風力發電技術介紹

2023-01-15 18:30:02 字數 4769 閱讀 8756

電能由一次能源即化石燃料(煤、石油、天然氣)和水能、太陽能、風能等能源轉換而來,因此被人們稱之為二次能源。在我國約75%的電能來自火力發電廠。火力發電廠主要是燃煤發電廠,通過煤炭燃燒發出的熱量使水變成高溫高壓的水蒸氣推動汽輪機葉片作功帶動發電機而發出電力,再通過電網送到千家萬戶。

隨著人們精神文明和物質生活水平的不斷提高,電器產品在人們家庭中迅速普及,電力需求也就隨之迅速增長。以北京地區為例2023年夏季最高用電負荷超過了830萬千瓦,比2023年提高了近3倍。自19世紀末電力技術誕生到現在200多年以來,隨著新技術的不斷採用,電力技術發生了巨大的變化。

超臨界汽輪機組技術、超高壓輸變電、潔淨煤和迴圈硫化床等先進技術在我國被廣泛採用,為人類的生產生活提供高效、可靠的能源保障。特別是近幾年來,新能源技術如風能利用技術正在我國興起,利用自然的可再生的風能,為人們提供更節能和環保的綠色電力。2023年北京奧運會用電的20%將採用新能源技術如風力發電,為首都綠色奧運貢獻力量。

風力發電技術是利用風能來發電的一項新能源技術。通過風力發電機組是將風能轉化為電能並將電能輸送到電網中。這項技術需要氣象學、航空動力學、材料學、機械學、電機學和控制、計算機等多學科知識和技能。

通過對氣流特性以及天氣特性如氣溫、氣壓以及地形、障礙物的研究,人類掌握了這些特性對風能資源的影響程度。在古代人類就明白若干個平板式槳葉裝在乙個軸上組成乙個風輪,當這個風輪迎風時就可以旋轉,就象廟會上的風車一樣。但風力發電中用的槳葉採用的是流線型翼型如美國宇航局(nasa)的naca系列翼型。

這樣的翼型比平板式有更高的效率。現代風力發電技術中所採用的槳葉材料多採用玻璃纖維加環氧或聚脂或採用炭纖維材料。這樣的材料具有耐磨、重量輕、柔性好等特點。

70年代以前風能主要是作為動力直接進行加工或進行提水,有一些小型風力發電機組(幾十瓦到幾百瓦)在農村或偏遠沒有電網地區單門獨戶使用。直到進入60年代以後人類才真正開始對利用風能(併入電網)發電進行研究,現代風力發電技術由此開始。到70年初世界能源危機爆發,西方國家開始注意到新能源的重要性,當時風力發電技術已經有了一定基礎。

特別是著名的丹麥設計即三葉片、上風向、失速型風力發電在那時產生。雖然那時材料、加工和控制技術與現代比還很落後,但為今天現代風力發電技術奠定了基礎。現代風力發電機組的控制完全是自動的,並可在世界任何地方觀察到風力發電場的運**況,這完全得益於現代計算機和網路技術的發展。

。在野外執行的風力發電機組將要承受大自然的風吹日曬,所有天氣特徵如雷電、沙塵、雨雪、霧凇、鹽霧、低溫、高熱、日曬等惡劣環境條件,這些在風力發電技術中必須考慮。風的密度是水的1/8,因此運動中風的能量,要比水低的多,而且每台機組的容量目前在幾百千瓦到幾千千瓦,一台600千瓦風力發電機組每年的發電量大約相當於北京1000戶居民一年的用電量。

許多人試圖採用一些特殊的裝置達到聚集風能的目的,以克服風能密度低的缺點,如龍捲風發生器、喇叭口式集風器等,但目前國內外的風力發電技術水平還無法證明這些技術方案在實際中能否可行。所以我們現在所描述的風力發電技術是通常意義上的風力發電技術,是大多數人們所採用的技術。

當你要採用風力發電技術,要把風能變成電能,,達到發電的目的。當風力發電機組處於執行狀態時,當風速達到機組設定的啟動風速時,風力發電機組開始運轉併入電網執行。風小時,發電功率低,風大時,發電功率就高。

當無風時,控制系統就會使機組停下來等待再次有風時再併入電網執行。當風速超過風力發電機組設定的額定功率時,機組必須採取措施保證發電功率不會超過設計的極限功率。

我們所說的風力發電技術就是這種系統能夠安全穩定的將風能轉變成電能的系統。現代的風力發電技術不斷追求的目標是在保證可靠執行的同時,提高風力發電場的規模,提高風力發電機組的效率,提高單機額定的發電功率,目的是降低成本提高風力發電的競爭能力。

人類利用風能已有數千年歷史,在蒸汽機發明以前曾經作為重要的動力,用於船舶航行,提水飲用和灌溉, 排水造田,磨麵和鋸木等。埃及被認為可能是最先利用風能的國家約在幾千年前,他們就開始用風帆來幫助行船,波斯和中國也很早開始利用風能,主要是使用垂直軸風車。

歐洲到中世紀才廣泛利用風能,荷蘭人發展了水平軸的風車,18世紀荷蘭曾有近萬座風車將海堤內的水排幹,造出的良田相當於國土面積的三分之一,成了著名的風車之國。這種風車在歐洲大陸和英國的鄉村是很普遍的,成為機械能的主要**。

19世紀中葉以後,美國大規模開發西部,為了解決人畜飲水問題,製造出金屬葉片的風輪,驅動活塞幫浦用於提水,成為有名的「美國農場風車」,擁有量曾達到600萬台。

中國是最早使用帆船和風車的國家之一,在距今2023年以前,東漢劉熙所著的《釋名》一書上,對帆字作了「隨風張幔曰帆」的解釋。明代以後風車利用較普遍,宋應星的《天工開物》一書中載有:「揚郡以風帆數扇,俟風轉車,風息則止。

」這是對水平風車的乙個較完善的描述。方以智著的《物理小識》載有:「用風帆六幅,車水灌田,淮揚海皆為之。

」童冀在他的《水車行》中有:「零陵水車風作輪,緣江夜響盤空雲,輪盤團團經三丈,水聲卻在風輪上,……。」 描述了利用風帆驅動水車灌田的情景。

中國創造的立帆式垂直軸風輪,是將8個帆各編在乙個直立的杆上,各帆的正中上端則各由一繩系之。當地稱此為「走馬燈」式風車。

中國沿海沿江地區的風帆船和用風力提水灌溉或製鹽,一直延續到20世紀50年代,僅在江蘇沿海利用風力提水的裝置曾達20萬台。

風力機械在蒸汽機出現之前是動力機械的一大支柱,其後隨著煤、石油、天然氣的大規模開採和廉價電力的獲得,各種曾經被廣泛使用的風力機械,由於成本高,效率低,使用不方便等,無法與蒸汽機、內燃機和電動機等相競爭,漸漸被淘汰。例如荷蘭現存幾百座風車,被作為文物保護起來,成為旅遊景觀。

到了19世紀末出現了利用風力發電,在解決農村電氣化方面顯示了重要的作用,特別是20世紀70年代以後利用風力發電更進入乙個蓬勃發展的階段。19世紀末丹麥首先開始探索風力發電,研製出風力發電機組。直到20世紀70年代以前,只有小型充電用風力機達到實用階段。

美國在20世紀30年代還有許多地區未通電網,獨立執行的小型風電機組在實現農村電氣化方面起了很大作用,當時的機組多採用木製葉片、固定輪轂和側偏尾舵調速,單機容量的範圍在0.5kw和3kw之間。

對於如何將風力發出的電送入常規電網,曾經作過許多嘗試來研製併網風力發電機組美國製造的1250kw機組最大,風輪直徑53m,安裝在佛蒙特州,於2023年10月作為常規電站併入電網,後因乙個葉片在2023年3月脫落而停止執行。另外法國、前蘇聯和丹麥也研製過百kw級的機組,其中對後來風電機組技術發展產生過重要影響的是丹麥gedser 200kw風電機組,從2023年執行到2023年,平均年發電量為45萬kwh,設計者採用非同步發電機、定槳距風輪和葉片端部的制動翼片,這種結構方式後來成為丹麥風電機組的主流,在市場上獲得巨大成功。

2023年發生石油危機以後,美國、西歐等發達國家為尋求替代化石燃料的能源,投入大量經費,動員高科技產業,利用計算機、空氣動力學、結構力學和材料科學等領域的新技術研製現代風力發電機組,開創了風能利用的新時期。

20世紀70年代到80年代中期,美國、英國和德國等國**投入巨資開發單機容量1000kw以上的風電機組,承擔課題的都是著名大企業,如美國波音公司研製了2500kw和3200kw的機組,風輪直徑約100m,塔高80m,安裝在夏威夷的瓦胡島;英國的宇航公司和德國的man公司分別研製了3000kw的機組,所有這些巨型機組都未能正常執行,發生故障後維修非常困難,經費也難以維持,沒有能夠發展成商業機組,未能形成乙個適應市場需求的風電機組製造產業。

丹麥風電技術的發展策略是**不直接支援製造廠商,而是對購買風電機組的使用者給與補貼,開始時補貼機組費用的30%,以後隨著產業的發展逐漸減少補貼的數額,直到取消。丹麥風能資源比較豐富,當地農民有利用風能的傳統,目前仍保留了不少古代風車,世界「石油危機」發生以後,油價**,許多農民自己研製風力發電機組,額定功率約在10kw到20kw之間,安裝在自己的住宅旁邊,為家裡的電器和照明供電,多餘的風電可使家中的電表反轉,減少電費負擔。另外丹麥**開始對煤電徵收能源稅和二氧化碳排放稅,對風電的收購電價則給予補貼,使風電機組的使用者從滿足自家電力需求轉變為向電網銷售電能,獲取一定的利潤,購買風電機組成了一種投資方式,培育出了穩定的風電市場。

為了滿足農民購買風電機組的需求,丹麥的中小企業,尤其是農機製造商,如vestas和bonus等積極開發風電機組產品,**為了促進風電技術的發展和保證產品的安全,在里索(ris)國家實驗室內建立了風電機組試驗站,並授權對符合安全要求的風電機組型號頒發認證證書,規定只有獲得認證的風電機組產品才有資格得到**的補貼。當時丹麥的產品繼承了gedser 200kw風電機組的設計理念,在新樣機測試過程中研究人員對失速調節功率的理論深入**,還就測試時發現的問題提出解決辦法,幫助廠商改進。丹麥風電機組製造商既得到科研機構的支援,又積累了豐富的現場執行經驗,而且有機會從穩定的風電市場上連續接到訂單,不斷對產品進行完善,單機容量逐步從小到大,乙個型號技術成熟了再逐步公升級,經歷過30kw、50kw、100kw、400kw、600kw、750kw直到1000kw以上的mw級機組,在市場上建立了產品效能好可靠性高的信譽。

此後德國和西班牙等歐洲國家也相繼出台了激勵風電發展的政策,其核心是長期固定的較高收購風電電價,使這些國家成為風電機組市場擴充套件最快的地區,丹麥的製造商也在有關國家建立了合資公司,生產丹麥品牌的機組。

風電機組技術的發展經歷了從多種結構形式趨向少數幾種的過程,20世紀80年代初期市場上有上風式和下風式,風輪主軸有水平的和垂直的;風輪葉片數有三個、兩個、甚至乙個的;葉片材料有木頭的和玻璃鋼的;到現在只剩下水平軸、上風向、三葉片的機組為主,其中又有定槳距和變槳距風輪,定轉速和變轉速發電機,有齒輪箱和無齒輪箱的幾種。風電機組的技術正沿著增大單機容量、減輕單位千瓦重量、提高轉換效率的方向發展。

風力發電場是將多台並網型風力發電機安裝在風力資源好的場地,按照地形和主風向排成陣列,組成機群向電網供電,簡稱風電場,風電場是大規模利用風能的有效方式,於80年代初在美國加利福尼亞州興起,20世紀80年代初美國**為鼓勵開發可再生能源,出台了一系列優惠政策,其中聯邦**和加里福尼亞州**對可再生能源的投資者分別抵免25%的稅賦,規定有效期到2023年底,另外立法規定電力公司必須收購風電,並且**是長期穩定的。這些政策吸引了大量的資金採購風電機組,使剛剛建立起來的丹麥風電機組製造業獲得了大批量生產和改進質量的機會。

風力發電的技術

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