風力機結(jié)構(gòu)與原理課件

風電機組結(jié)構(gòu)與原理主講：王海云第一章：風能的開發(fā)與利用時間：2014年02月－05月

1.1風力發(fā)電的歷史變遷垂直軸風力機的發(fā)展歷史水平軸風力機的發(fā)展歷史

兆瓦級風力機的發(fā)展過程

商業(yè)化主流機型及參數(shù)

1.2世界風力發(fā)電現(xiàn)狀與未來

1.3中國風力發(fā)電現(xiàn)狀與未來學習內(nèi)容公元前2000多年，中國和波斯國(現(xiàn)伊朗)就開始利用風車。公元前1700多年，亞洲的巴比倫王國也開始利用風車灌溉農(nóng)田，可以在阿富汗看到風機遺跡。1.1.1垂直軸風力機的歷史古代波斯和中國的垂直軸風機示意圖阿富汗風機遺跡當時流行將8個帆各編在一個直立的桿上，“葉片”（蘆席）有2個位置，與風向無關，形成立帆式垂直軸風車。1.1.1垂直軸風力機的歷史18世紀，荷蘭曾利用近萬座風車將海堤內(nèi)的水排干，造出的良田相當于國土面積的三分之一，成了著名的風車之國。18世紀波斯的風車薩布紐斯式風力機是20世紀20年代發(fā)明的垂直軸風力機，它以發(fā)明者薩布紐斯Savonius的名字命名(S型風力機)。20世紀30年代初，法國人Darrieus想出卷曲成形的立軸風輪。1985年Darrieus風輪首先在加拿大達到了70m，功率4MW，1987年投入使用。1.1.1垂直軸風力機的歷史S型垂直軸風力機FloWind150kW，17m，美國1976年，英國和美國的科學家研究發(fā)現(xiàn)，排列葉片可以避免垂直軸風輪不能自啟動的缺點，設計了H型排列的葉片。直的葉片能調(diào)整葉片角度，調(diào)節(jié)輸出功率。1.1.1垂直軸風力機的歷史H型風輪水平軸風力機起源可以追溯到12世紀。風力磨坊一般有四只轉(zhuǎn)動的葉片，1759年荷蘭風力磨坊的效率提高到0.28。后來在荷蘭，通過增加旋轉(zhuǎn)機頭，改善對風裝置，與旋轉(zhuǎn)平面成90°安裝的側(cè)輪能夠自動進行風向跟蹤。棚架式風磨荷蘭風磨多葉片風力機1.1.2水平軸風力機的歷史風能研究的先驅(qū)CharlesF.Brush

（1849-1929）

CharlesF.Brush是美國電力工業(yè)的奠基人之一。他發(fā)明了一種效率非常高的直流發(fā)電機應用于公共電網(wǎng)，發(fā)明了第一個商業(yè)化電弧光燈，找到了一種高效的制造鉛酸蓄電池的方法。他自己的公司BrushElectric位于俄亥俄州Cleveland市。1889年他賣掉了公司，1892年與愛迪生通用電氣公司合并取名通用電氣公司（GE）。1.1.2水平軸風力機的歷史1887-1888年冬，他安裝了一臺被現(xiàn)代人認為是第一臺自動運行的且用于發(fā)電的風力機。它的單機容量為12千瓦，是個寵然大物——葉輪直徑是17米，有144個由雪松木制成的葉片。風力機運行了約20年，用來給他家地窯里的蓄電池充電。位于俄亥俄州Cleveland市的Brush風力發(fā)電機1.1.2水平軸風力機的歷史PoullaCour（1846-1908）也是現(xiàn)代風力發(fā)電機的先驅(qū)現(xiàn)代空氣動力學的鼻祖建立第一個用于實驗風力發(fā)電機的風洞致力于能源儲存的研究發(fā)現(xiàn)了快速轉(zhuǎn)動、葉片數(shù)少的風力機創(chuàng)立了風電工人協(xié)會創(chuàng)辦了世界上第一個風力發(fā)電期刊1.1.2水平軸風力機的歷史二戰(zhàn)期間，丹麥工程公司F.L.Smidth安裝了一批兩葉片和三葉片的風機，發(fā)的是直流電。1956-1957年，JohannesJuul安裝了世界上第一臺200kWGedser交流風力發(fā)電機。20世紀80年代，Riisager的風力發(fā)電機盡可能地采用便宜的標準部件，在丹麥許多私人家庭中成為了成功的典范，F(xiàn).L.Smidth的兩葉片風機和三葉片風機Gedser風力發(fā)電機Riisager風力發(fā)電機1.1.2水平軸風力機的歷史Twind2MW風力發(fā)電機是最早的兆瓦級風力機。Bonus30kW風力發(fā)電機從1980年開始制造，是現(xiàn)在制造商早期模型的代表。Twind2MW風力發(fā)電機Bonus30kW風力發(fā)電機1.1.2水平軸風力機的歷史Risoe－丹麥里索國家實驗室最初是為風機鑒定而成立的，源于20世紀60年代丹麥政府支持的風電項目。NREL－美國可再生能源實驗室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)會世界風力發(fā)電協(xié)會及研究機構(gòu)有：1.1.2水平軸風力機的歷史Nortank55kW風力發(fā)電機80年代初期，美國通過國家頒布的免稅政策，為風力發(fā)電機向電網(wǎng)送電提供了市場。到1988年，丹麥的中、小型風力發(fā)電機占了世界市場的四分之三。偉大的加利福尼亞風暴為現(xiàn)代風力發(fā)電工業(yè)發(fā)展的貢獻功不可沒。美國加利福尼亞PalmSprings風電場1.1.2水平軸風力機的歷史20世紀90年代，300kW、450kW、600kW、750kW風力發(fā)電機成為主流機型。開始商業(yè)化兆瓦級風電機組的研制。出現(xiàn)海上風電場。海上風能的應用前景非常好，對高人口密度和在陸地上很難找到合適安裝地點的國家尤為如此。丹麥洛蘭島Vindeby風電場1.1.2水平軸風力機的歷史TunoKnob海上風電場1995年，丹麥海岸的TunoKnob海上風電場，擁有10臺Vestas500kW風力發(fā)電機。1.1.2水平軸風力機的歷史洛蘭島的Syltholm風電場Middelgrunden風電場1.1.2水平軸風力機的歷史1998年，丹麥建成Syltholm風電場，是當時最大的陸地風電場，35臺NEGMicon750kW風力機，總裝機容量26.25MW。2001年5月，丹麥建成Middelgrunden風電場，是當時最大的海上風電場，20臺Bonus2MW風力機，總裝機容量40MW。1.1.3兆瓦級風力發(fā)電機風力發(fā)電機大型化，可以減少占地，降低并網(wǎng)成本和單位功率造價，有利于提高風能利用效率。l997年以前MW級機組的市場份額還不到10%，2001年則超過一半，2002年達到62.1%。2003年全球安裝的風電機組平均單機容量達到1.2MW。NEGMicon1500kW風機Vestas1.5MW風機1.1.3兆瓦級風力發(fā)電機NEGMicon2MWBonus2MW風機Nordex2.5MWNEGMicon2MW，風輪直徑72米，塔架68米，槳距調(diào)節(jié)。Bonus2MW，風輪直徑為72米，塔架60米，主動失速。Nordex2.5MW，風輪直徑80米，塔架80米，槳距調(diào)節(jié)。1.1.3兆瓦級風力發(fā)電機GE3.6MW機型Enercon4.5MW直到2004年9月，德國Enercon公司的直驅(qū)式風力機E-112一直是容量最大的，風輪直徑112m，額定功率4.5MW。2004年底，7臺GE3.6MW的3.6sl機型在愛爾蘭ArklowBankoffshore風場成功運行。1.1.3兆瓦級風力發(fā)電機Vestas4.5MW風機及機艙結(jié)構(gòu)Vestas在2005-2006年推出專為海上風電場設計的V1204.5MW，采用新型碳纖維葉片及智能控制系統(tǒng)，機艙和轉(zhuǎn)子組件重量只有210噸。1.1.3兆瓦級風力發(fā)電機位于德國Brunsbuettel的REpower5M2004年9月，Repower安裝了第一臺最大單機容量的5M，并網(wǎng)發(fā)電。額定功率5MW，專門為海上風電場設計，風輪直徑126米。Multibrid是位于德國布萊梅港市的一家專門研究海洋風力發(fā)電機的科研公司，第一臺試驗發(fā)電機于2004年12月安裝在近海的陸地上。海上風機M50001.1.4商業(yè)化主流機型及參數(shù)公司與產(chǎn)品型號VestasV82GE1.5sleNordexS70MADEAE-61額定功率(MW)1.651.51.51.3切入風速(m/s)3.53.53.53.5額定風速(m/s)1312

1311切出風速(m/s)20(10min)25(10min)25(10min)

25(10min)葉片數(shù)量33

33風輪直徑(m)82777061掃風面積(m2)52814657384829221.5MW級典型的陸地風力發(fā)電機參數(shù)1.1.4商業(yè)化主流機型及參數(shù)公司名與產(chǎn)品型號VestasV82GE1.5sleNordexS70MADEAE-61風輪轉(zhuǎn)速(rpm)14.410.1-20.410.6-19.018.8/12.5電機型式異步電機

雙饋異步電機雙饋異步電機異步電機4/6極電機電壓(V)690690690690齒輪箱類型(行星/螺旋)復合齒輪

三級行星齒輪(行星/正)復合齒輪平行軸/行星齒輪箱變速比1:70.2/50Hz-1:84.3/60Hz

1:941:80.8輪轂高度(m)7861.4/64.7/80/8565/85/98/114.5601.1.4商業(yè)化主流機型及參數(shù)公司名與產(chǎn)品型號GE2.5Fuhrl?nderFL-2500NordexN80Bonus2.3MW額定功率(MW)2.52.52.52.3切入風速(m/s)3.5433額定風速(m/s)12.5131515切出風速(m/s)25252525葉片數(shù)量3333風輪直徑(m)88908082.4掃風面積(m2)60826362502653302.5MW級（陸地/海上）典型風力發(fā)電機參數(shù)2.5MW級（陸地/海上）典型風力發(fā)電機參數(shù)1.1.4商業(yè)化主流機型及參數(shù)公司名與產(chǎn)品型號GE2.5Fuhrl?nderFL-2500NordexN80Bonus2.3MW風輪轉(zhuǎn)速(rpm)5.5-16.510.4-18.110.8-18.911/17電機型式同步電機雙饋電機雙饋電機ABB異步電機電機電壓(V)690690660690齒輪箱類型3級(行星/正)復合齒輪2級行星齒輪一個正齒輪3級(行星/正)復合齒輪3級行星/螺旋齒輪齒輪箱變速比1:72.31:68.71:91輪轂高度(m)75/85/1008060/70/8060/801.1.4商業(yè)化主流機型及參數(shù)5MW級海上典型風力發(fā)電機參數(shù)公司名與產(chǎn)品型號Enercon

E-112Repower

額定功率(MW)4.55葉片數(shù)量33風輪直徑(m)114126風輪掃風面積(m2)1020712469風輪轉(zhuǎn)速(rpm)8-136.9-12.1電機型式電勵磁同步電機雙饋異步電機

1.1風力發(fā)電的歷史變遷1.2世界風力發(fā)電現(xiàn)狀與未來全球風電裝機容量（2011年底）

國際風電制造廠商

全球風電產(chǎn)業(yè)技術現(xiàn)狀

1.3中國風力發(fā)電現(xiàn)狀與未來學習內(nèi)容1.2.1全球風電裝機容量根據(jù)2011年全球風電市場的增長情況，WWEA（世界風能協(xié)會）預計全球裝機容量2015年將達到600000MW，2020年將超過1500000MW。GWEC：2011年全球風電新增裝機容量40564MW2011年底全球風電總裝機容量237669MW1.2.1全球風電裝機容量2011年，新增裝機容量增長率從2006年的23.6%下降至20.3%。迄今為止，全球風電已經(jīng)達到年發(fā)電量500TW.h，占全球發(fā)電量的5%。WWEA統(tǒng)計2011年前10位國家的風電裝機容量數(shù)據(jù)排名國家2011年底總裝機容量2011年新增裝機容量2011年增長率[%]2010年排名2009年底2008年底總裝機容量2007年底總裝機容量1中國62364.017600.039.4125810.012210.05912.02美國46919.06810.016.8235159.025237.016823.03德國29075.02007.06.8325777.023897.022247.44西班牙21673.01050.04.8419149.016689.015145.15印度15880.02827.021.5511807.09587.07850.06意大利6737.0950.016.264850.03736.02726.17法國6640.0980.017.374574.03404.02455.08英國6018.0730.015.684092.03195.02389.09加拿大5265.01267.031.493319.02369.01846.010葡萄牙4083.0375.010.3113357.02862.02130.01.2.1全球風電裝機容量部分國家裝機容量統(tǒng)計中國總裝機容量繼2010年后繼續(xù)保持世界第一，增長率達到39.4%。雖然美國（新增6810MW）和德國（新增2007MW）繼續(xù)保持了市場較領先的地位，但這兩個國家的風電裝機容量增長率并不高。1.2.1全球風電裝機容量全球風電裝機容量增長率裝機容量增長率是反映風電市場活力的一個重要指標。

1999-2004年，風電增長率持續(xù)走低

2004年之后，風電裝機增長率開始平穩(wěn)上升，到2009年達到32.1%。從2009-2011年，風電增長率有較大幅度的下降。1.2.1全球風電裝機容量全球風電產(chǎn)業(yè)從探索階段逐漸走向成熟，風電設備制造商逐步顯現(xiàn)出國際化、大型化和一體化發(fā)展的趨勢。全球十大風電設備制造商累積占有了全球市場82.5%的份額，前4家風電設備制造商掌控了全球45%的風電市場份額。1.2.2國際風電制造廠商2011年全球十大風電設備制造商丹麥企業(yè)Vestas蟬聯(lián)冠軍寶座，市場份額達14.8%。美國GE風電第3--9.6%，德國Enercon第5--7.2%，印度蘇斯蘭第6--6.9%，西班牙Gamesa第8--6.6%，西門子第9--5.9%。1.2.2國際風電制造廠商VestasGamesaGEWindEnerconSuzlonSiemensRepowerGoldwind1.2.3全球風電產(chǎn)業(yè)技術現(xiàn)狀風力發(fā)電機組單機容量持續(xù)穩(wěn)步上升近年來，世界風電市場中風電朵組的單機容量持續(xù)增大，隨著單機容量不斷增大和利用效率提高，世界上主流機型已經(jīng)從2000年的500-1000kW增加到2009年的2－3MW。海上風電場的開發(fā)進一步加快了大容量風電機組的發(fā)展，2008年底世界上已運行的最大風電機組單機容量已達到6MW，風輪直徑達到127m。目前，已經(jīng)開始8－10MW風電機組的設計和制造。變槳距功率調(diào)節(jié)方式迅速取代失速功率調(diào)節(jié)方式由于變槳距功率調(diào)節(jié)方式具有輕便、安全和發(fā)電量多的優(yōu)點，近年在風電機組特別是大型風電機組上得到廣泛采用。2009年，全球安裝的機組中，95%風電機組采用變槳距調(diào)節(jié)方式，而且比例還在上升。我國2009年安裝的MW級風電機組中，全部是變槳距機組。

1.2.3全球風電產(chǎn)業(yè)技術現(xiàn)狀雙饋異步發(fā)電技術仍占主導地位以丹麥Vestas公司的V80、V90為代表的雙饋異步風電機組，在國際風電市場中所占的份額最大。德國Repower公司利用該技術開發(fā)的機組單機容量已經(jīng)達到5MW。西門子、Nordex、Gamesa、GE和Suzlon都在生產(chǎn)雙饋異步風電機組，2009年新增風電機組中，雙饋風電機組仍然占80%以上。目前歐洲正在開發(fā)10MW的雙饋異步風電機組。直驅(qū)式、全功率變流技術得到迅速發(fā)展采用無齒輪箱系統(tǒng)的德國Enercon在2009年仍然是德國、葡萄牙風電產(chǎn)業(yè)的第一大供應商和印度風電產(chǎn)業(yè)的第二大供應商。西門子公司已經(jīng)在丹麥的西部安裝了兩臺3.6MW的直驅(qū)式風電機且，其它主要制造企業(yè)也在積極開發(fā)研制直驅(qū)風電機組。我國新疆金風科技有限公司生產(chǎn)的1.5MW直驅(qū)式風電機組，已有上千臺安裝在風電場。與此同時，半直驅(qū)式風電機組也開始出現(xiàn)在世界風電市場上。

1.2.3全球風電產(chǎn)業(yè)技術現(xiàn)狀

風電場開發(fā)技術和應用水平日益提高國外針對風資源的測試與評估開發(fā)出很多先進的測試設備和評估軟件，在風電機組布局及電力輸配電系統(tǒng)的設計上開發(fā)出了成熟軟件，對風力機和風電場的短期及長期發(fā)電預測做了很多研究，準確度可達95%以上。對海上風電場的風資源測試評估、風電場選址、基礎設計及施工、風電機組安裝等做了深入研究。標準與規(guī)范逐步完善德國、丹麥、荷蘭、美國、希臘等國家對風電機組的設計和測試技術都做過很多深入研究，制定了國際標準，建立了認證體系和相關的檢測和認證機構(gòu)，這些標準絕大部分是由歐洲國家制定的，以歐洲技術和運行環(huán)境為依據(jù)編制的。掌握風電機組關鍵測試技術，建立認證制度，是保證產(chǎn)品質(zhì)量，也是規(guī)范風電市場、提高風電機組的性能和推動風電發(fā)展的重要基礎。

1.1風力發(fā)電的歷史變遷

1.2世界風力發(fā)電現(xiàn)狀與未來

1.3中國風力發(fā)電現(xiàn)狀與未來中國風電裝機容量（2011年底）

風電產(chǎn)業(yè)技術現(xiàn)狀

與全球風電產(chǎn)業(yè)技術的差距學習內(nèi)容1.3.1中國風電裝機容量2011年中國（不包括臺灣地區(qū)）新增風電機組11409臺，新增裝機容量17630.9MW，累計安裝風電機組45894臺，累計裝機容量62364.2MW，分布在32個省（市、自治區(qū)等）。與2010年累計裝機44733.29MW相比，2011年累計裝機容量增長率為39.4%。2001-2011新增及累計風電裝機容量1.3.1中國風電裝機容量

2011年新增市場份額2011年新增市場份