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风力
发电
风力发电


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简介

风力发电是指把风的动能转为电能。风能是一种清洁无公害的的可再生能源能源,很早就被人们利用,主要是通过风车来抽水、磨面等,而现在,人们感兴趣的是如何利用风来发电。 利用风力发电非常环保,且风能蕴量巨大,因此日益受到世界各国的重视。

资源

我国风能资源丰富,可开发利用的风能储量约10亿kW,其中,陆地上风能储量约2.53亿kW(陆地上离地10m高度资料计算),海上可开发和利用的风能储量约7.5亿kW,共计10亿kW。而2003年底全国电力装机约5.67亿kW。 风是没有公害的能源之一。而且它取之不尽,用之不竭。对于缺水、缺燃料和交通不便的沿海岛屿、草原牧区、山区和高原地带,因地制宜地利用风力发电,非常适合,大有可为。海上风电是可再生能源发展的重要领域,是推动风电技术进步和产业升级的重要力量,是促进能源结构调整的重要措施。我国海上风能资源丰富,加快海上风电项目建设,对于促进沿海地区治理大气雾霾、调整能源结构和转变经济发展方式具有重要意义。 国家能源局2015年9月21日发布数据显示,到2015年7月底,纳入海上风电开发建设方案的项目已建成投产2个、装机容量6.1万千瓦,核准在建9个、装机容量170.2万千瓦,核准待建6个,装机容量154万千瓦。这与2014年末国家能源局《全国海上风电开发建设方案(2014-2016)》规划的总装机容量1053万千瓦的44个项目相距甚远。为此,国家能源局要求,进一步做好海上风电开发建设工作,加快推动海上风电发展。

利用

风是一种潜力很大的新能源,十八世纪初,横扫英法两国的一次狂暴大风,吹毁了四百座风力磨坊、八百座房屋、一百座教堂、四百多条帆船,并有数千人受到伤害,二十五万株大树连根拔起。仅就拔树一事而论,风在数秒钟内就发出了一千万马力(即750万千瓦;一马力等于0.75千瓦)的功率!有人估计过,地球上可用来发电的风力资源约有100亿千瓦,几乎是现在全世界水力发电量的10倍。目前全世界每年燃烧煤所获得的能量,只有风力在一年内所提供能量的三分之一。因此,国内外都很重视利用风力来发电,开发新能源。 利用风力发电的尝试,早在二十世纪初就已经开始了。三十年代,丹麦、瑞典、苏联和美国应用航空工业的旋翼技术,成功地研制了一些小型风力发电装置。这种小型风力发电机,广泛在多风的海岛和偏僻的乡村使用,它所获得的电力成本比小型内燃机的发电成本低得多。不过,当时的发电量较低,大都在5千瓦以下。 目前,据了解,国外已生产出15,40,45,100,225千瓦的风力发电机了。1978年1月,美国在新墨西哥州的克莱顿镇建成的200千瓦风力发电机,其叶片直径为38米,发电量足够60户居民用电。而1978年初夏,在丹麦日德兰半岛西海岸投入运行的风力发电装置,其发电量则达2000千瓦,风车高57米,所发电量的75%送入电网,其余供给附近的一所学校用。 1979年上半年,美国在北卡罗来纳州的蓝岭山,又建成了一座世界上最大的发电用的风车。这个风车有十层楼高,风车钢叶片的直径60米;叶片安装在一个塔型建筑物上,因此风车可自由转动并从任何一个方向获得电力;风力时速在38公里以上时,发电能力也可达2000千瓦。由于这个丘陵地区的平均风力时速只有29公里,因此风车不能全部运动。据估计,即使全年只有一半时间运转,它就能够满足北卡罗来纳州七个县1%到2%的用电需要。

评判标准

寿命

易用性

生产流程

风电场选址

根据风能公式【E=1/2 ρVW3 ACP】,增加风轮扫掠面积 A 和提高来流风速 VW 都可增大所获风能。加长叶片可增大扫掠面积,但却带来设计与制造的复杂性,降低了经济效益。选择含能高的风电场提高来流风速 VW 是经济可行的。

选址一般分预选和定点两个步骤。

预选

预选是从 10 × 104 km2 的大面积上进行分析,筛选出 1 × 104 km2 较合适的中尺寸区域,再进行考察选出 100 km2 的小尺寸区域,该区域满足在经验上看是可以利用的,且有一定的可用面积。然后收集气象资料,并设立数个点观测风速。

定点

定点是在风速资料观测的基础上进行风能潜力的估计,作出可行性的评价,最后确定风力机的最佳布局。

技术要求

大面积分析时,首先应粗略按可以形成较大风速的天气气候背景和气流具有加速效应的有利地形的地区,再按地形、电网、交通、技术、环境、人员生活等特征综合调查。选址时优先考虑以下地区:

  1. 风能资源丰富区
  2. 容量系数较大地区
  3. 风向稳定地区
  4. 风速年变化较小地区
  5. 气象灾害较少地区
  6. 湍流强大小地区

对于短期现场的风速观测资料,应修正到长期风速资料,因为在观测的年份,可能是大风年或小风年,若不修正,则风能估计有可能产生偏差。修正方法采用以经验正交函数展开为基础的多元回归方法。

风力机设计建造

风力机设计

包括:

  • 叶片、轮毂
  • 塔架
  • 齿轮箱
  • 刹车机构
  • 电器系统
  • 发电系统
  • 机舱
  • 调向装置
  • 弹性系统

试验、验收

所有试验目的是为了验证设计的正确性、可靠性和制造工艺的合理性。为设计和制造工艺的完善和改进,提供可靠依据。试验结果作为产品定型的审查文件。试验仪器、仪表及量具,应满足测量精度要求。包括:

  • 气动性能试验:验证风轮叶片在各种工况下的气动性能。
  • 叶尖气动刹车机构功能试验:验证刹车功能。
  • 固有特性试验:测量叶片的固有频率,为叶片动力分析、振动控制提供依据。
  • 静力试验:验证叶片的静强度储备,为校验强度、刚度计算方法提供依据。
  • 疲劳试验:暴露叶片的疲劳薄弱部位,验证设计的可靠性、工艺的合理性。
  • 解剖试验:确定复合材料叶片各部位的材料特性,检查工艺与设计质量。
  • 雷击试验:考核叶片防雷击保护系统的性能。

种类

风力机

风力机是将风能转换为机械能的一种动力机械,广义地说,风力机是以太阳为热源、以大气为工质的热能转换的叶片式发动机。

风车就是最早的一种风力机械,最早出现在波斯。

风力机按风轮结构和其在气流中的位置,大体可分为两大类:水平轴式风力机和垂直轴式风力机。

水平轴式风力机

垂直轴式风力机

风力机用于发电的设想,最早始于 19 世纪末。1887 年,美国人Brush建造了第一台发电用风力机。到 1918 年,丹麦已拥有风力发电机 120 台,额定功率为 5 ~ 25 kW不等。

第一次世界大战后,飞机螺旋桨技术和近代气体动力学理论,为风轮叶片的设计创造了条件,出现了现代高速风力机。第二次世界大战前后,欧洲国家和美国相继建造了一批大型风力发电机。1941 年,美国建造了一台双叶片、风轮直径达 53.3m 的风力发电机,风速 13.4m/s 时,输出功率达 1250kW。

1957 年,Juul建造的风机,已初具现代风机雏形,风机由一个发电机和三个旋转叶片组成。

20 世纪 80 年代美国成功开发了 100kW、200kW、2000kW、2500kW、6200kW、7200kW 6种系列风力发电机组。

近年来,全球海上风电装机容量稳步提升,比较发达的丹麦、英国、德国等国家,在能源、审批、财政等方面,出台了一整套政策体系支持海上风电发展。目前世界上已经有10个国家具有海上装机,包括丹麦、英国、瑞典、德国、爱尔兰、荷兰、中国、日本和比利时等。

结构

本体

辅助设备

生产线分工

生产设计

需求分析

目标界定

总体结构设计

详细结构设计

参数设计

设计实施

原材料

主料

辅料

可选原料

资产与负债

资产

固定资产

非固定资产

负债

库存

设计和规划

位置与环境

投资与评估

规模与功能

风格与形式

成本

税费

金融成本

原材料成本

房租成本

能耗成本

人工成本

设备折旧

收益管理

消费曲线

时间分布

空间分布

目标群体

容量控制

风险控制

市场

国内市场

据国家能源局 4 月 29 日发布「 2019 年一季度风电并网运行情况」显示,2019 年 1~3 月,全国新增风电装机容量 478 万千瓦,其中海上风电 12 万千瓦,累计并网装机容量达到 1.89 亿千瓦。2019 年 1~3 月,全国风电发电量 1041 亿千瓦时,同比增长 6.3 %;全国平均风电利用小时数 556 小时,同比下降 37 小时。

省(区、市) 累计并网容量/万千瓦 发电量/亿千瓦时 弃风电量/亿千瓦时 弃风率 利用小时数
合 计 18888 1041 43.5 4.0% 556
北 京 19 1.3 683
天 津 52 3.0 578
河 北 1439 89.6 4.8 5.1% 631
山 西 1073 59.5 1.0 1.6% 555
内蒙古 2879 172.9 13.0 7.4% 602
辽 宁 784 47.8 0.4 0.7% 614
吉 林 514 30.8 1.4 4.3% 599
黑龙江 600 40.7 1.1 2.6% 678
上 海 71 4.2 546
江 苏 886 43.5 516
浙 江 154 8.2 542
安 徽 252 11.0 438
福 建 310 22.0 719
江 西 241 13.1 560
山 东 1160 54.1 0.2 0.4% 470
河 南 534 18.9 363
湖 北 366 14.8 411
湖 南 366 20.2 562
广 东 391 19.1 489
广 西 236 17.1 753
海 南 29 1.1 374
重 庆 50 1.8 370
四 川 264 28.2 1048
贵 州 399 24.1 0.3 1.3% 627
云 南 858 92.7 0.3 0.3% 1078
西 藏 0.8 0.1 894
陕 西 440 18.5 0.4 2.1% 445
甘 肃 1282 52.0 5.5 9.5% 402
青 海 332 13.6 0.2 1.2% 412
宁 夏 1011 41.3 1.3 3.1% 408
新 疆 1896 76.4 13.7 15.2% 403

备注:并网容量、发电量、利用小时数来源于中电联;弃风电量、弃风率来源于国家可再生能源中心、相关电网企业。数据为空白的表示不存在弃风现象。

国际市场

截止到 2014 年,全球开发的风电装机容量为 3.7 亿千瓦。其中,中国 1.15 亿千瓦,位居世界第一;美国 6590 万千瓦,位居第二;德国 3920 万千瓦,位居第三;西班牙 2300 万千瓦,位居第四;第五至第十位依次是印度、英国、加拿大、法国、意大利和巴西。

截止 2014 年,全球风电整机制造商按市场份额排名前十名中,第一是丹麦维斯塔斯,其次是德国西门子、美国通用电气(GE)、中国金风科技、德国Enercon、印度Suzlon、中国国电联合动力、西班牙歌美飒、中国明阳和中国远景能源。其中,德国西门子在海上风电市场中处于绝对领先地位。上海电气在国内 海上风力发电领域处于领先地位。

机构

国家能源局

中电联

上海电气

标准

风力发电装置国家和国际标准

序号 标准号 中文名称 备注
1 GB/T 19960.2—2005 风力发电机组 第 2 部分:通用试验方法
2 GB/T 19960.1—2005 风力发电机组 第 1 部分:通用技术条件
3 GB/T 19115.2—2018 风光互补发电系统 第 2 部分:试验方法
4 GB/T 19115.1—2018 风光互补发电系统 第 1 部分:技术条件
5 GB/T 19073—2018 风力发电机组 齿轮箱设计要求 涉及版权保护问题暂不提供在线阅读
6 GB/T 19072—2010 风力发电机组 塔架
7 GB/T 19071.2—2018 风力发电机组 异步发电机 第 2 部分:试验方法
8 GB/T 19071.1—2018 风力发电机组 异步发电机 第 1 部分:技术条件
9 GB/T 19070—2017 失速型风力发电机组 控制系统 试验方法
10 GB/T 19069—2017 失速型风力发电机组 控制系统 技术条件
11 GB/T 19068.3—2003 离网型风力发电机组 第 3 部分:风洞试验方法 与另两部分不同,该部分尚未公布更新版本
12 GB/T 19068.2—2017 小型风力发电机组 第 2 部分:试验方法
13 GB/T 19068.1—2017 小型风力发电机组 第 1 部分:技术条件
14 GB/T 18710—2002 风电场风能资源评估方法 涉及版权保护问题暂不提供在线阅读
15 GB/T 18709—2002 风电场风能资源测量方法
16 GB/T 18451.2—2012 风力发电机组 功率特性测试 涉及版权保护问题暂不提供在线阅读
17 GB/T 18451.1—2012 风力发电机组 设计要求 涉及版权保护问题暂不提供在线阅读
18 GB/T 17646—2017 小型风力发电机组 涉及版权保护问题暂不提供在线阅读
19 GB/T 16437—1996 小型风力发电机组结构安全要求 检索未找到
20 GB/T 13981—2009 小型风力机设计通用要求
21 GB/T 10760.2—2017 小型风力发电机组用发电机 第 2 部分:试验方法
22 GB/T 10760.1—2017 小型风力发电机组用发电机 第 1 部分:技术条件
23 GB/T 8116—1987 风力发电机组 型式与基本参数 废止于 2004-10-14
24 GB/T 2900.53—2001 电工术语 风力发电机组 涉及版权保护问题暂不提供在线阅读
25 DL/T 5067—1996 风力发电场项目可行性研究报告编制规程
26 DL/T 797—2001 风力发电场检修规程
27 DL/T 666—1999 风力发电场运行规程
28 JB/T 10194—2000 风力发电机组风轮叶片
29 JB/T 10137—1999 提水和发电用小型风力机 试验方法
30 JB/T 10300—2001 风力发电机组 设计要求 检索未找到
31 JB/T 9740.4—1999 低速风力机 安装规范
32 JB/T 9740.3—1999 低速风力机 技术条件
33 JB/T 9740.2—1999 低速风力机 型式与基本参数
34 JB/T 9740.1—1999 低速风力机 系列
35 JB/T 7879—1999 风力机械 产品型号编制规则
36 JB/T 7878—1995 风力机 术语
37 JB/T 7323—1994 风力发电机组 试验方法
38 JB/T 7143.2—1993 离网型风力发电机组用逆变器 试验方法
39 JB/T 7143.1—1993 离网型风力发电机组用逆变器 技术条件
40 JB/T 6941—1993 风力提水用拉杆泵 技术条件
41 JB/T 6939.2—2004 离网型风力发电机组用控制器 第 2 部分:试验方法
42 JB/T 6939.1—2004 离网型风力发电机组用控制器 第 1 部分:技术条件
43 IEC 61400-1:2019 RLV 风能发电系统: 设计要求
44 IEC 61400-2:2013 风力发电机: 小型风力发电机
45 IEC 61400-3-1:2019 风能发电系统: 固定式海上风力发电机设计要求
46 IEC TS 61400-3-2:2019 风能发电系统: 浮式海上风力发电机设计要求
47 IEC 61400-4:2012 风力发电机: 风力发电机齿轮箱设计要求
48 IEC 61400-11:2012+AMD1:2018 CSV 风力发电机: 噪声测量技术
49 IEC 61400-12-1:2017 RLV 风能发电系统: 风力发电机性能评估
50 IEC 61400-12-2:2013 风力发电机: 基于机舱风速仪的风力发电机性能评估
51 IEC 61400-13:2015 风力发电机: 机械负载的测量
52 IEC TS 61400-14:2005 风力发电机: 噪音声明
53 IEC 61400-21:2008 风力发电机: 风力发电机并网电能质量特性的测量与评估
54 IEC 61400-23:2014 风力发电机: 叶片全尺寸结构测试
55 IEC 61400-24:2010 风力发电机: 防雷电保护
56 IEC 61400-25-1:2017 风能发电系统: 风力发电机监控信息 - 原理和模型
57 IEC 61400-25-2:2015 风力发电机: 风力发电机监控信息 - 信息模型
58 IEC 61400-25-3:2015 RLV 风力发电机: 风力发电机监控信息 - 信息交换模型
59 IEC 61400-25-4:2016 RLV 风能发电系统: 风力发电机监控信息 - 通信设置
60 IEC 61400-25-5:2017 风能发电系统: 风力发电机监控信息 - 合规性测试
61 IEC 61400-25-6:2016 风能发电系统: 风力发电机监控信息 - 用于状态监控的逻辑节点和数据
62 IEC TS 61400-26-1:2011 风力发电机: 风力发电系统基于时间的可用性
63 IEC TS 61400-26-2:2014 风力发电机: 风力发电机基于生产的可用性
64 IEC TS 61400-26-3:2016 风能发电系统: 风力发电站的可用性
65 IEC 61400-27-1:2015 风力发电机: 电气仿真模型 - 风力发电机
66 IEC/IEEE 60076-16:2018 RLV 变压器: 风力发电机机用变压器
67 ASTM E1240—88 风能转换系统性能的测试方法 废止于 2001 年
68 ASME/ANSI PTC 42—1988 风力机性能试验规程 该标准不再是美国国家标准或ASME认可的标准
69 ANSI/IEEE 1021—1988 小型风能转换系统与公用电网互联的推荐规范 已撤销

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