绿色能源风力发电技术课件

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1、单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,*,,,,,,单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,*,,*,单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,绿色能源  风力发电,,前言：能源问题,,能源是国民经济发展的动力。随着我国国民经济的高速发展，对能源的需要量日益增加，能源问题已成为影响我国国民经济发展的瓶颈问题。,,我国是一个能源资源比较丰富的国家，煤的探明储量居世界第三位；水力资

2、源的理论蕴藏量达亿千瓦，居世界首位；此外，还有储量较丰富的石油和天然气。但我国人口众多，人均资源占有量很低，甚至不及世界的平均水平。,,从世界能源状况来看，目前工业发达国家的能源消费都以油，气为主，我国则以煤为主，随着我国经济的发展及我国汽车保有量的大副增加，我国油，气消费量也在大副增加。可是世界的油，气及煤的储量有限，因此必须寻找新的替代能源。,,而且油，气和煤的燃烧放出大量的二氧化碳和其他有毒气体，严重的污染环境，这也逼迫我们寻找新的能源。,,关于能源的几个概念：,,一次能源：以现成的形式存在于自然界中的能源称为一次能源。一次能源又可以分为再生能源和不可再生能源。,,再生能源：不会随着它本

3、身的转化或人类的利用而日益减少的能源，比如流水，风，海洋热能，地热等。,,不可再生能源：随着人类的利用而日益减少的能源。比如化石燃料和核燃料。,,二次能源：需要依靠其他能源来制取的或产生的能源。比如电能，汽油等。,,分类如下表所示：,,一次能源和二次能源，再生能源和非再生能源分类表,,,,,,一次能源,再生能源,风，海流，潮汐能，直接的太阳辐射，,,地震，地下热水,,,非再生能源,化石燃料，（煤，石油，天然气）,,核燃料（铀等）,,二次能源,电能，氢能，汽油，柴油，酒精，甲醇等,,,,第一章　风，风能,风：地球表面及周围空间的空气受到太阳不均匀照射加热而产生密度差，形成的空气的运动。,,风能：

4、风能是大气运动的动能。,,风力等级,,气象学上把风力区分为十三个等级：,风力等级,海面浪高,,（m）,相当风速,,（m）,0,——,0.0——0.2,1,0.1,0.3——1.5,2,0.2——0.3,1.6——3.3,3,0.6——1.0,3.4——5.4,4,1.0——1.5,5.5——7.9,5,2.0——2.5,8.0——10.7,6,3.0——4.0,10.8——13.8,7,4.0——5.5,13.9——17.1,8,5.5——7.5,17.2——20.7,9,7.0——10.0,20.8——24.4,10,9.0——12.5,24.5——28.4,11,11.5——16.0,28

5、.5——32.6,12,14.0,》32.6,,风速，风速频率，风玫瑰图，风能密度,,风速，风速频率，风玫瑰图，风能密度,,风速,,瞬时风速：是指在极短时间的风速，实际发生作用的风速。,,平均风速：在一段时间间隔内各瞬时风速的平均风速。,,风速频率：用来表示一年（或一月）之内具有相同风速的时数占总时数的百分比。,,风玫瑰图：用各方向上平均风速频率和平均风速立方数的乘积绘制成风玫瑰图，用于显示风能资源情况及能量集中的方向。,,风能密度：速度为u的1m,3,运动着的空气所具有的动能为,,E= ½ρư,2,J/m,3,,每一平方米与空气流速相垂直的截面上流过的空气量为u，故得能量密度,,P=Eu=½

6、ρư,3,W/m,2,,P是讨论风轮机做功能力大小的参数。,,第二章　风能利用系数与输出功率,下图为空气流经风轮前后的速度及压力变化,,假定ρ=常数，控制面2-2的压力p,2,与控制面1-1的压力面p相等，v,a,=v,b,=v,t,按伯努力方程,,p+1/2ρv,2,=p,a,+1/2ρv,a,2,,p,2,+1/2ρv,2,2,=p,b,+1/2ρv,b,2,,可得p,a,- p,b,=1/2ρ(v,2,-v,2,2,),,为叶轮掠扫的面积为A，作用在风轮上的轴向力为：,,F=A（p,a,- p,b,）=1/2ρA(v,2,-v,2,2,),,轴向力也可通过风轮的空气动量变化来表示，,,F

7、=ρA v,t,(v-v,2,),,由上述两式得 vt=1/2(v+v,2,),,这表明：在上述假定条件下，叶片处流速等于两控制面上速度的平均值,,风轮功率 W=1/2ρAv,t,(v,2,-v,2,2,),,=1/4ρA(v+v,2,) (v,2,-v,2,2,) [W],,输入的风能功率Win=1/2ρAv,3,[W],,则风能利用系数为η=W/Win,,令v,2,/v=a,,则得η=（1+a）（1-a,2,）/2,,在速度v已知的情况下，风轮功率W及风能利用系数将取决于v,2,，或a，取dη/da=0，则得,,a=1/3或v,2,=1/3v,,将上述结果代入式（1

8、）及（2）可分别得出,,,Wmax=8/27ρAv3,,风轮机由空气流中最大可能提取的能量是空气流拥有能量的59.3%，这就是风轮机的理论最高效率，称为Βetz极限。,,实际上，对设计性较好的风轮机而言，空气动能转变为机械能的最高效率也不会超过50%,,低速风轮机η=0.3。立轴Ф型可达左右,,由机械能转换为电能的效率为75-95%，因此，风力发电装置大致只能将风能的30-40%转变为电能。,,,第三章　风轮机,,水平轴风轮机,,垂直轴风轮机,,,叶轮的工作原理,,风轮机是将风能转变为机械能的装置，有水平轴和垂直轴两种类型，其原理都是让空气流经风轮，流速下降，把一部分动能变为机械能。风轮由两个

9、或多个叶片组成，叶片成机翼型，当空气绕流过叶片时产生升力，这就是风轮回转的原动力。,,按照空气动力学原理，当风向与风轮轴向重合时，叶片的受力情况和气流的速度分析，v为气流速度，ωr为牵连速度（ω—角速度，r—半径），则气流对叶片的相对速度,,ω =v+ ωr,,气流以相对速度ω冲击叶片各部分，在ω方向上产生阻力R，在与垂直方向上产生升力L，其合力为C=R+L。而又可分解为在风轮旋转平面内的升力Cy和水平分力Cx。Cy形成转矩使风轮转动，Cx则为正面压力。冲角的α大小影响到升力与阻力的比值，从能量转换来说，希望L/R的比值尽可能大，以使风轮获得较大转矩，这就要求α处于最佳值。对于一个叶片如果契角

10、φ是恒定的，而在叶片纵长方向上由于叶轮旋转而引起的牵连速度ωr各不相同，这使得叶片上各处的冲角也不一样，叶片各处就无法保持冲角为最佳值，叶片不能获得最大升力。如果将叶片改为扭转叶片，使截面的契角随截面远离风轮轴而减小，就能保证在叶桨全长上都能得到最有利的冲角。,,,,水平轴风轮机,,,目前，使用较多的是水平轴风力发动机，它由风轮机头，回转体，尾舵及塔架等组成，风轮由两个或多个叶片组装在机头上，是将风能转变为机械能的主要部件。,,分为少叶片式和多叶片式,,少叶片式：风轮叶片少于四个,,优点：转速高，单位功率的平均重量轻，结构较为紧凑，常用于年平均风速较高地区。,,缺点：启动比较困难,,多叶片式：

11、风轮叶片大于或等于四个。,,优点：低风速下易于启动。常用于年平均风速低于3-4（m/s)的地区。,,,机头,,机头的作用是支撑风轮和上部构件（如发电机和变速机构等），它能围绕塔架中的垂直轴转动，依靠位于机头底盘和塔架间的回转体在对风装置力矩作用下，使风轮转动到对准风向位置。,,调向装置：,,常用种类,,——尾舵,,——侧风轮,,——伺服电机系统,,——人工调向,,,,,,塔架：塔架用来支撑风轮机的本体,,风力发电机由风轮机带动发电机发出电能。,,分类：小型风力发电机和中大型风力发电机,,垂直轴风轮机,,,,,水平轴风轮机有较高的转换效率，经济性好，技术较为成熟等优点。,,缺点：它的发电机要高位

12、布置，与之连接的传动机构也相应的放在塔架上方，安装，维修不方便，为对正迎风面，又必须有对风装置。,,典型的垂直轴风力发电机是型，也称为戴瑞斯（Darriens）风力发电机。,,垂直型风力发电机的组成部分有立轴，叶片，上下轴承，传动机构，发电机等，固定在支架上，上轴承用三根钢丝绳索；拉住。叶片被弯成类似正玄曲线的形状，其断面呈机翼型。连轴节，齿轮箱和发电机安装在下部。,,,第四章 　 关于风力发电的一些其他信息,,一．我国的风力资源,,我国风力资源丰富，风能理论储藏量为32亿KW近10%可开发利用。,,风轮机的设计要根据“设计风速”或“额定风速”来进行。我国目前取v≥3m/s为启动风速

13、，这是我国大部分风轮机所用的风速，v=20m/s（25m/s）为上限风速。风速为3—20m/s的风力称为“有效风力”,,我国风能资源分布如下：,,1. 东南沿海及其岛屿为我国最大风力资源区，沿海岸线有效风能密度≥200（W/m2）。沿海岛屿风能密度在300W/m2以上。v≥3m/s全年出现的时间为7000—8000小时，有效风力出现的百分率占80—90%，v≥6m/s的时间也有4000小时左右。,,2.内蒙古和甘肃北部的风能居第二位,,3.黑龙江，吉林北部及辽东半岛沿海,,4.青藏高原北部，华北，东北，西北地区北部,,5.云，贵，川，甘肃，陕西北部，河南，湖南西部以及广东，广西的山区和塔里木盆

14、地为我国最小风能区,,6.在4，5以外的广大地区为风能季节利用区。有的在冬，春季节可以利用，有的在夏秋季节可以利用。,,二．风力发电的环保效应,,以化石燃料（煤，石油，天然气等）为主的电力生产，释放出大量的二氧化碳，二氧化硫及氮氧化合物，其中的二氧化碳是全球变暖的一个重要因素，二氧化硫和氮氧化合物也严重污染空气和土壤。,,下表给出了一些国家1995年化石燃料发电的二氧化碳，二氧化硫和氮氧化合物的排放量，并对2000年的排放量做出了预测，其中二氧化碳的排放量是以释放大气中的碳吨来估算的,,,序号,,风能,,水能,,地热,,生物,,质,,石油,,核能,,煤炭,,备注,1,土地占用,,原始能源,,加

15、工运输,,发电厂,,废物处理,,,0,,0,,3,,0,,5,,0,,3,,0,,2,,0,,3,,1,,4,,3,,3,,3,,3,,4,,3,,1,,5,,4,,4,,5,,5,,4,,3,,4,,对环境影响的等级,,0 极小或无影响,,1 很小潜在影响,,2 较少潜在影响,,3 中等潜在影响,,4 较多潜在影响,,5 很大潜在影响,2,水质,,设备使用,,泄露及事故,,现场外影响,0,,0,,0,,0,,0,,0,,1,,3,,0,,3,,0,,1,,3,,4,,3,,3,,5,,4,,3,,1,,4,,,3,气体排放,,二氧化碳,,酸性烟气,,颗粒金属,,放射物,,非甲烷烃类,0,,0

16、,,0,,0,,0,,0,,0,,0,,0,,0,,1,,1,,1,,1,,1,,4,,3,,3,,0,,2,,4,,4,,2,,1,,4,,0,,0,,0,,5,,0,,4,,4,,4,,2,,4,,,4,生物影响,2,,5,,1,,3,,2,,4,,4,,,5,废物发生,0,0,,1,,3,,2,,5,,4,,,,非加权累计,,5,13,,16,,35,,40,,44,,50,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,三,,我国风电发展历程，现状及其前景,我国风力发电装机容量（万KW）随年代变化表,,70年代开始进行并网型风力发电的尝试，1983年，山东容城引进了3台丹麦55KW风力

17、发电机组，开始了并网型风力发电技术的实验和示范；1986年新疆达坂城安装了1台丹麦100KW风力发电机组，1989年又安装了13台丹麦150KW风力发电机组，同步在内蒙古朱日和也安装可5台美国100KW风力发电机组，开始了我国风电场的运行实验和示范。我国在“七五”末风电场的建设装机容量仅为KW，年均装机KW，到“八五”末风电场装机容量猛增为KW，年均装机KW，是“七五”的倍，进入“九五”，1996年新增装机容量为KW，年底总装机容量为KW，1997年新增KW,总装机容量KW，1998KW，年底总装机容量为KW。,时间,,项目,七五,八五,1996年,1997年,1998年,新增装机,0.342

18、,3.193,3.2362,9.232,4.295,期末装机,0.342,3.535,5.7676,16.100,20.395,,装机容量分布见表,,,,这一市场基本上是由外国占据着。主要有丹麦（占有67%），德国（21%），美国（11%）,,虽然国产机组装机容量占到1%，但由于质量方面的问题，大多不能正常运转。,,四 全国风电场装机容量的发展,,下图给出了1986年——1999年全国风电装机容量发展情况,,,,国外风电发展单机功率由几百KW上升,,到千瓦级，世界风电技术呈加速发展态势，,,风电在工业中的位置越来越重要,,,再见,风力发电,下周电机动态理论再相会,风力发电,,风力发电,,,第

19、二篇　风力发电机组的运行与控制,,,第一章　风力发电机组的类型,,,,定桨距风力发电机组,,,,变桨距风力发电机组,,,,变速风力发电机组,,,,三种风力发电机组功率比较,,,,,第二章　定桨距风力发电机组,,,第一节　　定桨距机组的特点,,,第二节　　定桨距机组的基本运行过程,,,第三节　　定桨距风力发电机组的制动与保护系统,,,第一节　　定桨距机组的特点,,一、风轮机构,,,二、桨叶的失速调节原理,,,三、叶间扰流器,,,四、双速发电机,,,,一、风轮机构,,定桨距风力发电机组的主要特点是：桨叶与轮毂的连接是固定的，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。,,,一是当风速高于风轮

20、的设计点风速即额定风速时，桨叶必须能够自动地将功率限制在额定值附近，因为风力机上的所有材料的物理性能是有限度的。,,,二是运行中的风力发电机组在突然失去电网的情况下，桨叶自身必须具备制动能力，使风力发电机组能够在大风的情况下安全停机。,,,二、桨叶的失速调节原理,,,,,,,,,,由于气流在叶片上的分离随攻角的增大而增大，分离区形成大的涡流，流动失去翼形效应，与未分离时相比，上下翼面压力差减小，致使阻力激增，升力减小，造成叶片失速，从而限制了功率的增加，,,,,,,,三、叶尖扰流器,,,,,叶尖扰流器是风力发电机组的主要制动器，每次制动时都是它起主要作用。,,,四、双速发电机,,,,在整个运行

21、风速范围内,(3m/s~25m/s),由于气流的速度是在不断变化的，如果风力机的转速不能随风速的变化而调整，这就会使风轮在低风速时的效率低下。同时发电机本身也存在低负荷时的效率问题，发电机在功率大于３０％额定功率时，均有高于９０％的效率，但当功率小于２５％的额定功率时，效率会急剧的下降。为了解决这个问题，定桨距风力发电机普遍采用双速发电机，分别设计成,4,极和,6,极。这样，当风力发电机在低风速段运行时，不仅桨叶具有较高的气动效率，发电机的效率也能保持在较高的水平。从而使定桨距风力发电机组与变桨距风力发电机组在进入额定功率前的功率曲线差异不大。,,,第二节 定桨距机组的基本运行过程,,,一、

22、待机状态,,,二、定桨距机组的自起动,,,三、风力发电机组的并网与脱网,,,,一、待机状态,,当风速,v>,３,m/s,，但不足以将风力发电机组拖动到切入的转速，这时的风力机处于自由转动状态，称为待机状态。,,,待机状态除了风力机没有并入电网，机组实际上以处于工作状态。,,,,二、定桨距机组的自起动,风力发电机组的自起动是指风轮在自然风速的作用下，不依靠其他的外力的协助，将发电机拖动到额定转速。,,,早期的定桨距风力发电机组不具备自起动能力，风轮的起动是在发电机的协助下完成的，这时的发电机作电动机运行，通常称为电动机起动（,Motor start,）。直到现在，绝大多数定桨距风力发电机组仍具备

23、Ｍ,otor start,的功能。,,,,三、风力发电机组的并网与脱网,当平均风速高于,3m/s,时，风轮开始逐渐起动；风速继续升高，当,v>4m/s,时，机组可自起动直到某一设定转速，此时发电机将按控制程序自动地联入电网。,,如果平均风速处于,8~20m/s,,则直接从大发电机并网。,,脱网时，释放叶尖扰流器来协助完成。,,,第三节 定桨距风力发电机组的制动与保护系统,,一、定桨距风力发电机组的制动系统,,,,定桨距风力发电机组的制动系统由叶尖气动刹车和机械盘式刹车组成。,,,,二、超速保护,,由于风速过高引起的风力机组退出电网有以下几种情况：,,,1),,风速高于,25m/s,，持续,

24、10min,。这时，如果转速没有超过允许限额，只执行正常停机。如果过转速，释放叶尖扰流器，以便转速迅速降下来。,,2),,风速高于,33m/s,，持续,2s,，正常停机。,,3),,风速高于,50m/s,，持续,1s,，安全停机，侧风,90,º。,,4),,当转速传感器检测到发电机或风轮转速超过额定转速的110％时，控制器将给出正常停机指令。,,5),,风力发电机组上另设有一个完全独立于控制系统的、通过作用于液压系统引起叶尖扰流器动作的停机系统。这个系统是通过在液压缸与油箱之间并联突开阀来实现的。,,,,三、电气保护,,电气保护主要是过电压保护和雷击保护,,,过电压保护是指控制器对通过电缆传入

25、的瞬时冲击，具有自我保护能力。,,,雷击保护是指机组应提供便捷的接地通道以释放雷电，避免高能雷电的积累。并通过,在桨叶上安装雷电接收器来避免桨叶因雷击而造成的损坏。,,,,第三章 定浆距风力机的控制系统及其执行机构,,,,第一节　　控制系统,,,,第二节　　控制系统的执行机构,,,第一节　　控制系统,,并网运行的风力发电机组的控制系统必须具备以下的功能：,,１）根据风速信号自动进入起动状态或从电网切除。,,２）根据功率及风速大小自动进行转速和功率控制。,,３）根据风向信号自动对风。,,４）根据功率因数自动投入（或切除）相应的补偿电容。,,５）当发电机脱网时，能确保机组安全停机。,,６）在机

26、组运行过程中，能对电网、风况和机组的运行状况进行监测和记录，对出现的异常情况能够自行判断并采取相应的保护措施，并能够根据记录的数据，生成各种图表，以反映风力发电机组的各项性能指标。,,7）对在风场中运行的风力发电机组还应具备远程通信的功能。,,,第二节　控制系统的执行机构,,一、定桨距机组的液压系统,,定浆距风力发电机组的液压系统实际上是制动系统的驱动机构，主要用来执行风力机的开关指令。通常它由两个压力保持回路组成，一路通过储能器供给叶尖扰流器，另一路通过储能器供给机械刹车机构。这两个回路的工作任务是使机组运行时制动机构始终保持压力。当需要停机时，两回路中的常开电磁阀先后失电，叶尖扰流器一路压

27、力油被泻回油箱，气动刹车动作；稍后，机械刹车一路压力油一路进入刹车液压缸，驱动刹车夹钳，使风轮停止转动。在两个回路中各装有两个压力传感器，以指示系统压力、控制液压泵站补油和确定刹车机构的状态。,,,,二、偏航系统,,,，风力发电机组的机舱安装在旋转支撑上，而旋转支撑的内齿环与风力发电机组塔架用螺栓紧固相连，外齿环与机舱固定。调向是通过两台与调向内齿环相吻合的调向减速器驱动的。在机舱底板上装有盘式刹车装置。,,,偏航控制系统,,,,,,,偏航系统是一随动系统，当风向与风轮轴线偏离一个角度时，控制系统经过一段时间的确认后，会控制偏航电动机将风轮调整到与风向一致的方位。,,,三、实例,,,,,ＦＤ,

28、43---600,ＫＷ,f,风力发电机组的液压和偏航系统的实例。,,这是一个液压回路，它由３个压力回路组成。,,,１）图左侧是气动刹车压力保持回路,。,,２）图中间是两个独立的高速轴制动器回路,。,,３）图右侧为偏航系统回路，偏航系统有两个工作压力，分别提供偏航时的阻尼和偏航结束时的制动力。,,,下图是整个机组的控制系统的总体机构,,,,,第三篇 未来的风力发电,,第一部分 海上风能技术,,第二部分 风力发电新领域,,1. 高空风力发电,,2. 飞轮储能技术在风力发电中的应用,,3. 高层建筑风力发电,,4. 巨管风力发电,,第一部分 海上风能技术,,,海上风能资源通常比

29、陆上丰富，而且面积宽广，自然条件的限制较少，噪声问题、景观影响问题、鸟类影响问题、电磁波干扰问题等，都比陆地上要小得多。因此，有越来越多的人认为海洋是开发利用风能的理想场所。尤其是欧洲，开发利用风能的技术基础雄厚，而人口比较集中，陆地面积相对较小，大部分国家却濒临海洋，因此对海上风能的开发利用更加感兴趣，已经行动起来了，取得了令人瞩目的成果。,,本文将以欧洲为重点，描述海上风力发电的有关问题。本文的海上是指离沿海陆地,10,公里以内的海面，不包括沿海的岛屿。,,,1. 海上风力发电试验站,,80年代初，英国、瑞典、丹麦、荷兰、美国等国就海上风能开展了很多研究。,,大约在1990年，瑞典就生产了

30、一台海上风轮机，功率200kW，安装在近海进行试验。丹麦在温讷比离海岸大约3公里的海上建了一座海上风电场，由11台Bonus 450kW风轮机组成，系丹麦丹麦电力公司Elkraft公司兴建。该风电场旨在积累海上风速和湍流强度方面的资料，以开展疲劳负载之研究。它是向开发海上风能迈出的重要一步。丹麦的另一家国有电力公司（Elsam公司）也建了一座类似的海上风电场。,,英国由政府出资，对海上风能资源评价的风轮机工艺设计等问题开展了大量的研究。有两个项目比较重要，一个由Taylor Woodrow公司为首的小组实施，一个由可再生能源系统（RES）实施。前一个项目到1992年已实施近10年，分阶段评价英

31、国的海上风能资源和设计直径为50-120m的海上风轮机系列，并且作了完整的成本分析；后一个项目已在1993年完成，对英国海上风轮机的示范进行了详尽的可行性研究，认为离英格兰东海岸约5公里的海区是合适的场址，对中型风轮机、支承结构、监控系统、电力基础设施等进行了初步设计，估计预算金额达350-400万英镑（包括两年期的运行、维护和监测费用）。,,原苏联列宁格勒科技工作者西尔诺夫等人提出在芬兰湾建一座功率为1000MWMW）MW）风轮机，风轮直径30-70m。,,2. 海上风能资源,,欧洲联盟日前已完成两项重要的海上风能研究。其中一项由英国贸易工业部和德国技术投资管理局出资，Germanische

32、r Lloyd 公司同Garrad Hassan合作实施，时间约3年，已于1993年底完成，对于海上风电场有关产业的经验进行了评述，提出了设计时要考虑海上环境条件的风轮机设计原则，进行了资源评价，预估了风轮机在风和海浪负荷共同作用下可能作出的反应。这项研究还想为海上风能的研究提供一种通用的方法，找出符合实际的、既考虑了自然限制又考虑了政策限制的海上风速预测方法。它利用了地理信息系统（GIS），选用IDRISI系统作为工具。为此，使用如下资料：水深、海底坡度、航海日志、海洋保护区、国家海上公园、天然气管道、石油管道、海下电缆、石油天然气开采平台。根据各国商船定期提供的气象参数和和海况参数，估算

33、风速。数据从60年代初开始，到现在大约已有5000万个数据集。从这些数据计算年平均风速、平均气温、Weibull分布形状和比例参数、极端风速等。涵盖了欧盟的全部沿海地区，绘制了风能资源图，并用IDRISI计算了风能。从离岸0-30km、水深0-40m的风能资源计算结果看，海上风力发电宜使用风轮直径达100m的大型风轮机，各风轮机之间取一合理间隔。如果欧盟把全部海上风能（离岸30km以内、水深不超过40m）都开发利用起来，其发电量可答欧盟电力消费总量的1.5倍；即使考虑到各种不利因素，只开发利用其10%，也可以满足欧盟电力需求量的15%左右。这项研究取得的一项重要成果是建了一个先进的很有效的数据

34、库，且其他数据很容易加进这个数据库里。,,,丹麦科学家对近海风能资源也开展了研究。他们认为,海面粗糙度小，风速高，湍流强度小，海上风能比陆地要多60-70%,。,,由于目前海上测风站还很少，详细而可靠地绘制出海上风能图还是很难的。现今，海上风能资料通常取自海上小岛的实测数据和所谓COADS数据库。COADS是海洋大气综合数据集的英文缩写，是几个美国机构长期合作取得的一项成果，包括海上船只报告的风速和风向资料，涵盖全球大部分海洋。,,美国巴特例实验室出版了一本近海风能资源图集。地区性海洋风能图集已有问世，如欧洲北海风能图集、波罗的海风能图集。,,3,,海上风能转换系统,,3.1 风轮机的动态负荷

35、,,设计成本有效的海上风轮机，有一个很基本的要求，就是要能可靠的预测出和海浪同时产生的负荷。第一步是利用现有的风能和近海工程分析经验。计算机仿真技术可以解决气动特性、水力学特性和基础特性等方面的非线性问题，使用的模型应当是综合性的。海上风轮机的模拟与陆上风轮机相似，支承结构的模拟则与其他海上支承结构相近。设计海上风轮机时，会碰到如下一些新问题：,①海上风况的仿真；②独特单立柱塔架和三角支承结构上破坏性和非破坏性海浪作用力的预测；③风轮机和④风力疲劳、海浪疲劳和极端负荷之间的相互关系。解决了这些问题，才能分析风轮机对海上支承结构水利学负荷的反应。已经在时间域和频率域逼近法的基础上发展出两种独立的

36、、同等重要的分析方法。时间域模型适合分析海上风轮机的极端负荷，能够接受任何形式的海浪负荷随时间的变化，包括破波产生的负荷。频率域逼近法计算快速，容易计算疲劳负荷，可以揭示特定海况下波高随波谱的变化。Kuehn提出一种新方法，能导出各个子系统的运动方程，直接进行数值计算，比用传统的lagrange发和hamilton法简单。,,计算极端负荷和疲劳负荷时，弄清负荷与海浪之间的关系是十分重要的。另外，海上风轮机结构动态特性对研究负荷也是很重要的，设计时不能置动态响应于不顾。通过研究，目前对风负荷和海浪符合共同给予海上风轮机动态响应的影响已有了很多的了解，提出了分析工具和仿真技术，为海上风轮机的可靠设

37、计计算奠定了基础。,,3.2 风轮机的浮置,,风轮机联盟完成的另一项重要的海上风能研究是garrad hassan公司与英国tencomare公司共同进行的，为的是研究浮置风轮机的技术可行性和经济可行性。分三步进行：第一步是初步的设计研究，选定最佳构型，供第二步详细设计和分析利用。提出了很多种浮置想法，包括传统的驳船和SPAR（海上声学研究平台）浮体、非传统的半潜式环形箱和双体船结构，最后选定SPAR浮体供海上风轮机浮置用，这是考虑到系统性能、复杂程度、成本等因素后选定的。第二步研究详细设计时采用这种浮置方式。,,海上风轮机不是简单的把陆上风轮机移植到海上，而是要进行专门的设计，以便充分利

38、用海上的优点。由于海上风轮机不必考虑噪声问题，工作转速可以提高，可以用细长的重量轻的风轮，降低塔架顶部高度和成本。风轮直径可以设计成60m，使用三只碳纤维叶片，可以呈锥形，位于塔架的下风方，使风轮机稳定自由的对风。,,MW，采用钢质三角立体构架型塔架，离海平面45m。塔架用螺钉固定在混凝土,SPAR浮体的甲板上，浮体则用8根钢绳锚定在海床上。这种锚泊装置适合水深为75-500mkV升高到33kV，通过静态电缆传到岸上。这种风轮机的动态特性和负荷情况已在一般工作条件和极端工作条件下做过研究。由于锚泊装置、浮动塔架、风轮机子系统之间有复杂的相互影响，这种海上风能转换系统还存在很多问题。研究时所取的

39、环境条件有两个地方：北爱尔兰海和中爱琴海。,,,海上石油和天然气的开采是一个热点，在开采平台上安装风轮机，既可以降低开采成本，还可以解决陆上风轮机运行中中的噪声问题、影响景观问题等，是可再生能源与矿物燃料生产相结合产生效益的第一个重要步骤。,,芬兰沿海悬崖很多，小岛也不少，适宜安装风轮机，基础可以设在坚硬的岩石上。虽然输电电缆可能要长一些，风能转换系统的运输费用可能会高一些，但海上风况优于陆地。此外，冬季海上有移动的坚冰、离现有电网较远等，这些是不利因素。芬兰湾、阿兰群岛、图尔库群岛、互萨群岛都是理想的安装场址。芬兰现有的电网可以并入600GWh/a小型海上风电，可以并入3300GWh/a大型

40、海上风电,,前述的欧盟第二项海上风能研究的第三步是进行模拟试验。试验在BMT的2号“拖曳水池”中进行，采用比例为1：48的模型。试验时，模型上同时加有风和浪负荷。试验结果用于验证理论模型和设计原型系统。,,,3.3 开发利用海上风能的经济性,,芬兰科学家认为，海上风电场只要比较靠近现有电网，且规模比较大时，其经济性可以超过陆上风电场。,,英国科学家以诺福克近海水平轴风轮机为对象，分析了转轮、机舱、塔架、支承结构、电气设备、输电线路、制造和安装等的成本，认为通过合理配置、性能优化，可以使海上风力发电具有经济性。,,MW。估计总投资为3000万英镑。其中锚泊系统所占份额最大，达28%；其次是浮体的

41、生产费用，占19%；风轮机只占18%，而电缆费用也不小，占15%。,,,,３.４　今后的发展与展望,,目前，全世界风轮机年装机容量可达到1300MW。风能作为极具竞争力的一种可再生能源，必定会越来越受到重视。目前在开发利用风能方面却碰到了经济性、政策、自然界、和社会方面的障碍，其中自然界的障碍是指没有足够的空间安装风轮机，没有足够的电网用来并网。这两个自然障碍是相左的，即有足够空间安装风轮机的地方，通常人烟稀少，经济不够发达，没有电网；而有现成电网可供并网的地方，却人口密集，没有足够的空间安装风轮机。为了解决这个矛盾，们想到了开发利用海上风能的问题。通过近几年的研究，证明开发利用海上风能是具有

42、技术可行性和经济可行性的。作为一项长期的风能开发利用战略，应当积极考虑海上风能的开发利用。,,,第二部分 风力发电的新领域,,（一） 高空风力发电,,1.,适合风力发电的区域,,,赤道附近的太阳辐射使气流变热上升，气流在极地处冷却下降，从而形成对流层中的气流。对流层上持续性较好的强风出现在赤道两侧各30º纬度的区域内，其中包括中国和澳大利亚的大部分地区。研究表明，澳大利亚上空的风能非常丰富，而且风向、风速的稳定性都很好，非常适合用来发电，这些地区海拔2000-8000m空中的风远远比在地表面的风强而且稳定。例如，澳大利亚布里斯班附近区域海拔8000m空中的年均风能密度可高达20kw/m²，

43、是地表面风能密度的50-100倍，而且风向、风速都很稳定，安装在此区域的风力发电装置，容量系数可达70%左右。中国和澳大利亚处于北、南半球的相应地区，对流层的分布基本是相同的，故可以认定中国上空的风能也是非常丰富的，风向、风速的稳定性也很好，适合与风力发电。因此，确定我国上空风能的分布情况，开发适合空中发电的发电技术，将成为风力发电中一个新的研究课题。,,,2. 利用高空风能发电,,澳大利亚西悉尼大学的Roberts教授等人在利用高空风能的研究上做了大量的工作，他们提出采用系留于地面的旋翼机在空中进行风力发电，并研制了实验样机，进行了低空发电研究，取得了许多有益的成果。,,用于空中发电的旋翼机

44、采用框架结构，上面并列安装的两个旋翼以相对转向旋转，整个旋翼机由缆绳系留至地面。作用在旋翼上的风使其产生升力并带动发电机进行发电，发电机产生的电能由传输电缆传送到地面站。旋翼在这里起到了两个作用：发电和给系统提供足够的升力。当风速较低时，悬翼产生的升力不足以使发电平台升在空中，这时可通过传输电缆从地面向系统传送电能，从而使旋翼机以电动直升机方式运行，以产生足够的升力。因此，安装在发电平台上的电机既可作为发电机运行，又可作为电动机运行。这种发电方式能充分利用高空中的风能，发电系统的容量系数比地面上的风电站高的多，很有发展前景。,,,目前，,已对兆瓦级的空中发电系统作过初步设计。系统在距地面,km

45、,的空中运行，装在旋翼机上的两台旋翼，直径各为,35m,，发电系统的容量系数可高达,67%,，大大超过地面上的数据。由于发电系统在空中运行，要求电机的重量尽可能的轻。因此，为使发电系统具有兆瓦级的功率，电机的转速应在,10000r/min,以上。为此，可考虑采用机械结构简单、坚固可靠的开关磁阻电机系统、无刷双馈电机系统等。,,,（二）飞轮储能技术在风力发电中的应用,,由于风力大小和方向以及负荷是随机变化的,为了获得最佳电能质量和提高风能利用率,以满足负荷需要,风力发电的控制方式和储能运行方式一直是人们注意的焦点.目前研究的风力/柴油供电, 风力/蓄能供电以及风/光混合供电等方式都存在着许多技术

46、问题.早在50年代就有人提出利用高速旋转的飞轮储存剩余能量,并设想将其用于电动力车,但由于当时技术条件的限制,一直未取得突破性进展.90年代以来,由于在以下三个方面取得了突破,给飞轮储能技术的应用带来了新的希望:一是超导磁悬浮技术的研究和真空技术的配合,把机械轴的摩擦损耗降到了最低限度;二是高强度的碳素纤维材料(CFPR)问世，允许线速度可达1000m/s以上，大大增加了飞轮的动能储量；三是最新电力电子技术的发展，给飞轮储能的电能和动能之间的转换提供了非常好的控制技术。,,,1.,飞轮储能系统的结构和特点,,飞轮储能系统主要由三大部分组成：储存能量用的转子系统、支承转子的轴承兼密封装置系统、动

47、能,/,电能转换的电动机,/,发电机系统。另外还需要一些附属系统，如真空、防护环和控制器等，其结构如图,1,所示。,,,,2.,飞轮储能技术在风力发电系统中的应用,,飞轮储能技术是当风力发电机输出功率大于负荷功率时，多余的功率供给飞轮储能转子，此时电动机,/,发电机系统处于电动机运行状态，电能转化为动能；当风力发电机输出功率大于或等于零但小于负荷功率时，风力机输出功率与负荷功率之差由飞轮储存的能量提供，此时电动机,/,发电机系统处于发电机运行状态，动能释放并转化为电能。飞轮机组单元可以根据负荷和风力机功率大小的具体情况进行设计，其容量可大可小。由于飞轮机组安装在用户附近，所以不受环境限制，可以

48、埋藏在用户配电装置的下面，既安全又少占用空间。飞轮储能系统的运行是典型的周期性运行，其寿命可达,15,年。,,,风力,/,飞轮供电系统中，其运行状态是随系统负荷变化和风力机输出功率而调整的，主要有电动机运行状态、发电机运行状态和空转状态三种。若某日负荷曲线为图,2,所示。,,,,若假定风力机输出功率不变，相应的飞轮机组运行时，可以0-8点作为电动机运行，8-16点作为空转运行，16-24点作为发电机运行。同理，考虑风力机输出功率有变化时，可以确定出各时段的运行状态。当飞轮机组作为电动机运行时，飞轮机组从电力变频装置获得频率逐渐上升的三相交流电，使飞轮加速，其变频控制信号是飞轮中安装转子位置传感

49、器信号来决定的；当飞轮机组作为发电机运行时，飞轮机组发出频率和幅值均做变化的三相交流电，然后通过微机控制的高效电能转换器转换成频率为50Hz，幅侄不变的三相交流电；当飞轮机组作空转运行时，机组基本上不吸收电能，也不发出电能，由于机组损耗很小，接近于恒速运转。综上所述，飞轮储能机组在风力发电过程中起到了储能/释能作用，最大限度地利用了风力资源，避免了“弃风”并有效地提高了供电的质量。,,,（三）,,高层建筑风力发电,,3家英国机构和德国斯图加特大学最近开始试验高层建筑群间的发电项目，科学家们指出，如果成功，将有望改变城市的供电结构。,,上述研究人员在两座塔之间安装了,3,台涡轮发电机，将楼之间的

50、风和气流转换成电能，其特点是高楼可以以特殊的方式将风吸入涡轮机，研究人员说，这种原理并不复杂，人们只要站在楼群间就会感到一股风的吸力。两楼之间墙体垂直，风到这里不会被吹散，且直接吹入涡轮机，比空旷地带的风更集中。根据计算，这种方法可比普通风力发电机多发,25%,的电能，楼群是固定的，不会随风转向，只要风的入射角达到,50,度，就可以发出与普通发电机等同的电能。,,,（四）,,巨管风力发电,,风力发电的问题，在于它对天气变化的依赖。如能创造出稳定的天气，事情就会比较简单。创造发电所需的天气需要高空装置，按照以色列科学家查斯拉夫斯基的计算，所需塔高不会超过1.6公里。他的计划大胆而原理简单。只需要

51、有沙漠和一些水，即使咸水也行。把水抽到沙漠上空，阳光使水蒸发，由于蒸发吸热，就会生成大团湿冷空气，空气朝沙漠下沉到底并向周围散逸。,,这一简单过程可在一极高极大的烟囱里实现。水从外边向上抽送并在上端开口处喷雾；空气从中部下沉，推动底部周围的闭式风力涡轮机。功率的大小取决于塔高和冷却程度。小塔不好，因为它产生的电力还不够用来驱动自身的水泵。沙漠中的水源不象人们想象中的那么少。例如内格夫沙漠，只需一根管道就能把水从亚喀巴湾引来，全世界许多近海沙漠都可如法炮制。,,不过在计划这么巨大的工程时，不得不仔细考虑。查斯拉夫斯基的气流发电需要高1000米，直径500米的大烟囱！它的功率输出约为75万KW。,

52、,按初步设计，建造外构架需要100万根铝撑杆，用25万只套节连接。外构架上需蒙上大约10万平方米的特制织物。铝构架建在该学院特殊设计的基础上无需油漆，因为铝能耐沙漠里可能发生的那种腐蚀作用。构架性能是由同超级电脑临时连接的桌面电脑设计出来的。,,m、直径15cm、重55kg的铝管，连同装配用的栓和套节。还能生产出粘接起来后能同巨塔轮廓相配的大片有聚氯乙烯涂层的乙烯基聚酯薄膜。,,照此办理的话，这座,1,公里高的结构约重,4,万吨，仅为,300,米高的瘦长埃菲尔铁塔重量的,5,倍。由于一开始就是自撑式的结构，因而无需用脚手架，也无需巨大的起重机。撑杆重量足够轻，可以人工操作，还可用连续输送带将设

53、备给日益增高的构架上的工作人员运送材料。据估计，大约用,2000,名劳动力，只要“准时”控制部件存货，存有,5,天用的标明安装地点的已完工部件，可在不到,3,年的期限内，以亿美元的造价建成这座铁塔。,,,工程的其余部分可能也同样简单。将用常规管道供水，泵和涡轮机都是标准的。最重要的尚非现成的技术，是在烟囱口喷雾的那套设备。据说已设计成功一种不堵塞式喷雾设备，耗能仅为其他喷雾设备的1/10，而且水滴大小均匀，有助于提高系统的效率。,,这种电站的造价和运行费用可低于烧煤和烧油的电站，而且还很干净，不产生导致温室效应的气体，不破坏臭氧层，无需露天采掘，无放射性废料，不排出烟雾。事实上它们还能起空气洗涤器的作用，能把污染物清除掉。唯一的副产品是弥漫在沙漠上的凉而湿的风，其结果是可能在干燥的沙漠上生成绿洲。,,这么高的摩天大楼之所以未曾问世，与公用事业公司以从长期投资转向短期、低风险、成本优化的能源供应有关，另外，安全、使用者的要求和愿望也是主要原因。,,,,,,,,,,谢谢大家！,,