7风力发电2011

空气密度随气压和温度而变。随着高度的升高，空气密度将会下
降。
风功率密度是气流垂直通过单位截面积（风轮面积）的风能， 它是表征一个地方风能资源多少的指标。将上式除以相应的面积A，
当A＝l时，便得到风功率密度公式，也称风能密度公式，即
由于风速是一个随机性很大的量，必须通过一定时间长度的观 测来了解它的平均状况。因此，在一段时间长度内的平均风能密度， 可以将上式对时间积分后平均，即
而被转化的风能总量大约是生物能的50~100倍。全球的风能约为2.74×109
MW，其中可利用的风能为2.0×107 MW，比地球上可开发利用的水能总 量还要大10倍。
中国可开发风能资源总量约为10(2.5)亿kW。其中青海、甘肃、新疆
和内蒙可开发的风能储量分别为1143万kW、2421万kW、3433万kW和 6178万kW，是中国大陆风能储备最丰富的地区。 风能是一种干净的自然能源，没有常规能源（如煤电，油电）与核电 会造成环境污染的问题。平均每装一台单机容量为1 MW的风能发电机， 每年可以减排2000吨二氧化碳、10吨二氧化硫、6吨二氧化氮。
有着巨大的发展潜力。
据报道，甘肃酒泉1000万千瓦级风电基地于2008年8月全面启动， 标志着我国正式步入了打造“风电三峡”工程阶段。据气象部门最新
风能评估结果表明，酒泉风能资源总储量为1.5亿千瓦，可开发量
4000万千瓦以上，可利用面积近1万平方公里。
中国风力资源分布图
风力发电场（简称风电场），是将多台大型并网式的风力发电机安装
力发电机的性能可以用功率曲线来表达 。功率曲线是用作显示在不
同风速下（切入风速到 切出风速 ）风电机的输出功率。
风速
风力发电运行模式
风能是一种波动不稳定的能源，如果没有储能装臵或与其他发电
装臵互补，风力发电装臵本身难以提供连续稳定的电能输出。而大型 风机与电力网并网运行则可解决此问题。对应于风力发电机组的规模，
叶片感受到的相对风速为w，它是叶片的线速度（矢量）u与风进叶轮前 的速度（矢量）v的合成矢量。
相对风速与叶片弦线之间的夹角就是叶片的攻角α 相对风速与叶片弦线之间的夹角就是叶片的攻角α
叶尖速比： 风轮叶片尖端线速度与 风速之比称为叶尖速比。 右图是一个风力机的叶
轮，u是旋转的风力机风轮
外径切线速度，v是风进叶 轮前的速度，叶尖速比
速装臵有各种各样的类型，但从原理上来看大致有三类，一类是使叶 轮偏离主风向，另一类是利用气动阻力，第三类是改变叶片的桨距角。
偏航系统
为了让叶轮能自然地对准风向，通常风机都会采用调向装臵，对 大型风力发电机组而言，一般采用的是电动机驱动的风向跟踪系统。 整个偏航系统由电动机及减速机构、偏航调节系统和扭缆保护装臵等 部分组成。偏航调节系统包括风向标和偏航系统调节软件。风向标对 应每一个风向都有一个相应的脉冲输出信号，通过偏航系统软件确定
在风能资源好的场地，按照地形和主风向排成阵列，组成机群向电网 供电。风力发电机就像种庄稼一样排列在地面上，故形象地称为“风 力田”。风力发电场于20世纪80年代初在美国的加利福尼亚州兴起，
现在被全世界大力发展风电的各个国家广泛采用。
风电场的风力发电机相互之间需要有足够的距离，以免造成过强的湍
流相互影响，或由于“尾流效应”而严重减低后排风电机的功率输出。
叶轮
风力机区别于其他机械的最主要特征就是叶轮。叶轮一般由2～ 3个叶片和轮毂所组成，其功能是将风能转换为机械能。除小型风力
机的叶片部分采用木质材料外，中、大型风力机的叶片都采用玻璃纤
维或高强度复合材料制成。风力机叶片都要装在轮毂上。轮毂是叶轮 的枢纽，也是叶片根部与主轴的连接件。所有从叶片传来的力，都通
其偏航方向和偏航角度，然后将偏航信号放大传送给电动机，通过减
速机构转动风力机平台，直到对准风向为止。
传动系统
风机的传动系统一般包括低速轴、高速轴、齿轮箱、联轴节和制
动器等。但不是每一种风机都必须具备所有这些环节。有些风机的轮
毂直接连接到齿轮箱上，不需要低速传动轴。也有一些风机设计成无 齿轮箱的，叶轮直接连接到发电机。 叶轮叶片产生的机械能由机舱里的传动系统传递给发电机，它包 括一个齿轮箱、离合器和一个能使风力机在停止运行时的紧急情况下 复位的刹车系统。齿轮箱用于增加叶轮转速，从20~50转/分到 1000~1500转/分，后者是驱动大多数发电机所需的转速。齿轮箱可以
是一个简单的平行轴齿轮箱，其中输出轴是不同轴的，或者它也可以
是输入、输出轴共线，使结构更紧凑。
发电机系统
风力发电包含了由风能到机械能和由机械能到电能两个能量转换 过程，发电机及其控制系统承担了后一种能量转换任务。恒速恒频发
电机系统一般来说比较简单，所采用的发电机主要有两种，即同步发
电机和鼠笼型感应发电机。变速恒频发电机系统是20世纪70年代中期 以后逐渐发展起来的一种新型风力发电系统，其主要优点在于叶轮以 变速运行，可以在很宽的风速范围内保持近乎恒定的最佳叶尖速比， 从而提高了风力机的运行效率，从风中获取的能量可以比恒速风力机 高得多。此外，这种风机在结构上和实用中还有很多的优越性。
年平均增长速度达到46%。中国在风电装机容量的世界排名中，2004 年居第10位，2008年跃居第4位，并有望成为世界最大的风电市场。
按照中国资源综合利用协会可再生能源专业委员会的估计，2010
年，中国风电有望超过欧、美，成为世界风电第一大国，可能达到或 超过3000万kW，提前10年达到中国政府确定的风电2020年发展目标， 2020年有望实现1亿kW 或1.2亿kW的风电装机容量。
的最大功率，是风的功率的59.26%。大多数风电机只能提取风的功
率的40%或者更少。
风机空气动力学基础
截面为流线型的飞机翼片阻力很小，即使与气流方向平行也会有升 力，因为翼片上表面弯曲，下表面平直，翼片上方气流速度比下方快， 跟据流体力学的伯努利原理，上方气体压强比下方小，翼片就受到向上
的升力作用。
风电技术日趋成熟，产品质量可靠，可用率已达95%以上，已 是一种安全可靠的能源，风力发电的经济性日益提高，发电成本已接 近煤电，低于油电与核电。风力发电场建设工期短，是煤电、核电无 可比拟的。对沿海岛屿，交通不便的边远山区，地广人稀的草原牧场， 以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、边疆来说，可作为解 决生产和生活能源的一种有效途径，风能作为一种高效清洁的新能源
风力发电机的工作原理与运行
现代风力发电机采用空气动力学原理，就像飞机的机翼一样。风并非
“推”动风轮叶片，而是吹过叶片形成叶片正反面的压差，这种压差
会产生升力，令风轮旋转并不断横切风流。
风力发电机的风轮并不能提取风的所有功率。因为经过风轮做功后的
风速不会为零，仅仅是减小，故风只能把一部分能量转交给风轮。根 据Betz定律（理想情况下风能所能转换成电能的极限比值为16/27，约 为59.26%，是风力发电中关于风能利用效率的一条基本的理论，由 德国物理学家Albert Betz于1919年提出。），理论上风电机能够提取
过轮毂传递到传动系统，再传到风力机驱动的对象。同时轮毂也是控
制叶片桨距（使叶片作俯仰转动）的所在。轮毂的作用是连接叶片和 低速轴，要求能承受大的，复杂的载荷。
调速或限速装臵
在很多情况下，要求风力机不论风速如何变化转速总保持恒定或 不超过某一限定值，为此目的而采用了调速或限速装臵。当风速过高
时，这些装臵还用来限制功率，并减小作用在叶片上的力。调速或限
通常有三种运行方式：
（1）大、中型风力发电机组（100 kW以上）与电力网并网运行； （2）小型风力发电机（10 kW到100 kW瓦）与柴油发电机或其他发电 装臵并联互补运行； （3）微型风力发电机（10 kW以下）主要采用直流发电系统并配合蓄电 池储能装臵独立运行。所以，与就近的电力网并网，是风电场最常见 的运行方式选择。
这一风速称为停机风速或切出风速。因此，在统计风速资料计算风能
潜力时，必须考虑这两个因素。通常将切入风速到切出风速之间的风 能称有效风能。有效风能密度是有效风能范围内的风能平均密度。
风力发电机各部件介速或限
速装臵，偏航系统，
传动机构，发电机系 统，塔架等组成。
当翼片与气流方向有夹角（该角称攻角或迎角）时，随攻角增加升力 会增大，阻力也会增大，平衡这一利弊，一般说来攻角为8至15度较好。 超过15度后翼片上方气流会发生分离，产生涡流，升力会迅速下降，阻 力会急剧上升，这一现象称为失速。
风力机叶片运动时所感受到的风速是外来风速与叶片运动速度的合
成速度，称为相对风速。上图是一个风力机的叶片截面，当叶片运动时，
为了配合运送大型设备（特别是叶片）到安装现场，须要建设道路。
另外亦须要建设输电线，把风电场的输出连接到电网接入点。
荷兰四叶风车 windmill
蒂哈查皮山口风力发电场，美国-南加州 562 MW
中国新疆 达坂城风力发电场 125 MW
海上风车园（风电场） 丹麦 40 MW
田野上的风车（德国）
塔架
风力机的塔架除了要支撑风力机的重量，还要承受吹向风力机和 塔架的风压，以及风力机运行中的动载荷。它的刚度和风力机的振动
有密切关系。水平轴风力发电机的塔架主要可分为管柱型和桁架型两
类，管柱型塔架可从最简单的木杆，一直到大型钢管和混凝土管柱。 小型风力机塔杆为了增加抗弯矩的能力，可以用拉线来加强。中、大 型塔杆为了运输方便，可以将钢管分成几段。一般圆柱形塔架对风的 阻力较小，特别是对于下风向风力机，产生紊流的影响要比桁架式塔 架小。桁架式塔架常用于中小型风力机上，其优点是造价不高，运输 也方便。但这种塔架会使下风向风力机的叶片产生很大的紊流。
1 3 E v 2
W m2
1 E T

T
0
1 3 v dt 2
风力机需要根据—个确定的风速来确定风力机的额定功率，这 个风速称为额定风速。在这种风速下，风力机功率达到最大。在风力 工程中，将风力机开始运行做功时的这个风速称为启动风速或切入风 速。当风速大到某一极限时，风力机就有损坏的危险，必须停止运行，
风能及其利用
风的能量指的是风的动能，是指风所负载的能量，特定质量的空
气的动能可以用下列公式计算
1 E mv 2 2
风能的利用主要就是将它的动能转化为其他形式的能，因此计 算风能的大小也就是计算气流所具有的动能。在单位时间内流过垂立 于风速截向积A的风能，即风功率为
E
1 3 v A 2
式中：E为风功率，单位为W；空气密度一般取1.225千克/立方米。
将风机桨叶吊上50多米高的塔筒
风机桨叶运输
风机叶片
风机安装（德国）
新型风轮
中、外风电的发展
在欧洲和美国风电成为新增容量最快和容量最大的发电电源之一，其
中美国风电装机占其新增发电装机容量的40%以上，欧盟27国风电装 机占其新增发电装机容量的35%以上，成为重要的替代能源。
到2008年底，中国累计风电装机容量达到1215.2万kW，过去10 年的
风力发电
Wind Power
概述
风的能量是由太阳辐射能转化来的，太阳每小时辐射地球的能量是 4,423,000,000 MW。太阳的辐射造成地球表面受热不均，引起大气层中压 力分布不均，空气沿水平方向运动形成风。风能大约占太阳提供总能量的 百分之一或二，太阳辐射能量中的一部分被地球上的植物转换成生物能，
λ=u/v
升力型风力机叶尖速比 一般为3至8 。叶尖速比直 接反映了相对风速与叶片运 动方向的夹角，即直接关系 到叶片的攻角，是分析风力 机性能的重要参数。
实度比 风力机叶片的总面积与风通过 风轮的面积（风轮扫掠面积）之比 称为实度比（容积比），是风力机 的一个参考数据。 右图为水平轴风力机叶轮，S为 每个叶片对风的投影面积，B为叶 片个数，R为风轮半径，实度比为 σ=BS/πR2 多叶片的风力机有高实度比，适 合低风速、低转速的风力机，其效 率较低。风力发电机多采用少叶片 与窄叶片的低实度比风力机，可以 较高效率高转速运行。
风力发电机的功率曲线
在风速很低的时候，风电机风轮会保持不动。当到达切入风速 时（通常每秒3到4米），风轮开始旋转并牵引发电机开始发电。随著 风力越来越强，输出功率会增加。当风速达到额定风速时，风电机会 输出其额定功率。之后输出功率会保留大致不变。当风速进一步增加， 达到切出风速的时候，风电机会剎车，不再输出功率，为免受损。风