风力发电关键技术.

风力发电关键技术目录风电行业特点及其相关核心知识概述风资源知识风区分类－IEC、GL标准空气动力学风机分类风机基本控制概念风机设计及其模拟软件Bladed介绍能源增长历史能源利用历史化石与核能的使用只是人类历史长河的一瞬间石油年生产能源强度（总耗能/国家生产总值GNP）风电行业特点及其相关核心知识概述我国一次商品能源消费结构世界一次商品能源消费结构中国煤炭67%油气26%核电和水电7%世界平均油气64%核电和水电10%煤炭26%能源消费的国际比较—消费结构能源资源的特点和国际比较探明总资源量8230亿吨标准煤，探明剩余可采总储量1390亿吨标准煤剩余可采储量的保证程度煤炭81年、石油15年、天然气30年,铀50年。以煤为主，缺乏石油、天然气资源，水能较丰富人均能源资源量低于世界平均水平单位：年能源价格对比根据国内风电成本测算得到的包括财务成本在内的风电平均成本为0.551元/(kWh)，在使用期的总成本费用已经接近新投资的水电和火电。2006年电力装机及发电量比例单位GDP能耗为了保护环境，我国政府已经出台了降耗规划：“十一五”期间，全国单位国内生产总值能源消耗指标从2005年的1.22吨标煤/万元下降到2010年的0.98吨标煤/万元，降幅近20%。为什么要发展风力发电？（1）化石能源有限，发展风电有利于提高中国能源供应的安全性（2）风能储量大、广泛，发展风电是解决中国能源供应不足的有效途径（3）风电清洁，发展风电是减排温室气体排放的有效途径.(京都议定书签订后，CDM机制）（4）发展风电可以促进地区经济发展，并拉动机电制造业发展及解决就业。（如：丹麦）但到目前为止，风电市场仍然是政策主导的市场2003年5月27日，欧洲风能协会和绿色和平组织的环境组在布鲁塞尔发布一项报告《风力12》，这个战略性蓝图勾画出目前价值70亿欧元的风能工业如何能在2020年增值为750亿欧元。到2020年，风力发电将在全球电力市场中占12%。全世界风力发电装机容量将达到12.31亿千瓦（123100万千瓦），创造1.79亿个就业机会，使发电成本降低40%，并累计减排二氧化碳1092.1万吨。长达52页的《风力12》研究报告详细论证了如何实现风力发电的美好前景。中国风能资源丰富国家气象局依据分布在中国各地10米高气象测风仪数据统计：－陆地约有2.53亿千瓦年电量5000亿千瓦时–海上初步估计可开发约7.5亿千瓦–合计约10亿千瓦（2004年全国电力总装机4.4亿千瓦）其中内蒙和新疆占中国风资源的约70－80％中国风资源分布与核电和大水电发展的比较全世界核电和大水电都是在较短时期内占到较大比例的能源技术。核电从1960年的100万kW开始，到1997年累积装机3.43亿kW，电量占16%。大水电从1950年的4500万kW增长到1996年的7.15亿kW，电量占19%。风电现在已经是商业化的产业，有能力成为主流电源之一。欧洲是世界上风力发电领先的地区，根据欧洲统计局的资料，目前，风力发电的发电量已占到了欧洲总发电量的3%以上，其中，丹麦风电发电量占该国发电量的23%，德国和西班牙为13%和12%。在欧洲，风电已经成为一种重要的能源。风电项目箱式变电（升压）变电站超高压输电风机（降压）变电站用户不包含升压变电站的项目包含升压站的项目海上变速风机的并网Principallayoutofoffshorewindturbines,theircollectionandtransmission(C&T)systemsforinterconnectiontomains,i.e.,forfungiblepowertotheACnetworkandtrading近海风电技术：风力发电机组－Vestas3MW2005年KentishFlat海上风电场安装30台vestas3MW机组，该机组额定功率3MW，机舱（包括轮毂）重量111T。风能系统经济性模型风能经济性发电成本风资源及规律能源效率可利用率寿命直接投资成本融资成本运行维护费风能的市场价值基本价值燃料节省资本节省货币化的环境收益排放减少化学燃料使用的减少风电系统发电的度电成本模型（不考虑环境效益）部件成本组装成本运输成本风机生产成本利润风机购买价格初始资本成本(ICC)风场配套设施部件失败率风场人力耗材平均维修时间备件预定时间备件成本年运行维护成本(AOM)可利用率风频分布功率曲线驱动链效率上网损失年发电量(AEP)固定费率(FCR)度电成本(COE)COE=(FCR*ICC+AOM)/AEP基于20年。风电的经济性国产风电机组（600kW-750kW）:4300元-4500元/kW国产风电机组（1200kW）:5700元/kW进口风电机组（850kW-900kW）:500欧元-540欧元/kW（折合5000元-5400元/kW）进口风电机组（1000kW-1500kW）:620欧元-700欧元/kW（折合6200元-7000元/kW）风电场建设项目总投资分析目前风力发电机组价格水平风电项目投资:7000元/KW–10000元/KW中国风电场建设项目上网电价对比元/kW•h风电场建设项目上网电价分析0.00000.20000.40000.60000.80001.00001.20001.400013579111315171921232527293133353739目前的风电成本可控制在0.6元/度以下风机经济技术发展目标国家规划到2020年，中国风电装机达3000万千瓦，占预测总装机10亿千瓦的3％风电成本接近常规能源，2020年目标价格0.25元/度,10米高5.8米/秒（美国3美分/度，欧洲，2.34欧分/度）。风机单位千瓦价格：国内4500－5000元/千瓦2002年，欧洲先进的风电机组在最佳情况下运行的每千瓦装机成本约为823欧元，每度电的成本为4.04欧分；预计到2020年，装机成本会降到每千瓦497欧元，每度电的成本为2.34欧分。0246810121990Lowwindspeedsites199520002005201020152020HighwindspeedsitesBulkPowerCompetitivePriceBand目前的风电成本可控制在0.6元/度以下。塔架10%其他费用8%建筑工程6%联网工程7%场内变电工程5%风电机组设备64%风电项目成本构成在中国，风电项目的固定资产投资构成比例风电项目成本构成举例：英国5MW岸上项目成本构成风机成本构成风机机舱成本构成英国风电项目中风机故障构成英国的统计风机制造行业特点原材料密集（体积大，重量重）资本密集技术密集知识密集研发周期长设计周期长试制生产周期长产品测试、认证周期长市场：目前还是政策主导企业核心竞争力目标野心越大，度量越大，越能包容人才。流程做事的程序。如：产品设计流程、制造流程、工艺流程，软件的程序等。模型如：结构化的定性模型，功能模型（如组织机构），还有经验模型，估算模型（如：风湍流模型，风机成本模型），精确定量的数学模型。数据库如：风资源数据库，产品数据库（PDM），知识库，等世界风机制造业世界风机制造业风机制造业Repower2MW风机“金风S43/600”含义：金风（goldwind)－公司品牌S－stall，即失速控制43－叶轮的直径为43m600－发电机的额定功率为600kw采用丹麦设计概念：上风向，三叶片，失速控制，叶尖气动刹车。是当今风机技术最简单、成熟、可靠、安全的技术。金风产品介绍40或50mΦ43mGOLDWIND机型：失速型、带叶尖气动刹车、上风向、三叶片额定功率：125/600kW风轮直径：43m轮毂中心高：40m,50m(根据塔架高度)起动风速：3m/s额定风速：15m/s停机风速：25m/s最大抗风：70m/s（3秒）最大风能利用系数：CPmax≥0.4控制系统：计算机控制，远程监控工作寿命：≥20年600KW风机金风600风力发电机组功率曲线(标准状况)010020030040050060070012345678910111213141516171819202122232425风速（m/s）功率(kW)GOLDWIND金风失速型风机机舱各零部件分布图1.导流罩2.叶轮3.机舱4.增速箱5.高速机械刹车6.连轴器及安全离合器7.油散热器8.发电机9.风速仪、风向标10.提升机11.发电机弹性支撑12.TB1控制器13.液压站14.偏航轴承15.偏航刹车16.偏航驱动17.塔架18..机舱底板19.齿轮箱弹性支撑GOLDWIND750KW风机金风S48/750机组总体技术参数机型：失速型、带叶尖气动刹车、上风向、三叶片额定功率：750kW风轮直径：48.4m轮毂中心高：50m起动风速：4m/s额定风速：14-15m/s（与气候条件有关）停机风速：25m/s（10分钟）010020030040050060070080012345678910111213141516171819202122232425风速（m/s）功率（KWH）GOLDWIND1200KW风机•无齿轮、直驱、永磁发电机•结构简单紧凑，可靠性高•机械传动损耗减少•电机效率高运行范围宽•无需励磁，无碳刷滑环•发电品质高，无需进行无功补偿GOLDWINDGoldWind62/1200技术参数叶轮直径62m扫风面积3019m2转速范围10～20RPM1叶片数量3叶片类型LM29.1P或相似叶片功率控制变速变桨刹车系统3套独立的叶片刹车塔架类型钢制锥塔轮毂中心高69m运行数据切入风速3m/s额度风速12m/s切出风速25m/s抗最大风速59,5m/s电机类型多极永磁同步发电机结构直接驱动额定功率1200kW额定电压Y690V绝缘等级FGOLDWIND风机主要组成偏航系统电机驱动链轮毂叶轮控制变电系统风力机组成的逻辑关系电网偏航装置风向风速仪电压、频率值刹车盘失速调节主动失速定速变速控制齿轮箱变桨距调节变速调节无齿轮箱国外大型风力发电机组发展趋势国际大型风机的发展趋势——技术水平不断提高风力发电单机容量由1980年的30千瓦上升到2005年的5兆瓦风特性叶轮机械电机并网风力极限疲劳振动控制材料制造￥叶片设计部件制造COE风机(知识)体系结构与边界条件CostofEnergy频率50Hz电压690V或其他功率因数0.98噪音－叶尖速－转速材料强度控制能力运输安装部件共振耦合结构频率与电机转速、齿轮箱增速比、风轮转速的关系如：电机的输出频率电网频率50Hz，则发电机转速对与常见两极对的电机，电机转速为1500RPM由于噪声要求，叶尖速度有个限值，如65m/s,对于定速风机，以750KW为例，转轮直径50米，叶轮转速约为22.25rpm,叶尖速则为58m/s,因此齿轮箱的增速比就为1500/22.25=67.4ppfn30006060pnf风机设计的边界条件电网约束叶尖噪音约束共振耦合约束材料强度约束控制能力约束制造能力约束运输安装维护能力约束在以上约束的情况下，要驾驭风并充分利用风能。要驾驭风，就要了解风的习性，即风的脾气和性格风有哪些习性？风是个三维的（脉动）矢量（风速、风向（、湍流））风在空间分布上的切变特性风在时间序列上的统计特性长期的统计年平均风速、年风向玫瑰图风频分布（年）功率谱密度短期的统计（几秒）湍流强度自相关函数物理特性：可压缩流体，低速时假设为不可压缩风的密度（越冷越重，越高越轻，越湿越轻）风能量特性－正比风速的三次方、风轮直径的平方风机设计涉及的主要知识风机设计知识的核心点目标市场的风资源、风特性(如：湍流特点及模型等）分析，设计或选择适合风资源特点的高效风轮（当今先进的风轮效率Cp可达0.5)针对风特性、风轮及传动链的优化的安全、控制策略以减小和降低各种载荷，减少如共振问题，材料疲劳、并网等问题，提高风能吸收效率风机系统整机设计策略及布局，