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1、第十一讲 风能及其利用,内 容,一、风能的概念 二、世界风能的发展历史 三、世界风力发电现状 四、我国风力发电现状 五、风力发电设备 六、风力发电产业介绍,一、风能的概念,1、风的形成,太阳辐射造成地球表面受热不均，引起大气层中压力分布不均，在不均压力作用下，空气沿水平方向运动就形成风。,风是一个矢量，既有大小又有 方向。,描述风况的两个参数：风向、 风速,地球表面风的形成和风向,山谷风,海陆风,季 风: 随季节转换的风,谷风：由于热力原因引起的白天由谷地吹向平原或山坡,山风：夜间由平原或山坡吹向谷地,陆风：晚上陆风吹向海上,海风：在沿海地区，白天由于陆地与海洋的温度差而 形成海风吹向陆地,2
2、、风的特性,(1) 风随时间的变化,风的日变化,地面上是夜间风弱，白天风强；高空中却是夜里风强，白天风弱。在沿海地区，白天产生海风，夜晚产生陆风。,风的季节变化,由于在不同的季节，太阳和地球的相对位置不同，使地球上存在季节性温度变化，因此，风也会产生季节性变化规律。,季节性变化,(2) 风的随机性变化,日变化,典型的不同地点的风速日变化曲线,紊流,紊流主要是由于气流与地面的摩擦而产生的。,8min内风速风向随时间的瞬时变化过程,3. 风速的描述,4. 风能资源,地球风能约为2.74109MW 可利用风能为2107MW，是地球水能的十倍 只要利用上地球1%的风能就能满足全球能源的需要 降低成本，
3、提高产出，是普及风能发电必须克服的障碍,风能密度 通过截面积的风所含的能量，常以W/m2表示。 风能密度与空气密度有直接关系 一般，海边地势地，气压高，空气密度大，风能密度就高。高山气压低，空气稀薄，风能密度就小些。 如果高山风速大、气温低仍有相当大的风能潜力。,我国探明风能理论储量为32.26亿KW 可发利用为2.53亿KW，近海可利用风能7.5亿KW 东南沿海是最大风能资源区，风能密度为200W/M2300W/M2 大于6m/s的风速时间，全年3000h以上就可取得较大经济利润效益,风能资源丰富的地区主要分布在西北、华北和东北的草原和戈壁，以及东部和东南沿海及岛屿 西部地区的风能资源占全国
4、风能资源的50%以上 甘肃省实际可开发的风能储量为1143万kW 青海省为2421万kW 新疆维吾尔自治区为3433万kW 内蒙古自治区为6178万kW。 云南省和西藏自治区也有很多地区可以利用风能。,中国有效风能密度分布,我国风能资源区划 风能丰富区 东南沿海、山东半岛、辽东半岛 三北地区 松花江下游区 风能较丰富区 东南沿海内陆和渤海沿海区 三北的南部区 青藏高原 风能可利用区 两广沿海区 大小兴安岭地区 中部地区 风能贫乏区 川云贵和南岭山地区 雅鲁藏布江和昌都区 塔里木盆地西部区,二、世界风能的发展历史,人类开发利用风能的历史 风帆助航、风力发电、风车提水,风电路灯,微型风力发电机,风
5、车,12世纪风车从中东传入欧洲。 16世纪，荷兰人利用风车排水、与海争地，在低洼的海滩上建国立业。 在蒸汽机出现之前，风力机械是动力机械的一大支柱，但因竞争不过蒸汽机、内燃机等而被淘汰。 19 世纪丹麦人首先研制了风力发电机。 1891年，丹麦建成世界第一座风力发电站。 20世纪70年代后，风力发电蓬勃发展。 21世纪中叶，风能成为世界能源供应的支柱之一。,1. 欧洲利用风能的历史,3000年前的商代：开始出现帆船 唐代：“乘风破浪会有时，直挂云帆济沧海” 明代：郑和下西洋 明代后：宋应星天工开物有：“扬郡以风帆数扇，俟风转车，风息则止” 方以智著的物理小识有：“用风帆六幅，车水灌田，淮阳海皆
6、为之” 中国沿海沿江地区的风帆船和用风力提水灌溉或制盐的做法，一直延续到20世纪50年代,2. 我国利用风能的历史,3. 积极开发风能的国家,风能开发积极的国家主要有两类 第一类是德、美等欧美国家，为保护环境降低二氧化碳排放量，在考虑环境成本的基础上，愿意花钱利用风能 第二类是发展中国家，如印度、中国等，主要是因为缺电，愿意利用风能。但这类市场有赖于政府支持,中国风能发展需要制度创新 中国风力资源丰富，但风电发展落后 原因：缺乏透明、完整、可持续、有效力的风能政策和法律制度 国家发改委制定的可再生能源中长期发展规划指出：到2020年中国风电装机容量将达到2000万瓦，要实现这一目标需要制度创新
7、,2019/9/18,20,三、世界风电发展状况,世界风力发电持续快速发展 根据世界风能协会（WWEA）统计，1996年世界风电总装机容量为607万KW，2007年为9385万千瓦，2008年达到1.2亿千瓦。08年世界当年风电装机为2705万千瓦，增速达到28.8。 2008年世界风力发电机组市场规模达到475亿美元。 2008年底全球1.2亿千瓦的风电总装机容量，意味着每年发电260TWh，可以减少二氧化碳排放1.58亿吨。,2019/9/18,21,1997年到2008年世界风力发电装机,2019/9/18,22,2003-2008年世界风力发电装机容量前十位国家,2019/9/18,2
8、3,2009-2030年世界风电装机预测,2019/9/18,24,2008年世界排名前十位的整机制造商,美国世界上风力机装机容量最多的国家，超过2X104MW，每年还以10的速度增长 瑞典、荷兰、英国、丹麦、德国、日本、西班牙，制定了相应的风力发电计划 风力发电技术日趋受到世界各国的普遍重视。目前全世界风电装机容量达到490万千瓦，而且还在以年均60的速度增长，反映了当今国际电力发展的一个新动向。,预计年风电将进入每个欧洲家庭,在整个欧洲创造300万个工作机会 重振衰退的工业和不景气的行业 创造几百万欧元的新能源市场 使欧洲走上使用完全清洁能源供应系统之路，即安全、可靠和环境可持续发展 提供
9、比煤电和核电更廉价的能源,大型风力发电场,2019/9/18,28,Multibrid M5000 风力发电机组,2019/9/18,29,Repower 5MW风力发电机组,新S型垂直轴风力发电机,新S型垂直轴风力发电机,风筝风力发电机,风筝风力发电机,渔民船上的微型风力发电机,小型风电机组,风电路灯,农田里的风机组,2019/9/18,38,海上风力发电快速发展,发展海上风电是国际上风电发展的一个方向。目前，海上风电技术日趋成熟，并开始进入规模化开发阶段。 至2006年止，世界海上风电总装机容量已达80万千瓦，主要集中在丹麦和英国。欧洲在开发海上风能方面依然走在世界前列。 据专家预计，到2
10、010年和2020年，欧洲海上风电总装机容量将分别达到1000万千瓦和7000万千瓦。,2019/9/18,39,1.5MW叶片海上风场运行,2007年11月8日，由中海油投资的第一台海上风力发电机组安装运行，其中主机采用金风科技公司研发的1.5MW永磁直驱风力发电机组，叶片为HT34型叶片。,海上发电,2019/9/18,41,海上风力发电快速发展,2019/9/18,42,丹麦海滩风电场建设,海上风电场,2019/9/18,43,海上风电场,2019/9/18,44,海上风电场,四. 我国风力发电现状,1. 我国风力发电现状,（1）发展迅速，建设规模不断扩大,我国的风力发电始于20世纪50
11、年代后期 1986年，在山东荣城建成了我国第一座并网运行的风电场 到1990年已建成4座并网型风电场，总装机容量为4.215MW，其最大单机容量为200kW。 到1995年，全国共建成了5座并网型风电场，装机总容量为36.1MW，最大单机容量为500kW。 1996年后，风力发电进入了扩大建设规模的阶段，最大单机容量为1500kW。 据中国风能协会最新统计，2007年中国除台湾省外新增风电机组3,144 台。2007年中国除台湾省外累计风电机组6,458台，装机容量5,890MW。,2019/9/18,48,中国风力发电快速发展,2019/9/18,49,新疆达板城风电场,2019/9/18,
12、50,广东南澳风电场,2019/9/18,51,承德风电场,2019/9/18,52,风电场图片（内蒙辉腾西勒）,2019/9/18,53,中国风电市场将持续高速发展,根据国家能源局最新规划，2020年全国风力发电装机将达到1亿千瓦。 从2009年到2020年国内新增风电装机容量平均每年将达到740万千瓦，投入风电场的资金将达到660亿元740亿元，其中风机设备将达到444亿元。 国家能源局已规划将在6个地区建设千万千瓦级的风电场： 甘肃酒泉1100万千瓦； 新疆哈密2000万千瓦； 内蒙西部2000万千瓦； 内蒙东部3000万千瓦； 河北1000万千瓦； 江苏1000万千瓦（含700万海上风
13、场）,（2） 国家及政府有关部门重视和支持风力发电,为了支持风力发电，原电力部制定了风力发电场运行规程电力行业标准，明确了风电上网及电价确定的原则,（3）专业队伍和国产化水平逐渐提高,自20世纪70年代中、后期开始，我国真正进入了现代风力发电技术的研究和开发阶段。同时也取得了明显的社会效益和经济效益，主要解决了边远无电地区的农、牧、渔民的用电问题。,经过多年的实践，培养了一批专业的风电设计、开发建设和运行管理队伍，为今后大规模发展风电创造了良好的条件。大型风电机组的制造技术我国已基本掌握，主要零部件国内都能自行制造，如发电机、齿轮箱和叶片等。,2. 我国风力发电存在的问题,（1） 对风能资源勘
14、察不够全面,我国现有的风资源分布图很粗，无法满足现在风电场选址的要求，迫切需要进一步细化。,（2） 风电设备和制造技术落后,我国风电建设远远落后于世界发展的主要原因是，没有加大力度依靠国内雄厚的机电制造业基础，吸收引进国外先进技术对风电成套设备进行自主开发。,（3） 风电成本高,国内已经建成的微不足道的风电容量几乎全部为进口的成套设备，导致风电场投资高、电价高，与火电、水电比，缺乏市场竞争能力。,（4） 政策扶持力度不够,风电开发前期投入巨大，而国内的风电项目缺乏正常的投融资渠道。 由于长期给予风电的实际关注力度不够，缺少对风电扶持的长期具体措施，与国外政府的扶持政策和取得的成效相比，存在着很
15、大的差距。,3. 风力发电前景的建议,（1） 做好风能资源的勘察,风资源的测定是发挥风电作用的前提基础，因此将来应该在这方面增大投入，对我国实际的风资源在总体上有细致准确的了解，为政府和风电的决策者合理地规划风电提供正确的指导。,（2） 提高风电机组的制造技术,要提高我国风力发电应用的技术水平，需要不断增进与发达国家的交流，学习其先进技术，只有清楚彼此差距，才能不断提升我国的风电技术水平。 提高风电技术也是降低风电成本和上网电价的关键所在。,（3） 依托政策发展风电,政策法规的出台为风力发电的发展提供了制度上的支持，在具体的措施和规则上还要细化、规范、便于操作，使风电的发展稳步，快速的发展起来
16、。,五、风力发电设备,一、机 舱,机舱座上覆盖有机舱罩，材料是玻璃钢，具有轻质高强的特点，有效地密封，以防止外界侵蚀，如雨、潮湿、盐雾、风砂等。 机舱上安装有散热器，用于齿轮箱和发电机的冷却；同时，在机舱内还安装有加热器，使得风电机组在冬季寒冷的环境下，机舱内保持在10以上的温度。,二、叶 片,叶片结构选用材料,主要材料由玻璃纤维增强塑料（GRP）、碳纤维增强塑料（CFRP）、木材、钢和铝等； 对于大型风电机组来说，主要考虑叶片刚度、固有特性和经济性，目前世界上绝大多数叶片都采用复合材料制造 ，即GRP或CFRP。主要优点是轻质高强、易成型、抗腐蚀、维修方便等。,复合材料叶片成型工艺,目前国际上多采用玻璃纤维增强塑料，成型工艺有手工湿法成型、真空辅助注胶成型和手工预浸布铺层等。 碳纤维复合材料强度高、重量轻，但是其价格昂贵，经济性差，一般在2MW米以上机组的叶片中使用，2MW以下的机组叶片使用很少。,叶片剖面结构,LM 叶片,Vastas 叶片,三、主轴/主轴承座/轴承,主轴的作用在于将转子叶片上的旋转力矩传到齿轮箱上
