風電發(fā)展史培訓課件

1、 風電發(fā)展簡史 風電發(fā)展史第1頁風力機起源風力機最早出現(xiàn)在三千年前,當初主要用于碾米和提水。第一臺水平軸式風力機出現(xiàn)在十二世紀。風電發(fā)展史第2頁風力機起源 在農場用來給牲畜和居民提水風力機。用來給無電地域農牧民供電小型風力發(fā)電機。風電發(fā)展史第3頁一、風能先驅Charles F. Brush Charles F. Brush（1849-1929）是美國電力工業(yè)奠基人之一。他創(chuàng)造了一個效率非常高直流發(fā)電機應用于公共電網(wǎng)，創(chuàng)造了第一個商業(yè)化電弧光燈，找到了一個高效制造鉛酸蓄電池方法。他自己企業(yè)Brush Electric位于俄亥俄州Cleveland市。1889年他賣掉了企業(yè)，1892年與愛迪生通用

2、電氣企業(yè)合并取名通用電氣企業(yè)（GE）。風電發(fā)展史第4頁位于俄亥俄州Cleveland市龐大BRUSH 風車 1887-1888年冬，Brush安裝了一臺被當代人認為是第一臺自動運行且用于發(fā)電風力機。它是個寵然大物葉輪直徑是17米，有144個由雪松木制成葉片。風力機運行了約，用來給他家地窯里蓄電池充電。這臺發(fā)電機僅為12千瓦。這是因為低轉速風機效率不可能太高。丹麥人Poul la Cour隨即發(fā)覺了快速轉動、葉片數(shù)少風力機，在發(fā)電時比低轉速風力機效率高得多。 風電發(fā)展史第5頁二、風能先驅Poul la Cour Poul la Cour（1846-1908）是一名氣象學家同時也是當代風力發(fā)電機先

3、驅。Poul la Cour 是當代空氣動力學鼻祖，他建了一個屬于他自己風洞來試驗風力發(fā)電機。圖中是Poul la Cour和他妻子。Poul la Cour致力于能源儲存研究，將風力機發(fā)出電力用于電解來生產氫氣，供他學校瓦斯燈使用。這個計劃唯一缺點是，因為氫氣中含有少許氧氣致使氫氣爆炸，他不得不數(shù)次更換幾個學校窗戶。 風電發(fā)展史第6頁19培訓班 la Cour每年在Askov Folk高中給風電工人做幾次培訓。這個圖片是19培訓班畢業(yè)照。 風電發(fā)展史第7頁la Cour風力機 1897年，他創(chuàng)造兩臺試驗風力機，安裝在丹麥Askov Folk 高中。 另外，la Cour于19創(chuàng)建了風電工人協(xié)

4、會，它成立一年后，就擁有了356個會員。 風電發(fā)展史第8頁風電期刊 世界上第一個風力發(fā)電期刊Journal of Wind Electricity 也是由Poul la Cour創(chuàng)建。 19，丹麥約有120個地方公用事業(yè)擁有風力發(fā)電機，通常單機容量是20-35kW，總裝機約3MW。這些風電容量當初占丹麥電力消耗量3%。丹麥對風力發(fā)電興趣在隨即若干年逐步減退，直到二次世界大戰(zhàn)期間出現(xiàn)供電危機為止。 風電發(fā)展史第9頁三、風能先驅1940-1950 F.L.Smidth 風機 在二次世界大戰(zhàn)期間，丹麥工程企業(yè)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風機。丹麥風機制造商已經(jīng)

5、生產出了兩葉片風機，盡管所謂“丹麥概念”是三葉片風機。全部這些風機（與它們前輩一樣）發(fā)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)中一部分，給小島供電。1951年，這些直流發(fā)電機被35kW交流異步發(fā)電機取代，如此一來，第二臺生產交流電風機問世了。 風電發(fā)展史第10頁四、Gedser 風力發(fā)電機 Johannes Juul 和 the Vester Egesborg 風力機 Johannes Juul工程師是Poul La Cour在19創(chuàng)辦“風電工”培訓班中一名學生。 1950年，Johannes Juul在丹麥

6、Vester Egesborg成為了世界上開發(fā)第一臺交流風力發(fā)電機先驅。 風電發(fā)展史第11頁Johannes Juul風力發(fā)電機 創(chuàng)新200KW Gedser 風力發(fā)電機在1956-57年由Johannes Juul為SEAS電力企業(yè)建成，風機安裝在丹麥南部Gedser海岸。三葉片，上風向，帶有電動機械偏航和異步發(fā)電機風力發(fā)電機是當代風力發(fā)電機設計先驅。這臺風力機是失速調整型風力機，Johannes Juul創(chuàng)造了緊急氣動葉尖剎車，在風機過速時經(jīng)過離心力作用釋放?；旧?，當代失速型風力發(fā)電機上使用著相同系統(tǒng)。這臺風力發(fā)電機，在隨即很多年中一直是世界上最大。它在無需維護情況下，運行了。風力機機艙

7、和葉輪現(xiàn)在在丹麥Bjerringbro電力博物館中展出。 風電發(fā)展史第12頁Nibe風力機（二十世紀70年代） 在1973年第一次石油危機后，幾個國家起對風能興趣重新點燃。在丹麥，電力企業(yè)馬上把目標放在制造大型風力發(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，另一臺是失速控制。風電發(fā)展史第13頁五、1980年后風力發(fā)電機 Riisager 風力發(fā)電機 一個名叫Christian Riisager木匠在自已家后院安裝了一臺小型22KW風力發(fā)電機，他以Gedser風力機設計為基礎，盡可能地采取了廉價標準部件（如，用一臺電動機作為發(fā)電機

8、，把汽車部件用作齒箱和機械剎車）。Riisager風力發(fā)電機在丹麥許多私人家庭中成為了成功典范，同時他成功給丹麥風力發(fā)電機制造商提供了靈感，從1980年起，制造商開始設計他們自己風力發(fā)電機。 風電發(fā)展史第14頁風力發(fā)電機設計中競爭 許多設計，包含Riisager設計部分地以古典Gedser 風力機或古典低轉速多葉片美國“風能玫瑰”經(jīng)驗為基礎，其它則革命一些，包含立軸Darrieus 風機，風機采取襟翼來進行功率調整，或將液壓用于傳動系統(tǒng)等。大部分風力機通常為5-11KW，按現(xiàn)在標準判斷它們太小了。 風電發(fā)展史第15頁Tvind 2 MW風力發(fā)電機 與小風機不一樣是Tvind 2 MW風力機，它

9、是一臺相當革命風機。這臺機組是下風向變速風機，葉輪直徑為54米，發(fā)電機為同時發(fā)電機。當前，這臺風力機還在正常地運行之中。早期丹麥風力發(fā)電機與德國，美國、英國或加拿大政府資助大型風力發(fā)電機研制工程完全不一樣。最終，由Gedser風力發(fā)電機 改良古典三葉片、上風向風力機設計在瘋狂競爭中成為商業(yè)贏家 。風電發(fā)展史第16頁RISO國家試驗室 RISO國家試驗室因其在風能領域中工作而廣為人知。RISO國家試驗室風能和大氣物理部有約100名員工從事空氣彈性學基礎研究（也就是空氣動力和結構動力之間交互作用）以及風資源評定工作。另外它還有一個獨立小商業(yè)化活動，就是對風力發(fā)電機作類型判定。 RISO最初是為風機

10、判定而成立，當初丹麥政府支持了一個項目在丹麥安裝風力發(fā)電機。為了確保風力發(fā)電機購置者利益，政府要求全部被支持風力發(fā)電機必須經(jīng)過安全判定。嚴格安全規(guī)程（包含雙重制動系統(tǒng)要求）使得風力發(fā)電機更安全可靠。 風電發(fā)展史第17頁世界風力發(fā)電協(xié)會及相關機構NREL （美國可再生能源試驗室）ECN （荷蘭能源研究中心）AWEA（美國風能協(xié)會）EWEA（歐洲風能協(xié)會）BWEA（英國風能協(xié)會）CWEA（中國風能協(xié)會）風電發(fā)展史第18頁BONUS 30kW風力發(fā)電機 BONUS 30kW風力發(fā)電機從1980年開始制造，是現(xiàn)在制造商早期模型代表。與丹麥大多數(shù)制造商相同，BONUS企業(yè)最初是一個農業(yè)機械制造廠。 風電

11、發(fā)展史第19頁六、偉大加利佛尼亞風暴 NORTANK 55KW風力發(fā)電機 1980-1981年開發(fā)55KW風力發(fā)電機出現(xiàn)是當代風力發(fā)電機工業(yè)和技術上一個突破。 伴隨這種風力發(fā)電機誕生，風力發(fā)電每度電成本下降了約50%。風能工業(yè)變得越來越專業(yè)了，另外對應由RISO國家試驗室開發(fā)歐洲風圖譜對降低度電成本也是非常主要。這張照片展示是Nortank55kW風力發(fā)電機組獨特選址思維方式，這些風機安裝在丹麥Ebeltoft鎮(zhèn)一個港口碼頭。風電發(fā)展史第20頁偉大加利福尼亞風暴 在八十年代初，數(shù)千臺風力發(fā)電機被運輸?shù)矫绹永Ｄ醽?。Micon 55kW風力發(fā)電機也是其中之一，它被運到加州Palm Spring

12、s一個擁有一千多臺風力機大型風電場。早5年開始制造風力機丹麥制造商比其它國家企業(yè)銷售業(yè)績更佳。在加利福尼亞有快要二分之一風機來自丹麥。 大約在1985年，在加利福尼亞支持計劃終止前一夜，美國風能市場消失了。盡管看起來市場已經(jīng)堀起，但從那時起只有極少許裝機投運。現(xiàn)在德國已成為世界上最大風電市場，而且德國裝機也是世界上最大。 風電發(fā)展史第21頁七、當代風力機 丹麥 Avedore Holme 這張照片拍攝是Avedore風電場，距丹麥哥本哈根市只有5公里。鄰近250MW火電廠，安裝了12臺Bonus 300kW 風力機和一臺1000kW電力企業(yè)試驗風力機。風電發(fā)展史第22頁丹麥風電場Middelg

13、runden 丹麥現(xiàn)在風電總裝機約MW,有約6000臺風力機在運行。其中80%風力機屬于個人或當?shù)仫L力機合資企業(yè)。丹麥最大風電場是Middelgrunden，而且它還是當初世界上最大海上風電場，擁有20臺Bonus 2MW風力機，總裝機為40MW。丹麥最大陸地風電場是位于洛蘭島Syltholm風電場，擁有35臺NEG Micon750kW風力機，總裝機容量為26.25MW。 風電發(fā)展史第23頁八、海上風電場 Vindeby Vindeby風電場位于波羅海丹麥海岸，于1991年由公用事業(yè)企業(yè)SEAS建成。風電場擁有11臺Bonus450kW失速調整型風力機，風機位于洛蘭島海岸1.5至3公里以北，

14、靠近Vindeby村。 這些風力機經(jīng)過修改在塔架內有足夠空間放置高電壓變壓器，而且門位置比正常風機高一些。在以后TunoKnob項目采取了一樣修改方案。另外，在現(xiàn)場安裝了兩個風速儀塔來研究風況和湍流。經(jīng)過RISO國家試驗室研究已經(jīng)取得了一些關于海上風況結果。盡管因為洛蘭島對南部風遮敝使得產量有一些降低，但發(fā)電量比容量相同陸地風電場還是高出20%。 風電發(fā)展史第24頁Tuno Knob Tuno Knob海上風電場位于丹麥海岸Kattegat海域，由Midtkraft公用事業(yè)企業(yè)建造。這張照片展示是水上浮動式起重機在從事安裝工作。風電場擁有10臺Vestas500kW風力發(fā)電機。 風力機依據(jù)海洋

15、環(huán)境進行了修改，每臺風機上都安裝了一個電動吊用來更換主要部件如發(fā)電機，而無需使用浮吊。另外，這些風機齒輪箱也進行了修改，轉速比陸地風機提升了10%。這么可使電產量增加5%。風電發(fā)展史第25頁海上風能未來 海上風能開發(fā)是風電一個非常有希望應用，對那些高人口密度和在陸地上極難找到適當安裝地點國家尤為如此。在海上安裝成本高得多，（當前近海風電投資1650歐元/kW，陸地風電投資700-1000歐元/kW）。但電量生產一樣也很高。 丹麥電力企業(yè)已宣告了在年后將安裝4000MW海上風電計劃。4000MW裝機預計每年可發(fā)電13.5TWh，相當于丹麥電力總消耗40%。風電發(fā)展史第26頁風電發(fā)展史第27頁風電

16、發(fā)展史第28頁浮標概念基礎三角架基礎三角架基礎樁基礎重力概念基礎風電發(fā)展史第29頁風力發(fā)電項目成本組成 風電發(fā)展史第30頁九、兆瓦級風力發(fā)電機 Nortank1500 圖片上是NEG Micon1500kW風機，于1995年投入運行。此型風機最初模式是葉輪直徑為60米，兩臺750kW發(fā)電機并聯(lián)。 最新模式是1500/750kW模式（兩臺750KW發(fā)電機）葉輪直徑為64米。 這張照片在丹麥西部靠近Esbjerg市 Tjaereborg拍攝。 風電發(fā)展史第31頁Vastas 1.5MW Vastas 1.5MW風機原形于1996年問世。最初模式是63米葉輪直徑，一臺1500kW發(fā)電機。最新模式是6

17、8米葉輪直徑一臺兩極發(fā)電機1650/300kW。照片上吊車正在吊裝機艙。在它左側能夠看到ELSAM 2MW測試風機（混凝土塔架），還有再遠一些NEG Micon 1500kW風力機。 風電發(fā)展史第32頁兆瓦級風機未來 到1998年兆瓦級風機出現(xiàn)之前，600和750kW風機一直是主流。兆瓦級風機主要用于海上或安裝地點稀少地域，因而兆瓦級風機能夠開發(fā)利用更多風資源。 風電發(fā)展史第33頁十、多兆瓦級風力機 NEG Micon 2MW NEG Micon 2MW風力機于1999年8月投入運行。葉輪直徑為72米。在這種條件下（丹麥Hagesholm），風機塔架高度為68米。在圖片背景中能夠看到另兩臺風機

18、基礎。風機將用于海上風電。外界象1500kWNEG Micon這么風機如此之多，致使你不得不經(jīng)過觀察風機停頓狀態(tài)（葉片側風）來區(qū)分：2MW風機葉片是槳矩調整，因為風機是主動失速控制，而1500kW風機是被動失速控制。 風電發(fā)展史第34頁Bonus 2MW Bonus 2MW于1998年秋投入運行。葉輪直徑為72米。在這種情況下（德國威廉港），塔架為60米。風機主要為海上風電場而設計，為混合失速控制（Bonus商標上稱其為主動失速）。類似風機有Bonus 1MW 和1.3MW風機。 風電發(fā)展史第35頁Nordex 2.5MW Nordex 2.5MW風機于年春投入運行。葉輪直徑為80米。 圖片中

19、風機位于德國Grevenbroich，塔架高度為80米。風機為槳矩控制?，F(xiàn)在是世界上最大商業(yè)化風力發(fā)電機。 風電發(fā)展史第36頁GE 3.6MW風電發(fā)展史第37頁Vestas 4.5MW葉輪直徑 120米風電發(fā)展史第38頁Repower 5MW 額定功率 葉輪直徑 輪轂高度 功率控制 葉輪轉速 5 MW 126,0 m 100120 m 陸地 電動變槳 6,912,1 1/min 90100 m 近海風電發(fā)展史第39頁丹麥技術水平軸上風向三葉片氣動葉尖剎車失速調整固定轉速 雙繞阻感應型發(fā)電機十一、風力發(fā)電技術發(fā)展現(xiàn)實狀況風電發(fā)展史第40頁恒速a) 失速調整b) 槳矩調整變速a) 雙饋異步電機，帶

20、齒箱b) 直驅同時電機，無齒箱風力發(fā)電機類型風電發(fā)展史第41頁風電發(fā)展史第42頁風電發(fā)展史第43頁風電發(fā)展史第44頁風電發(fā)展史第45頁風電發(fā)展史第46頁風電發(fā)展史第47頁風電發(fā)展史第48頁恒速風力機優(yōu)點1. 設計簡單 造價低2. 愈加可靠，停機時間短3. 維護量少4. 直接并網(wǎng)缺點1. 氣動效率低2. 給電網(wǎng)造成電網(wǎng)波動3. 從電網(wǎng)吸收無功功率風電發(fā)展史第49頁恒速風力機工作示意圖GEAR BOXGENSOFT STARTSTEP UP TRANSFORERNET WORK PFC風電發(fā)展史第50頁變速風力機優(yōu)點1. 氣動效率高2. 機械應力小3. 功率波動小4. 成本效率高5. 支撐結構輕缺

21、點1. 功率對電壓降敏感2. 造價高3. 維護量高風電發(fā)展史第51頁變速風力機工作示意圖GEAR BOXGENINVERTERD.C CONVERTERD.C BUSACSTEP UP TRANSFORERNET WORK風電發(fā)展史第52頁風電發(fā)展史第53頁變速風力機雙饋感應發(fā)電機優(yōu)點1. 發(fā)電機使用相當標準2. 變流器廉價，只有1/3功率經(jīng)過。缺點1. 維護量依然比較多2. 齒輪箱存在潛在不可靠性 直驅同時發(fā)電機優(yōu)點1. 省去了齒輪箱2.不會吸收電網(wǎng)無功缺點 需要大型變流器，因為全部功率都要經(jīng)過風電發(fā)展史第54頁風電發(fā)展史第55頁frequency converterDCgenerator

22、sideconverterline sideconverterwind turbine controlbrakepitch driverotor bearingsynchronousgenerator converter control10.24 kV, f = 50 Hz line coupling transformermain circuitbreakermedium voltageswitchgear永磁無齒箱直接驅動發(fā)電機風電發(fā)展史第56頁風電發(fā)展史第57頁恒速Bonus (1.0 MW)NEG Micon (600 kW-1.5 MW)Nordex (600 kW-1.3 MW)G

23、E (600 kW)Repower (750 kW)Suzlon (1MW-1.25 MW)變速直驅同時發(fā)電機Enercon (300 kW-4.5 MW)Lagerway (750 kW - 2 MW)Vensys (1.2 MW)發(fā)電機類型舉例 變速雙饋異步電機 GE (900 kW, 1.5 MW & 3.6 MW) Dewind (600 kW-2MW) NEG Micon (2.75 MW-4.5 MW) Nordex (1.5 MW 2.5 MW) RE Power (1.5 MW - 2MW) Vestas (850 kW-3 MW)風電發(fā)展史第58頁雙繞阻發(fā)電機發(fā)電機繞阻提供兩

24、種容量如：600/125kW,1250/250 kW, 兩極 如： 4/6級, 6/8級兩種轉速 如：1500/1000 rpm優(yōu)點氣動效率稍高發(fā)電機效率稍高風電發(fā)展史第59頁發(fā)電機特征極數(shù)轉速23000415006100087501060020300100602003040015發(fā)電機轉速 = 頻率 (50 Hz) x 極對數(shù)風電發(fā)展史第60頁降低機組重量 結構緊湊型驅動鏈 輕型葉片 結構緊湊型齒輪箱優(yōu)化滑差永磁發(fā)電機未來技術發(fā)展趨勢風電發(fā)展史第61頁總機頭重量S.No.企業(yè)容量(MW)葉輪直徑(M)機頭總重量 (噸)1.Enercon4.51125002.RE Power5.0126.53

25、503.Pfleiderer5.01162904.NEG Micon4.21102145.Vestas3.090104低機頭總重量 降低造價 降低安裝成本 對系統(tǒng)受力有利風電發(fā)展史第62頁緊湊型驅動鏈輪轂直接與軸承相連如: Vensys2.5 MW VestasV90-3MW輪轂直接安裝在單級齒箱行星齒輪上如： multibrid, Pfleiderer 5MW風電發(fā)展史第63頁大型風力機和葉片年份容量葉片長度1995600 kW22 m19992 MW34 m3.6 MW GE50 m4.5 MW Enercon52 m5.0 MW Repower, 5.0 MW Pfleiderer61.

26、5 m葉片占總重量10至14% 占總成本15 至 20%不停降低葉片重量和成本:1. 優(yōu)化氣動設計 2. 材料最小設計，細葉片 3. 對葉根撓度受力和振動降低到最小化 4. 使用更輕強度更大材料使用碳纖維是一個處理方案，但它成本是玻璃纖維10倍探索使用木環(huán)氧和凱夫拉爾纖維風電發(fā)展史第64頁齒輪箱設計趨勢齒輪箱技術水平是兩級行星齒加一級平行齒如: Vestas V90, 3MWNEG-Micon NM 110/4200, 4.2 MWRePower, 5MWGE Wind, 104 m 葉輪直徑, 3.5 MW風電發(fā)展史第65頁其它概念Multibrid5 MW 德國Pfleiderer 風機(葉輪轉速 7 to 15 rpm)a. 帶齒箱發(fā)電機轉速 1500 rpm(4極), 齒輪傳動比約100 。如： REPower 5 MWb. 無齒箱發(fā)電機極數(shù)為400， Enercon 4.5 MWMultibrid 概念:1. 單級行星齒輪箱 1:10 轉速比2. 中速發(fā)電機 (最大150 rpm 40 極) 3. 機頭總重 290 T風電發(fā)展史第66頁frequency convertersynchronous generator (speed typically 120.450 rpm)integratedgearbrakep