《新能源概論》課件-13、第四章 風(fēng)能及其利用-4.3風(fēng)能利用技術(shù)

20五月2025第四章

風(fēng)能及其利用3三、風(fēng)力發(fā)電的運(yùn)行方式風(fēng)力發(fā)電的運(yùn)行方式可分為獨(dú)立運(yùn)行、并網(wǎng)運(yùn)行、風(fēng)電場(chǎng)、風(fēng)力﹣柴油發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行、風(fēng)力發(fā)電﹣太陽電池發(fā)電聯(lián)合運(yùn)行、風(fēng)力﹣生物質(zhì)能﹣柴油聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)等。1、獨(dú)立運(yùn)行亦稱為獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)，是應(yīng)用在無電網(wǎng)地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，一般功率較小。通常是由一臺(tái)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)向一戶或幾戶提供電力，用蓄電池蓄能，以保證無風(fēng)時(shí)的用電。3～5kW以下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)多采用這種運(yùn)行方式，可供邊遠(yuǎn)農(nóng)村、牧區(qū)、海島、氣象臺(tái)站、導(dǎo)航燈塔、電視差轉(zhuǎn)臺(tái)及邊防哨所等電網(wǎng)達(dá)不到的地區(qū)利用。2、并網(wǎng)運(yùn)行是指風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)相聯(lián)，向電網(wǎng)輸送有功功率，同時(shí)吸收或者發(fā)出無功功率的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。并網(wǎng)運(yùn)行是為了克服風(fēng)的隨機(jī)性帶來的蓄能問題而采取的最穩(wěn)妥易行的運(yùn)行方式，也是風(fēng)力發(fā)電的主要發(fā)展方向。10kW以上直至兆瓦級(jí)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)均可以采用這種運(yùn)行方式。3、風(fēng)電場(chǎng)該運(yùn)行方式是在風(fēng)能資源豐富的地區(qū)按一定的排列規(guī)則成群安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，組成集群，少的3～5臺(tái)，多的可達(dá)幾十臺(tái)、幾百臺(tái)，甚至數(shù)千上萬臺(tái)。風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量為幾十千瓦至幾百千瓦，也有達(dá)到兆瓦以上的。風(fēng)電場(chǎng)一般選在較大盆地的風(fēng)力進(jìn)出口或較大海洋湖泊的風(fēng)力進(jìn)出口等，具體體現(xiàn)在高山環(huán)繞盆地（或海洋或湖泊）的峽谷低處，或有貫穿環(huán)山巖溶巖洞處，這樣就可獲得較大的風(fēng)力。一般需要達(dá)到兩個(gè)要求：一是場(chǎng)址的風(fēng)能資源比較豐富，年平均風(fēng)速在6m/s以上，年平均有效風(fēng)功率密度大于200W/m2，年有效風(fēng)速累積時(shí)間（3～25m/s）不小于5000h；二是場(chǎng)地面積需達(dá)到一定的規(guī)模，以便有足夠的場(chǎng)地布置風(fēng)力發(fā)電機(jī)。風(fēng)電場(chǎng)大規(guī)模利用風(fēng)能，其發(fā)出的電能全部經(jīng)變電設(shè)備送往大電網(wǎng)。4、風(fēng)力﹣柴油發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行該系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、柴油發(fā)電機(jī)組、蓄能裝置、控制系統(tǒng)、用戶負(fù)荷及耗能負(fù)荷等組成。各發(fā)電、供電系統(tǒng)既能單獨(dú)工作，又能聯(lián)合工作，互相不沖突。采用風(fēng)力﹣柴油發(fā)電系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定持續(xù)的供電。這種系統(tǒng)有兩種不同的運(yùn)行方式：①風(fēng)力發(fā)電機(jī)與柴油發(fā)電機(jī)交替運(yùn)行；②風(fēng)力發(fā)電機(jī)與柴油發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行。5、風(fēng)力發(fā)電﹣太陽能電池發(fā)電聯(lián)合運(yùn)行該系統(tǒng)是一種互補(bǔ)的新能源發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以和太陽能電池組成聯(lián)合供電系統(tǒng)。風(fēng)能、太陽能都具有能量密度低、穩(wěn)定性差的弱點(diǎn)，并受地理分布、季節(jié)變化及晝夜變化等因素的影響。我國屬于季風(fēng)氣候區(qū)，冬季、春季風(fēng)力強(qiáng)，但太陽輻射弱，夏季、秋季風(fēng)力弱，但太陽輻射強(qiáng)，兩者能量變化趨勢(shì)相反，因而可以組成能量互補(bǔ)系統(tǒng)，并給出比較穩(wěn)定的電能輸出。這種運(yùn)行方式利用了自然能源的互補(bǔ)特性，增加了供電的可靠性。6、風(fēng)力﹣生物質(zhì)能﹣柴油聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)該系統(tǒng)是在風(fēng)力﹣柴油發(fā)電系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了更多功能的聯(lián)合系統(tǒng)，在有生物質(zhì)能的地方，將柴油發(fā)電系統(tǒng)直接接入沼氣、天然氣或生物柴油等可燃?xì)怏w或液體，就可以使柴油發(fā)電機(jī)工作并發(fā)電。四、風(fēng)力發(fā)電設(shè)備風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由兩部分組成：一部分是為發(fā)電提供原動(dòng)力的風(fēng)力機(jī)，也稱為風(fēng)輪機(jī)；另一部分是將其轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電機(jī)。1、風(fēng)力機(jī)的分類風(fēng)力機(jī)主要利用氣動(dòng)升力帶動(dòng)風(fēng)輪。氣動(dòng)升力是由飛行器的機(jī)翼產(chǎn)生的一種力，機(jī)翼翼型特點(diǎn)使運(yùn)動(dòng)的氣流在機(jī)翼上表面形成低壓區(qū)，在機(jī)翼下表面形成高壓區(qū)，從而產(chǎn)生向上的合力，并垂直于氣流方向。在產(chǎn)生升力的同時(shí)也產(chǎn)生阻力，風(fēng)速也會(huì)有所下降。升力總是推動(dòng)葉片繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)。國內(nèi)外風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)形式繁多，從不同的角度可有多種分類方法。（1）按葉片工作原理分：升力型風(fēng)力機(jī)（啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，轉(zhuǎn)速高）和阻力型風(fēng)力機(jī)（啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)速低）。（2）按風(fēng)力機(jī)的用途分：風(fēng)力發(fā)電機(jī)、風(fēng)力提水機(jī)、風(fēng)力鍘草機(jī)、風(fēng)力脫谷機(jī)等。（3）按風(fēng)輪葉片的葉尖線速度與吹來風(fēng)速之比大小分：高速風(fēng)力機(jī)（比值大于3）和低速風(fēng)力機(jī)（比值小于3）。也有把比值為2～5的稱為中速風(fēng)力機(jī)。（4）按風(fēng)機(jī)容量大小分：小型（100kW以下）、中型（100～1000kW）、大型（1000kW以上）。我國則分成微型（1kW以下）、小型（1～10kW）、中型（10～100kW）和大型（100kW以上）4種。也有的將1000kW以上的風(fēng)機(jī)稱為巨型風(fēng)力機(jī)。（5）按風(fēng)輪葉片數(shù)量分：?jiǎn)稳~片、雙葉片、三葉片、四葉片及多葉片式風(fēng)力機(jī)。（6）按風(fēng)輪軸與地面的相對(duì)位置分：水平軸風(fēng)力機(jī)、垂直軸（立軸）風(fēng)力機(jī)。水平軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向平行；垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直于地面或氣流方向。因?yàn)槿~片工作原理不同，水平軸和垂直軸風(fēng)力機(jī)又可細(xì)分為升力型水平軸風(fēng)力機(jī)、阻力型水平軸風(fēng)力機(jī)、升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)和阻力型垂直軸風(fēng)力機(jī)。2、垂直軸風(fēng)力機(jī)（1）槳葉式風(fēng)力機(jī)（2）薩布紐斯式風(fēng)力機(jī)（3）達(dá)里厄型風(fēng)力機(jī)（4）旋轉(zhuǎn)渦輪式風(fēng)力機(jī)（5）費(fèi)來納式風(fēng)力機(jī)（6）費(fèi)特.肖奈達(dá)式風(fēng)力機(jī)3、水平軸風(fēng)力機(jī)（1）螺旋槳式風(fēng)力機(jī)（2）荷蘭式風(fēng)力機(jī)（3）多翼式風(fēng)力機(jī)（4）帆翼式風(fēng)力機(jī)（5）渦輪式風(fēng)力機(jī)（6）多風(fēng)輪式風(fēng)力機(jī)請(qǐng)自行閱讀教材P69~P71頁，想一想思考題1：將達(dá)里厄型風(fēng)力機(jī)和薩布紐斯式風(fēng)力機(jī)組合在一起使用有什么優(yōu)點(diǎn)？思考題2：風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)有哪兩種連接方式？多葉片風(fēng)力機(jī)單葉片風(fēng)力機(jī)垂直軸風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)渦輪風(fēng)力機(jī)五、發(fā)電機(jī)的選擇和分類1、異步交流發(fā)電機(jī)（1）按結(jié)構(gòu)不同分類：籠型、繞線轉(zhuǎn)子。①在定槳距并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，一般采用籠型異步發(fā)電機(jī)。籠型異步發(fā)電機(jī)定子由鐵心和定子繞組組成。轉(zhuǎn)子采用籠型結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子鐵心由硅鋼片疊成，呈圓筒形，槽中嵌入金屬（鋁或銅）導(dǎo)條。在鐵心兩端用鋁或銅端環(huán)將導(dǎo)條短接。轉(zhuǎn)子不需要外加勵(lì)磁，沒有集電環(huán)和電刷?；\型異步發(fā)電機(jī)剖面②繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)的定子與籠型異步發(fā)電機(jī)相同，轉(zhuǎn)子繞組電流通過集電環(huán)和電刷流入流出。異步發(fā)電機(jī)定子繞組為三相繞組，可采用星形或三角形聯(lián)結(jié)，當(dāng)定子的三相繞組接到三相電壓時(shí)，可以產(chǎn)生固定速度的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速略高于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速，并且恒速運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)。因風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速較低，在風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)之間需經(jīng)增速齒輪箱傳動(dòng)來提高轉(zhuǎn)速以達(dá)到適合異步發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。一般與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行的異步發(fā)電機(jī)為4極或6極發(fā)電機(jī)，當(dāng)電網(wǎng)頻率為50Hz時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速必須高于1500r/min或1000r/min，才能運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)，向電網(wǎng)輸送電能。三相繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)繞組接線（2）并網(wǎng)方式：直接并網(wǎng)、降壓并網(wǎng)、通過晶閘管軟并網(wǎng)①

直接并網(wǎng)風(fēng)力異步發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)的條件有兩條：一是，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向一致，即發(fā)電機(jī)的相序與電網(wǎng)的相序相同；二是，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速盡可能地接近于同步轉(zhuǎn)速。②降壓并網(wǎng)降壓并網(wǎng)是在發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間串接電阻或電抗器，或者接入自耦變壓器，以降低并網(wǎng)時(shí)的沖擊電流和電網(wǎng)電壓下降的幅度。發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，將接入的電阻等元件迅速地從電路中切除，以免消耗功率。這種并網(wǎng)方式的經(jīng)濟(jì)性較差，適用于百千瓦級(jí)以上，容量較大的機(jī)組。風(fēng)力異步發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)③晶閘管軟并網(wǎng)異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過反并聯(lián)（或雙向）晶閘管軟切入裝置與電網(wǎng)相連，異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)在接近同步速時(shí)，晶閘管的控制角在180°～0°之間逐漸同步打開，晶閘管的導(dǎo)通角也在0°～180°之間逐漸同步打開，當(dāng)異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)滑差為零時(shí)，晶閘管全部導(dǎo)通，這時(shí)短接已全部導(dǎo)通的晶閘管，異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電流直接流向電網(wǎng)，風(fēng)電機(jī)組進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行階段。通過控制控制可控硅的導(dǎo)通角，可連續(xù)調(diào)節(jié)加在負(fù)載上的電壓波形，進(jìn)而改變負(fù)載電壓的有效值，以限制異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)以及大小電機(jī)切換時(shí)的瞬間沖擊電流，得到一個(gè)比較平滑的并網(wǎng)過程。可控硅軟并網(wǎng)方法是異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組普遍采用的并網(wǎng)方法。風(fēng)力異步發(fā)電機(jī)經(jīng)晶閘管軟并網(wǎng)2、同步交流發(fā)電機(jī)（1）同步發(fā)電機(jī)是目前使用最多的一種發(fā)電機(jī)。同步發(fā)電機(jī)的定子與異步發(fā)電機(jī)相同，由定子鐵心和三相定子繞組組成；轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組（即勵(lì)磁繞組）、集電環(huán)和轉(zhuǎn)子軸等組成，轉(zhuǎn)子上的勵(lì)磁繞組經(jīng)集電環(huán)、電刷與直流電源相連，通以直流勵(lì)磁電流來建立磁場(chǎng)。為了便于起動(dòng)，磁極上一般還裝有籠型起動(dòng)繞組。同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子有凸極式和隱極式兩種。凸極式同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便，一般用于低速發(fā)電場(chǎng)合；隱極式的同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)均勻?qū)ΨQ，轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度高，可用于高速發(fā)電。大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般采用隱極式同步發(fā)電機(jī)。同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)a)隱極式b)凸極式（2）并網(wǎng)條件風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)到電網(wǎng)時(shí)，為了防止過大的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的各相端電壓的瞬時(shí)值要與電網(wǎng)端對(duì)應(yīng)相電壓的瞬時(shí)值完全一致，具體有五個(gè)條件：①波形相同；②幅值相同；③頻率相同；④相序相同；⑤相位相同。在并網(wǎng)時(shí)，因風(fēng)力發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向不變，只要使發(fā)電機(jī)的各相繞組輸出端與電網(wǎng)各相互相對(duì)應(yīng)，條件④就可以滿足；而條件①可由發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)、制造和安裝保證；因此并網(wǎng)時(shí)，主要是其他三條的檢測(cè)和控制，這其中條件③頻率相同是必須滿足的。風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行的電路六、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖第五節(jié)

風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀與展望一、我國風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀1、風(fēng)電成為我國新增電力裝機(jī)的重要組成部分。2