风电基础知识

第一章风能及风能资源
一．风的成因
风是环绕地球大气层中的空气流动．流动的空气所具有的能量，也就是风所具有的动能，就称为风能．从广义太阳能的观点看，风能是由太阳能转化而来的．来自太阳能的辐射能不断地传送到地球表面周围，因受太阳照射而受热的情况不同，地球表面各处产生了温差，因而产生气压差，由此形成了空气的流动．因此，可以说是太阳把能量以热能的形式传到地球而后又转换成风能的．
二风的风类
大气环流――地球表面的大气环流是由于太阳辐射及地球自转而引起的．在赤道上，太阳垂直照射，地面受热很强：而在地球两极地区，太阳是倾斜照射的，地面受热则较弱，热空气较冷空气轻，就造成在赤道附近热空气向空间上升，并通过大气层上部流向两极；两极地区的冷空气则流向赤道．由于地球本身自西向东旋转的结果，这种大气环流在北半球产生了东北风，在南半球则产生了东南风，分别称为东北信风和东南信风.
海陆风――沿海地球陆地同海上所形成的风向交替的海风与陆风，它们是由于昼夜之间温度变化而造成的．在白日，陆地上接受的太阳辐射热量较海水要强，因而陆地上的空气受热向上流动，而海洋面上的空气较冷，较冷的空气则自海洋流向沿岸陆地，这样就形成了海风；在夜间，陆地上的空气比海洋上的空气冷却要快，这样就造成海洋上的空气上升，而陆地上较冷的空气沿地面流向海洋，形成了陆风.
山谷风――山岳地区在一昼夜间风向交替的山风（或称山岳风）与谷风（或称平原风）．谷风的产生是由于日间太阳照射使山坡上的空气温度升高，热空气上升，而地势地处的冷空气则自山谷向上流动，这就形成了谷风；到了夜晚，空气中的热量向高空散发，高空中的空气密度增大，空气则沿山坡向下流动，这就形成了山风．
第二章风的描述
如上所述，风是由于空气的流动而形成的，因此可被看做是向量，包括空气流动的速度及流动的方向两个要素，也即是风速和风向．对于人类来说，风是最熟悉的自然现象之一，风速与风向在不同的时间（每日每月每年）都有一定的周期性变化．为了估算某一地域的风能资源，必须测量出每日、每月、每年的风速及风向数据，了解其变化的情况。

（一）风速
空气在单位时间内所流过的距离称为风速，通常以米／秒作为计量单位。

风速是不稳定的随机量，，甚至在很短的时间内也有很大的变化。

目前国际上对于风力状况进行分析并作为计算风能资源的基本依据是每小时的平均风速．每小时平均风速值可以通过以下方式测算得出：
1．将每小时内测的瞬时风速取平均值；
2．将每小时最后十分钟内测定的风速取平均值作为每小时的平均风速值（世界气象组织规定采用此法）；
3．将每小时内几个瞬间量测的风速值取平均值．
我国气象台站给出的每小时平均风速值是按第二钟方式测定的，采用上述后两种方式测量风速时，最大风速度是不可能得到的．
以每小时平均风速值为基础可以计算得出每日、每月、每年的平均风速值，既：
日平均风速值：一个月中各日风速值的平均值；
年平均风速值：一年中各月风速值的平均值。

（二）风向
地球上某一地域的风向由于其所处地理位置及受地球表面不同情况的影响，是经常变动的。

国际上通用的十六位风向的表示方法是在东单西北四个方向各插入一个方向，组成八个方位，及组成十六个方位，按照在此十六个方位风向出现的频率组成的描述风向变化的图形，称为风向玫瑰图
在风玫瑰图中，径向矢量的长度代表该方向的风吹过的时间百分数。

数字则表示该方向的平均风速值。

风玫瑰图既可画成每小时的，也可画成每日每月每年的。

分析一天或一年的风玫瑰图就可了解一天或一年的风向变化情况。

三风沿高度的变化
从地球表面到100米高空内，空气流动受到涡流，粘性和地面摩擦等因素的影响，靠近地面的风速较小。

离地面越高则风速较大。

风能的大小与风速的立方成正比，在高空捕获的风能远比地面要大，了解风速沿高度变化的情况，对于选择和确定风力装置离地面的高度非常重要。

四风能密度
垂直穿过单位截面的空气所具有的动能称为风能密度。

分为平均风能密度：一定周期内风能密度的平均值称为平均风能密度。

有效风能密度：对应与此一定风速范围内的风能密度称为有效风能密度。

我国有效风能密度对应的风速范围为3—20米/秒。

一般情况下，计算风能密度采用标准大气压下的空气密度。

五风速的频率风布
按风速相差1米/秒的间隔观测一定时期内不同风速出现的时数占此一定时期的吹风总时数的百分比称为风速的频率分布。

根据风频风布，我们可较好的了解某地的风况。

第三章风能利用
气流和任何运动着的物体一样具有动能，流动着的空气所具有的动能称为风能。

按照空气动力学理论，流动的空气所具有的动能为：
W=1/2mv2
式中 W——流动的空气所具有的动能，千克?米2?秒-2（或焦）；
m——流动的空气的质量，千克；
v——空气流动的速度，即风速，米/秒。

若设A为与空气流动方向垂直的某一截面的面积（其单位为米2），ρ为空气密度（其单位为千克/米3），则单位时间内穿过截面A的风能为：
式中 t——时间，秒。

风能属于可再生能源，它和存在于自然界中的燃料能源，如煤、石油、天然气等不同，不会随着它本身的转化（转化为其他形式的能量）和人类的利用而日趋减少，因此可以说是一种取之不尽，用之不竭的能源。

由于煤、石油、天然气等矿物燃料资源的储量随着人们的利用正在日趋减少，同时也由于这些矿物燃料在利用时所带来的环境污染问题，风能利用在70年代又重新受到世界各国的重视和开发推广。

风能除了具有可再生性及无污染的特点外，风能还属于过程性能源，因而具有随机性。

利用风能必须考虑蓄能或与其他能源相互配合，才能获得稳定的能源供应，因为风能是不能直接蓄存起来的，风能只有转换成其他形式的可以蓄存的能量后才能蓄存起来，当然这就增加了技术上的复杂性。

风能的能量密度低是风能的另一弱点，空气的密度仅约为水的1/800，因此风能装置的体积大，耗用材料多，这也是风能利用受到制约的因素之一。

根据不同的需要，风能可以被转换成其他不同形式的能量，如机械能、电能、热能等而加以利用。

80年代以来风能利用的主要趋向是风力发电、风力泵水、风力致热及风帆助航等。

第四章风力发电的发展及现状
一风电的发展：
人类利用风能的历史可追溯到中世纪甚至更早，最初是将风能转换为机械能，以后则是电能。

我国是最早利用风能的国家之一。

公元1637年明宋应星在《天工开物》一书中记载有：“扬郡以风帆数扇，俟风转车，风息则止”，说明当时已有风车问世。

埃及、荷兰、丹麦等国也都是世界上较早和普遍利用风能的国家，古埃及利用风磨碾磨粮食；荷兰的风车数量是举世闻名的，14世纪荷兰人改善了风车的设计，广泛地利用风车在沼泽地区排水；丹麦是世界上最早利用风力发电的国家，从19世纪末便开始研制风力发电机，大约有3000台工业用风车和30000台其他形式的风车在家庭和农村中使用；美国自19世纪50年代以来全国有600万台小型风车（功率小于1千瓦）用于提水和发电，对美国西部地区的开发起了重要作用。

美国于1941年在佛蒙特州建造了第一台额定容量为兆瓦的大型风力发电机，1941至1945年间运转发电，其后由于叶片折断而停止运转；苏联于1931年在巴塔拉瓦（靠近黑海的雅尔塔）建造了风轮直径为米，塔高米，额定功率为100千瓦的风力发电机组，额定风速约为11米/秒，采用了感应发电机；机组与32公里以外位于塞瓦斯托波尔的20兆瓦容量的火力发电站相联，并通过叶片的桨距控制实现调节。

第二次世界大战后，一些国家（如丹麦等）进行了容量在100千瓦以上的风力发电装置的研究，风力发电的理论逐渐系统化，丹麦的盖瑟机组风轮直径为27米，功率200千瓦，每年可发电40万千瓦?时。

20世纪60年代由于石油价格下降，风力发电处于停滞状态。

1973年以后由于石油危机的冲击及使用煤、石油等矿物燃料发电所带来的环境污染问题，风力发电又重新受到重视。

美国、丹麦、荷兰、英国、德国、瑞典、加拿大等国对风力发电的研究与应用投入了相当大的人力及资金，制订了开发计划，充分利用空气动力学、新材料、计算机、电机及自动控制等领域的新技术研制现代风力发电机及研究其运行技术。

经过十多年的发展，风力发电技术逐渐趋于成熟，建立了评估风力资源的计算机模拟系统，改进了变桨距控制和发展了失速控制风轮机叶片的设计理论，提出和采用了新型叶片材料及翼型，研制了变速恒频发电机及低速发电机，开发了微机控制的风力发电机单机和机群自动控制的技术等，大大提高了风力发电机的效率及可靠性。

在美国、西北欧等工业发达国家发展风力发电主要是建立风电场，到1987年底美国在加利福尼亚州已安装了约16400台不同容量的风力发电机，总装机容量约达140万千瓦，年发电量达17亿千瓦?时。

美国加州风电场每千瓦?时的发电成本已低于核电，接近燃油发电的水平，说明风电已具有与传统常规能源发电竞争的潜力。

截止到1990年底全世界风力发电装机容量达255万千瓦，共计约20430台，平均单机容量为106千瓦（其中美国装机容量为163万千瓦，丹麦为万千瓦，德国为万千瓦，荷兰为万千瓦，印度为万千瓦）。

1990年全世界风力发电量约为亿千瓦?时，其中美国占71%，丹麦占%。

1990年以后并网型风力发电在全世界，特别是欧洲及印度得到了快速发展，到1994年全世界并网风力发电机的装机容量已达到万千瓦，其中美国为万千瓦，德国为万千瓦，丹麦为54万千瓦，荷兰为万千瓦，英国为万千瓦，西班牙为万千瓦，瑞典为万千瓦，希腊为万千瓦，意大利为万千瓦。

欧洲各国的风力发电装机容量的总和已接近美国风力发电的总装机容量。

在亚洲，印度的风力发电装机容量达到万千瓦。

随着技术的不断发展，风力发电机的单机容量逐步加大。

在80年代初，商品风力发电机的单机容量为50千瓦左右，80年代中期为100千瓦左右，到80年代末期已增加到200千瓦左右，进入到90年代以后，容量为300--500千瓦的机组已成为各国建设风电场的主导机型。

按照国际上的规定，单机容量在1000千瓦以上的风力发电机组为大型机组，单机容量愈大，成本越低，经济效益越高，同时可减少风电场占地面积，因此一些工业发达国家也纷纷进行了研究与试制。

大型风力发电机组的研究开发耗资巨大，其长远目标是使之达到能承担部分社会能源的需求。

有的机组在试验运行中出现技术问题后已停止运行。

在风电场的建设中欧洲联盟各国倾向于单机容量为500--750千瓦的机组。

（二）风力发电与其他可再生能源发电成本的比较
随着人类在生产及日常生活中对能源需求的不断增长及对环境保护要求的日益提高，利用风能发电和可再生能源中其他能源发电（例如太阳光发电、生物质能发电、太阳热发电、地热发电等）日益受到人们的重视。

到80年代末美国风电场的发电成本已低于核电成本，但仍高于水力发电和燃油或燃煤发电的成本。

据欧洲出版的风能月刊统计及预计，1991年世界上风力发电、太阳光发电、太阳热发电、生物质能发电及地热发电的发电成本以及本世纪末以前（1995~2000年）和下世纪（2000年以后）的发电成本如表6-1所示。

从表中可以看出，未来风力发电的发电成本在各种可再生能源发电中是最低的，可以达到和常规燃油、燃煤发电的成本相竞争，展望未来，风力发电定将获得更快和更大规模的发展。

表6-1 不同类型可再生能源发电成本及发展趋势
第三风力发电的社会效益
应用风力发电除可带来节约矿物燃料（主要为煤炭、石油、天然气）的经济效益外，其所带来的社会效益，主要是对生态环境的影响也是显着的。

据测算，燃煤的火力发电每发1千瓦?时的电，需要耗用千克的标准煤，同时会产生千克的二氧化碳（CO2），还有相当数量的SO2及NO2。

空气中存在大量的CO2，将导致产生：“温室效应”，空气中大量的SO2及NO2则会产生“酸雨”，危害生态。

当前环境问题已成为全球各国政府及人民共同关心的迫切问题，因此利用风力（及其他可再生能源）发电以减少空气中的二氧化碳的排放量，已成为一项不可忽视的重要的能源政策。

第五章我国的风电现状
大规模利用风力发电是减少空气污染（可减少CO2，SO2，NO2，CO等的排放量）的有效措施之一，丹麦提出要在2000年达到风力发电占全国总发电量的10%，欧共体也提出要在下世纪20年代初达到这个目标（目前只占%）。

目前全世界每年生产的风力发电机总容量达30万千瓦，风电每千瓦?时的电价约为6美分。

我国于50年代后期开始近代风力发电技术的研究工作，1957~1958年在江苏、吉林、辽宁、新疆等地建造了一些功率在10千瓦以下，风轮直径在10米以下的小型风力发电装置，其后处于停滞状态，1975年以后，特别是70年代末，80年代初以来，一些部门的研究机构及大学相继开展了风力发电的研究工作，研究项目主要为以下几个方面：
1．风轮转子叶片翼型、风轮结构及其气动性能的研究、设计、计算及实验。

我国已自行设计、计算了直径为~32米的水平轴风轮直叶片及扭叶片；直径为~6米
达里厄型、S型（萨沃尼厄斯型）、H型、帆翼型及可变几何翼型的立轴风轮直
叶片及弯曲叶片。

为研究其气动性能，其中一些进行了风洞吹风实验，测取了
有关参数。

2．风轮叶片的制造工艺，特别是玻璃钢材料叶片成型工艺的研究。

我国已成功地制出最大直径达32米的水平轴风轮叶片及最大直径为6米的达里厄型弯曲叶
片。

3．风轮机限速调速系统的研究。

包括气动阻尼装置及变桨距调速机构的研究。

我国在自行研制的20千瓦水平轴风轮机上采用了离心飞锤液压调速系统，在55
千瓦水平轴风轮机上采用了电调速系统，在200千瓦水平轴风轮机上采用了液
压控制的变桨距调速机构；在自行研制的直径为6米的达里厄风轮上及与联邦
德国合作研制的直径为12米的达里厄风轮上安装和实验了气动阻尼板限速装
置。

4．进行了适用于风力发电的不同类型和容量的发电机的研制，包括容量在3千瓦以下的永磁发电机及2千瓦以下的无刷硅整流励磁发电机。

对变速恒频系统中
的特殊发电机及其控制也开展了多方面的研究工作。

5．全国范围的风能资源普查。

6．建立风力机械标准规范。

7．风场测试技术及风电场规划。

8．风力发电运行方式的研究。

包括单机独立运行、单机并网运行、多机并网运行、风力/柴油（W/D）发电系统，风力/光伏（W/PV）发电系统。

9．风电系统的计算机模拟研究。

我国研制的微型及小型风力发电机组的产量在1986~1990年间得到了较快的发展。

据统计，1985年以前全国累计生产风力发电机（主要为50瓦及100瓦微型机）约3万台；而1986~1990年间累计生产风力发电机达万台，其中多数是100千瓦的，同时也生产了少数200瓦、300瓦、500瓦、1千瓦、2千瓦、3千瓦及5千瓦的。

到1991年底，小于5千瓦的微型及小型风力发电机已推广应用的数量达到约12万台，1993年底达到13万1千台，主要在内蒙古及甘肃、青海等草原牧区，解决了农牧民的生活用电问题，取得了良好的经济效益及社会效益。

第六章风力发电经济性分析
（一）影响风力发电经济性的因素
衡量风力发电经济性的基本参数是发电成本，即独立运行的单台风力发电机组或是由多台风力发电机组组成的风电场每千瓦?时的发电成本。

风力发电虽不消耗燃料，也没有燃料的开采和运输费用问题，但风力发电的经济性却与风能资源的情况密切相关。

即便是相同容量、相同性能的风力发电机，如果安装在不同的地点，由于风况（风速、风频等）的差别，其在同一时刻内（例如一年）的发电量也是不相同的，因而也会给发电成本带来差异。

所以风力发电成本的计算不似常规能源那样，只要机组容量和性能相同，则其发电成本基本一样。

概括地说，风力发电的经济性与下列因素有关：
1．风能资源概况。

特别是风速的频率分布，至少要有一年的风速数据测量，才能得出风速分布的规律，从而才能精确地计算出发电量。

因而，对于建立风
电场而言，场址选择特别重要。

2．风力发电设备的投资费用。

发电设备的单机容量越大，则单位千瓦的投资费用越低，批量生产的设备则较单件生产的设备投资费用要低。

例如对风电场
中的中等容量风力发电机组目前最佳的容量范围是300~500千瓦。

3．工程费用。

包括工程设计费用、设备运输费用、基础施工费用、基本建筑费用、土地费用、道路修建费等。

对于家庭安装使用的微型风力发电机则可不
考虑此项费用。

4．运行费用。

主要为维修费用及运行人员的工资，对于家庭安装使用的微型风力发电机则不包括运行人员费用。

5．投资回收方式，即设备的折旧率及投资回收期。

这与投资贷款利率、设备规定的使用寿命及所要求的固定回收率有关，有时还应考虑设备保险所付出的
费用。

第七章风电厂的选址及建设
一风电厂的选址机风机的排布：
由于风力发电设备能够根据无论是来自风机系统内还是系统外的故障实现自动停机保护，因此风力发电机组原则上说是可以实现无人职守的。

但由于国内风电场多处于偏僻的地方，且由于国内的交通现状，使得风电厂的选址是非常重要的工作.
一个好的风电场场址不仅要满足风速的条件，而且场址处的地质、交通、通信、电网质量、经济现状等都是不可忽视的因素。

因此在选择风力发电场场址时应充分考虑以下因素：*理想年平均可达5米/秒（10米高处）以上，且风频率分布较好。

*周围没有较高的障碍物，地形开阔，变化不大。

*没有危害风机的空气污染物机较大的风沙。

*没有危害风机的剪切风，紊流的存在。

*有良好的地质土壤和运输条件。

*离主电网的距离不是非常遥远。

*主电网容量和质量都要保证。

风厂的选址非常重要，同时风机的排布同样也非常重要：布局是否合理直接影响建厂投资和风机的经济运行及风厂的综合效益。

1．风机排布的原则
*风机间距原则上为5倍的所选风机的叶轮直径，风机排距为8倍的叶轮直径，以免尾流效应造成的影响使后排风机出力下降。

*风机间距及排距不能太大，以免增加电缆的功率损耗，电压损失，并多占面积。

*布局每排风机中心边线与主风向垂直。

*排布时风机基础选点应避开自然水沟及泄洪沟，以保证风机安全运行。

一般风机布局有两种方法：一是主风向布局。

就是排与排风机及风机布置距离均相等是最佳的布局之一。

但占地面积大。

二是无主风向布局。

排与排及排间风机布置距离不等。

相对占地较小。

当然，风机的设备完好率与风机部件的质量高低同样非常重要。

第八章风机系统说明及总体认识
一风电场：
1．风电的形成过程：
与火力发电过程相比较，风力发电从电的产生，输送，并入电网这一过程已大大的简化了。

可以这样说，一个风机相当于一座小型的火电厂。

2．风力发电与火力发电过程的简单对比
我们可将这一过程与火力发电厂做一简单的对比：能量的转换是相互的，火电初始源为煤，而风电则来源于空气的流动——风。

火力发电过程：从煤的运输——煤厂至火力发电厂，煤的输送——储煤点至碎煤机，煤
的处理——磨煤机处理，包括其附助设备：如引风机，汽机，锅炉，电气控制室，锅炉室，汽机室，尾气处理单元，水处理单元等等，火电的产生所需要的设备及附属设备是极
其复杂的。

风力发电过程：风能作用于叶轮转化成动能，并通过传动系统传递到发电机侧，在发电机中由旋转磁场将动能转化成电能，而后通过塔架内的电缆将电能传输至变压器，再通过地下电缆或者架空线路上电网，完成发电过程。

整个发电过程的完成都是集中在一
座小小的塔架内完成的。

现国外也有变压器直接放置在塔架内的，当然，这样做是考虑到土地的利用率，电网与风力发电机较近的情况而定的。

通过上述比较我们发现：风力发电设备及其过程的简变性及以维护性。

二风机的总体概念：
2．风机的基本构成
风机是由叶轮，偏航系统，液压系统，传动系统（齿轮箱、连接轴、发电机等），控制系统，塔架等部分组成的。

2．风机力发的基本原理
当风速满足启动风速时，控制器发出开机指令，这时通过相应的控制电源控制电磁阀打开油路，使叶尖收回，高速闸松开，叶轮转动。

当叶轮转速接近或达到并网转速时，风机通过可控硅软并网，并网结束后，由旁路接触器退出可控硅，完成并网。

在机组运行过程中，控制器通过各种传感器及监测部件实现对风机各工作部分的监视，以便在故障时能及时的停机，实现对风机的保护。

风向变化时，由风向标来判断风向的正确位置，偏航系统实现机组的对风。

事实上整个风机可以等同于一个人：控制器即似人的大脑，各监测元件好似遍布在人体内的神经及神经末梢。

各动作的执行机构诸如偏航电机，发电机等，就类适于人的手与脚。

当风机发出命令时，以某种方式通过电缆传输，执行机构具体执行所要进行的动作，就如人的大脑发出某种命令，通过神经传输具体到执行动作的器官。

四风机各部分的介绍：
1 电控部分及相应功能的描述：
风力发电机组电控系统包含正常运行控制、运行状态监测和安全保护三个方面的职能。

正常运行控制包括机组自动启动，发电机软并网，大小发电机自动切换，发电机除湿加热，机舱自动跟踪风向，液压系统自动开停，齿轮箱油加温，齿轮箱散热器开停，机舱扭缆和自动解缆，电容补偿自动分组投切以及逆功率自动停机。

监测控制系统用于监测电网的电压、频率、发电机输出电流、功率、功率因数，风速，风向，叶轮转速，发电机转速，液压系统状况，偏航系统状况，软启动环节工作状况，齿轮箱油温，大小发电机绕组温度，发电机前后轴承温度，控制盘温度，机舱内环境温度，控制器根据大量传感器提供的信号控制风机的可靠安全运行。

安全保护系统分三层结构：计算机系统，独立于计算机的安全链，元器件本身的保护措施。

在机组发生超常振动、过速、电网异常、出现极限风速等故障时保护机组。

对于电流、功率保护，采用两套相互独立的保护机构，诸如电网电压过高，风速过大等故障发生后，只有当电控系统恢复正常后，风机才能自动复位，重新启动。

风机控制器具有远方监控功能。

将钥匙开关由正常位置打到维修位置可与远方控制断开。

开关位于正常位置时，在风机检修时，也可使用此开关。

机舱内设有专为维护检修而装配的开机、停机、左偏、右偏、维护复位旋钮及紧急停机。