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1、风电基础知识,明向军编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,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
2、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
3、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1
4、2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 占风资源的约7080,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
5、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,Principal layout of offshore wind turbines, their collection and transmission (C&T) systems for intercon
6、nection to mains, i.e., for fungible power to the AC network and trading,近海风电技术：风力发电机组Vestas 3MW,2005年Kentish Flat海上风电场安装30台vestas 3MW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,风电系统发电的度电成本模型（不考虑环境效益）,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/
7、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/kWh,风电场建设项目上网电价分析,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）
8、。风机单位千瓦价格：国内 45005000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。,目前的风电成本可控制在0.6元/度以下。,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
9、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,Repower 2MW 风机,“金风S43/600”含义：金风（goldwind) 公司品牌Sstall ，即失速控制43叶轮的直径为 43m600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。
10、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,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：CPmax0.4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
11、 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,750KW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）,1200KW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,GoldWind 62/1200 技术参数,叶轮直径62 m扫风面积 3019 m
12、2转速范围 10 20 RPM1叶片数量 3叶片类型 LM 29.1 P 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 69 m,运行数据切入风速3 m/s额度风速 12 m/s 切出风速25 m/s抗最大风速59,5 m/s,电机 类型多极永磁同步发电机 结构直接驱动 额定功率 1200 kW 额定电压 Y690V 绝缘等级 F,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,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1
13、980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,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,Cost of Energy,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22.25 rpm, 叶尖速则为5
14、8m/s ,因此齿轮箱的增速比 就为 1500/22.25 =67.4,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，荷载传递函数、整机动态模拟及传动链优化设计部件的疲劳设计 （这里涉及一个基础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）还有对各种不利的载荷工况的认识，参阅IEC、GL等标准。最终为减轻风机的整体重量，获得最低的度电成本（COE）,
