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1、风电机组结构与原理,主 讲：王 海 云,第一章：风能的开发与利用,时 间：2014年02月05月,1.1 风力发电的历史变迁 垂直轴风力机的发展历史 水平轴风力机的发展历史 兆瓦级风力机的发展过程 商业化主流机型及参数 1.2 世界风力发电现状与未来 1.3 中国风力发电现状与未来,学 习 内 容,公元前2000多年，中国和波斯国(现伊朗)就开始利用风车。 公元前1700多年，亚洲的巴比伦王国也开始利用风车灌溉农田，可以在阿富汗看到风机遗迹。,1.1.1 垂直轴风力机的历史,古代波斯和中国的垂直轴风机示意图,阿富汗风机遗迹,当时流行将8个帆各编在一个直立的杆上，“叶片”（芦席）有2个位置，与风
2、向无关，形成立帆式垂直轴风车。,1.1.1 垂直轴风力机的历史,18世纪，荷兰曾利用近万座风车将海堤内的水排干，造出的良田相当于国土面积的三分之一，成了著名的风车之国。,18世纪波斯的风车,萨布纽斯式风力机是20世纪20年代发明的垂直轴风力机，它以发明者萨布纽斯Savonius的名字命名(S型风力机)。 20世纪30年代初，法国人Darrieus想出卷曲成形的立轴风轮。 1985年Darrieus风轮首先在加拿大达到了70m，功率4MW，1987年投入使用。,1.1.1 垂直轴风力机的历史,S型垂直轴风力机,FloWind 150kW，17m，美国,1976年，英国和美国的科学家研究发现，排列
3、叶片可以避免垂直轴风轮不能自启动的缺点，设计了H型排列的叶片。直的叶片能调整叶片角度，调节输出功率。,1.1.1 垂直轴风力机的历史,H型风轮,水平轴风力机起源可以追溯到12世纪。风力磨坊一般有四只转动的叶片， 1759年荷兰风力磨坊的效率提高到0.28。 后来在荷兰，通过增加旋转机头，改善对风装置，与旋转平面成90安装的侧轮能够自动进行风向跟踪。,棚架式风磨,荷兰风磨,多叶片风力机,1.1.2 水平轴风力机的历史,风能研究的先驱Charles F. Brush （1849-1929） Charles F. Brush是美国电力工业的奠基人之一。他发明了一种效率非常高的直流发电机应用于公共电网
4、，发明了第一个商业化电弧光灯，找到了一种高效的制造铅酸蓄电池的方法。他自己的公司Brush Electric位于俄亥俄州Cleveland市。1889年他卖掉了公司，1892年与爱迪生通用电气公司合并取名通用电气公司（GE）。,1.1.2 水平轴风力机的历史,1887-1888年冬，他安装了一台被现代人认为是第一台自动运行的且用于发电的风力机。它的单机容量为12千瓦，是个宠然大物叶轮直径是17米，有144个由雪松木制成的叶片。风力机运行了约20年，用来给他家地窑里的蓄电池充电。,位于俄亥俄州Cleveland市的 Brush风力发电机,1.1.2 水平轴风力机的历史,Poul la Cour（
5、1846-1908）也是现代风力发电机的先驱 现代空气动力学的鼻祖 建立第一个用于实验风力发电机的风洞 致力于能源储存的研究 发现了快速转动、叶片数少的风力机 创立了风电工人协会 创办了世界上第一个风力发电期刊,1.1.2 水平轴风力机的历史,二战期间，丹麦工程公司F.L.Smidth安装了一批两叶片和三叶片的风机，发的是直流电。 1956-1957年，Johannes Juul安装了世界上第一台200kW Gedser交流风力发电机。 20世纪80年代，Riisager的风力发电机尽可能地采用便宜的标准部件，在丹麦许多私人家庭中成为了成功的典范，,F.L.Smidth的两叶片风机和三叶片风机
6、,Gedser风力发电机,Riisager 风力发电机,1.1.2 水平轴风力机的历史,Twind 2MW风力发电机是最早的兆瓦级风力机。 Bonus 30kW风力发电机从1980年开始制造，是现在制造商早期模型的代表。,Twind 2MW风力发电机,Bonus 30kW风力发电机,1.1.2 水平轴风力机的历史,Risoe 丹麦里索国家实验室 最初是为风机鉴定而成立的，源于20世纪60年代丹麦政府支持的风电项目。 NREL美国可再生能源实验室 ECN荷兰能源研究中心 AWEA美国风能协会 EWEA欧洲风能协会 BWEA英国风能协会 CWEA中国风能协会,世界风力发电协会及研究机构有：,1.1
7、.2 水平轴风力机的历史,Nortank 55kW 风力发电机,80年代初期，美国通过国家颁布的免税政策，为风力发电机向电网送电提供了市场。 到1988年，丹麦的中、小型风力发电机占了世界市场的四分之三。 伟大的加利福尼亚风暴为现代风力发电工业发展的贡献功不可没。,美国加利福尼亚Palm Springs风电场,1.1.2 水平轴风力机的历史,20世纪90年代，300kW、450kW、600kW、750kW风力发电机成为主流机型。 开始商业化兆瓦级风电机组的研制。 出现海上风电场。 海上风能的应用前景非常好，对高人口密度和在陆地上很难找到合适安装地点的国家尤为如此。,丹麦洛兰岛Vindeby 风
8、电场,1.1.2 水平轴风力机的历史,Tuno Knob海上风电场,1995年，丹麦海岸的Tuno Knob海上风电场，拥有10台Vestas 500kW风力发电机。,1.1.2 水平轴风力机的历史,洛兰岛的Syltholm风电场,Middelgrunden风电场,1.1.2 水平轴风力机的历史,1998年，丹麦建成Syltholm风电场，是当时最大的陆地风电场，35台NEG Micon750kW风力机，总装机容量26.25MW。 2001年5月，丹麦建成Middelgrunden风电场，是当时最大的海上风电场，20台Bonus 2MW风力机，总装机容量40MW。,1.1.3 兆瓦级风力发电机
9、,风力发电机大型化，可以减少占地，降低并网成本和单位功率造价，有利于提高风能利用效率。 l997年以前MW级机组的市场份额还不到10%，2001年则超过一半，2002年达到62.1%。 2003年全球安装的风电机组平均单机容量达到1.2MW。,NEG Micon1500kW风机,Vestas 1.5MW风机,1.1.3 兆瓦级风力发电机,NEG Micon 2MW,Bonus 2MW风机,Nordex 2.5MW,NEG Micon 2MW，风轮直径72米，塔架68米 ，桨距调节。 Bonus 2MW，风轮直径为72米，塔架60米，主动失速。 Nordex 2.5MW，风轮直径80米，塔架80
10、米，桨距调节。,1.1.3 兆瓦级风力发电机,GE 3.6MW机型,Enercon 4.5MW,直到2004年9月，德国Enercon公司的直驱式风力机E-112一直是容量最大的，风轮直径112m，额定功率4.5 MW 。 2004底，7台GE 3.6MW的3.6sl机型在爱尔兰Arklow Bank offshore风场成功运行。,1.1.3 兆瓦级风力发电机,Vestas 4.5MW风机及机舱结构,Vestas在2005-2006推出专为海上风电场设计的V120 4.5MW，采用新型碳纤维叶片及智能控制系统，机舱和转子组件重只有210吨。,1.1.3 兆瓦级风力发电机,位于德国Brunsb
11、uettel 的REpower 5M,2004年9月，Repower安装了第一台最大单机容量的5M，并网发电。额定功率5MW，专门为海上风电场设计，风轮直径126米。 Multibrid是位于德国布莱梅港市的一家专门研究海洋风力发电机的科研公司，第一台试验发电机于2004年12月安装在近海的陆地上。,海上风机M5000,1.1.4 商业化主流机型及参数,1.5MW级典型的陆地风力发电机参数,1.1.4 商业化主流机型及参数,1.1.4 商业化主流机型及参数,2.5MW级（陆地/海上）典型风力发电机参数,2.5MW级（陆地/海上）典型风力发电机参数,1.1.4 商业化主流机型及参数,1.1.4
12、商业化主流机型及参数,5MW级海上典型风力发电机参数,1.1 风力发电的历史变迁 1.2 世界风力发电现状与未来 全球风电装机容量（2011年底） 国际风电制造厂商 全球风电产业技术现状 1.3 中国风力发电现状与未来,学 习 内 容,1.2.1 全球风电装机容量,根据2011年全球风电市场的增长情况，WWEA（世界风能协会）预计全球装机容量2015年将达到600 000 MW，2020年将超过1 500 000 MW。,GWEC：2011年全球风电新增装机容量40 564MW,2011年底全球风电总装机容量237 669 MW,1.2.1 全球风电装机容量,2011年，新增装机容量增长率从2
13、006年的23.6%下降至20.3%。迄今为止，全球风电已经达到年发电量500TW.h，占全球发电量的5%。,WWEA统计2011年前10位国家的风电装机容量数据,1.2.1 全球风电装机容量,部分国家装机容量统计,中国总装机容量继2010年后继续保持世界第一，增长率达到39.4%。虽然美国（新增6 810 MW）和德国（新增 2 007 MW）继续保持了市场较领先的地位，但这两个国家的风电装机容量增长率并不高。,1.2.1 全球风电装机容量,全球风电装机容量增长率,装机容量增长率是反映风电市场活力的一个重要指标。 1999-2004年，风电增长率持续走低 2004年之后，风电装机增长率开始平
14、稳上升，到2009年达到32.1%。 从2009-2011年，风电增长率有较大幅度的下降。,1.2.1 全球风电装机容量,全球风电产业从探索阶段逐渐走向成熟，风电设备制造商逐步显现出国际化、大型化和一体化发展的趋势。全球十大风电设备制造商累积占有了全球市场82.5%的份额，前4家风电设备制造商掌控了全球45%的风电市场份额。,1.2.2 国际风电制造厂商,2011年全球十大风电设备制造商,丹麦企业Vestas蝉联冠军宝座，市场份额达14.8%。美国GE风电第3-9.6%，德国Enercon第5-7.2%，印度苏斯兰第6-6.9%，西班牙Gamesa第8-6.6%，西门子第9-5.9%。,1.2
15、.2 国际风电制造厂商,Vestas Gamesa GE Wind Enercon,Suzlon Siemens Repower Goldwind,1.2.3 全球风电产业技术现状,风力发电机组单机容量持续稳步上升 近年来，世界风电市场中风电朵组的单机容量持续增大，随着单机容量不断增大和利用效率提高，世界上主流机型已经从2000年的500-1000kW增加到2009年的23MW。 海上风电场的开发进一步加快了大容量风电机组的发展，2008年底世界上已运行的最大风电机组单机容量已达到6MW，风轮直径达到127m。目前，已经开始810MW风电机组的设计和制造。 变桨距功率调节方式迅速取代失速功率调
16、节方式 由于变桨距功率调节方式具有轻便、安全和发电量多的优点，近年在风电机组特别是大型风电机组上得到广泛采用。2009年，全球安装的机组中，95%风电机组采用变桨距调节方式，而且比例还在上升。我国2009年安装的MW级风电机组中，全部是变桨距机组。,1.2.3 全球风电产业技术现状,双馈异步发电技术仍占主导地位 以丹麦Vestas公司的V80、V90为代表的双馈异步风电机组，在国际风电市场中所占的份额最大。德国Repower公司利用该技术开发的机组单机容量已经达到5MW。西门子、Nordex、Gamesa、GE和Suzlon都在生产双馈异步风电机组，2009年新增风电机组中，双馈风电机组仍然占80%以上。目前欧洲正在开发10MW的双馈异步风电机组。 直驱式、全功率变流技术得到迅速发展 采用无齿轮箱系统的德国Enercon在2009年仍然是德国、葡萄牙风电产业的第一大供应商和印度风电产业的第二大供应商。西门子公司已经在丹麦的西部安装了两台3.6MW的直驱式风电机且，其它主要制造企业也在积极开发研制直驱风电机组。我国新疆金风科技有限公司生产的1.
