风电基础知识.ppt

1、风电基础知识,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，缺乏石油、天然气资源，水能较丰富

2、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）风电清洁，发展风电是减排温室气

3、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12研究报告详细论证了如何实现风力

4、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 占中国风资源的约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%。风电现在已经是商业化的产业，有能力成为主流电

5、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 interconnection to mains,

6、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/kW（折合5000 元-5400 元/kW

7、）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）。风机单位千瓦价格：国内 45005000元/千瓦

8、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：目前还是政策主导,企业核心竞争力,目标野心越大，度量越大，

9、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。是当今风机技术最简单、成熟、可靠、安全的技术。,金风产品介

10、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 13.液压站 14.偏航轴承 15.偏航刹车 16.偏航驱

11、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 m2转速范围 10 20 RPM1叶片数量 3叶片类型 LM 29

12、.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1980年的30千瓦上升到2005年的5兆瓦,风特性,叶轮,机械,

13、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58m/s,因此齿轮箱的增速比 就为 1500/22.25=67.4,

14、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

15、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）,As the blades sweep the disk of air,the blade

16、tip speedIs typically 6 to 10 times the wind speed.,风机如何在风中工作,单位面积风中的能量，与风速的3次方成正比,Cp 吸收效率 空气密度，标准密度：1.225kg/m3A 风轮面积，pD2/4U 风速,风机吸收的能量,吸收风能，承受推力,风机如何在风中工作,风吹过风轮后会怎样,转轮旋涡气动模型,根据空气对叶轮的反作用,风机尾流,单位面积中的风能,The graph shows thatat a wind speed of 8metres per second we geta power(amount ofenergy per second)

17、of314 Watts per squaremetre exposed to thewind(the wind iscoming from a directionperpendicular to the swept rotor area).At 16 m/s we get eight times as much power,i.e.2509 W/m2.The table inthe right gives you the power per square metre exposedto the wind for different wind speeds.,风能的好坏（用风能密度W评估）,W

18、700 W/m2 great 很好,风资源特点风功率谱密度,与风机设计、振动疲劳荷载及电能质量有关,与气象系统有关，难预测,预测相对容易，与日发电量、日负荷电力调度有关,风资源数据统计精度对风机设计的影响,风 随时间和空间变化，产生剧烈的随机脉动，通过3次方关系的放大，极易形成巨幅的能量变化和脉动荷载，从而引起材料的疲劳。风 既是风机能量的来源，也是风机载荷的来源。如果能得到精确的风脉动（统计规律）特点，就能更精确地得到随机载荷的特点，从而预测材料的疲劳损伤过程，能更经济的设计风机。,（这里还涉及一个基础问题，材料的疲劳特性，与一个国家的原材料工业及其研究有关）,风的形成风资源描述风能计算,风

19、资源知识,1、风的形成,1.1 地球上的风 风是主要由于太阳对地球不同地方的辐射强度不一样形成的温差和压差而产生，是太阳能的一种表现形式。另外，大范围的大气循环也在受地球自转的影响。风空气的流动现象。气象学中指空气相对于地面的水平运动。风是一个矢量，用风向和风速表示。风向指风的来向。我国风向观测用十六个方位表示，实际测风报告中还常用0-360范围内的数字表示风向。风速单位时间内空气移动的距离。气象上对风速还作以下定义：（1）平均风速，相应于有限时段，通常指二分钟或十分钟的平均情况。（2）瞬时风速，相应于无限小的时段。（3）最大风速，指在给定的时间段或某个期间里面，平均风速中的最大值。（4）极大

20、风速，指在给定的时间段内，瞬时风速的最大值。,风速换算,风速的法定单位和几种常用单位的换算。,1.2.1 大气环流 风在地表上形成的根本原因是太阳能量的传输，由于地球是一个球体，太阳光辐射到地球上的能量随纬度不同而有差异，赤道的低纬度地区受热量最多，极地和高纬度地受热量少，因而造成太阳对地球表面的不均匀加热，从而导致地面上空大规模的大气运动，也即总的大气环流。假设地球不发生自转，由于极地与赤道间的温差，赤道温度高的空气将上升高层流向极地，极地附近大气则因冷却收缩下沉，在低空受指向低纬度的气压梯度力的作用，流向低纬，便形成了一个全球性的南北向环流。（图1）,1.2 地球上的环流,图1 由于太阳辐

21、射差异产生的赤道与极地之间的大气环流状况,1.2.1 大气环流(续)实际上由于地球自转，会产生一个称为科里奥利力的地转偏向力,在北半球总是对流动的空气产生向右偏的地转偏向力，从赤道上升流向极地的气流在气压梯度力和地转偏向力的作用和综合影响下，在南北两个半球上各出现了四个气压带和三个闭合环流圈（称作“三圈环流”）。在四个气压带之间则形成了极地东风带，盛行西风带,东北(东南)信风带以及赤道无风带四大风带。（图2）,图2 由于地球自转产生的大气环流状况,地球自转对气流的影响How the Coriolis Force Affects Global Winds,Prevailing Wind Dire

22、ctionsLatitude 90-60N 60-30N 30-0N 0-30S 30-60 S 60-90SDirection NE SWNE SE NW SE,The wind rises from the equator andmoves north and south in the higherlayers of the atmosphere.Around 30 latitude in bothhemispheres the Coriolis force preventsthe air from moving much farther.At thislatitude there is

23、a high pressure area,asthe air begins sinking down again.As the wind rises from the equator therewill be a low pressure area close toground level attracting winds from theNorth and South.At the Poles,there will be high pressure due to the cooling of the air.Keeping in mind the bending force of the C

24、oriolis force,we thus have thefollowing general results for the prevailing wind direction:,1.2.2 季风环流 季风现象：在一个大范围地区内其盛行风向或气压系统有明显的季度变化。我国是一个典型的季风气候国家。季风环流是季风气候的主要反映。季风环流的形成主要原因是由于海陆分布的热力差异及行星风带的季节转换所形成的。一般海陆差异引起的季风，大都发生在海陆相接的地区，海陆之间热力差异最大，季风现象就最明显。全球而言，在副热带地区这种差异最明显，即副热带季风（亦称温带季风）最强。亚洲东部地区是全球海陆差异引起的

25、季风最强的地区。,1.2.2 季风环流(续)我国的季风，冬季主要在西风带影响之下，盛行西北气流。夏季西风带北移，南方为大陆热低压控制，副热带高压从海洋移至大陆，我国流场转为西南气流，春秋则为过渡季节。此外，海陆分布，青藏高原对我国季风环流也产生重要影响。冬季，大陆高压气压梯度强大，而夏季热低压的气压梯度较弱，因而我国夏季风比冬季风弱，这是我国季风的重要特征。我国的风场特征，必须注意到季风环流这一重要的背景，无论风电场的选址或运行，季风特征必须认真考虑。,(图3)海陆风,(图4)山谷风,1.2 地球上的环流1.2.3 局地环流,2.2 平均风速,风资源描述,平均风速 为风速在规定时距T内的时间平

26、均值，即：采用合适时距T的平均风速（例如10分钟），它在一段观测期内的变化一般不明显。实际平均风速是由在相应的时距中，将其瞬时风速相互抵消后所得的综合结果，采用不同的平均时距就会得到不同的平均风速，时距愈大，平均风速的变化愈小，而相应的平均风速最大值也愈小。为了得可以相互比较的平均风速记录，气象上规定一个统一的平均时距，世界气象组织和我国规定将10分钟平均时距作为平均风速的标准时距。由于历史的原因和条件的限制（如目测），在一些报表和项目中使用的是2分钟或更多种的平均风速，使用时必须加以注意。,风力等级表,注：13-17级风力是当风速可以用仪器测定时使用。,大气受下垫面的动力和热力作用，风速沿铅

27、直方向有明显的变化，在大气边界层或近地层中尤其如此。风速廓线受地形、层结稳定度、大型天气形势的影响，在铅直方向呈不同的分布规律。如在平坦地表、中性层结、近地层风速随高度分布为“对数律”：（1）式中 为平均速度，z为离地面高度；u*为摩擦速度，K为卡门常数,Z0为粗糙度。,2.2.2 平均风速随高度变化,在近地层稳定层结时，有“对数-线性律”：（2）式中L为莫宁一奥布霍夫长度，a1为根据实测资料确定的常数。一般情况下，近地层风速廓线可用幂次律：式中 为z1高度的平均风速，指数n随层结稳定度而变化，中性层结n=1/7不稳定层结n较小，稳定层结n较大。,风剪切,在风能评估中，使用得最广泛的是指数律公

28、式，公式中n称作粗糙指数，主要与地面粗糙度有关（同时还与大气层结状况等有关）。在没有作专门的风的梯度观测情况下，我国一些标准中将地面粗糙度分成四类：A类近海海面、海岛、海岸、大湖湖岸及沙漠地区 B类 田野、乡村及房屋比较稀疏的乡镇及城郊 C类有密集建筑群的城市市区 D类有密集建筑群且房屋较高的城市市区 对于大风情况（一般超过10m/s时）其n分别取0.12,0.16,0.22 和0.3。,n取值,2.2.3 平均风速随时间变化1）日变化 风在一日内有规律的周期变化。该变化体现了由于日夜更替所引起的周期性变化，而不包括因天气形势变化所引起的非周期变化。典型的风速日变化是白天随太阳的升高而风速增大

29、，夜间辐射冷却导致风速减小。2）月变化：一般指一年时段中以月为单位的逐月风速的周期变化。3）季变化：一年中以季为单位的风速的季节变化。4）年变化：常指风速在一年内的变化。一年中最大与最小的差称为年较差。5）年际变化：风速月或年平均在不同年之间的变化。从而了解它的变化大小，趋势等。,威布尔分布（Weibull）,2.2.4 平均风速分布1）平均风速的概率分布,C 幅度参数，k 形状参数,风速分布一般均为正偏态分布。常用的概率分布曲线有：,瑞利分布（Regleigh）（k 2 时）,2.2.4 平均风速分布,1）平均风速的概率分布,威布尔（Weibull）概率分布曲线,2.2.5平均风向1）风的玫

30、瑰图 它是根据地面风的观测结果，表示不同风向相对频率的星形图解。在风资源分析中，用得最多的风向玫瑰图，有时也用这种图表示不同方向的风速和风能的多少。2）风向的变化 行星边界层内，由于地面摩擦粘滞力的影响，风向由下至上向右偏转，直至自由大气与地转风平行。在以u、v为坐标轴的图上，不同高度上风速矢量端点的连线呈螺旋状。但在近地层（100米以下），平均风向可近似认为不随高度改变。,风向频率任意点处的风向时刻都在改变，但在一定时间内多次测量，可以得到每一种风向出现的频率。风向频率的计算方法 选择观测的时间段，如月、季、年；记录每个风向出现的次数ni，及总观测次数n；某风向的风向频率=ni/n 100,

31、风向,风向来风的方向。通常说的西北风、南风等即表明的就是风向。陆地上的风向一般用16个方位观测。即以正北为零度，顺时针每转过22.5为一个方位。风向的方位图图示如下。,(图)风向风速玫瑰图,风向统计规律的表示方法,N NNW NNE NW NE WNW ENE W E WSW ESE SW SE SSW SSE S,16个风向的风向玫瑰图,风速频率,对于风力机的安置处，有两个重要的描述风资源的参数：年平均风速和风速频率。在计算风率时，通常把风速的间隔定为1m/s；风速在某一时间段平均，如10分钟；按风速的大小，落到哪个区间，哪个区间的累加值加1。把个区间出现的次数除以总次数即得风速频率。,风频

32、（%）12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 风速（m/s）,风速统计规律的表示方法,20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000,风况曲线,根据风况曲线通常可以看出：一年之中有多少时间低于起动风速而无法起动？有多少小时可以达到额定出力？取多大的切出风速较合适？可见，风频特性和风况曲线是开发风能的重要原始资料和依据。,利用风频分布及功率曲线进行发电量的估算,功率曲线,图 脉动风分布规律,2.3 脉动风特性,2.3 脉动风特

33、性,2.3.1 脉动风速 椐2.1.2，在近地层风具有明显的阵性，可认为近地层风速是由一个平均分量和脉动分量组成，即：即脉动风速,2.3.2 湍流强度 在近地层中，气流具有明显的湍流特征。湍流是一种不规则随机流动。其速度有快速的大幅度起伏，并随时间、空间位置而变。定义一个时段的脉动风速相对该时段的平均风速的标准偏差与该平均风速的比值。即：，称为湍流强度，它是度量相对于风速平均值而起伏的湍流量的大小。,湍流强度,均方差,湍流强度,不同设计标准中的湍流强度,风影（Wind Shade）,Porosity=0%=30%=50%=70%,风场中风机排布,正对主风向：间距35倍的风轮直径，行距59倍的直径,2.3.3 功率谱密度脉动风速大体服从正态分布规律。脉动速度的平方具有脉动功能的物理意义。风功率谱就是风速脉动振幅的平方随频率变化的图形。对于变量x(t)，功率谱常表示为：为x(t)的频谱，功率谱