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风能和风力发电

一、风能

风能是一种无污染的、可再生的能源,取之不尽,用之不竭,分布广泛,但能量密度相对较低,具有时空上的不稳定行。研究风能的利用离不开对风的特性描述,风的最大特性是他的变化性。对于风能的利用来讲,我们主要关心风速和风向。

◆ 风速的特性

风速是指空气的移动速度,即单位时间内空气微团移动的距离。

瞬时风速称为有效风速,即实际发生作用的风速,通常指很短时间间隔内的风速。

平均风速是很长时间内风速的平均值,实际上是在较长时间范围内,多次风速测量的平均值,即

◆ 风速频率

风速频率是风速在一年内或一个月内中所出现的时间分布。在计算风速频率是,通常把风速的间隔定为1m/s,依次划分风速区间,较长观测时间内各种风速吹风时数与该时间间隔内吹风总数的百分比就是风速频率分布。风速频率是确定风能电站年工作时数的基本数据。

◆ 风能“玫瑰”。

风速是矢量,既有大小,也有方向。风速的大小随时变化,其方向也是不稳定的。在一段时间内,风速在不同的方向上出现的时间称为风速在该方向上的方向频率。方向频率与该方向上平均风速的三次方的乘积沿个方向的分布即为风能“玫瑰”。根据玫瑰图可以看出哪个方向上的风具有优势。


◆ 风能的能量密度

◆ 风能资源的分布

按照风能资源的多少可以划分成这样几个区域:

最大风能资源区。我国的最大陆上风能资源区是东南沿海一带及其岛屿,这一带的面积相对较小,只在由海岸向内陆几十公里的范围内才有较大的风能资源。

次最大风能资源区。为内蒙古和甘肃北部。这一带面积辽阔,终年在西风带的控制之下,适合大规模风力发电,是我国最大的风能资源区。

大风能资源区。黑龙江和吉林省北部、辽东半岛的沿海区。

较大风能资源区。除了上述地区以外的三北北部、青藏高原和其他沿海地区,其中青藏高原风速全年出现时间可达6500h,但由于海拔高,空气密度小,风能密度也小。

最小风能资源区。云、贵、川地区,陕西南部,河南南部,湖南南部,福建、两广地区及塔里木盆地。其中西双版纳和四川盆地的风能最小,只有部分山顶和峡谷等特殊地形的地区才可能进行风能利用。

二、风力发电

◆ 目前风力发电可分为两种方式:

离网型的小型分散风力发电装置。这种风力发电机组功率小,风速适应范围广,生产技术成熟,适合家庭和边远地区的小型用电负荷点。考虑到风能的不连续性,通常需要配置蓄电池。

并网型大型风力发电装置。是风力发电规模化利用的主要方式,最大的功率已经达到6MW。丹麦、德国是风力发电机组生产技术比较领先的国家。

◆ 风力发电的价值

风电的当量燃料价值。风能进入电网,其他发电装置就可以少发电,从而节省燃料。

风电的容量价值。电力系统要求有必要的备用容量储备,风力机组同样也有容量价值。

减少污染物和温室气体的排放。

通过风力发电所能节省的燃料、容量和排放费用,可以计算出风力发电的价值。

◆ 风力发电装置

风力发电装置包括风轮机(风力机)、传动变速机构和发电机三个主要部分。其中风轮机是发电装置的核心,风轮机大体上分为两种:桨叶绕水平轴转动的翼式风轮机、桨叶绕垂直轴转动的风轮机。实际上,目前并网发电的风轮机主要是三叶式绕水平轴转动的翼式风轮机。

水平轴的翼式风力发电装置主要由以下几个部分组成:

1、叶轮。也称风轮,将流体的运动动能转换成轴功向外传递;

2、叶片。设计需要满足几项要求:对特定的风速具有最大的转换效率,最大功率输出在限制范围内,以保护发电机,可承受最大风荷和长期疲劳负荷,避免出现共振,质量小,价格低;

3、偏转机构和风向标。风速不断变化,风轮叶片正对来风方向,才能输出最大的风能。小型风轮机用尾舵来调整方向,大型风轮机普遍采用偏转机构对风轮方向进行精确控制;

4、传动机构。一般包括低速轴、高速轴、增速齿轮箱、联轴节和刹车装置。齿轮箱是风力发电机组最重最昂贵的部件,因此,很多工程师都在努力探索和研制由风轮机直接驱动的低速发电机;

5、塔架。风速随着高度的增加而增大,因此较高的塔架可以是风轮机获得更多的风能;

6、发电机。为了与电网频率保持一致,通常的发电机组采用:恒速恒频系统,利用风能的份额小;变速恒频系统,是目前风能发电的重要发展方向;

7、风速仪和控制器。在风速范围内控制器进行风轮机转速调节,如风速达到或超过启动风速,控制器启动风轮机;如风速达到或超过切出风速,控制器关闭风轮机。


三、风电场

建设风电场除了要考虑风速条件外,还要综合考虑场地状况、道路状况、接入电网的条件等因素。一个完整的风电场项目,一般包括以下几个步骤:风电场选址、项目可行性评估、项目准备、风电场建设、风电场运行和维护、风电场退役、场地恢复。

◆ 风电场选址一般需要考虑以下一些因素:

1、风能资源:主要考虑年平均风速,风速频率,年发电量和容量系数。容量系数:发电机组的年度电能净输出,与风电机组额定容量与全年运行8760h的乘积比值称为风电机组的容量系数。

2、风电场场地状况:场地应该开阔,地质条件好,便于大规模开发。

3、交通运输方便

4、并网条件好:距离电网越近,并网投资越少,线损和压降也越小。

5、不利气象条件和环境的影响:这些不利因素可能影响发电机组的寿命。

6、土地征用和环境影响

◆ 风力发电机组选型和布置

1、风力发电机组的选型

单机容量越大,风能利用越高,但是,单机容量增大的同时价格也随着增加,大容量的机组技术投入多而产量较小,成本偏高,所以总体来看,风力发电机组的单机容量价格随着单机容量的变化呈U字形曲线,国内目前性价比较高的仍然是兆瓦级以下的机组。但单机大容量仍然是发展趋势。

2、风力发电机组的布置

首先根据风能玫瑰图确定主导风向,风力发电机组排列应与主导风向垂直。对于开阔、平坦的场地,上游风力发电机组会对下游风力发电机组产生干扰,风力发电机组可以布置成有利于加大风速的地形,采用单排布置或者多排差排布置方式。

3、风力发电机组的运行和安全性

风电场中的风力发电机组在工作期间可能处于如下状态之一:正常工作状态、暂停状态、停机状态。每种工作状态都可看作是风力发电机组的一个活动层次,运行状态处在最高层次,紧急故障状态处在最低层次。

运行控制系统是风力发电机组的常规控制系统,此外,还有一套独立于运行控制系统的安全系统。安全系统的任务是在出现严重问题或检测到潜在严重问题时保护风力发电机组,使之处于安全状态。保护动作通常是紧急刹车,使风轮机停止工作。

安全系统必须独立于控制系统,而且具有高度的可靠性和自动故障免除性。为了保证安全,必须配备两套以上的刹车系统,而且各自的工作方式和动力源必须不同。

4、风电对电网运行的影响

风速和风向总是随机变化,因此风能的特点是具有不稳定性,使得风电场的输出功率有波动性,从而影响局部的电能质量。风电容量到达一定程度后,会引起电压不稳,特别电网较大波动的时候,可能导致风力发电机组从电网解链,严重时甚至导致电网瓦解。

风力发电对电网的不利影响可以通过超导储能技术加以改善。超导储能系统是一种新的储能方式,代表着柔性交流输电技术的发展方向,也可以吸收或释放有功和无功,快速相应电网系统的需求信号。

相对与一般发电厂,风电场风力发电机一般采用异步机,需要吸收电网无功来建立磁场,从而在并网后对局部电网的电压水平有明显的影响。

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