风能利用与风力发电的历史及基本原理国内外风力发电技术现状与展望新能源.ppt

1,课程教学目标,历史、现状与发展趋势：兴趣、重要性； 结构组成、基本原理：入门、基础知识； 运行特性、基本理论：为继续深造打基础2,风力机发展简史,古代风力机 风能，是人类最早使用的能源之一最初的古代风力机是一种简单的垂直轴风力机，公元644年波斯人制造了立轴式磨面用风力机，图1为古代风力机3,图１ 古代风力机,4,以后又发展了一种水平轴风力机，它的风轮具有十根梁，其间用张线固定，每根梁上有一块小帆布至今在江苏一带还可见到竹木帆布结构的风力机这种风力机在农田灌溉和盐池提水方面仍起到重要作用5,中世纪风力机,到公元11世纪，在中东古代风力机应用很广泛到13世纪，这种风力机传到了欧洲到14世纪，荷兰率先改进了古代风力机，并广泛利用这种改进后的风力机为莱茵河三角洲的沼泽地和湖泊抽水 中国宋朝是风力机的全盛时期，当时流行着垂直轴天津风车6,在16世纪，荷兰先后建造了当时的第一个制油厂、第一个造纸厂以及锯木厂，这些都是利用风力机作动力的 1745年荷兰人发明了旋转机头并获专利，应用在荷兰风力磨坊 到19世纪中叶，在荷兰有9000台传统风力机在运行，图2为中世纪传统风力机7,图2 中世纪传统风力机,8,,,9,在产业革命期间，由于蒸汽机的出现，荷兰的风力机利用开始走下坡路。

到20世纪，荷兰只有2500台风力机在运行到1960年，仍在运行的风力机不到1000台 美国中西部的多叶式风力提水机，在十八世纪末曾多达数百万台10,,欧洲(特别是荷兰和比利时)使用的荷兰式风力机现有900台左右，一部分作为游览用在运行，大型的有直径超过20米的机组11,叶片由金属做成、风轮直径3－5m、功率500－1000W，,12,近现代风力机,在19世纪末，丹麦拥有3千台工业用的风力机和3万台用于家庭和农场的风力机 1890年丹麦的皮·拉库尔研制成功了风力发电机，1908年丹麦已建成几百个小型风力发电站 自20世纪初至60年代末，一些国家对风能资源的开发，尚处于小规模的利用阶段13,从20世纪50年代到60年代，中国研制了十几种风力发电机，最大的已超过30千瓦 从60年代开始研制的小型风力提水机，有30种不同型号，对我国开发利用风能起到了积极作用14,200W浓缩风能型风力发电机,,15,500W风力发电机组（商都牧机有限责任公司）,16,表1 国际上1970年以前研制的100kW级及以上的风力发电机组,17,表1 国际上1970年以前研制的100kW级及以上的风力发电机组,18,随着大型水电、火电机组的采用和电力系统的发展，1970年以前研制的中、大型风力发电机组因造价高和可靠性差而逐渐被淘汰，到20世纪60年代末相继都停止了运转。

但是，这一阶段的试验研究表明，这些中、大型机组一般在技术上还是可行的，它为20世纪70年代后期的风电技术大发展奠定了基础19,1973年，国际上出现了石油危机，不少国家面临能源短缺的困境，为此提出了能源多样化发展战略，因而风能的研究和开发工作又重新得到了重视 美国、荷兰、丹麦、英国、德国、日本、苏联、加拿大等国都对大力开发风能制定了规划，制定了采取扶持资助的鼓励性政策和法规中国也开始重视风能的研究和开发20,1980年以来，国际上风力发电机技术日益走向商业化主要机组容量有300kW、600kW、750kW、850kW、1MW、2MW1991年丹麦在Vindeby建成了世界上第一个海上风电场，由11台丹麦Bonus 450kW单机组成，总装机4.95MW21,随后荷兰、瑞典、英国相继建成了自己的海上风电场截止到2004年底，全球风力发电总装机为47000MW，离岸风力发电总装机为620MW, 占总装机到了13.2%22,目前，已经具备离岸风力发电设备商业生产能力的厂家，主要有丹麦的Vestas（包括被其整合的NEG-Micon），美国的GE风能，德国的Nordex、Repower、Pfleiderer/Prokon和德国著名的Enercon公司。

风力发电机大型化、巨型化趋势十分明显23,,200/50kW风力发电机（意大利Riva Calzoni公司） 110kW风力发电机（德国Ventis 公司）,24,兆瓦级风电机组的研究与开发,现在世界上风电机组在兆瓦级技术上早已形成主流，如美国为1.5MW，丹麦为2.0－3.0MW另外，4.5MW风电机组也已经在2004年汉诺威世博会上亮相，目前Repower的风机型号是最大的，其5MW风机风轮直径达126m25,Enercon在德国安装了第五代样机为4.5MW，风轮直径达112m已经有3种超过3MW的风机投入商业化，新一代兆瓦级风机的样机已经进入测试阶段(4.5MW-5MW)26,,2MW风力发电机组（丹麦Vestas 公司）,,27,德国Enercon公司首台E-126/6MW风力发电机样机于2007年11月在德国的埃姆登安装完成德国Repower公司研制的5MW的风电机组也已经在试验成功，目前已经在爱尔兰海上安装运行,29,Multibrid半直驱型（混合型） 5MW机组也已试运行,30,海上风电场发展,31,丹麦哥本哈根海上风电场,32,ＲＥＰＯＷＥＲ公司,33,美国加州风电场,34,国内风力发电发展现状,自1986年建设山东荣成第一个示范风电场至今，经过近22年的努力，风电场装机规模不断扩大。

截止2007年底，全国已建成158个风电场，累计安装风电机组6469台，装机规模已达5,906MW（590万kW） 2007年当年新增容量3,304MW（330万kW）中，内资企业生产的风电机组所占市场份额已达56%，首次超过了外资但是累计容量内资企业占45%35,,1995年新疆建成了国内第一座兆瓦级风电场 浙江运达风力发电工程有限公司与丹麦BONUS公司合作生产120kW风力发电机，独立开发200kW、250kW风力发电机，国产化率达90%以上，拥有完全自主知识产权； 1999年西安维德风电设备有限公司与德国公司组建合资公司组装了600kW大型风力发电机组，并已经安装在辽宁营口风电场并网发电运行； 浙江华仪风能开发有限公司与金风科技公司合作进行大型风力发电机组整机制造，已具有成熟的600kW风力发电机组制造技术当时市场上的主导产品已发展到600kW机组36,,进入21世纪以后，风力发电技术进入快发展期，通过与国外公司合作，750kW机组的商品化开发和兆瓦级机组的相关技术正在进行攻关和实验研究，沈阳工业大学风能技术研究所一直致力于开发具有自主知识产权的大型风力发电机组，于2005年开发成功1MW机组，7月投入试运行，并合资成功开发具有自主知识产权的1.5MW风力发电机组；,37,,上海电气风电设备有限公司与德国Aerodyn公司联合设计具有自主知识产权的2MW风力发电机组； 哈尔滨哈飞威达风电设备有限公司和芬兰Winwind公司合资，生产1MW和3MW变桨变速并网型风力发电组； 东方汽轮机厂与德国REpower公司合作进行1.5兆瓦MD70和MD77型风力发电机组整机设计。

同时，在“十五”期间，中国的风电场和并网风电得到迅速发展，如：内蒙古、新疆、辽宁、宁夏、上海等地风电场和风电设备的发展其中内蒙古赤峰大唐、辉腾锡勒风电场发展成为规模最大风电场38,2007新增装机容量：内资企业占56%, 首次超过外资企业,39,,2007累计装机容量：内资企业占45%,40,,从收集到的47个2006年底前建成的风电场，2007年的上网电量数据，初步推算出12个省的平均年等效满负荷小时数 统计中的风电场多采用进口的成熟机组，上网电量主要受风能资源的影响41,2007年部分省区 风电场上网电量（小时数）和单机容量平均值,42,我国兆瓦级风电机组历年装机容量统计,,国内兆瓦级风电机组的研究与开发,43,国产化兆瓦级风电机组历年装机容量统计,44,2007年内资制造商兆瓦级风电机组装机容量,45,华锐1.5MW风电机组,东汽1.5MW风电机组,上海电气1.25MW风电机组,国内兆瓦级风电机组,46,国内兆瓦级风电机组,南车时代1.65MW风电机组,海装2MW风电机组,47,国内兆瓦级风电机组,惠德1.0MW风电机组,明阳1.5MW风电机组,48,金风62/1200 风力发电机组 生产厂家：新疆金风科技股份有限公司,,49,技术参数,额定功率 ： 1200kW 叶轮直径 ：62m 额定风速 ：12m/s 切出风速（10分钟均值）：25m/s 叶片数量： 3个 叶轮转速：11-20rpm 扫风面积：3019 m2 旋转方向(从上风向看)：顺时针 控制单元类型：PLC 主刹车系统：叶片顺桨实现气动刹车 偏航速度：0.5度/秒 塔架高度：67米,50,海上风电机组的的研究与开发,发展海上风电是国际上风电发展的一个方向。

世界上对海上风电的研究与开发始于20世纪90年代，经过十多年的发展，海上风电技术正日趋成熟，并开始进入大规模开发阶段51,,,GE3.6s 风力发电机 （公司名称： Gamesa Eòlica ）,52,,,REpower 5MW风力发电机 （公司名称：REpower Systems AG）,53,风力发电机组技术的发展,单机容量的发展过程,,Repower-5MW,54,海上风电场一般都在水深10米、距海岸线10公里左右的近海大陆架区域建设与陆上相比，海上风电机组必须牢固地固定在海底，其支撑结构（主要包括塔架、基础和连接等）要求更加坚固 所发电能需要铺设海底电缆输送，加之建设和维护工作需要使用专业船只和设备，所以海上风电的建设成本一般是陆上风电的2-3倍55,海上风电场的优点主要是不占用宝贵的土地资源，基本不受地形地貌影响，风速更高，风能资源更为丰富，而且运输和吊装条件优越，风电机组单机容量更大，年利用小时数更高 根据国家气象科学局估算，海上风能实际可开发量是陆地风能的3倍，在近海建设大型风电场，也是充分利用风能的重要途径56,与陆上风电场相比，海上风电场建设的技术难度较大 首先，海上风电场建设前期工作更为复杂，需要在海上竖立70米甚至100米的测风塔，并对海底地形及其运动、工程地质等基本情况进行实地观测； 其次，海上风电场需要考虑风和波浪的双重载荷，对风电机组支撑结构的强度要求更高；,57,第三，海上风电机组的单机容量更大，制造技术更复杂，对风电机组防腐蚀等要求更为严格； 第四，海上气候环境恶劣，天气、海浪、潮汐等因素复杂多变，风电机组的吊装、项目建设施工以及运行维护难度更大。

58,目前，海上风电机组的平均单机容量在3MW左右，最大已达6MW风电机组年利用小时数一般在3000小时以上，有的高达4000小时左右全世界海上风电总装机容量已达800MW，欧洲在开发海上风能方面依然走在世界前列，其中丹麦、英国、爱尔兰、瑞典和荷兰等国家发展较快59,早在20世纪80年代，丹麦在探讨海上风力发电的可行性时，得到的结论是：为了弥补海上风力发电的建设和输电成本，必须采用1～2MW的大型风力机，而在当时尚不具备生产这样大型风力机的能力60,现在，3MW的风力机已经在丹麦和其他国家的海上得到了应用，瑞索实验室正在其位于西北日德兰的试验区域进行5MW风力机的研究该试验区域被划分成5块，以便风力机制造企业可以进行短期租用61,2005年，在该试验场的一块年平均风速达到9米/秒的地方，建起了一座高165米，功率高达5MW的风力机，这说明风力机制造技术的发展越来越适应海上风力发电的实际情况在Horns Rev Redsand示范工程开展的地区，已经按计划保留了试验场地，供开展大功率的风机研究 62,目前我国尚缺乏海上风电建设经验，海上风能资源测量与评估以及海上风电机组国产化刚刚起步，海上风电建设技术规范体系也亟需建立。

63,近几年来，我国在一些省区也开始。