風(fēng)能利用與風(fēng)力發(fā)電的歷史及基本原理國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀與展望新能源教學(xué)課件

風(fēng)能利用與風(fēng)力發(fā)電的歷史及基本原理國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀與展望新能源幻燈片本課件PPT僅供大家學(xué)習(xí)使用學(xué)習(xí)完請(qǐng)自行刪除，謝謝！本課件PPT僅供大家學(xué)習(xí)使用學(xué)習(xí)完請(qǐng)自行刪除，謝謝！風(fēng)力機(jī)開展簡(jiǎn)史古代風(fēng)力機(jī)風(fēng)能，是人類最早使用的能源之一。最初的古代風(fēng)力機(jī)是一種簡(jiǎn)單的垂直軸風(fēng)力機(jī)，公元644年波斯人制造了立軸式磨面用風(fēng)力機(jī)，圖1為古代風(fēng)力機(jī)。圖１古代風(fēng)力機(jī)以后又開展了一種水平軸風(fēng)力機(jī)，它的風(fēng)輪具有十根梁，其間用張線固定，每根梁上有一塊小帆布。至今在江蘇一帶還可見到竹木帆布構(gòu)造的風(fēng)力機(jī)。這種風(fēng)力機(jī)在農(nóng)田灌溉和鹽池提水方面仍起到重要作用。中世紀(jì)風(fēng)力機(jī)到公元11世紀(jì)，在中東古代風(fēng)力機(jī)應(yīng)用很廣泛。到13世紀(jì)，這種風(fēng)力機(jī)傳到了歐洲。到14世紀(jì)，荷蘭率先改進(jìn)了古代風(fēng)力機(jī)，并廣泛利用這種改進(jìn)后的風(fēng)力機(jī)為萊茵河三角洲的沼澤地和湖泊抽水。中國(guó)宋朝是風(fēng)力機(jī)的全盛時(shí)期，當(dāng)時(shí)流行著垂直軸天津風(fēng)車。在16世紀(jì)，荷蘭先后建造了當(dāng)時(shí)的第一個(gè)制油廠、第一個(gè)造紙廠以及鋸木廠，這些都是利用風(fēng)力機(jī)作動(dòng)力的。1745年荷蘭人創(chuàng)造了旋轉(zhuǎn)機(jī)頭并獲專利，應(yīng)用在荷蘭風(fēng)力磨坊。到19世紀(jì)中葉，在荷蘭有9000臺(tái)傳統(tǒng)風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行，圖2為中世紀(jì)傳統(tǒng)風(fēng)力機(jī)。圖2中世紀(jì)傳統(tǒng)風(fēng)力機(jī)

在產(chǎn)業(yè)革命期間，由于蒸汽機(jī)的出現(xiàn)，荷蘭的風(fēng)力機(jī)利用開場(chǎng)走下坡路。到20世紀(jì)，荷蘭只有2500臺(tái)風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行。到1960年，仍在運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)不到1000臺(tái)。美國(guó)中西部的多葉式風(fēng)力提水機(jī)，在十八世紀(jì)末曾多達(dá)數(shù)百萬臺(tái)。歐洲(特別是荷蘭和比利時(shí))使用的荷蘭式風(fēng)力機(jī)?，F(xiàn)有900臺(tái)左右，一局部作為游覽用在運(yùn)行，大型的有直徑超過20米的機(jī)組。葉片由金屬做成、風(fēng)輪直徑3－5m、功率500－1000W，

近現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)在19世紀(jì)末，丹麥擁有3千臺(tái)工業(yè)用的風(fēng)力機(jī)和3萬臺(tái)用于家庭和農(nóng)場(chǎng)的風(fēng)力機(jī)。1890年丹麥的皮·拉庫爾研制成功了風(fēng)力發(fā)電機(jī)，1908年丹麥已建成幾百個(gè)小型風(fēng)力發(fā)電站。自20世紀(jì)初至60年代末，一些國(guó)家對(duì)風(fēng)能資源的開發(fā)，尚處于小規(guī)模的利用階段。從20世紀(jì)50年代到60年代，中國(guó)研制了十幾種風(fēng)力發(fā)電機(jī)，最大的已超過30千瓦。從60年代開場(chǎng)研制的小型風(fēng)力提水機(jī)，有30種不同型號(hào)，對(duì)我國(guó)開發(fā)利用風(fēng)能起到了積極作用。200W濃縮風(fēng)能型風(fēng)力發(fā)電機(jī)500W風(fēng)力發(fā)電機(jī)組〔商都牧機(jī)有限責(zé)任公司〕

國(guó)名額定功率kW額定風(fēng)速m/s葉輪直徑m葉輪轉(zhuǎn)速r/min葉片數(shù)塔高m投運(yùn)年份蘇聯(lián)10010.530303301931美國(guó)125013.553.326233.51941-1945英國(guó)10015.2515.31303

1954英國(guó)10013.524.495.42301955丹麥2001524303241957表1國(guó)際上1970年以前研制的100kW級(jí)及以上的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組國(guó)名額定功率kW額定風(fēng)速m/s葉輪直徑m葉輪轉(zhuǎn)速r/min葉片數(shù)塔高m投運(yùn)年份西德100834422241957-1968法國(guó)13212.521.2563

1958法國(guó)80016.730.247.3332.31958-1962英國(guó)10018.515.275310.71959法國(guó)10001735

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1963表1國(guó)際上1970年以前研制的100kW級(jí)及以上的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組隨著大型水電、火電機(jī)組的采用和電力系統(tǒng)的開展，1970年以前研制的中、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組因造價(jià)高和可靠性差而逐漸被淘汰，到20世紀(jì)60年代末相繼都停頓了運(yùn)轉(zhuǎn)。但是，這一階段的試驗(yàn)研究說明，這些中、大型機(jī)組一般在技術(shù)上還是可行的，它為20世紀(jì)70年代后期的風(fēng)電技術(shù)大開展奠定了根底。1973年，國(guó)際上出現(xiàn)了石油危機(jī)，不少國(guó)家面臨能源短缺的困境，為此提出了能源多樣化開展戰(zhàn)略，因而風(fēng)能的研究和開發(fā)工作又重新得到了重視。美國(guó)、荷蘭、丹麥、英國(guó)、德國(guó)、日本、蘇聯(lián)、加拿大等國(guó)都對(duì)大力開發(fā)風(fēng)能制定了規(guī)劃，制定了采取扶持資助的鼓勵(lì)性政策和法規(guī)。中國(guó)也開場(chǎng)重視風(fēng)能的研究和開發(fā)。1980年以來，國(guó)際上風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)日益走向商業(yè)化。主要機(jī)組容量有300kW、600kW、750kW、850kW、1MW、2MW。1991年丹麥在Vindeby建成了世界上第一個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)，由11臺(tái)丹麥Bonus450kW單機(jī)組成，總裝機(jī)4.95MW。隨后荷蘭、瑞典、英國(guó)相繼建成了自己的海上風(fēng)電場(chǎng)。截止到2004年底，全球風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)為47000MW，離岸風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)為620MW,占總裝機(jī)到了13.2%。目前，已經(jīng)具備離岸風(fēng)力發(fā)電設(shè)備商業(yè)生產(chǎn)能力的廠家，主要有丹麥的Vestas〔包括被其整合的NEG-Micon〕，美國(guó)的GE風(fēng)能，德國(guó)的Nordex、Repower、Pfleiderer/Prokon和德國(guó)著名的Enercon公司。風(fēng)力發(fā)電機(jī)大型化、巨型化趨勢(shì)十清楚顯。200/50kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)〔意大利RivaCalzoni公司〕110kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)〔德國(guó)Ventis公司〕兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組的研究與開發(fā)現(xiàn)在世界上風(fēng)電機(jī)組在兆瓦級(jí)技術(shù)上早已形成主流，如美國(guó)為1.5MW，丹麥為2.0－3.0MW。另外，4.5MW風(fēng)電機(jī)組也已經(jīng)在2004年漢諾威世博會(huì)上亮相，目前Repower的風(fēng)機(jī)型號(hào)是最大的，其5MW風(fēng)機(jī)風(fēng)輪直徑達(dá)126m。Enercon在德國(guó)安裝了第五代樣機(jī)為4.5MW，風(fēng)輪直徑達(dá)112m。已經(jīng)有3種超過3MW的風(fēng)機(jī)投入商業(yè)化，新一代兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)的樣機(jī)已經(jīng)進(jìn)入測(cè)試階段(4.5MW-5MW)。2MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組〔丹麥Vestas公司〕。

德國(guó)Enercon公司首臺(tái)E-126/6MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)樣機(jī)于2007年11月在德國(guó)的埃姆登安裝完成。。德國(guó)Repower公司研制的5MW的風(fēng)電機(jī)組也已經(jīng)在試驗(yàn)成功，目前已經(jīng)在愛爾蘭海上安裝運(yùn)行Multibrid半直驅(qū)型〔混合型〕5MW機(jī)組也已試運(yùn)行。海上風(fēng)電場(chǎng)開展丹麥哥本哈根海上風(fēng)電場(chǎng)ＲＥＰＯＷＥＲ公司美國(guó)加州風(fēng)電場(chǎng)國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電開展現(xiàn)狀自1986年建立山東榮成第一個(gè)示范風(fēng)電場(chǎng)至今，經(jīng)過近22年的努力，風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)規(guī)模不斷擴(kuò)大。截止2007年底，全國(guó)已建成158個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，累計(jì)安裝風(fēng)電機(jī)組6469臺(tái)，裝機(jī)規(guī)模已達(dá)5,906MW〔590萬kW〕。2007年當(dāng)年新增容量3,304MW〔330萬kW〕中，內(nèi)資企業(yè)生產(chǎn)的風(fēng)電機(jī)組所占市場(chǎng)份額已達(dá)56%，首次超過了外資。但是累計(jì)容量?jī)?nèi)資企業(yè)占45%。1995年新疆建成了國(guó)內(nèi)第一座兆瓦級(jí)風(fēng)電場(chǎng)。浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)力發(fā)電工程與丹麥BONUS公司合作生產(chǎn)120kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)，獨(dú)立開發(fā)200kW、250kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)，國(guó)產(chǎn)化率達(dá)90%以上，擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)；1999年西安維德風(fēng)電設(shè)備與德國(guó)公司組建合資公司組裝了600kW大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，并已經(jīng)安裝在遼寧營(yíng)口風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行；浙江華儀風(fēng)能開發(fā)與金風(fēng)科技公司合作進(jìn)展大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整機(jī)制造，已具有成熟的600kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組制造技術(shù)。當(dāng)時(shí)市場(chǎng)上的主導(dǎo)產(chǎn)品已開展到600kW機(jī)組。進(jìn)入21世紀(jì)以后，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)進(jìn)入快開展期，通過與國(guó)外公司合作，750kW機(jī)組的商品化開發(fā)和兆瓦級(jí)機(jī)組的相關(guān)技術(shù)正在進(jìn)展攻關(guān)和實(shí)驗(yàn)研究，沈陽工業(yè)大學(xué)風(fēng)能技術(shù)研究所一直致力于開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，于2005年開發(fā)成功1MW機(jī)組，7月投入試運(yùn)行，并合資成功開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的1.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；上海電氣風(fēng)電設(shè)備與德國(guó)Aerodyn公司聯(lián)合設(shè)計(jì)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的2MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；哈爾濱哈飛威達(dá)風(fēng)電設(shè)備和芬蘭Winwind公司合資，生產(chǎn)1MW和3MW變槳變速并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電組；東方汽輪機(jī)廠與德國(guó)REpower公司合作進(jìn)展1.5兆瓦M(jìn)D70和MD77型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整機(jī)設(shè)計(jì)。同時(shí)，在“十五〞期間，中國(guó)的風(fēng)電場(chǎng)和并網(wǎng)風(fēng)電得到迅速開展，如：內(nèi)蒙古、新疆、遼寧、寧夏、上海等地風(fēng)電場(chǎng)和風(fēng)電設(shè)備的開展。其中內(nèi)蒙古赤峰大唐、輝騰錫勒風(fēng)電場(chǎng)開展成為規(guī)模最大風(fēng)電場(chǎng)。2007新增裝機(jī)容量：內(nèi)資企業(yè)占56%,首次超過外資企業(yè)2007累計(jì)裝機(jī)容量：內(nèi)資企業(yè)占45%

從收集到的47個(gè)2006年底前建成的風(fēng)電場(chǎng)，2007年的上網(wǎng)電量數(shù)據(jù)，初步推算出12個(gè)省的平均年等效滿負(fù)荷小時(shí)數(shù)。統(tǒng)計(jì)中的風(fēng)電場(chǎng)多采用進(jìn)口的成熟機(jī)組，上網(wǎng)電量主要受風(fēng)能資源的影響。2007年局部省區(qū)風(fēng)電場(chǎng)上網(wǎng)電量〔小時(shí)數(shù)〕和單機(jī)容量平均值省區(qū)省場(chǎng)數(shù)等效滿負(fù)荷小時(shí)數(shù)容量系數(shù)單機(jī)（kW）裝機(jī)（萬kW）河北423730.278858.8內(nèi)蒙719330.2277039.0遼寧913250.1571521.7吉林419310.2279817.8上海216510.1913562.4浙江113440.156092.13福建520000.239868.9山東317280.208816.5廣東616000.1856620.7海南114170.164830.87甘肅217370.2078612.7新疆424010.2765416.7

12個(gè)省4717870.20791158我國(guó)兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組歷年裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組的研究與開發(fā)國(guó)產(chǎn)化兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組歷年裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)序號(hào)企業(yè)名稱兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量（MW）1華銳679.52東汽222.03金風(fēng)74.44上海電氣22.55常牽新譽(yù)9.06湘電8.07華創(chuàng)3.08海裝2.09南車時(shí)代1.6510明陽1.511惠德1.02007年內(nèi)資制造商兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量華銳1.5MW風(fēng)電機(jī)組東汽1.5MW風(fēng)電機(jī)組上海電氣1.25MW風(fēng)電機(jī)組國(guó)內(nèi)兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組國(guó)內(nèi)兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組南車時(shí)代1.65MW風(fēng)電機(jī)組海裝2MW風(fēng)電機(jī)組國(guó)內(nèi)兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組惠德1.0MW風(fēng)電機(jī)組明陽1.5MW風(fēng)電機(jī)組金風(fēng)62/1200風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

生產(chǎn)廠家：新疆金風(fēng)科技股份技術(shù)參數(shù)額定功率：1200kW葉輪直徑：62m額定風(fēng)速：12m/s切出風(fēng)速〔10分鐘均值〕：25m/s葉片數(shù)量：3個(gè)葉輪轉(zhuǎn)速：11-20rpm掃風(fēng)面積：3019m2旋轉(zhuǎn)方向(從上風(fēng)向看)：順時(shí)針控制單元類型：PLC主剎車系統(tǒng)：葉片順槳實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)剎車偏航速度：0.5度/秒塔架高度：67米

海上風(fēng)電機(jī)組的的研究與開發(fā)開展海上風(fēng)電是國(guó)際上風(fēng)電開展的一個(gè)方向。世界上對(duì)海上風(fēng)電的研究與開發(fā)始于20世紀(jì)90年代，經(jīng)過十多年的開展，海上風(fēng)電技術(shù)正日趨成熟，并開場(chǎng)進(jìn)入大規(guī)模開發(fā)階段。

GE3.6s風(fēng)力發(fā)電機(jī)（公司名稱：GamesaEòl(fā)ica）

REpower5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)（公司名稱：REpowerSystemsAG）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組技術(shù)的發(fā)展單機(jī)容量的發(fā)展過程Repower-5MW海上風(fēng)電場(chǎng)一般都在水深10米、距海岸線10公里左右的近海大陸架區(qū)域建立。與陸上相比，海上風(fēng)電機(jī)組必須結(jié)實(shí)地固定在海底，其支撐構(gòu)造〔主要包括塔架、根底和連接等〕要求更加鞏固。所發(fā)電能需要鋪設(shè)海底電纜輸送，加之建立和維護(hù)工作需要使用專業(yè)船只和設(shè)備，所以海上風(fēng)電的建立本錢一般是陸上風(fēng)電的2-3倍。海上風(fēng)電場(chǎng)的優(yōu)點(diǎn)主要是不占用珍貴的土地資源，根本不受地形地貌影響，風(fēng)速更高，風(fēng)能資源更為豐富，而且運(yùn)輸和吊裝條件優(yōu)越，風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量更大，年利用小時(shí)數(shù)更高。根據(jù)國(guó)家氣象科學(xué)局估算，海上風(fēng)能實(shí)際可開發(fā)量是陸地風(fēng)能的3倍，在近海建立大型風(fēng)電場(chǎng)，也是充分利用風(fēng)能的重要途徑。與陸上風(fēng)電場(chǎng)相比，海上風(fēng)電場(chǎng)建立的技術(shù)難度較大。首先，海上風(fēng)電場(chǎng)建立前期工作更為復(fù)雜，需要在海上豎立70米甚至100米的測(cè)風(fēng)塔，并對(duì)海底地形及其運(yùn)動(dòng)、工程地質(zhì)等根本情況進(jìn)展實(shí)地觀測(cè)；其次，海上風(fēng)電場(chǎng)需要考慮風(fēng)和波浪的雙重載荷，對(duì)風(fēng)電機(jī)組支撐構(gòu)造的強(qiáng)度要求更高；第三，海上風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量更大，制造技術(shù)更復(fù)雜，對(duì)風(fēng)電機(jī)組防腐蝕等要求更為嚴(yán)格；第四，海上氣候環(huán)境惡劣，天氣、海浪、潮汐等因素復(fù)雜多變，風(fēng)電機(jī)組的吊裝、工程建立施工以及運(yùn)行維護(hù)難度更大。目前，海上風(fēng)電機(jī)組的平均單機(jī)容量在3MW左右，最大已達(dá)6MW。風(fēng)電機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)一般在3000小時(shí)以上，有的高達(dá)4000小時(shí)左右。全世界海上風(fēng)電總裝機(jī)容量已達(dá)800MW，歐洲在開發(fā)海上風(fēng)能方面依然走在世界前列，其中丹麥、英國(guó)、愛爾蘭、瑞典和荷蘭等國(guó)家開展較快。早在20世紀(jì)80年代，丹麥在探討海上風(fēng)力發(fā)電的可行性時(shí)，得到的結(jié)論是：為了彌補(bǔ)海上風(fēng)力發(fā)電的建立和輸電本錢，必須采用1～2MW的大型風(fēng)力機(jī)，而在當(dāng)時(shí)尚不具備生產(chǎn)這樣大型風(fēng)力機(jī)的能力。現(xiàn)在，3MW的風(fēng)力機(jī)已經(jīng)在丹麥和其他國(guó)家的海上得到了應(yīng)用，瑞索實(shí)驗(yàn)室正在其位于西北日德蘭的試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)展5MW風(fēng)力機(jī)的研究。該試驗(yàn)區(qū)域被劃分成5塊，以便風(fēng)力機(jī)制造企業(yè)可以進(jìn)展短期租用。2005年，在該試驗(yàn)場(chǎng)的一塊年平均風(fēng)速到達(dá)9米/秒的地方，建起了一座高165米，功率高達(dá)5MW的風(fēng)力機(jī)，這說明風(fēng)力機(jī)制造技術(shù)的開展越來越適應(yīng)海上風(fēng)力發(fā)電的實(shí)際情況。在HornsRevRedsand示范工程開展的地區(qū)，已經(jīng)按方案保存了試驗(yàn)場(chǎng)地，供開展大功率的風(fēng)機(jī)研究。目前我國(guó)尚缺乏海上風(fēng)電建立經(jīng)歷，海上風(fēng)能資源測(cè)量與評(píng)估以及海上風(fēng)電機(jī)組國(guó)產(chǎn)化剛剛起步，海上風(fēng)電建立技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系也亟需建立。近幾年來，我國(guó)在一些省區(qū)也開場(chǎng)進(jìn)展海上風(fēng)電場(chǎng)的前期建立工作。2006年年底，上海市東海大橋10萬kW海上風(fēng)電場(chǎng)工程完成招標(biāo)工作。2007年，中國(guó)首個(gè)經(jīng)國(guó)家開展改革委核準(zhǔn)的海上風(fēng)電場(chǎng)——上海東海大橋10萬kW海上風(fēng)電場(chǎng)工程已經(jīng)開工建立，方案于2021年建成投產(chǎn)。東海大橋風(fēng)電場(chǎng)工程總投入為30億元，未來預(yù)計(jì)發(fā)電量可達(dá)2.6億度，發(fā)電量可提供上海20多萬戶居民使用一年，對(duì)我國(guó)新能源領(lǐng)域的開發(fā)和利用意義非同尋常。2021年8月就調(diào)試并網(wǎng)發(fā)電，并于2021年根本建成。預(yù)計(jì)到2021年上海風(fēng)電規(guī)劃總?cè)萘繉⑦_(dá)31萬千瓦，2021年到達(dá)100萬千瓦左右。目前東