风能与风力发电技术.pdf

风能与风力发电技术刘万琨李银凤赵萍编著北京化学工业出版社 序《中华人民共和国可再生能源法》从今年 1 月 1 日起已正式施行了。风能作为可再生能源的重要组成部分,已受到世界各国的高度关注,我们国家也把风力发电作为“十一·五”乃至今后可再生能源重要的发展方向。东方汽轮机厂,作为我国发电设备制造业的重点骨干企业,长期以来致力于发电设备的研究和制造,在成功研制大功率、高参数、各种冷却方式的火力发电机组, F 级燃气蒸汽联合循环机组, 百万等级全转速、半转速核电机组的基础上,又进入大型风力发电设备的引进消化、研究和生产阶段。为加快工厂大型风电机组的研制, 以刘万琨同志为代表的一批专家,在收集大量资料的基础上,并结合工厂 1500kW 风电机组技术的消化吸收,编辑出版了《风能与风力发电技术》这本书。本书的出版,不仅会加快工厂的自主研发和技术进步,也会对我国风电产业的健康发展尽一份力量。在此我要感谢化学工业出版社,感谢刘万琨等一批专家,也希望广大读者和我们交流心得,共同推进我国风电产业健康快速发展。东方汽轮机厂厂长 2006 年 6 月 1 前 言 太阳辐射能量的大约20%(20 万亿瓦)被地球大气层吸收,大气被加热对流形成风。据估计,世界风能总量约200 亿瓦,相当全世界总发电量的8 倍,比地球上可开发利用的水能总量还要大10 倍。 风力机是将风能转换为机械功的一种动力机械,广义的说,风力机是以太阳为热源、以大气为工质的热能转换的叶片式发动机。风车就是最早的一种风力机械,最早出现在波斯。中国利用风车大约在13 世纪中叶,曾建造了各种形式的简易风车,用于碾米、磨面、提水灌溉和制盐。18 世纪末期以后,风车的结构和性能都有了大的提高,已能采用手控和机械式自动控制机构,来改变叶片桨距调节风轮转速。风力机用于发电的设想,始于1890 年丹麦的一项风力发电计划。 1918 年,丹麦已拥有风力发电机 120 台。第一次世界大战后,出现了现代高速风力机。1931 年,苏联采用螺旋桨式叶片建造了一台大型风力发电机。随后, 各国相继建造了一大批大型风力发电机。 目前,风能的利用形式主要是发电,风力发电在新能源和可再生能源行业中增长最快,年增长达到35%。德国、丹麦及西班牙是世界上风能利用发展最好的三个国家,德国风电已占总发电量的3%,丹麦风电已超过总发电量10%。全球风电机组供应商市场份额统计前十位:Vestas(丹麦)、GE 风能(美国)、Enercon(德国)、Gamesa(西班牙)、 NEG Micon(丹麦)、Bonus(丹麦)、REpower(德国)、 MADE(西班牙)、Nordex(德国)、MHI(日本)。 到 2005 年底,世界累计的风力发电设备总装机容量为6800 万千瓦,欧洲占 60% 。予计到 2007 年底,风力发电总能力累计将达到8300 万千瓦,其中5800 万千瓦是在欧洲。 我国风能资源丰富,储量32 亿千瓦, 亿千瓦,居世界首位。目前,全国累计安装小型风力发电机近20 万台,在广东、福建、内蒙古、新疆等地已建成26 个风电场,总装机容量近50 万千瓦。尽管我国近几年风力发电年增长都在50%左右,但装备制造水平与装机总容量与发达国家还有较大差距。%,风力发电发展潜力巨大。 2 风力机的最主要部件——风轮机与汽轮机有很多相似点:例如都是叶片机械、都是基于机翼的升力理论;最主要的性能参数都是速比,风力机是叶尖速度比λ,是叶尖周速与风速之比,是风能机风能利用系数最重要的参数。汽论机是速比 ,是叶片圆周速度与级理想速度之比,是决定级轮周效率最重要的参数;两种机械的特性都与来流角度强相关,有正攻角工况,负攻角工况和失速工况,颤振工况等;还有动态共振特性等。正是这些共通点,由汽轮机制造厂来自主开发风力机有最合适的。 0 /CU 然而风力机由于是低能头转换机械,它又有很多与汽轮机不同的特点。例如风力机都是单级、叶片数目特别少,比如只有两片;三片;四片等,而汽轮机是多级(30~40级)多叶片(每级100~200片) ;风力机是低转速,只有10~30 , 而汽轮机是 1500、1800、3000、3600 ,因此,风力机必须有高增速比的齿轮箱,而汽轮机一般都不用齿轮箱;还有风力机的叶片特别长,最长的已达到 50~60 长,而汽轮机的叶片最短的 25 mm ,最长的也不过 1~2 ;其他不同的有::叶片用非金属材料;露天运行,工况恶劣;必须远程遥控;不消耗燃料, 不用锅炉等化学能转换器等等。因此,汽轮机厂要自主开发风力机,就首先要弄清这些不同点,专门立项研究。正是在这样的思考下,我们编著了此书,希望对汽轮机厂自主开发风力机有所帮助。 m