风电基础知识确定版

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风电基础知识2006年5月目录风电行业特点及其相关核心知识概述风资源知识空气动力学风机分类风区分类-IEC标准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80年、石油15年、天然气30年,分别为世界平均水平的1/2,1/3和1/2。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煤炭石油天然气铀23080507130604515050100150200250世界平均中国单位:年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中国风能资源丰富-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%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。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全国风电场建设项目上网电价分析元/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(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。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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“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风力机组成的逻辑关系电网偏航装置风机主要组成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5兆瓦气动机械电机并网风力结构极限疲劳振动控制材料制造¥叶片设计叶片制造COE风机知识体系结构CostofEnergy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、气动特点)分析,选择适合、高效的风轮(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、题,材料疲劳、并网等问题风机传动链优化最终为减轻风机的整体重量,获得最低的度电成本(COE)Asthebladessweepthediskofair,thebladetipspeedIstypically6to10timesthewindspeed.风机如何在风中工作321VW单位面积风中的能量,与风速的3次方成正比Cp吸收效率ρ空气密度,标准密度:1.225kg/m3A风轮面积,pD2/4U风速风机吸收的能量吸收风能,承受推力风吹过风轮后会怎样转轮旋涡气动模型根据空气对叶轮的反作用风机尾流单位面积中的风能Thegraphshowsthatatawindspeedof8metrespersecondwegetapower(amountofenergypersecond)of314Wattspersquaremetreexposedtothewind(thewindiscomingfromadirectionperpendiculartothesweptrotorarea).At16m/swegeteighttimesasmuchpower,i.e.2509W/m2.Thetableintherightgivesyouthepowerpersquaremetreexposedtothewindfordifferentwindspeeds.风资源特点-风频谱与风机设计、振动疲劳荷载及电能质量有关与气象系统有关,难预测预测相对容易,与日发电量、日负荷电力调度有关风资源数据统计精度对风机设计的影响风随时间和空间变化,产生剧烈的随机脉动,通过3次方关系的放大,极易形成巨幅的能量变化和脉动荷载,从而引起材料的疲劳。风既是风机能量的来源,也是风机载荷的来源。如果能得到精确的风脉动(统计规律)特点,就能更精确地得到随机载荷的特点,从而预测材料的疲劳损伤过程,能更经济的设计风机。缺少一般详细风V,P(t)V(t),V(t+Δt)V(t)力FF(t),F(t+Δt)F(t)材料s,es(t),s(t+Δt)e(t),e(t+Δt)s(t),e(t)(这里还涉及一个问题,材料的疲劳特性,与一个国家的原材料工业及其研究有关)风的形成风资源描述风能计算风资源知识1、风的形成1.1地球上的风风是主要由于太阳对地球不同地方的辐射强度不一样形成的温差和压差而产生,是太阳能的一种表现形式。另外,大范围的大气循环也在受地球自转的影响。风——空气的流动现象。气象学中指空气相对于地面的水平运动。风是一个矢量,用风向和风速表示。风向——指风的来向。我国风向观测用十六个方位表示,实际测风报告中还常用0-360°范围内的数字表示风向。风速——单位时间内空气移动的距离。气象上对风速还作以下定义:(1)平均风速,相应于有限时段,通常指二分钟或十分钟的平均情况。(2)瞬时风速,相应于无限小的时段。(3)最大风速,指在给定的时间段或某个期间里面,平均风速中的最大值。(4)极大风速,指在给定的时间段内,瞬时风速的最大值。风速换算风速的法定单位和几种常用单位的换算。单位米·秒-1海里·时-1千米·时-1英尺·秒-1英里·时-11米·秒-111.9438443.6003.280842.236941海里·时-10.5144411.8521.68780991.15077951千米·时-10.2780.5399610.91134440.621369951英尺·秒-10.30480.5924841.0972810.6818181英里·时-10.447040.8689761.4666671风向风向——来风的方向。通常说的西北风、南风等即表明的就是风向。陆地上的风向一般用16个方位观测。即以正北为零度,顺时针每转过22.5°为一个方位。风向的方位图图示如下。NNNWNNENWNEWNWENEWEWSWESESWSESSWSSES16个风向的风向玫瑰图1.2.1大气环流风在地表上形成的根本原因是太阳能量的传输,由于地球是一个球体,太阳光辐射到地球上的能量随纬度不同而有差异,赤道的低纬度地区受热量最多,极地和高纬度地受热量少,因而造成太阳对地球表面的不均匀加热,从而导致地面上空大规模的大气运动,也即总的大气环流。假设地球不发生自转,由于极地与赤道间的温差,赤道温度高的空气将上升高层流向极地,极地附近大气则因冷却收缩下沉,在低空受指向低纬度的气压梯度力的作用,流向低纬,便形成了一个全球性的南北向环流。(图1)1.2地球上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