪軸組成，具體如圖4.2.1。 圖4.2.1 風輪的組成圖 4.2.2風輪捕獲風能的功率 以水平軸升力型風力機的風輪為例(下圖)來說明風輪功率的計算。 圖4.2.2 精選文檔 如圖4.2.2，風以速度V吹向風輪時，風輪轉(zhuǎn)動。設旋 轉(zhuǎn)著的風輪其掃掠面積為A

14、，空氣密度為， 在1 s中內(nèi)流向風輪的空氣所具有的動能為 Nv=12mV3=12ρAV3 若風輪的直徑為D ，則 Nv=12ρAV3=12πD44V3=πD2ρV38 這些風能不可能全部被風輪捕獲。風輪捕獲風能并將之轉(zhuǎn)換成機械能．再由 風輪軸輸出的功率為N（稱之為風輪功率)。它 與之比，稱為風輪功率系數(shù)(或風能利用系 數(shù))，用Cp表示，即 Cp=NNv=Nπ8D3ρV3 N=π8ρD2V3Cp 式中Cp的值為0.2～0.5。因此，當風輪大小、工作風速一定時，應盡可能提 高值，以增大風輪功率。這是從事風能開發(fā)利用 的科技人員追求的主要目標之一。 4.3 齒輪箱 齒輪箱是風力發(fā)電

15、機組關鍵零部件之一。由于風力機工作在低轉(zhuǎn)速下，而發(fā)電機工作在高轉(zhuǎn)速下，為了實現(xiàn)風力機和發(fā)電機的匹配，采用增速齒輪箱。 按傳統(tǒng)類型，齒輪箱可分為原著齒輪箱、行星齒輪箱和互相組合的齒輪箱。 按傳動的級數(shù)可分為單級齒輪箱和多級齒輪箱。 按照傳動的方式可以分為：展開式，分流式，同 軸式以及混合式。 4.4 調(diào)速裝置 自然界的風速經(jīng)常變化。風輪的轉(zhuǎn)速隨風速的增大而變快，發(fā)電機的輸出電壓、頻率、功率也增加；當風輪的轉(zhuǎn)速超過額定值時，有可能影響機組的使用壽命，甚至造成設備的毀壞。為使風輪能以 一定的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定地工作，風力發(fā)電機組上設有調(diào)速裝置。調(diào)速裝置是在風速大于設計額定風速時才起作用 因此，又被稱

16、為限速裝置。當風速增至停機風速時，調(diào)速裝置能使風輪順槳(風向與風輪旋轉(zhuǎn)平面平行)停機。 五、風電場的選址與布局 5.1風能資源評估 風能資源的精確評估以大量準確的風參數(shù)為前提，如風速、風向、溫度等，利用定性或定量的方法，通過對風速頻率分布、風向分布和 風速隨時間的變化規(guī)律研究，得出風能資源評價的一系列指標。風能資源評估方法有兩種： （1）統(tǒng)計方法。利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)資料，按照一定的規(guī)律和模式進行統(tǒng)計得出風能資源評估指標； （2）數(shù)值模擬方法。以計算機為手段，建立大氣運動的數(shù)學模型，通過對復雜地形數(shù)值化、地貌條件和湍流模式的模型化，數(shù)值模擬出整個風電場的流體分布情況，得到較高分辨率的風

17、能資源空間分布，得出風能資源評價的一系列指標。 5.2風電場宏觀選址 5.2.1基本概念 風電場宏觀選址即風電場場址選擇。是在一個較大的地區(qū)內(nèi)，通過對若干場址的風能資源和其它建設條件的分析和比較，確定風電場的建設地點、開發(fā)價值、開發(fā)策略和開發(fā) 精選文檔 步驟的過程，是企業(yè)能否通過開發(fā)風電場獲取經(jīng)濟利益的關鍵。 5.2.2影響因素 風能資源和其它相關氣候條件、地形和交通運輸、工程地質(zhì)、 接入系統(tǒng)、其它社會政治和經(jīng)濟技術因素。 5.3.3基本原則 1、風能資源豐富，年平均風速一般應大于6m/s，風功率密度一般應大于300W/m2，風速為 3~25m/s的小時在5000h以上的

18、地區(qū)。 2、 風向基本穩(wěn)定，主要有一個或兩個盛行風向（盛行風向：指出現(xiàn)頻率多的風向）。某一地區(qū)基本上只有一個或兩個盛行主風向且?guī)缀跸喾?。這種情況對布機有利。也有雖然風況較好，但沒有固定的盛行風向的地區(qū)。這種情況布機復雜。 3、風速變化小，盡量不要有較大的風速日變化和季節(jié)變化。 4、湍流強度小，風機上游障礙物產(chǎn)生的無規(guī)則的湍流會使機組產(chǎn)生振動、受力不均。所以 選址時盡量避開粗糙地面和高大建筑物。一般輪轂高度應高出障礙物8~10m以 上，距障礙物的距離為5~10倍障礙物高度。 5、符合國家產(chǎn)業(yè)政策和地區(qū)發(fā)展規(guī)劃，場址是否已作其它規(guī)劃，或和規(guī)劃中的其它項目有矛盾。 6、滿足聯(lián)網(wǎng)要求，聯(lián)網(wǎng)

19、是風電場實現(xiàn)銷售收入的必要條件。應盡量靠近電網(wǎng)，減少線損和送出成本。根據(jù)電網(wǎng)的容量、結(jié)構(gòu)，確定建設規(guī)模與電網(wǎng)是否匹配。 7、具備交通運輸和施工安裝條件港口、公路、鐵路等交通運輸條件應滿足風電機組、施工機械和其它設備、材料的進場要求。場內(nèi)施工場地應滿足設備和材料的存放、風電機組吊裝 等要求。 8、避開災難性天氣頻發(fā)地區(qū)，保證工程安全 避免洪水、潮水、地震和其它地質(zhì)災害、氣象災害等對工程造成破壞性 的影響。災害性天氣包括臺風、龍卷風、雷電、沙暴、覆冰、鹽霧等，對風電 機組具有破壞性。選址時要參考地區(qū)氣象站對歷年災害性天氣出現(xiàn)頻度的統(tǒng)計，在機組選型和選址上采取措施。 9、滿足環(huán)境保護的要求，

20、避開鳥類的遷徙路徑、侯鳥和其它動物的停留地或繁殖區(qū)。和居民區(qū)保持一定距離，避免噪聲、葉片陰影擾民。減少耕地、林地、牧場等的占用。 10、滿足投資回報要求，盡力較低的投資和運營成本，獲得較高的利潤 5.4 風電場的圍觀選址 風電場微觀選址即風電機組位置的選擇。通過對若干方案的技術經(jīng)濟比較，確定風電場風電機組的布置方案，使風電場獲得較好的發(fā)電量。微觀選址的基本原則如下。 1、盡量集中布置。集中布置可以減少風電場的占地面積，充分利用土地，在同樣面積的土地上安裝更多的機組；其次，集中布置還能減少電纜和場內(nèi)道路長度，降低工程造價，降低場內(nèi)線損。 2、盛行風向。盛行風向這一參數(shù)決定了風電機組在風

21、電場的佳排列方式。 3、地形地貌的影響。平坦地形，在風電場區(qū)及周圍5km半徑范圍內(nèi)其地形高度差小于 50m，同時地形大坡度小于3度。一般對于場址的盛行風的上風向沒有大的山丘和懸崖之類的地形，仍可作為平坦地形來處理。復雜地形，要考慮山丘、山脊和山崖，谷底風速的變化，海拔風速的變化等。 4、地面粗糙度對風速的影響。復雜地形主要考慮地面粗糙度和地形特征的影響，主要因素體現(xiàn)在： 地表粗糙度、地表粗糙度指數(shù)及上游的障礙物。 5、湍流作用。湍流是風速、風向的急劇變化造成的，是風通過粗糙地表或障礙物時 產(chǎn)生的小范圍急劇脈動。湍流損失通常會造成風力機輸出功率減小，并引起風電機組振動，造成噪聲，風電機組的

22、疲勞負荷也隨著湍流擾動的增加而增加，影響風力機使用壽 精選文檔 命。 6、盡量減小風電機組之間尾流影響。國外有研究成果表明，對單臺風電機組，在距風輪2D－3D的順風中心線處，風速減少35％－45％；在距風輪8D處，風速減少10％。尾流的直徑在距風輪8D－10D為2.6D -2.8D。對于行距為8－11D，列距為2－3D的布置，第二排的能量損失在10 m/s時為8－20％。在平坦地區(qū)進行的7行布置的風電場的測量，其行距為9D，列距2D，第七排比第一排能量約損失20％。 值得注意的是，多行多列布置的能量損失，和地形、地面粗糙度也有關系， 所以上述試驗只是給我們一個概念。要減小尾流影響，

23、就要增加風電機組之間的距離。這和集中布置的原則是矛盾的。方案比較就要在矛盾中尋求優(yōu)。 一般而言，機組布置的行距為3D-5D，列距為5D-9D。單行風電場的 風電機小列距為3D，多行風電場的風電機小列距為5D。風向集中的 場址列距可以小一些。風向分散的場址列距就要大一些。多行布置時， 呈梅花形布置尾流影響要小一些。 7、避開障礙物的尾流影響區(qū)。在風電場中有時會碰到障礙物。障礙物的尾流的大小和強弱與其大小和體型有關。研究表明，對于無限長的障礙物，在障礙物下風向40倍障 礙物高度，上方2倍障礙物高度的區(qū)域內(nèi)，是較強的尾流擾動區(qū)。風電機組的布置必須避開這一區(qū)域。 8、滿足風電機組的運輸條件和安裝

24、條件。在平坦地形條件下，滿足這一原則是很容易的的。在山區(qū)，滿足這一原則經(jīng)常有難度。要根據(jù)所選機型需要的運輸機械和安裝機械的要求，機位附近要有足夠的場地能夠作業(yè)和擺放葉片、塔筒，道路有足夠的坡度、寬度和轉(zhuǎn)彎半徑使運輸機械能到達所選機位。 9、視覺上要盡量美觀。在與主風能方向平行的方向成列，垂直的方向上成行。行間平行，列距相同。 行距大于列距發(fā)電量較高，但等距布置在視覺上較好。追求視覺上的美觀，會損 失一定的發(fā)電量，因此在經(jīng)濟效益和美觀上，也要有一定的平衡。 5.5 風電場的布置 風電場風電機組的排列形式多種多樣，但其中任何一臺 風力發(fā)電機組的運轉(zhuǎn)不影響或較小影響前、后、左、右的其 他風力機

25、接受大風能。 1. 盛行風向不變的風電場風力機的排列。風力機前后大于7倍風輪直徑，左右間隔大于5倍風輪直 徑，如圖5.5.1 圖5.4.1盛行風向不變的風電場風力機的排列 2. 盛行風向不定的風電場風力機的排列如圖5.5.2 精選文檔 圖5.5..2 盛行風向不定的風電場風力機的排列 3. 迎風山坡的風力機排列。坡上與坡下兩相鄰風力機高度為0.5~1.5倍風輪直徑，左 右相距5~7倍風輪直徑，如圖5.5.3 圖5.5.3迎風山坡的風力機排列 六、參考文獻 1. 2. 唐智 技術創(chuàng)新視角下的中國風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)政策研究[學位論文]碩士 2010 3.何顯富，盧霞，《風力機設計、制造與運行》，化學工業(yè)出版社，2009. （注：可編輯下載，若有不當之處，請指正，謝謝!） 精選文檔