1、天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電工電能新技術(shù)講座（論文）題目：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)班 級(jí) 電氣1003姓 名學(xué) 號(hào)指導(dǎo)教師論文成績(jī)2013年04月22日摘要風(fēng)能是自然產(chǎn)生的取之不盡、用之不不竭而又不會(huì)產(chǎn)生任何污染的可再生資源。 它因空氣流動(dòng)做功而提供給人類的一種可利用的能量，因此被人們廣泛應(yīng)用。由于科學(xué)水平的進(jìn)步，和風(fēng)能自身清潔、環(huán)保的特點(diǎn)，風(fēng)能被應(yīng)用到發(fā)電行業(yè)。早在很久以前它就被人們稱為“藍(lán)天白煤”。人類對(duì)于風(fēng)能的利用始于很久以前，最早可追溯到公元前3000 年，可以說人類對(duì)于風(fēng)能的利用與關(guān)注從那時(shí)就開始了，而真正將風(fēng)能用于發(fā)電是在19 世紀(jì)。丹麥建成了世界上第一個(gè)風(fēng)力發(fā)電裝置。但在其后的一段時(shí)間

2、，世界處在對(duì)煤、石油的開采的滿足下，加上技術(shù)的不成熟，風(fēng)能發(fā)電并沒有得到及時(shí)的發(fā)展。風(fēng)能是太陽(yáng)能的一種轉(zhuǎn)換形式，是一種重要的自然能源。太陽(yáng)照射到地球表面，地球表面各處受熱不同，產(chǎn)生溫差，從而引起大氣的對(duì)流運(yùn)動(dòng)形成風(fēng)。據(jù)估計(jì)到達(dá)地球的太陽(yáng)能中雖然只有大約2%轉(zhuǎn)化為風(fēng)能，但其總量仍是十分可觀的。全球的風(fēng)能約為2.74 X109MWV其中可利用的風(fēng)能為2X107MW；比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10 倍。風(fēng)能作為一種無污染、可再生的綠色能源，它對(duì)于解決全球性的能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)有著重要的意義。因此， 風(fēng)力發(fā)電成為各國(guó)學(xué)者研究的重點(diǎn)。目前， 國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)大型風(fēng)力發(fā)電的研究已日趨成熟，但對(duì)于實(shí)驗(yàn)室風(fēng)

3、力發(fā)電機(jī)的研制還是比較欠缺的。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是擬設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易的風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)儀，該設(shè)備能讓學(xué)生容易了解風(fēng)力發(fā)電的原理，以及大致測(cè)算出影響風(fēng)力發(fā)電的各個(gè)因素，方便以后的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，同時(shí)在制作和測(cè)試過程中對(duì)出現(xiàn)的一些現(xiàn)象進(jìn)行深刻的思考，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和趣味性。在研制的過程中，同時(shí)對(duì)風(fēng)能的轉(zhuǎn)化功率，風(fēng)速等影響發(fā)電的因素，進(jìn)行測(cè)量，并與理論進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而得出影響效率的因素。關(guān)鍵詞： 風(fēng) 風(fēng)能發(fā)電風(fēng)力發(fā)電機(jī)能源危機(jī)轉(zhuǎn)換形式在不斷持續(xù)的能源緊張中，不少人想到了新能源利用。利用潔凈的能源（可再生能源）是人類社會(huì)文明進(jìn)步的表現(xiàn)、是科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、是環(huán)保理念的體現(xiàn)。潔凈能源指太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能、生物能等

4、，這都是可再生取之不盡的能源，特別是風(fēng)能技術(shù)最為成熟，經(jīng)濟(jì)可行性較高，是一種較理想的發(fā)展能源。風(fēng)是地球上的一種自然現(xiàn)象，它是由太陽(yáng)輻射熱引起的。風(fēng)能是太陽(yáng)能的一種轉(zhuǎn)換形式，是一種重要的自然能源。太陽(yáng)照射到地球表面，地球表面各處受熱不同，產(chǎn)生溫差， 從而引起大氣的對(duì)流運(yùn)動(dòng)形成風(fēng)。據(jù)估計(jì)到達(dá)地球的太陽(yáng)能中雖然只有大約2%專化為風(fēng)能，但其總量仍是十分可觀的。全球的風(fēng)能約為2.74 X 109MWV其中可利用的風(fēng)能為2X 107MWV比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍。我國(guó)風(fēng)能資源總量約42 億千瓦，技術(shù)可開發(fā)量約3 億千瓦。目前東南沿海是最大風(fēng)能資源區(qū)，風(fēng)能密度為200W/M2- 300W/M

5、2大于6m/s的風(fēng)速時(shí)間全年3000h以上就可取得較大經(jīng)濟(jì)效益。長(zhǎng)期以來，由于風(fēng)電電價(jià)高于火電電價(jià)，作為清潔能源的風(fēng)電對(duì)于解決能源短缺和環(huán)境保護(hù)問題的意義長(zhǎng)期得不到應(yīng)有的重視。事實(shí)上， 風(fēng)電作為一項(xiàng)高新技術(shù)， 具有著巨大的產(chǎn)業(yè)前景。而它作為新興能源，更對(duì)促進(jìn)邊遠(yuǎn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著巨大的作用。在電力緊張、能源緊缺的情況接踵而至的今天，我國(guó)應(yīng)該重新認(rèn)識(shí)風(fēng)能的利用問題。首先， 風(fēng)力發(fā)電的潛力體現(xiàn)為風(fēng)電電價(jià)的快速下降。截止到目前，風(fēng)電電價(jià)正在快速下降，甚至已日趨接近燃煤發(fā)電的成本，經(jīng)濟(jì)效益開始凸現(xiàn)。數(shù)據(jù)顯示，風(fēng)力發(fā)電能力每增加一倍，其成本就下降15。縱觀近幾年，風(fēng)電增長(zhǎng)一直保持在 30以上，因而成本也正

6、隨之不斷下降。目前，中國(guó)風(fēng)電成本約在0.5 元以上， 隨著中國(guó)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)的國(guó)產(chǎn)化和發(fā)電的規(guī)模化，風(fēng)電成本可望再降。此外，風(fēng)電外部成本幾乎為零，甚至低于核電成本。據(jù)初步測(cè)算，如果將內(nèi)部成本和外部成本同時(shí)計(jì)入成本，風(fēng)電將是當(dāng)前世界上最經(jīng)濟(jì)、最潔凈的能源。其次，風(fēng)電的潛力體現(xiàn)于風(fēng)能資源的豐富性。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)、中國(guó)陸地10 米和海面 15 米可供開發(fā)的風(fēng)力資源在幾億千瓦以上，相當(dāng)于可開發(fā)水能資源（3.9 億千瓦） 的 2.5 倍。 而 50米風(fēng)力資源還會(huì)增大一倍。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，地面 50 100米的風(fēng)力資源都可開發(fā)利用。2003年，我國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量為3.85 億千瓦，專家認(rèn)為， 中國(guó)單靠風(fēng)力發(fā)電就能將

7、現(xiàn)有的電力生產(chǎn)翻一番。此外， 風(fēng)電技術(shù)正日臻成熟。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)電技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。更大型、性能更好的機(jī)組的已開發(fā)并投人生產(chǎn)試運(yùn)行，可利用的風(fēng)速要求還會(huì)降低。風(fēng)電產(chǎn)業(yè)要全面健康可持續(xù)發(fā)展，需要解決的問題很多，但依靠科技進(jìn)步來推動(dòng)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)是擺在我們面前的現(xiàn)實(shí)課題。首先，需建立以企業(yè)為主體、市場(chǎng)為導(dǎo)向、產(chǎn)學(xué)研技術(shù)結(jié)合的創(chuàng)新體系。對(duì)開展試點(diǎn)的企業(yè)應(yīng)對(duì)其研發(fā)機(jī)構(gòu)，研發(fā)人員，研發(fā)資金，研發(fā)項(xiàng)目，專利申請(qǐng)，產(chǎn)品品牌，能力建設(shè)等方面提出具體要求和量化的指標(biāo)。第二， 正確處理技術(shù)引進(jìn)和技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)系。采用自主研究開發(fā)和引進(jìn)消化國(guó)外技術(shù)相結(jié)合的方式，是實(shí)現(xiàn)提高競(jìng)爭(zhēng)能力的較好途徑。第三， 加強(qiáng)風(fēng)電創(chuàng)新能力

8、建設(shè)，建立風(fēng)電公共技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，共同對(duì)資源進(jìn)行整合、 共享、 完善和提高，通過建立共享機(jī)制和管理程序逐步做到資源有效利用。第四， 加速風(fēng)電技術(shù)人才培養(yǎng)。目前已有一些高等院校準(zhǔn)備設(shè)置風(fēng)能專業(yè)或者風(fēng)能專業(yè)方向，開設(shè)風(fēng)能課程培養(yǎng)本科生和研究生。除了學(xué)校培養(yǎng)人才外，企業(yè)也應(yīng)將人才培養(yǎng)和建立一支高素質(zhì)的隊(duì)伍放在戰(zhàn)略地位，特別需要建立激勵(lì)機(jī)制和創(chuàng)造良好的環(huán)境，使技術(shù)隊(duì)伍能夠穩(wěn)定地成長(zhǎng)。其次就是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的要求了。恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī), 采用了籠型異步發(fā)電機(jī), 發(fā)電機(jī)通過變壓器直接接入電網(wǎng) . 因?yàn)榛\型異步發(fā)電機(jī)只能工作在額定轉(zhuǎn)速之上很窄的范圍內(nèi), 所以通常稱之為恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī). 并網(wǎng)運(yùn)行時(shí), 異步發(fā)電機(jī)需要從電

9、網(wǎng)吸收滯后的無功功率以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng), 這惡化了電網(wǎng)的功率因數(shù), 易使電網(wǎng)無功容量不足, 影響電壓的穩(wěn)定性. 為此 , 一般在發(fā)電機(jī)組和電網(wǎng)之間配備適當(dāng)容量的并聯(lián)補(bǔ)償電容器組以補(bǔ)償無功. 由于籠型異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低且可靠性高, 比較適合風(fēng)力發(fā)電這種特殊場(chǎng)合, 在風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的初期, 籠型異步發(fā)電機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用, 有效地促進(jìn)了風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的興起. 隨著風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用的深入, 恒速籠型異步發(fā)電機(jī)具有的一些固有缺點(diǎn)逐步顯現(xiàn)出來, 主要是籠型異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速只能在額定轉(zhuǎn)速之上1% 5% 內(nèi)運(yùn)行 , 輸入的風(fēng)功率不能過大或過小, 若發(fā)電機(jī)超過轉(zhuǎn)速上限, 將進(jìn)入不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū). 因此 , 在多數(shù)場(chǎng)合需

10、將2 臺(tái)分別為高速和低速的籠型異步發(fā)電機(jī)組合使用, 以充分利用中低風(fēng)速的風(fēng)能資源.另外 , 風(fēng)速的波動(dòng)使風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨之波動(dòng), 因?yàn)榘l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變, 風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)之間的軸承、齒輪箱將會(huì)承受巨大的機(jī)械摩擦和疲勞應(yīng)力. 而且 , 由于風(fēng)力機(jī)的速度不能調(diào)節(jié), 不能從空氣中捕獲最大風(fēng)能, 效率較低. 齒輪箱的存在增加了風(fēng)力機(jī)的重量和系統(tǒng)的維護(hù)性, 影響了系統(tǒng)效率, 增加了噪聲.有限變速風(fēng)力發(fā)電機(jī), 發(fā)電機(jī)采用繞線式異步發(fā)電機(jī). 繞線式異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子外接可變電阻, 其工作原理是通過電力電子裝置調(diào)整轉(zhuǎn)子回路的電阻, 從而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率, 使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率可增大至10%, 實(shí)現(xiàn)有限變速運(yùn)行,提高輸

11、出功率. 同時(shí) , 采用變槳距調(diào)節(jié)及轉(zhuǎn)子電流控制, 以提高動(dòng)態(tài)性能, 維持輸出功率穩(wěn)定, 減小陣風(fēng)對(duì)電網(wǎng)的擾動(dòng). 然而 , 由于外接電阻消耗了大量能量 , 電機(jī)效率降低了. 有些文獻(xiàn)也把這種發(fā)電系統(tǒng)稱為高轉(zhuǎn)差率異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)(Electr ically excited synchro2nous generator, EESG)變速恒頻直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)如圖6 所示 , 電壓源型逆變器的直流側(cè)提供電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的勵(lì)磁電流, 發(fā)電機(jī)發(fā)出的是電壓和頻率都在變化的交流電, 經(jīng)整流逆變后變成恒壓恒頻的電能輸入電網(wǎng). 通過調(diào)節(jié)逆變裝置的控制信號(hào)可以改變系統(tǒng)輸出的有功功率和無功功率, 實(shí)時(shí)滿足

12、電網(wǎng)的功率需要. 在變速恒頻直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中, 整流逆變裝置的容量需要與發(fā)電機(jī)容量相等. 采取直驅(qū)方式, 發(fā)電機(jī)運(yùn)行在低速狀態(tài), 其電磁轉(zhuǎn)矩相對(duì)較大, 同時(shí)發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)較多, 意味著發(fā)電機(jī)的體積也較大. 但由于省去了齒輪箱, 系統(tǒng)的效率和可靠性都得到了提高 . 變換器為全功率變換器, 在整個(gè)調(diào)速范圍能使并網(wǎng)電流平滑, 具有噪聲低、電網(wǎng)電壓閃變小及功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn). 該系統(tǒng)主要缺點(diǎn)是系統(tǒng)成本較高, 功率變換器損耗較大。風(fēng)力發(fā)電機(jī)有很多種，都要根據(jù)具體情況而定。經(jīng)濟(jì)成本是制約風(fēng)力發(fā)電技術(shù)推廣的一個(gè)重要因素。對(duì)于風(fēng)電機(jī)組特別是大型發(fā)電機(jī)組來說, 其整個(gè)成本包括投資成本和運(yùn)行成本. 投資成本又分為風(fēng)

13、電機(jī)組成本、選址和安裝成本、包括銀行信貸在內(nèi)的融資成本以及項(xiàng)目初期的計(jì)劃和施工等雜項(xiàng)費(fèi)用. 運(yùn)行成本也可以分為風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行和維修成本、保險(xiǎn)成本、土地成本及項(xiàng)目管理成本. 由此可見 , 風(fēng)電機(jī)組的成本問題涉及很多因素. 目前 ,全球建設(shè)風(fēng)力發(fā)電的造價(jià)大約為1 000美元 /kW, 我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的初始投資從1994年的約12 000元/kW御氐到8 000 9 000元/kW.這個(gè)費(fèi)用約為煤電單位造價(jià)的 2 2. 5 倍 , 但是考慮到生物質(zhì)能發(fā)電成本是煤電的2. 5 3 倍 , 太陽(yáng)能發(fā)電成本是煤電的11 18倍 , 以及減少環(huán)保投入、降低能源損耗、舒緩運(yùn)輸壓力等方面問題 , 風(fēng)力發(fā)電比其他新型

14、發(fā)電方式的優(yōu)勢(shì)更多. 當(dāng)前在風(fēng)力發(fā)電的商業(yè)市場(chǎng)上占統(tǒng)治地位的毫無疑問雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)和多級(jí)增速齒輪概念. 但通過以上綜合比較可以看出, 永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)有望逐漸成為大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主流, 并與DFIGX力發(fā)電機(jī)組競(jìng)爭(zhēng).尤其是針對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)來說，體積巨大的直接驅(qū)動(dòng) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)并不會(huì)明顯增加運(yùn)輸和吊裝方面的難度. 基于全功率變換器的變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能夠更有效地處理例如低電壓穿越等問題, 另外 , 海上風(fēng)電場(chǎng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠性和可維護(hù)性要求更高, 因此直接驅(qū)動(dòng)概念或?qū)⑹紫仍诤Ｉ巷L(fēng)電場(chǎng)獲得大規(guī)模的應(yīng)用。在這里提出幾條建議:1、加強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)、發(fā)電企業(yè)和電網(wǎng)公司規(guī)劃溝通協(xié)調(diào)。智能電網(wǎng)通過數(shù)碼技術(shù)提高

15、電網(wǎng)的穩(wěn)定性及效率，可以應(yīng)用在所有相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈，是新能源產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略的核心之一。電網(wǎng)公司和發(fā)電企業(yè)必須要加強(qiáng)合作，探討電網(wǎng)建設(shè)滯后和風(fēng)力發(fā)電超前的問題。2 、按照風(fēng)電直供或者非并網(wǎng)解決風(fēng)電并網(wǎng)難問題。3 、加大對(duì)風(fēng)機(jī)的技術(shù)研發(fā)的支持，解決風(fēng)機(jī)制造企業(yè)的低技術(shù)重復(fù)建設(shè)問題，加大重組的推動(dòng)。淘汰落后的產(chǎn)能。4 、公司要積極通過與主要零部件供應(yīng)商談判等多種方式，適當(dāng)降低公司的采購(gòu)成本并爭(zhēng)取取得較為寬松的付款方式。公司可以通過與供應(yīng)商加強(qiáng)溝通，建立穩(wěn)定持續(xù)的供貨關(guān)系。未來的趨勢(shì)是風(fēng)機(jī)制造企業(yè)需要通過并購(gòu)、或者自己建立一些關(guān)鍵零部件的生產(chǎn)企業(yè)，這樣， 就能夠消除原材料供應(yīng)對(duì)企業(yè)發(fā)展的掣肘。企業(yè)需要考慮在現(xiàn)在國(guó)

16、家提倡行業(yè)企業(yè)做大做強(qiáng)，提高競(jìng)爭(zhēng)力的前提下，加快縱向一體化的步伐。5 、積極引導(dǎo)風(fēng)電企業(yè)在不同領(lǐng)域進(jìn)行合理布局。風(fēng)電開發(fā)要本著抓大不放小的原則。在大力發(fā)展大型風(fēng)電場(chǎng)和大型風(fēng)力機(jī)的同時(shí)，不要放棄小型風(fēng)力機(jī)的開發(fā)。 離網(wǎng)型小型風(fēng)力機(jī)是解決高山、牧民用電的重要手段之一。盡管它不會(huì)產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益，但會(huì)帶來較大的社會(huì)效益，對(duì)減少貧困、發(fā)展經(jīng)濟(jì)、和諧社會(huì)大有益處，在貧困以及邊遠(yuǎn)山區(qū)仍然有著較廣的發(fā)展前景。參考文獻(xiàn)：1盧為平.風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ).化學(xué)工業(yè)出版社，20112金風(fēng)1500kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組介紹.金風(fēng)公司產(chǎn)品資料，2008.3金風(fēng)1500kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行維護(hù)手冊(cè)介紹.金風(fēng)公司產(chǎn)品資料，2008.4 白公 .