[电气精品] 风力发电技术研究 毕业论文.doc
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1、毕业设计(论文)论文题目: 风力发电技术研究 学生姓名: 学号 7 专业: 热动 二一一 年八月风力发电技术研究摘 要风力发电是目前成本最接近常规电力、发展前景最大的可再生能源发电,受到世界各国的重视。近年来,我国风力发电市场快速发展,迫切需求风力发电技术的同步发展。本文对我国风力发电技术进行了简单的阐述,主要叙述了风况预测技术、风力发电储存技术、互补发电系统、风力发电设计制造技术、风力发电并网技术,指出了我国风力发电技术的光明前景。关键词:风能;风力发电;电能储存;互补发电系统;并网 Wind Power TechnologyABSTRACTThe cost of wind power is
2、 currently the closest to conventional power, promising the largest renewable energy generation by the worlds attention. In recent years, the rapid development of Chinas wind power market, the urgent needs of the simultaneous development of wind power technology. In this paper, Chinas wind power gen
3、eration technology was a simple exposition of the major forecasting techniques described wind conditions, wind power generation storage technology, hybrid power systems, wind power design and manufacturing technology, wind power and network technology, that our bright future of wind power technology
4、.Keywords: Wind energy; wind power; energy storage; solar power generation system; grid目 录中文摘要.ABSTRACT.1 绪论11. 1 本课题的研究背景及意义.11. 2 本课题的主要研究现状. . 21. 3 本课题的研究内容. .52相关设备介绍103运行中遇见的问题和解决方法143. 1独立运行的风力发电系统运行中晕倒的问题机解决方法.143. 2并网运行的风力发电系统运行中遇到的问题及解决方法144结论.15 参考文献.16 致谢.171. 绪论 )1.1 课题研究背景及意义 风很早就被人们利用
5、-主要是通过风车来抽水、磨面。现在,人们感兴趣的,首先是如何利用风来发电。 风是一种潜力很大的新能源,人们也许还记得,十八世纪初,横扫英法两国的一次狂暴大风,吹毁了四百座风力磨坊、八百座房屋、一百座教堂、四百多条帆船,并有数千人受到伤害,二十五万株大树连根拔起。仅就拔树一事而论,风在数秒钟内就发出了一千万马力(即750万千瓦;一马力等于075千瓦)的功率!有人估计过,地球上可用来发电的风力资源约有100亿千瓦,几乎是现在全世界水力发电量的10倍。目前全世界每年燃烧煤所获得的能量,只有风力在一年内所提供能量的三分之一。因此,国内外都很重视利用风力来发电,开发新能源。 利用风力发电的尝试,早在本世
6、纪初就已经开始了。三十年代,丹麦、瑞典、苏联和美国应用航空工业的旋翼技术,成功地研制了一些小型风力发电装置。这种小型风力发电机,广泛在多风的海岛和偏僻的乡村使用,它所获得的电力成本比小型内燃机的发电成本低得多。不过,当时的发电量较低,大都在5千瓦以下。 目前,据了解,国外已生产出15,40,45,100,225千瓦的风力发电机了。1978年1月,美国在新墨西哥州的克莱顿镇建成的200千瓦风力发电机,其叶片直径为38米,发电量足够60户居民用电。而1978年初夏,在丹麦日德兰半岛西海岸投入运行的风力发电装置,其发电量则达2000千瓦,风车高57米,所发电量的75%送入电网,其余供给附近的一所学校
7、用。1979年上半年,美国在北卡罗来纳州的蓝岭山,又建成了一座世界上最大的发电用的风车。这个风车有十层楼高,风车钢叶片的直径60米;叶片安装在一个塔型建筑物上,因此风车可自由转动并从任何一个方向获得电力;风力时速在38公里以上时,发电能力也可达2000千瓦。由于这个丘陵地区的平均风力时速只有29公里,因此风车不能全部运动。据估计,即使全年只有一半时间运转,它就能够满足北卡罗来纳州七个县1%到2%的用电需要。风力发电对于中国具有巨大的意义:燃煤发电一直是我国电力供应的主体。虽然我国煤炭产量占世界总产量36.5%,但煤炭储量只占世界总储量的13%,煤炭发电能否满足我国经济的快速发展,仍是个很大的问
8、题。需要指出的是,煤炭发电对环境的污染有着很大的影响。国家环境保护总局指出,2002年燃煤电厂二氧化硫排放量达到666万吨,占全国排放总量的34.6%。严格控制燃煤电厂二氧化硫排放对实现全国二氧化硫总量控制目标至关重要。从近年来的发展情况来看,在保持经济发展持续增速的条件下,我国的石油使用量每年有将近八千万吨的进口量。中国2004年新投产的电力装机容量破世界纪录,但同时全国却仍然发生大范围拉闸限电现象。形成这种巨大反差的基本原因是,快速增长的电力供给赶不上更快速增长的电力需求。在我国,风能资源丰富的地区主要集中在北部、西北和东北的草原、戈壁滩以及东部、东南部的沿海地带和岛屿上。这些地区缺少煤炭
9、及其他常规能源,并且冬春季节风速高,雨水少;夏季风速小,降雨多,风能和水能具有非常好的季节补偿作用。另外在我国内陆地区,由于特殊的地理条件,有些地区具有丰富的风能资源,适合发展风电,比如江西省鄱阳湖地区以及湖北省通山地区。沿海发达地区和西北地区都是我国风能资源分布的丰富区。如果能够充分开发地区的风能优势,则风力发电正好可以弥补东南沿海经济发达地区电力短缺的难题。在西北经济落后地区发展风电,既可以提高当地人民生活水平,又可以增加就业并向经济发达地区卖电,提高地方经济发展速度。此外,制约我国风力发电产业发展的关键问题是缺少高效率的兆瓦级的大型风力发电机组设备。建设风电场所需兆瓦级发电机组全部需要从
10、国外进口,而设备成本占去了风能发电的80%,风力发电机组成本过高制约了风电产业的发展。目前国际上流行的兆瓦级风电机组虽然已有一定的成熟经验和技术,但仍存在较大的缺陷,主要问题是:设计不合理、体积大成本高、转数高故障多、运营成本高,特别不适合发展中国家采用。为此,大力开发国产风电技术,规模化生产高效率的兆瓦级风力发电机组、大幅度降低风电机组成本,对发展我国风电产业、开发利用我国的风力资源、保护环境、缓解和解决能源紧张等问题,具有重要的意义。1.2 课题研究现状发展可再生能源已经是大势所趋。主要发达国家、发展中国家,都已经将发展风能、太阳能等可再生能源作为应对新世纪能源和气候变化双重挑战的重要手段
11、。然而,除水能之外的所有可再生能源中,风能无疑是世界上公认的最接近商业化的可再生能源技术之一与太阳能、生物质能相比,风能的产业化基础最好,经济性优势最明显,而且不存在生物质能所面临的资源约束,另外也没有任何大的环境影响,在可预见的时间内(20302050年),都将是最有可能大规模发展的能源资源之一。 在不考虑常规电力的环境成本情况下,根据目前的风电技术水平,风电成本仍高于常规电力成本,因此许多国家采取了诸如价格、市场配额、税收等各种激励政策,从不同的方面引导和支持风电的发展。例如,德国和西班牙等欧洲国家采用的长期保护性电价政策,为风电和其他可再生能源开发商提供担保的上网电价,并要求电力公司与风
12、力发电开发商签署长期购电合同;英美等国主要采取可再生能源配额制政策,规定在总电力供应量中可再生能源应达到一个目标数量,从而为风电建立稳定的需求市场等,同时规定达标责任人;风电价格由市场决定,该政策与政府的发展规划结合,形成一个持续性的政策机制;另外,建立公共效益基金,支持风力发电的发展,该基金是风能和其他可再生能源发展的一种融资机制,通常采用电费加价的方式来筹集,此政策被许多国家采用;此外,美国有些州还采取生产税减免,减少风电开发的成本;荷兰采取绿电交易的方式,从不同的角度引导和支持风电的发展。总之,鼓励风电的发展政策有很多种,这些政策的力度和范围也有所差别,但这些政策都明确表明风电不参与市场
13、的竞争,从而给风电以非常规的待遇。而且,在气候变化压力不断加大的情况下,发展以风电为代表的可再生能源,已成为各国应对未来能源和气候变化压力的长期策略。在政策的鼓励下,2007 年全球风电新装机容量约为2 000 万千瓦,累计装机 9 400 万千瓦。 2008 年是风电发展具有标志性的一年:这一年风电成为非水电可再生能源中第一个全球装机超过1亿千瓦的电力资源。风电作为能源领域增长最快的行业,共为全球提供了近 20 万个就业机会,仅 2006 年风电场建设投资就接近 170 亿欧元。欧洲和美国在风电市场中占统治地位,其中德国是目前风电装机最大的国家,装机容量超过2 000万千瓦;美国和西班牙也都
14、超过了1 000 万千瓦;印度是除美国和欧洲之外新装机容量最大的国家,装机总容量也超过 600 万千瓦。经过 30 年的努力,随着市场不断扩展,风电的成本也大幅度下降,每千瓦时风电成本由20 世纪80年代初的20 美分下降到 2007年的46美分。在风能资源较好的地方,风电完全可以和燃煤电厂竞争,在某些地区甚至可以与燃气电力匹敌。值得注意的是,在经济性不断改善以及多重政策激励作用下,欧洲2007年新增电源中风电首次超过天然气发电,成为第一大电源(图 1-1);美国2007年新增的风电装机也仅次于气电,位居第二。尽管发展风电仍然存在着这样那样的难度,如电网适应能力、风能资源预报水平、海上风电发展
15、等,但在市场稳步扩大、技术和产业成熟度不断提升、与常规能源相比的经济性优势逐步凸显,特别是政策环境前景非常明朗的情况下,世界各国都对风电发展充满了信心。例如,欧美都公布了 2030 年风电发展目标,提出了 2030 年风电满足 20% 甚至更多电力需求的宏大目标,届时都将发展约 3 亿千瓦的规模,这也为全球风电的长期发展定下了基调。国际能源署(IEA) 2008年颁布的2050年能源技术情景判断,2010 2050年,全球风电平均每年增加7 000万千瓦,风电将成为一个庞大的新兴电力市场。随着风电技术的日趋成熟,依靠风力发电来增加能源供应的方式越来越受到世界各国的青睐。以欧美等发达国家为代表,
16、全球风电呈现出 了 规 模 化 发 展 态 势 。 据 全 球 风 能 理 事 会(GWEC)统计资料,2007年全球新增风电装机容量 2 000 万千瓦,分布在全球 70 多个国家和地区,其中,排在前五位的是美国(520 万千瓦)、西班牙(350万千瓦)、中国(330万千瓦)、印度(170 万千瓦)、德国(166 万千瓦)。在欧洲和美国,新增风电装机容量在近几年成为仅次于新增天然气发电装机容量的第二大新增电源。此外,2007 年,英国、意大利、法国、葡萄牙、波兰、埃及、摩洛哥、伊朗、智利、新西 MW 25 000 兰等国家在发展风电方面也有很好的表现。2003 2007 年,全球风电平均增长
17、率为 24.7%,总装机容量目前累计达到9 400万千瓦。 2007年,全球大约生产了 2 000亿千瓦时风电电力,约占全球电力供应的 1%。按照累计风电装机容量数据排名,全球前十个国家依次是:德国(2 230 万千瓦)、美国(1 690 万千瓦)、西班牙(1 470 万千瓦)、印度(780万千瓦)、中国(590 万千瓦)、丹麦(310 万千瓦)、意大利(270万千瓦)、法国(250万千瓦)、英国(240 万千瓦)和葡萄牙(220万千瓦);前十名国家累计装机容量 8 100 万千瓦,占全球的 86%。1.3 课题研究内容空气的流动形成了风,风能是太阳能的一种转换形式,是一种重要的自然能源,也是
18、一种巨大的、无污染、永不枯竭的可再生能源。风能的特点是具有随机性并随高度的变化而变化。几千年来,风能一直被用来作为碾磨谷物、抽水、船舶等机械设施的动力。但是风能的主要应用是风力发电:风力发电是通过风力发电机组实现风能到机械能,再到电能的转换。 与传统能源相比,风力发电不依赖矿物能源,没有燃料价格风险,发电成本稳定,也没有包括碳排放等环境成本。近年来,我国风力发电市场快速发展,迫切需求风力发电技术的同步发展。 风况预测技术 风电输出功率预测是确保电网平衡风电波动,减少备用容量和经济运行的重要技术保障。风电输出功率与风速大小有关,因此风电输出功率预测主要集中在风况预测。风能不仅随季节变化,而且每年
19、也有变化,原则上完全预测风况是不大可能的。 风况有效预测是国际风能界正在从事的一项具体工作。风况预测方法主要有基于风况观测数据和气象模拟两种方法。利用风况观测数据方法预测风况时,主要是利用线性或非线性风况预测模型来预测。而利用风况观测数据预测风况时可能存在持续时间比较长。精度低等问题,所以不能只依靠风来观测,进年来,随着气象预报技术的发展和进步,利用气象模拟进行预测已经成为现实。利用气象模拟进行预测风况的技术,目前已被用于风力发电的计划,实施和运用的每一阶段。这种风况预测方法已经成为风力发电选址及制定风力发电系统稳定性的重要工具。 风力发电储存技术 在风力发电系统中,应用蓄能技术是解决风能不稳
20、定性和负荷峰谷比问题的极为有效的措施,将富裕的风能储存起来,以满足负荷高峰时需求,同时风能存储装置还能尽量减少存储一转换过程中的能量损失。目前,经济可行的风能储存技术的研究在国内外理论界、工程界得到了越来越广泛的重视。下面将介绍比较常用的风能储存方式。 (1)新型电池储能技术 由风能转换的电能采用电池来存储是风能存储方式中最简单的方法。在中小型单独运行的风力发电机常需配备蓄电池储能,以应对风况、载荷的变化。目前该存储方式主要有铅酸电池(Lead-Acid Battery)、钠硫电池(NaS Battery)、钒电池全称为全钒氧化还原液流电池(Vanadium Redox Battery,缩写为
21、VRB)、镍镉电池(Ni-Cd Batte ry)、锂离子电池(Li-ion Battery)等。 (2)水利蓄能技术 在水资源充足并有大容量高位水箱或水库的情况下,可用风能来驱动水泵,从而构成一个水利蓄能系统。当风能过量时,风力机带动水泵把水从低水位抽到高水位。当风能减小或电网中的功率不足时,就可采取存储的水利势能。采用水力涡轮发电机发电。 (3)压缩空气蓄能技术 压缩空气蓄能(CAES)是一种适用于缺水干旱地区风能储存的新型蓄能方式。在电力负载较小时,将风力发电机组提供的多余电能通过电动机带动空气压缩机,将空气压缩后储存到容量大、强度高的金属容器或地下岩盐矿内的岩洞或挖掘的岩石洞或现存的矿
22、洞内;在电力负荷达到高峰、风小或无风时再释放存储的压缩空气作为动力,带动涡轮机实现发电。 (4)飞轮蓄能技术 飞轮蓄能是一种容量有限、存储时间较短、可适应于大容量发电机的蓄能方式。在风力机与发电机之间安装一个飞轮,利用飞轮旋转时的惯性储能。当风速高时,风能以动能的形式储存于飞轮中;当风速低时,储存在飞轮中的动能即可带动发电机发电。飞轮蓄能包括高速飞轮蓄能和超高速飞轮蓄能方式。超高速飞轮蓄能的转速是高速飞轮的10倍以上,具有更好的蓄能能力,是今后研究的重点。飞轮蓄能系统需附带必要设备来降低飞轮的风损失和轴承损失,可见对飞轮和轴承等零部件的材料提出了更高的要求。 (5)氢能存储技术 氢能存储技术即
23、电解水制氢储能技术,在电力负载减小时,将风力发电多余下来的电能用来电解水,使氢和氧分离制备氢气,把氢作为燃料储存起来,需要时再把氢和氧在燃料电池中进行反应产生电能。 互补发电系统 互补发电系统是风能和太阳能等两种或多种以上能源组合起来的复合发电系统。其作用是在弱风时,由太阳能等补充电力,这样两种或多种能源组合起来得到的电力更稳定。也降低了发电成本。常见的互补发电系统有风光互补发电系统、风水互补发电系统、风气互补发电系统、风柴互补发电系统、风能和生物能互补发电系统等。下面针对我国的实际情况,分别介绍以上几种互补发电系统。 (1)风光互补发电系统 我国地域辽阔,风能资源丰富,风能资源受地理位置、季
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