第十一讲 风能及其利用.

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1 第十一讲 风能及其利用

2 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

3 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

4 山谷风 　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 海陆风 　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 　陆风：晚上陆风吹向海上 季　风: 随季节转换的风

5 2、风的特性 季节性变化 (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。

6 紊流主要是由于气流与地面的摩擦而产生的。
(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

7 3. 风速的描述 风力等级 风的名称 陆地地面物的征象 相应风速 （km/h） (m/s) 无风 大气稳静，炊烟直上 <1 0~0.2
无风 大气稳静，炊烟直上 <1 0~0.2 1 软风 烟随风飘动，风向可辨，但风标不动 1~5 0.3~1.5 2 轻风 脸有风感，树叶动，风标也动 6~11 1.6~3.3 3 微风 树叶和细枝摇动，小旗展开 12~19 3.4~5.4 4 和风 尘沙刮起，纸片飞舞，小树枝摇动 20~28 5.5~7.9 5 清风 有小树摇动，池塘、沼泽水面掀起浪花 29~38 8.0~10.7 6 强风 大树摇动，电线鸣叫，举伞困难 39~49 10.8~13.8 7 疾风 树身摇动，顶风行走极为困难 50~61 13.9~17.1

8 8 大风 小树枝折断，顶风行走极为困难 62~74 17.2~20.7 9 烈风 房屋发生轻微损毁（烟囱倒塌，房屋瓦片揭掉） 75~88 20.8~24.4 10 狂风 陆地少见，树木连根拔起，建筑物严重破坏 89~102 24.5~28.4 11 暴风 陆地极少，一旦发生必有重大损毁 103~117 28.5~32.6 12 飓风 陆地绝不，其摧毁力极大 >117 >32.6

9 4. 风能资源 地球风能约为2.74×109MW 可利用风能为2×107MW，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，提高产出，是普及风能发电必须克服的障碍

10 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。

11 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/M2～300W/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

12 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。

13 中国有效风能密度分布

14 我国风能资源区划 风能丰富区 风能较丰富区 风能可利用区 风能贫乏区 东南沿海、山东半岛、辽东半岛 三北地区 松花江下游区
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

15 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 微型风力发电机 风电路灯 风车

16 1. 欧洲利用风能的历史 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。

17 2. 我国利用风能的历史 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

18 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

19 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

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。 2017/9/13

21 1997年到2008年世界风力发电装机 2017/9/13

22 年世界风力发电装机容量前十位国家 2017/9/13

23 年世界风电装机预测 2017/9/13

24 2008年世界排名前十位的整机制造商 2017/9/13

25 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。

26 预计２０２０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 提供比煤电和核电更廉价的能源

27 大型风力发电场

28 Multibrid M5000 风力发电机组 2017/9/13

29 Repower 5MW风力发电机组 2017/9/13

30 新S型垂直轴风力发电机

31 新S型垂直轴风力发电机

32 风筝风力发电机

33 风筝风力发电机

34 渔民船上的微型风力发电机

35 小型风电机组

36 风电路灯

37 农田里的风机组

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2010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。 2017/9/13

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。 2017/9/13

40 海上发电

41 海上风力发电快速发展 2017/9/13

42 海上风电场 丹麦海滩风电场建设 2017/9/13

43 海上风电场 2017/9/13

44 海上风电场 2017/9/13

45 四. 我国风力发电现状

46 1. 我国风力发电现状

47 （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。

48 中国风力发电快速发展 2017/9/13

49 新疆达板城风电场 2017/9/13

50 广东南澳风电场 2017/9/13

51 承德风电场 2017/9/13

52 风电场图片（内蒙辉腾西勒） 2017/9/13

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700万海上风场） 2017/9/13

54 （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

55 　 （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。

56 2. 我国风力发电存在的问题

57 （1） 对风能资源勘察不够全面 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。

58 （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。

59 （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。

60 （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，存在着很大的差距。

61 3. 风力发电前景的建议

62 　（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。

63 （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。

64 （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。

65 五、风力发电设备

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69 一、机 舱

70 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。

71 二、叶 片

72 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。

73 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。

74 叶片剖面结构 Vastas 叶片 LM 叶片

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76 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，主轴与齿轮箱的连接大多采用胀紧式联轴器，这样可保证主轴与齿轮箱同心，在运行中免于维护。主轴上坚固的三点悬挂支撑，能够很好地吸收弯矩，降低齿轮箱输入轴的径向负载。 有些风电机组采用双轴承的结构设计，目的在于减少由于风作用于叶片而引起的轴向推力，以及消除风电机组运行时齿轮箱低速轴侧的俯仰力矩，改善齿轮箱运行环境，避免近年来，世界范围出现的齿轮箱行星轮系轴断裂问题。两个主轴承选用双列向心推力滚子轴承，还可以吸收大部分的来自风轮的轴向推力，进而，降低齿轮箱输入轴的轴向负载。

77 四、齿轮箱 600kW以下风电机组多为平行轴结构，大于600kW的风电机组基本是采用行星轮结构或行星轮加平行轴结构。
齿轮箱体采用球铁铸造而成，齿轮箱的负荷及压力通过齿轮箱两侧的支撑传到塔架和基础，该支撑为强力橡胶结构，可以降低风电机组的噪音和震动。 在齿轮箱后部的高速轴上安装有刹车盘，其连接方式是采用胀紧式联轴器；液压制动器通过螺栓紧固在齿轮箱体上； 齿轮箱高速轴通过柔性连接与发电机轴连接。

78 五、刹车机构 刹车机构的作用 1、使风力发电机组在发生故障或紧急情况下，能快速、平稳的制动停机。
2、在运行情况下使机组保持稳定，不被侧风或绕流影响。 刹车机构组成 1、叶尖刹车（阻尼板、动叶片、小叶片） 2、风轮刹车（低速、高速制动装置） 3、偏航刹车（盘式制动器）

79 叶尖刹车

80 风轮刹车

81 偏航刹车

82 刹车程序 1、正常刹车：得到指令后，释放叶尖慢速刹车，电机在转速 低于同步转速时切出 ，当电机转速低于设定值（系统默认 750rpm 或500rpm）时，一个圆盘刹车制动，当电机转速 为0rpm，第二个圆盘刹车制动。两个圆盘刹车全部作用 。 2、快速刹车：得到指令后，释放叶尖快速刹车，电机立即 切出电网。风轮刹车得到指令，一个圆盘刹车制动。当 电机转速为0rpm，第二个圆盘刹车制动。两个圆盘刹车 全部作用。 3、紧急刹车：得到指令后，释放叶尖快速刹车， 两个圆盘 刹车全部作用。电机立即切出电网。

83 五、偏航系统 机舱的偏航是由电动偏航齿轮自动执行的，它是根据风向仪提供的风向信号，由控制系统控制，通过驱、传动机构，实现风电机组叶轮与风向保持一致，最大效率地吸收风能。 偏航时间的长短，是由计算机控制的，一旦风向仪出现故障，自动偏航操作将中止，仅可以从控制柜或机舱顶部控制盒上人工方式操作偏航。 偏航的控制：在风速低于3或3.5m/s下，自动偏航不会工作，风电机组将不会偏航到与风向一致。只有风速大于该值后，风电机组才自动扑捉风向，这样，可以避免不必要的偏航和电能消耗。

84 六、塔架 塔架是用钢板焊接成锥筒形，通过螺栓和法兰连接塔筒的各部分。 塔架是支撑机舱的结构部件，承受来自风电机组各部件的所有载荷，不仅要有一定的高度，使风电机组处于较为理想的位置上运转，而且还应有足够的强度和刚度，以保证在极端风况下，不会使风电机组倾倒。

85 目前商业运行风电机组的种类 定桨矩型 变桨矩型 变桨变速型 直驱型

86 定桨矩型风电机组 优点： - 结构简单，运行可靠性较高 缺点： - 效率低 - 对电网影响大 - 常发生过发电现象，加速机组的疲劳损坏
- 结构简单，运行可靠性较高 缺点： - 效率低 - 对电网影响大 - 常发生过发电现象，加速机组的疲劳损坏 市场情况： - 在欧美市场已停产 - 在中国仍有一定的需求

87 变桨矩风电机组 优点： - 结构较简单，运行可靠性较高 - 不会发生过发电现象 缺点： - 效率不高 - 对电网影响大 市场情况：
- 结构较简单，运行可靠性较高 - 不会发生过发电现象 缺点： - 效率不高 - 对电网影响大 市场情况： - 逐渐退出欧美市场 - 中国市场仍有一定的需求

88 变桨变速型风电机组 优点： - 不会发生过发电现象 - 效率高 - 对电网影响小 缺点： - 电控系统较复杂，运行维护难度较大 市场情况：
- 不会发生过发电现象 - 效率高 - 对电网影响小 缺点： - 电控系统较复杂，运行维护难度较大 市场情况： - 欧美市场大量在使用 - 近几年进入中国市场商业运行

89 直驱型风电机组 优点： - 不会发生过发电现象 - 效率高 - 对电网影响小 - 无齿轮箱损坏的风险 缺点：
- 不会发生过发电现象 - 效率高 - 对电网影响小 - 无齿轮箱损坏的风险 缺点： - 电控系统复杂，运行维护难度较大 市场情况： - 在欧美市场处于发展阶段 - 中国市场目前尚无商业运行机组

90 风电机组发展情况 目前较为成熟、质量和性能可靠、在国际国内市场上可以采购到的风电机组的容量等级在750KW到2500KW之间； 750KW定桨矩风机国内已有生产销售； 在欧美市场，kW级风电机组已基本停止生产，转而生产MW级的机组。 风机技术发展趋势是大型化、变桨变速、直驱型；

91 六、风力发电产业介绍 2017/9/13

92 中国风机制造产业介绍 风电整机制造发展迅速，已明确进入风电整机制造业的企业有50多家，到2008年底进入风电场运行的整机厂家有23家。
其中排名前三位华锐（140万千瓦）、金风（113万千瓦）、东汽（105万千），共占据风电设备市场份额的54%。 2017/9/13

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94 国外品牌风电机组在中国设厂 在国有制造企业纷纷转向风电产业的同时，国外知名的风电设备制造企业也看好中国的风电市场，纷纷在中国设立制造厂
丹麦的Vestas公司、美国GE能源集团、西班牙Gamesa公司印度Suzlon公司独资建厂。 西班牙EHN集团、德国Nordex公司等采取合资建厂的方式。 国外品牌风电机组进入风电市场对于中国风电产业既是一种促进，也是一种挑战，竞争的市场环境是对国内企业自身能力的一种考验。 2017/9/13

95 整机的发展带动了部件制造 风力发电机的主要部件有：风机叶片、发电机、齿轮箱、控制器、变流器、偏航系统。
其他部件有液压刹车系统、散热器、连轴器、轴承等。 塔架和结构件包括轮毂、主轴、机舱底坐、法兰盘等。 国内为风机厂配套大部件的生产厂数量猛增 ，国产化比例超过90%。 2017/9/13

96 中航工业风力发电产业的发展思路 发挥集团优势，统一组织、统一规划、统一协调，举全集团之力，全面进入风电产业。
以风电场的建设和运营为牵引、以风机和关键零部件的制造为核心，形成全价值链发展风电产业的模式，打造专业化公司，形成集团风电品牌。 从研发、市场、管理多方面入手，加强对风电装备配套单位综合能力的建设，提高核心配套能力。具体依据以下几个发展原则： 1、全价值链快速成长的原则； 2、集中整体优势，统一组织、重点突破的原则； 3、专业化发展的原则； 4、充分利用内外部资源的原则； 5、国际化开拓的原则。 2017/9/13

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98 航空工业发展风电产业总体目标 到2015年达到年销售收入830亿元的规模，其中风电整机及零部件实现销售收入480亿元，风场建设及投资运营实现销售收350亿元； 到2017年共实现销售收入1000亿元，占全国市场规模的10％以上。 在风电投资领域，通过有计划、分步骤地发展，计划到2017年，集团风力发电总装机容量达到1000万千瓦规模。 2017/9/13

99 兆瓦级风电机组零部件—齿轮箱 重庆重齿风力发电 齿轮箱有限责任公司 南京高速齿轮制造有限公司 2017/9/13

100 风轮叶片制造 2017/9/13

101 兆瓦级风电机组零部件—电控系统 北京科诺伟业公司 2017/9/13

102 风机塔架 2017/9/13

103 风机主轴 2017/9/13

104 风机轮毂 2017/9/13

105 国产风机轮毂 2017/9/13

106 风机轴承 2017/9/13

107 风机变距轴承 2017/9/13

108 偏航电机和变桨电机 2017/9/13

109 风机连轴器 2017/9/13

110 风机刹车系统 2017/9/13

111 风机基础法兰盘加工 2017/9/13

112 整机装配 2017/9/13

113 整机装配 2017/9/13

114 风机基础 2017/9/13

115 海上风电叶片运输 2017/9/13

116 叶片吊装 2017/9/13

117 风机的吊装 2017/9/13

118 结束语 中国的风电发展已有30多年，取得了显著进步。但由于基础薄弱，风电发展的过程中面临的技术落后、政策扶持不够及上网电价高等诸多困难。随着政府和民众对风电的逐步认识、各项法规的出台，以及风电设备的设计、制造技术方面不断提高，风能利用必将为我国做出巨大的贡献。