风能的开发与利用-论文

风能的开发与利用-论文

　　风能的利用实例,2017风能利用展望,未来还能怎么利用风能小明同学 摘要： 摘要：在不断持续的能源紧张中，不少人想到了新能源利用。利用洁净的能源（可再生 能源）是人类社会文明进步的表现、是科学技术的发展、是环保理念的体现。洁净能源指太 阳能、 风能、 潮汐能、生物能等， 这都是可再生取之不尽的能源，特别是风能技术最为成熟， 经济可行性较高，是一种较理想的发展能源。风是地球上的一种自然现象，它是由太阳辐射 热引起的。风能是太阳能的一种转换形式，是一种重要的自然能源。太阳照射到地球表面， 地球表面各处受热不同，产生温差，从而引起大气的对流运动形成风。据估计到达地球的太 阳 能 中 虽 然 只 有 大 约 2% 转 化 为 风 能 ， 但 其 总 量 仍 是 十 分 可 观 的 。 全 球 的 风 能 约 为 2.74×109MW，其中可利用的风能为 2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大 10 倍。 我国风能资源总量约 42 亿千瓦，技术可开发量约 3 亿千瓦。目前东南沿海是最大风能 资源区，风能密度为 200W/M2～300W/M2，大于 6m/s 的风速时间全年 3000h 以上就可取得 较大经济效益。风能与其他能源相比，有其明显的优点：蕴量巨大、可以再生、分布广泛、 没有污染。风能和阳光一样，是取之不尽、用之不竭的再生能源；风力发电没有燃料问题， 不会产生辐射或二氧化碳公害，也不会产生辐射或空气污染；而且从经济的角度讲，风力仪 器比太阳能仪器要便宜九成多。中国风能储量很大、分布面广，甚至比水能还要丰富。合理 利用风能，既可减少环境污染，又可减轻越来越大的能源短缺的压力。 关键词： 关键词：风能、能源开发、能源利用、洁净能源

　　一．风力发电的现状 21 世纪是可再生能源的世纪，由于风能非常丰富、价格非常便宜、能源不 会枯竭， 又可以在很大范围内取得， 非常干净、 没有污染， 不会对气候造成影响， 因而风力发电具有极大的推广价值。在中国，风能资源丰富的地区主要集中在北 部、西北和东北的草原、戈壁滩以及东部、东南部的沿海地带和岛屿上。这些地 区缺少煤炭及其他常规能源，并且冬春季节风速高，雨水少；夏季风速小，降雨 多，风能和水能具有非常好的季节补偿。另外，在中国内陆地区，由于特殊的地 理条件，有些地区具有丰富的风能资源，适合发展风电，比如江西省都阳湖地区 以及湖北省通山地区。目前我国的风能利用方面与国际水平还在一定差距，但是 发展很快， 无论在发展规模上还是发展水平上， 都有很大提高。 据资料显示， 2004 年全国在建项目的装机容量约 150 万千瓦，其中正在施工的约 42 万千瓦，可研 批复的 68 万千瓦，项目建议书批复的 45 万千瓦，包括五个 10 万千瓦特许权项 目。 目前，全国能源结构性矛盾突出，一次能源只有煤炭和水电；而且电煤在煤 炭资源上是有限的，水电开发程度又较低。风电和水电具有不同步发生规律，风 力发电高峰处于秋季与冬季，水利发电高峰期处于春季和夏季，风电和水电具有 季节性特性，可实现季节性互补；风力发电是环保型可再生能源，可改善电源结 构，替代一部分火电容量，节约煤炭，减少污染，保护环境。 据资料显示， “十一五”末全国电网电力开始出现缺额，并且缺额会逐年增 加，其他类型电力资源的供应是在必行，而风电资源是最好的选择。风电场的建

　　设， 可以解决局部地区电网电力不足的矛盾， 满足各地电网日益增长的电力需要； 同时可就近向当地供电，减少了长距离输送的网损，提高供电可靠性和经济性。 二．风力发电模型建立 2.1 风力发电的基本原理 风能具有一定的动能，通过风轮机将风能转化为机械能，拖动发电机发电。 风力发电的原理是利用风带动风车叶片旋转， 再通过增速器将旋转的速度提高来 促使发电机发电的。依据目前的风车技术，大约 3m/s 的微风速度便可以开始发 电。风力发电的原理说起来非常简单，最简单的风力发电机可由叶片和发电机两 部分构成如图 1-1 所示。空气流动的动能作用在叶轮上，将动能转换成机械能， 从而推动片叶旋转，如果将叶轮的转 轴与发电机的转轴相连就会带动发电 机发出电来。 2.2 风资源概述 （1）风的起源 风的形成乃是空气流动的结果。 风就是水平运动的空气，空气运动主 要是由于地球上各纬度所接受的太阳 辐射强度不同而形成的。大气的流动 也像水流一样，是从压力高处往压力 低处流，太阳能正是形成大气压差的 原因。由于地球自转轴与围绕太阳的 公转轴之间存在 66．5°的夹角，因此 对地球上不同地点太阳照射角度是不同的， 而且对同一地点一年中这个角度也是 变化的。地球上某处所接受的太阳辐射能与该地点太阳照射角的正弦成正比。 （2）风的参数 风向和风速是两个描述风的重要参数。风向是指风吹来的方向，如果风是从 东方吹来就称为东风。 风速是表示风移动的速度即单位时间内空气流动所经过的 距离。 风速是指某一高度连续 10min 所测得各瞬时风速的平均值。 一般以草地上空 10m 高处的 10min 内风速的平均值为参考。 风玫瑰图是一个给定地点一段时间内的风向分布图。 通过它可以得知当地的 主导风向。 （3）风能的基本情况 ○风能的特点 1 风能的特点主要有：能量密度低、不稳定性、分布不均匀、可再生、须在有 风地带、无污染、分布广泛、可分散利用、另外不须能源运输、可和其它能源相

　　互转换等。 ○风能资源的估算 2 风能的大小实际就是气流流过的动能， 因此可以推导出气流在单位时间内垂 直流过单位截面积的风能，即风功率为

　　由于风速是一个随机性很大的量， 必须通过一段时间的观测来了解它的平均 状况，一个地方风能潜力的多少要视该地常年平均风能密度的大小。因此需要求 出在一段时间内的平均风能密度， 这个值可以将风能密度公式对时间积分后平均 来求得。在风速 V 的概率分布 p(V)知道后，平均风能密度还可根据下式求得

　　2.2.2 风轮机的理论[4] 风轮机又称为风车，是一种将风能转换成机械能、电能或热能的能量转换装 置。 风轮机的类型很多通常将其分为水平轴风轮机垂直轴风轮机和特殊风轮机三 大类。但应用最广的还是前两种类型的风轮机。 风力发电机的结构与组成 2.3.1 风力发电机的分类[5] 风力发电机组是将风能转化为电能的装置，按其容量分可分为：小型（10kw 以下） 、中型（10—100kw）和大型（100kw 以上）风力发电机组。按主轴与地 面相对位置又可分为：水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组。水平轴风力 发电机是目前世界各国风力发电机最为成功的一种形式， 主要优点是风轮可以架 设到离地面较高的地方，从而减少了由于地面扰动对风轮动态特性的影响。它的 主要机械部件都在机舱中，如主轴、齿轮箱、发电机、液压系统及调向装置等。 而生产垂直轴风力发电机的国家很少，主要原因是垂直轴风力发电机效率低，需 启动设备，同时还有些技术问题尚待解决。在本文中以后不做特殊说明时所指的 图 1.2 风力发电机组即为大中型的水平轴风力发电机组。 2.3.2 水平轴风力发电机的结构 大中型风力发电机组是由叶片、轮毂、主轴、增速齿轮箱、调向机构、发电 机、塔架、控制系统及附属部件（机舱机座回转体制动器等）组成的。 (1)机舱 机舱包含着风力发电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机等。 (2)风轮 叶片安装在轮毂上称作风轮，它包括叶片、轮毂、主轴等。风轮是风力发电

　　机接受风能的部件。 叶片是风力发电机组最关键的部件， 现代风力发电机上每个转子叶片的测量 长度大约为 20 米叶片数通常为 2 枚或 3 枚，大部分转子叶片用玻璃纤维强化塑 料（GRP）制造。叶片可分为变浆距和定浆距两种叶片，其作用都是为了调速， 当风力达到风力发电机组设计的额定风速时，在风轮上就要采取措施，以保证风 力发电机的输出功率不会超过允许值。 轮毂是连接叶片和主轴的零部件。轮毂一般由铸钢或钢板焊接而成，其中不 允许有夹渣、砂眼、裂纹等缺陷，并按桨叶可承受的最大离心力载荷来设计。 主轴也称低速轴，将转子轴心与齿轮箱连接在一起，由于承受的扭矩较大， 其转速一般小于 50r/min，一般由 40Cr 或其他高强度合金钢制成。 （3）增速器 增速器就是齿轮箱，是风力发电机组关键部件之一。由于风轮机工作在低转 速下，而发电机工作在高转速下，为实现匹配采用增速齿轮箱。使用齿轮箱可以 将风电机转子上的较低转速、较高转矩转换为用于发电机上的较高转速、较低转 矩。 （4）联轴器 增速器与发电机之间用联轴器连接，为了减少占地空间，往往联轴器与制动 器设计在一起。 （5）制动器 制动器是使风力发电机停止转动的装置，也称刹车。 （6）发电机 发电机是风力发电机组中最关键的部件，是将风能最终转变成电能的设备。 发电机的性能好坏直接影响整机效率和可靠性。大型风电机（100-150 千瓦）通 常产生 690 伏特的三相交流电。然后电流通过风电机旁的变压器（或在塔内） ， 电压被提高至 1-3 万伏，这取决于当地电网的标准。风力发电机上常用的发电机 有以下几种： ① 直流发电机，常用在微、小型风力发电机上。 ② 永磁发电机，常用在小型风力发电机上。现在我国已经发明了交流电压 440/240V 的高效永磁交流发电机，可以做成多对极低转速的，特别适合风力发 电机。 ③ 同步或异步交流发电机，它的电枢磁场与主磁场不同步旋转，其转速比 同步转速略低，当并网时转速应提高。 （7）塔架 塔架是支撑风力发电机的支架。塔架有型钢架结构的，有圆锥型钢管和钢筋 混凝土的等三种形式，风电机塔载有机舱及转子。 （8）调速装置 风速是变化的，风轮的转速也会随风速的变化而变化。为了使风轮运转所需

　　要额定转速下的装置称为调速装置，调速装置只在额定风速以上时调速。目前世 界各国所采用的调速装置主要有以下几种： ○可变浆距的调速装置； 1 ○定浆距叶尖失速控制的调速装置； 2 ○离心飞球调速装置； 3 ○空气动力调速装置； 4 ○扭头、仰头调速装置。 5 （9）调向（偏航）装置 调向装置就是使风轮正常运转时一直使风轮对准风向的装置。 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。 （10）风力发电机微机控制系统[11] 风力发电机的微机控制属于离散型控制，是将风向标、风速计、风轮转速、 发电机电压、频率、电流、发电机温升、增速器温升、机舱振动、塔架振动、电 缆过缠绕、电网电压、电流、频率等传感器的信号经 A/D 转换，输送给单片机 再按设计程序给出各种指令实现自动启动、自动调向、自动调速、自动并网、自 动解列、运行中机组故障的自动停机、自动电缆解绕、过振动停机、过大风停机 等的自动控制。自我故障诊断及微机终端故障输出需维修的故障，由维修人员维 修后给微机以指令，微机再执行自动控制程序。风电场的机组群可以实现联网管 理、互相通信，出现故障的风机会在微机总站的微机终端和显示器上读出、调出 程序和修改程序等，使现代风力发电机真正实现了现场无人职守的自动控制。 （11）电缆扭缆计数器 电缆是用来将电流从风电机运载到塔下的重要装置。 但是当风电机偶然沿一 个方向偏转太长时间时，电缆将越来越扭曲，导致电缆扭断或出现其他故障。因 此风力发电机配备有电缆扭曲计数器，用于提醒操作员应该将电缆解开了。风力 发电机还会配备有拉动开关在电缆扭曲太厉害时被激发，断开装置或刹车停机， 然后解缆。 三．风力发电成本计算 由风力发电机(风力机) 年发电量和风力发电成本计算公式, 确定风力机容 量系数和风力机价格为风电成本主要影响因素，并进一步指出，特定场点的风电 成本取决于风力机参数和价格。这里根据风力发电原理，确定风力机容量系数和 风力机价格为风力发电经济效益主要影响因素， 并对风力机容量系数和风电成本 的计算结果进行了分析。 3.1 风力发电成本计算 3.1.1 年发电量 风力机年发电量：

　　3.1.2 风电成本 与火力发电相比，风力发电虽然运行费用较低，但建场投资大，意味着风力 发电项目需要相对较长的资本回收期。风力发电成本：

　　C ——单位风电成本，元/(kW·h ) ； Q ——单位建厂投资，元/kW ； n ——建厂投资回收时间，也即风电场使用寿命期望值； r ——投资贷款年利率。

　　根据风力机投资与风电场投资关系， 可令 Q= D 2R， 为风力机每 kW 投资， R 即风力机价格，D 2 为比例系数，取值范围为 112～ 114，准确值取决于风力机 容量及其价格，风力机容量越大，D 2 越小，此时：

　　由式(5) 可知，若要降低风电成本，最直接、最有效的办法就是降低风力机 投资和提高风力机容量系数。由于风力发电的一次能源费用可视为零，因此发电 成本就是建场投资与发电量之比。 3.2 3.2.1 容量系数计算 容量系数

　　容量系数 F 是风力机年平均输出功率 P a 与额定功率 P r 之比：

　　式(6)、 中 v i 和 v c 分别表示风力机起动风速和停机(截止) 风速， PW (7) (v ) 是发电场风速概率密度函数，P (v ) 是风力机输出特性。 3.2.2 风速概率密度函数 研究表明，风速分布一般为正偏态分布，用于拟合风速分布的模型很多，其

　　中 Weibull 函数应用最广，更接近风速的实际分布，其数学表达式为：

　　通常观测到的风速是离地面 10 m 高度风速值 v10， 应根据所选风力机叶 轮轮毂高度 H，将 10m 高度风速折算至对应风速 vH ：

　　x ——指数，取决于观测点地理特征，一般情况下，可取 x = 1/7。 风力机输出特性

　　式中 v r ——风力机额定功率风速，简称额定风速； ——风速介于 v i 和 v c 之间时，风力机输出功率与额定功率

　　之比，称之为输出特性，是一个与风速有关的复杂函数。 通常见到的近似表示风力机输出特性函数有 3 种，分别是线性函数，二次 函数和三次函数，考虑到风力机特性与线性表达式更加接近，故采用线性函数， 即： 根据式(5) 和式(7)， 风力机容量系数由风电场的风速分布参数和风力机参 数共同决定，即对于特定的场点来讲，风力发电的成本就取决于风力机参数和价 格的选择。因此，在风力发电场设计中，风力机的选择就具有举足轻重的作用。

　　四．风力发电的潜力 目前，风能的利用主要是发电，风力发电在新能源和可再生能源行业中增长 最快，年增长达到 35％。美国、意大利和德国年增长更是高达 50％以上。德国 风电已占总发电量的 3％，丹麦风电已超过总发电量的 10％。全球风电装机容量 已达 25000MW 以上，能满足 1500 万个家庭，即 3800 万人的用电需求。全球已 有 50 多个国家正积极促进风能事业的发展。由于风力发电技术相对成熟，许多 国家投入较大、发展较快，使风电价格不断下降，若考虑环保和地理因素，加上 政府税收优惠和相关支持，在有些地区已可与火电等能源展开竞争。在全球范围 内，风力发电已经形成年产值超过 50 亿美元的产业。 据国家发改委中国可再生能源规模化发展项目办公室主任周凤起介绍， 我国 可开发的装机容量约 2.53 亿千瓦， 居世界首位， 风能资源丰富， 储量 32 亿千瓦， 具有商业化、规模化发展的潜力。我国政府十分重视风力发电产业，1996 年就 制订的《乘风计划》 ，旨在鼓励提高中大型风力发电机制造技术和国产化率， “十 五”期间计划在风力发电产业投资 15 亿元。目前，全国累计安装小型风力发电 机近 20 万台，用作解决西部无电地区农牧民生产生活用电发挥了重要作用。在 广东、福建、内蒙古、新疆等地已建成 26 个风电场，总装机容量近 50 万千瓦。 尽管我国近几年风力发电年增长都在 50％左右，但装备制造水平与装机总容量 与发达国家还有较大差距。我国风力发电装机容量仅占全国电力装机的 0.11％， 风力发电潜力巨大。

　　【N】[1] 邓华宁．我国风力发电潜力巨大 风能资源居世界首位[N]．新华网，2004-08-18 【J】[ 2 ] 叶杭冶． 风能利用可望成为我国 21 世纪的新兴产业 ． ［J］能源工程， （4） 1999 :18-19 【J】[3] 严陆光． 我国风力与太阳能发电的发展与展望 ． ［J］电工电能新技术， 1998(1) :20-24 【M】[ 4 ] 宫靖远．风电场工程技术手册[M]．机械工业出版社．2004 【M】[ 5 ] 王承煦 张源．风力发电[M]．中国电力出版社．2002 【J】 [ 6 ] 谢建民 曾建成 邱毓昌．风力发电成本主要影响因素分析与计算［J］ ．华东电 力，2003（1） 【M】[7 ] 李俊峰．风力 12 在中国[M]．北京化学工业出版社．2005 【D】[8 ] 田敏．风力发电系统控制模型的建立和仿线