電氣2013級1班研究性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)趙

1、山東科技大學(xué)電氣與自動化研究創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)名稱：風(fēng)力發(fā)電方向綜述 ：趙：學(xué)號： 201301100542：專業(yè)：電氣工程及其自動化 2013 級 01 班一、摘要風(fēng)能作為可再生能源的重要類別，具有蘊(yùn)藏量巨大、可再生、分布廣、無污染等特點(diǎn)，風(fēng)力發(fā)電已成為世界可再生能源發(fā)展的重要方向。據(jù) WWEA 統(tǒng)計(jì)，2009 年全世界累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到 159GW，其中，2009 年增加 38GW。而在10 年前，全球風(fēng)力發(fā)電設(shè)置能力只有 4GW，目前達(dá)到了 38GW，相當(dāng)于近 10倍的增長。世界風(fēng)能預(yù)計(jì)，全球風(fēng)能市場將繼續(xù)快速增長，世界風(fēng)力發(fā)電能力在未來 5 年內(nèi)，將增長 160%，全球風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量將在

2、2014 年達(dá)到 409GW。本從全球視角出發(fā)，介紹了風(fēng)能的作用及優(yōu)缺點(diǎn)，世界風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用現(xiàn)狀與前景，世界各國風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用進(jìn)展、風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，中國風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)及發(fā)電狀況，風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用進(jìn)展和展望等內(nèi)容。二、風(fēng)力發(fā)電的背景風(fēng)力發(fā)電是一種技術(shù)最成可再生能源利用方式，發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的重要裝置，控制技術(shù)是風(fēng)力機(jī)安全高效運(yùn)行的關(guān)鍵。 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)能來發(fā)電，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（簡稱風(fēng)電機(jī)組）是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的機(jī)械。風(fēng)輪是風(fēng)電機(jī)組最主要的，由槳葉和輪轂組成。槳葉具有良好的空氣動力外形，在氣流作用下能產(chǎn)生空氣動力使風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再通過齒輪箱

3、增速驅(qū)動發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能。在理論上，最好的風(fēng)輪只能將約的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能?，F(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪的效率可達(dá)到 40%。在風(fēng)電機(jī)組輸出達(dá)到額定功率之前，其功率與風(fēng)速的立方成正比，即風(fēng)速增加 1倍，輸出功率增加 8 倍，可見風(fēng)力發(fā)電的效率與當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)速關(guān)系極大。風(fēng)力發(fā)電的運(yùn)行方式主要有兩類。一類是獨(dú)立運(yùn)行供電系統(tǒng)，即在電網(wǎng)未通達(dá)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，用小型風(fēng)電機(jī)組為蓄電池充電，再通過逆變器轉(zhuǎn)換成交流電端電器供電，單機(jī)容量一般為 100W10KW；或者采用中型風(fēng)電機(jī)組與柴油發(fā)電機(jī)或光電池組成混合供電系統(tǒng)，系統(tǒng)的容量約為 10200KW，可解決小的社區(qū)用電問題。另一類是作為常規(guī)電網(wǎng)的電源，與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行，聯(lián)網(wǎng)

4、風(fēng)力發(fā)電是大規(guī)模利用風(fēng)能的最經(jīng)濟(jì)方式。機(jī)組單機(jī)容量范圍在 2002500kW 之間，既可以單獨(dú)并網(wǎng)，也可以由多臺，甚至成百上千臺組成風(fēng)力發(fā)電場，簡稱風(fēng)電場。由于風(fēng)速是隨時(shí)變化的，風(fēng)電的不穩(wěn)定性會給電網(wǎng)帶來一定影響，目前許多電網(wǎng)內(nèi)都建設(shè)有調(diào)峰用的抽水蓄能電站，使風(fēng)電的這個(gè)缺點(diǎn)可以得到克服。而從現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用的角度來看，隨著世界工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，使得能源消耗逐漸增加，全球工業(yè)有害物質(zhì)的排放量與日俱增，從而造成氣候異常、增多、惡性疾病的多發(fā)，因此，能源和環(huán)境問題成為世界所的兩大重要課題。由能源問題的以及日益突出的環(huán)境問題，使人們認(rèn)識到開發(fā)清潔的可再生能源是保護(hù)生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的客觀需要?？梢哉f，

5、對風(fēng)力發(fā)電的研究和進(jìn)行這方面的畢業(yè)設(shè)計(jì)對從事風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的同學(xué)是有著十分的理論和現(xiàn)實(shí)意義的，也是十分有必要的三、風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀國外風(fēng)力發(fā)展現(xiàn)狀：19 世紀(jì)末，丹麥?zhǔn)紫乳_始探索風(fēng)力發(fā)電，研制出風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。直到 20 世紀(jì) 70 年代以前，只有小小型充電用風(fēng)力機(jī)達(dá)到實(shí)用階段。在 20 世紀(jì) 30 年代還有許多電網(wǎng)未通達(dá)的地區(qū)，獨(dú)立運(yùn)行的小型風(fēng)電機(jī)組在實(shí)現(xiàn)農(nóng)村電氣化方面起了很大作用，當(dāng)時(shí)的機(jī)組多采用木制葉片、固定輪轂和側(cè)偏尾舵調(diào)速，單機(jī)容量的范圍為 0.53kW。1973 年發(fā)生石油以后，、西歐等發(fā)達(dá)國家為尋求替代化石的能源，投入大量經(jīng)費(fèi)，動員高科技產(chǎn)業(yè)，利用計(jì)算機(jī)、空氣動力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料科學(xué)

6、等領(lǐng)域的新技術(shù)研制現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，開創(chuàng)了風(fēng)能利用的新時(shí)期。20世紀(jì) 70 年代到 80 年代中期，、英國和德國等國投入巨資開發(fā)單機(jī)容量1000kW 以上的風(fēng)電機(jī)組，承擔(dān)課題的都是著名大企業(yè)，如波音公司研制了2500kW 和 3200kW 的機(jī)組，風(fēng)輪直徑約為 100m,塔高為 80m，安裝在夏威夷的瓦胡島；英國的宇航公司和德國MAN 公司分別研制了 3000kW 的機(jī)組，所有這些巨型機(jī)組都未能正常運(yùn)行，因其發(fā)生故障后維修非常，經(jīng)費(fèi)也難以維持，沒有能夠發(fā)展成商業(yè)機(jī)組，未能形成一個(gè)適應(yīng)市場需求的風(fēng)電機(jī)組制造產(chǎn)業(yè)。國內(nèi)風(fēng)力發(fā)展現(xiàn)狀：中國風(fēng)能資源豐富，根據(jù)900 多個(gè)氣象站的觀測資料估計(jì)，我國陸地風(fēng)

7、能資源總儲量約 3226 億千瓦，其中可開發(fā)利用的風(fēng)能資源總量為 253 億千瓦，居世界首位；中國近海（水深小于 15 米）風(fēng)能資源，估計(jì)為陸上的三倍，即近海的風(fēng)能儲量約為 75 億千瓦。這樣，陸上和近海 10 米高處技術(shù)可開發(fā)風(fēng)能資源總量，總計(jì)約為 10 億千瓦?，F(xiàn)代大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組高度已超過 50 米，50 米處的風(fēng)能密度為 10 米高處的 2 倍，這樣，中國技術(shù)可開發(fā)的風(fēng)能資源總量，即可高達(dá) 20 億千瓦。我國東南沿海和山東、遼寧沿海及其島嶼，內(nèi)北部，、北部以及松花江下游等地區(qū)均屬風(fēng)能資源豐富區(qū)，年平均風(fēng)速大于等于 6m/s，有效風(fēng)能密度大于等于 200W/m2，有很好的開發(fā)利用條件。這

8、些地區(qū)中很多地方常規(guī)能源貧乏，無電或嚴(yán)重缺電，尤其是、內(nèi)的大部分草原牧區(qū)及沿海幾千個(gè)島嶼，分散，電網(wǎng)難以通達(dá)，或無電力供應(yīng)，或采用很貴的柴油發(fā)電。在上述地區(qū)，利用風(fēng)力發(fā)電，以節(jié)約能源，改善環(huán)境，緩解電力供應(yīng)緊張狀況，具有重要意義。另一方面，這幾年我國的交通條件得到很大的改善，電網(wǎng)覆蓋程度有了很大的提高，不少風(fēng)能資源豐富地區(qū)已置于電網(wǎng)覆蓋之下，這也為建設(shè)大型風(fēng)電場提供了有利條件。上述情況決定了我國發(fā)展風(fēng)電的特點(diǎn)是：在風(fēng)能資源豐富或較豐富的邊遠(yuǎn)無電、缺電地區(qū)，以發(fā)展小型或中型獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)電系統(tǒng)（包括風(fēng)力/柴油聯(lián)合發(fā)電和風(fēng)/光聯(lián)合發(fā)電等）為主，利用風(fēng)力發(fā)電解決邊遠(yuǎn)地區(qū)的生活用電和部分生產(chǎn)用電；在風(fēng)力

9、資源豐富、電網(wǎng)通達(dá)的地區(qū)，風(fēng)力發(fā)電則作為一種清潔的可再生能源，補(bǔ)充和逐步代替部分常規(guī)能源，緩解電力供應(yīng)緊張的矛盾，提高當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境質(zhì)量，所以應(yīng)以發(fā)展大型風(fēng)電場為主。風(fēng)力發(fā)電場是將多臺并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝在風(fēng)力資源好的場地，按照地形和主風(fēng)向排成陣列，組成機(jī)群向電網(wǎng)供電，簡稱風(fēng)電場。風(fēng)電場是大規(guī)模利用風(fēng)電的有效方式，于 20 世紀(jì) 80 年代在興起。我國計(jì)劃到 2010 年，并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)達(dá)到 500 萬千瓦。目前，我國的風(fēng)電裝機(jī)容量還不到總裝機(jī)容量（45億千瓦）的 05%，根據(jù)我國能源發(fā)展規(guī)劃，我國風(fēng)電具有大規(guī)模發(fā)展的前景和市場需求。風(fēng)力發(fā)電能夠電源結(jié)構(gòu)的重要組成部分，發(fā)展風(fēng)電有利于調(diào)整能源結(jié)構(gòu)。目

10、前中國的電源結(jié)構(gòu)中 75%是煤電，排放污染嚴(yán)重，增加風(fēng)電等清潔電源刻不容緩。尤其在減少等溫室氣體排放，緩解全球氣候變暖方面，風(fēng)電是有效措施之一。從長遠(yuǎn)常規(guī)能源資源人均擁有量相對較少，為保持經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展，必須采取措施解決能源供應(yīng)。中國風(fēng)能資源豐富，如果能夠充分開發(fā)，按目前估計(jì)的技術(shù)可開發(fā)儲量計(jì)算，風(fēng)電年發(fā)電量可達(dá)幾萬億千瓦時(shí)。據(jù)和的推算，中國 2020 年需要 10 億千瓦的發(fā)電裝機(jī)，4 萬億千瓦時(shí)的發(fā)電量，之后如果按照人均 2 千瓦，達(dá)到中等發(fā)達(dá)國家生活水平的基本要求，在 2050 年中國需要大約 30 億千瓦的發(fā)電裝機(jī)和 12 萬億千瓦時(shí)的發(fā)電量。龐大的裝機(jī)和發(fā)電量需求，給風(fēng)力發(fā)電

11、的發(fā)展提供了足夠的空間。由中國資源綜合利用可再生能源專業(yè)主持、綠色和平和歐洲風(fēng)能共同資助的，中國有能力在 2020 年實(shí)現(xiàn) 3000-4000 萬千瓦的風(fēng)電裝機(jī)容量，年發(fā)電量將達(dá) 800 億千瓦時(shí)，可滿足 8000 萬人的用電需求，同時(shí)每年可減少 4800 萬噸的排放量。們，我國風(fēng)電發(fā)展可能將分為3 個(gè)階段進(jìn)行：首先在 2010 年之前完成起步階段，風(fēng)電裝機(jī)達(dá) 400-500 萬千瓦，初步奠定風(fēng)電產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)；第二階段是 2020 年達(dá)到 3000 萬4000 萬千瓦，實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展， 在全部發(fā)電裝機(jī)中占有一定比例；第三階段是在 2020 年之后超過核電成為第三大發(fā)電電源，并在 2050 年前后達(dá)到

12、或超過 4 億千瓦，超過水電，成為第二大主力發(fā)電電源。中國經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，對能源的需求增長很快，常規(guī)能源的供應(yīng)及其帶來的環(huán)境問題日益突出，風(fēng)電隨著技術(shù)的發(fā)展和批量的增大，成本將會繼續(xù)下降，必然成為重要的清潔電源。力發(fā)電的優(yōu)缺點(diǎn)及技術(shù)展望風(fēng)能的發(fā)展對環(huán)境有正面影響和影響。未來的發(fā)展將依賴于如何使正面影響達(dá)到最大,而同時(shí)優(yōu)點(diǎn)：影響保持在最低。風(fēng)能為潔凈的能量來源；風(fēng)能設(shè)施日趨進(jìn)步，大量生產(chǎn)降低成本，在適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)，風(fēng)力發(fā)電成本已低于發(fā)電機(jī)；3）風(fēng)能設(shè)施多為不化設(shè)施，可保護(hù)陸地和生態(tài);4）風(fēng)力發(fā)電是可再生能源，很環(huán)保；5)風(fēng)能發(fā)電不會,不會帶來酸雨,大霧和放射等污染,也不會造成對陸地海水,和水資源的污

13、染。風(fēng)能的大規(guī)模使用可能是減少快速的方法。排放的最經(jīng)濟(jì)缺點(diǎn)：1）風(fēng)力發(fā)電在生態(tài)上是可能干擾鳥類，如堪薩斯州的松雞在風(fēng)車出現(xiàn)之后已漸漸，目前的解決方案是離岸發(fā)電，離岸發(fā)電價(jià)格較高但效率也高；2）在一些地區(qū)，風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性；許多地區(qū)的風(fēng)力有間歇性，更糟糕的是如等地在電力需求較高的夏季及白日，是風(fēng)力較少的時(shí)間；必須等待壓縮空氣等儲量能技術(shù)發(fā)展；風(fēng)力發(fā)電需要大量土地興建風(fēng)力發(fā)電廠，才可以生產(chǎn)比較多的能源；進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)會發(fā)出龐大的噪音，所以要找一些空曠的地方來興建；5)風(fēng)力機(jī)引起的電磁干擾,當(dāng)風(fēng)力機(jī)被放置在一臺收音機(jī),電視機(jī)或微波收發(fā)器之間時(shí),他有時(shí)會反射一些電磁射線,其反射波與原信號會

14、混合在一起,到達(dá)。這可能造成原信號很大的。有些風(fēng)力機(jī)使用薄木板做的葉片就可以避免這樣,因?yàn)楸∧景蹇梢晕盏臒o線電波大于反射的電波； 6）現(xiàn)在風(fēng)力發(fā)電還未成熟，還有相當(dāng)發(fā)展空間風(fēng)力發(fā)電技術(shù)展望：為提高風(fēng)力發(fā)電效率，降低成本，改善電能質(zhì)量，減少噪聲，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，風(fēng)力發(fā)電將向大容量、變轉(zhuǎn)速、直驅(qū)化、無刷化、智能化以及微風(fēng)發(fā)電等方向發(fā)展：(1) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)大型化。這可以減少占地，降低并網(wǎng)成本和于提高風(fēng)能利用效率。功率造價(jià)，有利(2) 采用變槳距和變速恒頻技術(shù)。變槳距和變速恒頻技術(shù)為大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制提供了技術(shù)保障。其應(yīng)用可減小風(fēng)力發(fā)電機(jī)的體積、重量和成本，增加發(fā)電量，提高效率和電能質(zhì)量。(3)

15、 風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接驅(qū)動。直接驅(qū)動可省去齒輪箱，減少能量損失、發(fā)電成本和噪聲，提高了效率和可靠性。(4) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)無刷化。無刷化可提高系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，實(shí)現(xiàn)免電效率。，提高發(fā)(5) 智能化控制。采用先進(jìn)的模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模式識別等智能控制方法，可以有效克服風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的參數(shù)時(shí)變與非線性。(6) 采用磁力傳動技術(shù)和磁懸浮技術(shù)，使電機(jī)能夠“輕風(fēng)起動，微風(fēng)發(fā)電”。五、結(jié)語在能源短缺和環(huán)境趨向的今天，風(fēng)能作為一種可再生清潔能源，日益為世界各國所重視和開發(fā)。由于風(fēng)能開發(fā)有著巨大的經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)保價(jià)值和發(fā)展前景，近 20 年來風(fēng)電技術(shù)有了巨大的進(jìn)步，風(fēng)電開發(fā)在各種能源開發(fā)中增速最快。德國、西班牙、丹麥、

16、等歐家在風(fēng)力發(fā)電理論與技術(shù)研發(fā)方面起步較早，因而目前處于世界領(lǐng)先地位。與風(fēng)電發(fā)達(dá)國家相比，中國在風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造技術(shù)和風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)方面存在較大差距，目前國內(nèi)只掌握了定槳距風(fēng)機(jī)的制造技術(shù)和剛剛投入應(yīng)用的兆瓦級永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)技術(shù)，在風(fēng)機(jī)的大型化、變槳距控制、主動失速控制、變速恒頻等先進(jìn)風(fēng)電技術(shù)方面還有待進(jìn)一步研究和應(yīng)用。發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的重要裝置，它不僅直接影響輸出電能的質(zhì)量和效率，也影響整個(gè)風(fēng)電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的性能和裝置結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。風(fēng)能是低密度能源，具有不穩(wěn)定和隨機(jī)性特點(diǎn)，控制技術(shù)是風(fēng)力機(jī)安全高效運(yùn)行的關(guān)鍵，因此研制適合于風(fēng)電轉(zhuǎn)換、運(yùn)行可靠、效率高、控制且供電性能良好的發(fā)

17、電機(jī)系統(tǒng)和先進(jìn)的控制技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。至 2008 年年底，在全球金融的大環(huán)境下，其他行業(yè)的投資都受到了不同程度的影響，風(fēng)能行業(yè)一些新的項(xiàng)目以及風(fēng)力渦輪和組件的合同實(shí)施也有所減緩，但風(fēng)電市場的投資依然方興未艾，這主要是由風(fēng)電自身的發(fā)展?fàn)顩r決定的。風(fēng)電目前在電源結(jié)構(gòu)中的比例不高，其裝機(jī)不到世界發(fā)電裝機(jī)容量的 3%，發(fā)電量約 1%，潛力巨大。目前，安裝在世界各地風(fēng)電場的風(fēng)力發(fā)電組，絕大多數(shù)為恒速運(yùn)行機(jī)組，而采用變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)后，風(fēng)力機(jī)就可以改恒速運(yùn)行為變速運(yùn)行，這樣就可能使風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速度變化并保持一個(gè)恒定的最佳葉尖池，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)在額定風(fēng)速以下的整個(gè)運(yùn)行風(fēng)速范圍內(nèi)都

18、處于最大值，從而可以恒速運(yùn)行獲取的能量，尤其是變速機(jī)組可適應(yīng)不同的風(fēng)速。1)單機(jī)容量增大隨著技術(shù)逐漸成熟,多樣化的設(shè)計(jì)概念也逐漸。由于風(fēng)力場中所采用的大的渦輪風(fēng)力機(jī)比小的更加經(jīng)濟(jì),因而風(fēng)力機(jī)的容量不斷增加。渦輪風(fēng)力機(jī)的容量將繼續(xù)增大。2)風(fēng)力機(jī)槳葉的變化單機(jī)容量不斷增大,槳葉的長度也不斷增長,目前最長的葉片已做到 50 米。渦輪風(fēng)力機(jī)技術(shù)現(xiàn)已成熟,機(jī)器的可靠性極高,可利用率通常在98%-99%之間。3)塔架高度上升在中小型風(fēng)電機(jī)的設(shè)計(jì)中,采用了更高的塔架,以捕獲風(fēng)能,在 50 米高度捕捉的風(fēng)能要比 30 米高處多 20%。的4)控制技術(shù)的發(fā)展近年來發(fā)展了一種變速風(fēng)電機(jī),其取消了沉重的增速齒輪箱,發(fā)電機(jī)軸直接連接到風(fēng)力機(jī)軸上,轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速而改變,其交流電的頻率也隨之變化。由于他被設(shè)計(jì)成在幾乎所有的風(fēng)況下都能獲得較大的空氣動力效率,從而大大的提高了捕捉風(fēng)能的效率。目前，地球這顆行星上的人數(shù)已超過 60 億，到本世紀(jì)中期，大有達(dá)到百億之勢，維持人類日常生活、文化，需消費(fèi)大量的能源。但過度的能源消耗