风电基础知识
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失速调节
主动失速
定速
变速控制
齿轮箱 变桨距调节 变速调节 无齿轮箱
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
风机知识体系结构与边界条件
控制能力
风特性
叶片设计
控制
频率50Hz 电压 690V 或其他 功率因数>0.98
风力
气动
机械
• • • •
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
• 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。
风能的好坏（用风能密度W评估）
• W< 100 W/m2 – poor 不好 • W 约 400W/m2 – good 好 • W > 700 W/m2 – great 很好
风资源知识
• 风的形成
• 风资源描述
• 风能计算
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）极大风速，指在给定的时 间段内，瞬时风速的最大值。
但到目前为止，风电市场仍然是政策主导的市场.
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70－80％
• 数据库 如：风资源数据库，产品数据库（PDM），知识库，等
金风产品介绍
“金风S43/600”含义：
金风（goldwind) －公司品牌 S－stall ，即失速控制 43－叶轮的直径为 43m 600－发电机的额定功率为600kw Φ43 m
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。 40或 50m
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，有能力成为主流电源之一。
风机尾流
单位面积中的风能
The graph shows that at a wind speed of 8 metres per second we get a power (amount of energy per second) of 314 Watts per square metre exposed to the wind (the wind is coming from a direction perpendicular to the swept rotor area). At 16 m/s we get eight times as much power, i.e. 2509 W/m2. The table in the right gives you the power per square metre exposed to the wind for different wind speeds.
（折合6200元-7000元/kW）
风电场建设项目上网电价分析
全国风电场建设项目上网电价分析
元/kW•h
1 .4 0 0 0 1 .2 0 0 0 1 .0 0 0 0 0 .8 0 0 0 0 .6 0 0 0 0 .4 0 0 0 0 .2 0 0 0 0 .0 0 0 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39
风电的经济性
目前风力发电机组价格水平
风电场建设项目总投资分析
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） 进口风电机组（1000kW-1500kW）: 620 欧元-700 欧元/kW
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 空气动力学 风机分类 风区分类－IEC标准
风电行业特点及其相关核心知识概述
能源消费的国际比较—消费结构
• 我国一次商品能源消 费结构
• 世界一次商品能源消费结 构
油气 26%
核电和水电 7%
核电和水电 10%
煤炭 26%
功率控制 刹车系统
电机 运行数据 切入风速 额度风速 切出风速 抗最大风速 3 m/s 12 m/s 25 m/s 塔架 59,5 m/s 类型 轮毂中心高 类型 结构 额定功率 额定电压 绝缘等级
风机主要组成
驱动链
控制
电机 偏航系统 轮毂
变电 系统
叶轮
风力机组成的逻辑关系
偏航装置
电 网
国外大型风力发电机组发展趋势
风速（m/s）
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 扫风面积 转速范围 叶片数量 叶片类型 62 m 3019 m2 10 ～ 20 RPM1 3 LM 29.1 P 或 相似叶片 变速变桨 3套独立的叶片刹车 多极永磁同步发电机 直接驱动 1200 kW Y690V F 钢制锥塔 69 m
电机
并网
极限 部件制造
COE
材料 制造
结构
噪音－ 叶尖速 －转速
振动 疲劳
￥
运输安装
材料 强度
Cost of Energy
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
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
W 1 V 2
3
风机吸收的能量
Cp 吸收效率 ρ 空气密度，标准密度：1.225kg/m3 A 风轮面积，pD2/4 U 风速
吸收风能，承受推力
As the blades sweep the disk of air, the blade tip speed Is typically 6 to 10 times the wind speed.
600kW 风机
• • • • 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：CPmax≥0.4 控制系统：计算机控制，远程监控 工作寿命：≥20年
1.导流罩
2.叶轮
3. 机舱 4.增速箱
10.提升机
5.高速机械刹车
6.连轴器及安全离合器
12.TB1控制器 13.液压站
7.油散热器
8.发电机
9.风速仪、风向标 15.偏航刹车
11.发电机弹性支撑 17.塔架
14. 偏航轴承
16.偏航驱动
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、
12
10
目前的风电 8 成本可控制 在0.6元/度 6 以下。 High
speed sites
Low wind speed sites
wind
Bulk Power Price Band
Competitive
4
2 0 1990
1995
2000
2005
2010
2015
2020
风机制造行业特点
• • • •
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
功率（KWH）
800 700
600
额定风速：14-15m/s（与气候条件有关） 停机风速：25m/s（10分钟）
500
400
300
200
100
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
50 0
80 45 15 煤炭 石油 世界平均 60 30
71 50
Hale Waihona Puke Baidu
天然气 中国
铀
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）
• •
风机设计知识的核心点
• 目标市场的风资源、风特性(如：湍流特点、气动特点）分析 ， 选择适合、高效的风轮 （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 风机传动链优化
•
•
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）
• • • 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
煤炭 67%
中国
油气 64%
世界平均
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
250 200 230
单位：年
剩余可采储量的保证程度煤炭80 150 年、石油15年、天然气30年,分别 为世界平均水平的1/2,1/3和1/2。 100
以煤为主，缺乏石油、天然气资 源，水能较丰富 人均能源资源量低于世界平均水 平
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
联网工程 建筑工程
6% 7%
其他费用
8%
风电机组设备
64%
场内变电工程
5%
塔架
10%
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 （美国3美分/度，欧洲，2.34欧分 /度）。风机单位千瓦价格：国内 4500－5000元/千瓦 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。
金风600风力发电机组功率曲线 (标准状况)
700
600
500
• • • • • • •
功率 (kW)
400
300
200
100
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
风速 （m/s）
金风失速型风机机舱各零部件分布图
主动失速
定速
变速控制
齿轮箱 变桨距调节 变速调节 无齿轮箱
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
风机知识体系结构与边界条件
控制能力
风特性
叶片设计
控制
频率50Hz 电压 690V 或其他 功率因数>0.98
风力
气动
机械
• • • •
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
• 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。
风能的好坏（用风能密度W评估）
• W< 100 W/m2 – poor 不好 • W 约 400W/m2 – good 好 • W > 700 W/m2 – great 很好
风资源知识
• 风的形成
• 风资源描述
• 风能计算
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）极大风速，指在给定的时 间段内，瞬时风速的最大值。
但到目前为止，风电市场仍然是政策主导的市场.
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70－80％
• 数据库 如：风资源数据库，产品数据库（PDM），知识库，等
金风产品介绍
“金风S43/600”含义：
金风（goldwind) －公司品牌 S－stall ，即失速控制 43－叶轮的直径为 43m 600－发电机的额定功率为600kw Φ43 m
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。 40或 50m
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，有能力成为主流电源之一。
风机尾流
单位面积中的风能
The graph shows that at a wind speed of 8 metres per second we get a power (amount of energy per second) of 314 Watts per square metre exposed to the wind (the wind is coming from a direction perpendicular to the swept rotor area). At 16 m/s we get eight times as much power, i.e. 2509 W/m2. The table in the right gives you the power per square metre exposed to the wind for different wind speeds.
（折合6200元-7000元/kW）
风电场建设项目上网电价分析
全国风电场建设项目上网电价分析
元/kW•h
1 .4 0 0 0 1 .2 0 0 0 1 .0 0 0 0 0 .8 0 0 0 0 .6 0 0 0 0 .4 0 0 0 0 .2 0 0 0 0 .0 0 0 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39
风电的经济性
目前风力发电机组价格水平
风电场建设项目总投资分析
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） 进口风电机组（1000kW-1500kW）: 620 欧元-700 欧元/kW
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 空气动力学 风机分类 风区分类－IEC标准
风电行业特点及其相关核心知识概述
能源消费的国际比较—消费结构
• 我国一次商品能源消 费结构
• 世界一次商品能源消费结 构
油气 26%
核电和水电 7%
核电和水电 10%
煤炭 26%
功率控制 刹车系统
电机 运行数据 切入风速 额度风速 切出风速 抗最大风速 3 m/s 12 m/s 25 m/s 塔架 59,5 m/s 类型 轮毂中心高 类型 结构 额定功率 额定电压 绝缘等级
风机主要组成
驱动链
控制
电机 偏航系统 轮毂
变电 系统
叶轮
风力机组成的逻辑关系
偏航装置
电 网
国外大型风力发电机组发展趋势
风速（m/s）
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 扫风面积 转速范围 叶片数量 叶片类型 62 m 3019 m2 10 ～ 20 RPM1 3 LM 29.1 P 或 相似叶片 变速变桨 3套独立的叶片刹车 多极永磁同步发电机 直接驱动 1200 kW Y690V F 钢制锥塔 69 m
电机
并网
极限 部件制造
COE
材料 制造
结构
噪音－ 叶尖速 －转速
振动 疲劳
￥
运输安装
材料 强度
Cost of Energy
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
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
W 1 V 2
3
风机吸收的能量
Cp 吸收效率 ρ 空气密度，标准密度：1.225kg/m3 A 风轮面积，pD2/4 U 风速
吸收风能，承受推力
As the blades sweep the disk of air, the blade tip speed Is typically 6 to 10 times the wind speed.
600kW 风机
• • • • 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：CPmax≥0.4 控制系统：计算机控制，远程监控 工作寿命：≥20年
1.导流罩
2.叶轮
3. 机舱 4.增速箱
10.提升机
5.高速机械刹车
6.连轴器及安全离合器
12.TB1控制器 13.液压站
7.油散热器
8.发电机
9.风速仪、风向标 15.偏航刹车
11.发电机弹性支撑 17.塔架
14. 偏航轴承
16.偏航驱动
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、
12
10
目前的风电 8 成本可控制 在0.6元/度 6 以下。 High
speed sites
Low wind speed sites
wind
Bulk Power Price Band
Competitive
4
2 0 1990
1995
2000
2005
2010
2015
2020
风机制造行业特点
• • • •
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
功率（KWH）
800 700
600
额定风速：14-15m/s（与气候条件有关） 停机风速：25m/s（10分钟）
500
400
300
200
100
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
50 0
80 45 15 煤炭 石油 世界平均 60 30
71 50
Hale Waihona Puke Baidu
天然气 中国
铀
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）
• •
风机设计知识的核心点
• 目标市场的风资源、风特性(如：湍流特点、气动特点）分析 ， 选择适合、高效的风轮 （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 风机传动链优化
•
•
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）
• • • 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
煤炭 67%
中国
油气 64%
世界平均
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
250 200 230
单位：年
剩余可采储量的保证程度煤炭80 150 年、石油15年、天然气30年,分别 为世界平均水平的1/2,1/3和1/2。 100
以煤为主，缺乏石油、天然气资 源，水能较丰富 人均能源资源量低于世界平均水 平
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
联网工程 建筑工程
6% 7%
其他费用
8%
风电机组设备
64%
场内变电工程
5%
塔架
10%
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 （美国3美分/度，欧洲，2.34欧分 /度）。风机单位千瓦价格：国内 4500－5000元/千瓦 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。
金风600风力发电机组功率曲线 (标准状况)
700
600
500
• • • • • • •
功率 (kW)
400
300
200
100
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
风速 （m/s）
金风失速型风机机舱各零部件分布图