1、毕业设计文献综述 船舶与海洋工程 海上风力发电装置基础的结构设计 摘要 ： 风能是一种可再生的清洁能源。近 30年来，国际上在风能的利用方面，无论是理论研究还是应用研究都取得了重大进步。风力发电技术日臻完善，并网型风力发电机单机额定功率最大已经到 5MW，叶轮直径达到 126m。截止 2005年世界装机容量已达 58,982MW，风力发电量占全球电量的 1%。中国成为亚洲风电产业发展的主要推动者之一，其总装机容量居世界第 8位， 2005年新增装机容量居世界第 6位。今后，国内外风力发电技术和产业的发展速度将明显加快。 1、 引 言 tc “1 引 言 “ 风是最常见的自然现象之一，是太阳对地
2、球表面不均衡加热而引起的“空气流动”，流动空气具有的动能称之为风能。因此，风能是一种广义的太阳能。据世界气象组织（ WMO）和中国气象局气象科学研究院分析，地球上可利用的风能资源为 200 亿 kW，是地球上可利用水能的 20 倍。中国陆地 10m 高度层可利用的风能为 2.53 亿 kW，海上可利用的风能是陆地上的 3 倍， 50m 高度层可利用的风能是 10m 高度层的 2 倍，风能资源非常丰富。 风能是一种技术比较成熟、很有开发利用前景的可再生能源之一。风能的利用方 式不仅有风力发电、风力提水，而且还有风力致热、风帆助航等。因此，开发利用风能对世界各国科技工作者具有极强的魅力，从而唤起了
3、世界众多的科学家致力于风能利用方面的研究。在本文中，将对国内外风力发电技术的现状和发展趋势进行论述。 2、 风力发电基本知识 tc “2 风力发电基本知识 “ 2.1 风力机的主要组成 1) 小型风力发电机 小型水平轴风力机主要组成部分有：风轮、发电机、塔架、调向机构、蓄能系统、逆变器等。 （ 1）风轮 2 风轮是风力机从风中吸收能量的部件，其作用是把空气流动的动能转变为风轮旋转的机械能。 水平轴风力发电机的风轮是由 13 个叶片组成的。叶片的结构形式多样，材料因风力机型号和功率大小而定，如木心外蒙玻璃钢叶片、玻璃纤维增强塑料树脂叶片等。 （ 2）发电机 在风力发电机中，已采用的发电机有 3
4、种，即直流发电机、同步交流发电机和异步交流发电机。小型风力发电机多采用同步或异步交流发电机，发出的交流电通过整流装置转换成直流电。 （ 3）塔架 塔架用于支撑 发电机和调向机构等。因风速随离地面的高度增加而增加，塔架越高，风轮单位面积捕捉的风能越多，但造价、安装费等也随之加大。 （ 4）调向机构 垂直轴风力机可接受任 何方向吹来的风，因此不需要调向机构。对于水平轴风力机，为了得到最高的风能利用效率，应用风轮的旋转面经常对准风向，需要对风装置。常用的调向机构主要有尾舵、舵轮、电动对风装置。 （ 5）限速机构 当风速高于风力机的设计风速时，为了防止叶片损坏，需要对风轮转速进行控制。 （ 6）贮能装
5、置 贮能装置对独立运行的小型风力机是十分重要的。其贮能方式有热能贮能、化学能贮存。 （ 7）逆变器 用于将直流电转换为交流电，以满足交流电气设备用电的要求。 2) 大型风力发电机 大型风力发电机组由两大部分组成：气动机械部分和电气部分。气 动机械部分包括风轮、低速轴、增速齿轮箱、高速轴，其功能是驱动发电机转子，将风能转换为机械能。电气部分包括异步发电机、电力电子变频器、变压器和电网，其功能是将机械能转换为频率恒定的电能。近年来，又研制成功了直驱式变速恒频风力发电机组（无增速齿轮箱）。 3、 风力机与风力发电技术 tc “3 风力机与风力发电技术 “ 3.1 风力机与风力发电技术的发展史 风能，
6、是人类最早使用的能源之一。远在公元前 2000 年，埃及、波斯等国已出现帆船3 和风磨，中世纪荷兰与美国已有用于排灌的水平轴风车。我国是世界上最早利用风能的国 家之一，早在距今 1800 年前，我国就有风力提水的记载。 1890 年丹麦的 P拉库尔研制成功了风力发电机， 1908 年丹麦已建成几百个小型风力发电站。自二十世纪初至二十世纪六十年代末，一些国家对风能资源的开发，尚处于小规模的利用阶段。 随着大型水电、火电机组的采用和电力系统的发展， 1970 年以前研制的中、大型风力发电机组因造价高和可靠性差而逐渐被淘汰，到二十世纪六十年代末相继都停止了运转。这一阶段的试验研究表明，这些中、大型机
7、组一般在技术上还是可行的，它为二十世纪七十年代后期的大发展奠定了基础。 1980 年以来， 国际上风力发电机技术日益走向商业化。主要机组容量有 300kW、 600kW、750kW、 850kW、 1MW、 2MW。 1991 年丹麦在 Vindeby 建成了世界上第一个海上风电场，由 11台丹麦 Bonus 450kW 单机组成，总装机 4.95MW。随后荷兰、瑞典、英国相继建成了自己的海上风电场。 目前，已经备离岸风力发电设备商业生产能力的厂家，主要有丹麦的 Vestas（包括被其整合的 NEG-Micon），美国的 GE 风能，德国的 Nordex、 Repower、 Pfleidere
8、r/Prokon、 Bonus和德国著名的 Enercon 公司。单机额定功率覆盖范围从 2MW、 2.3MW、 3.6MW、 4.2MW、 4.5MW到 5MW。叶轮直径从 80m、 82.4m、 100m、 110m、 114m、 116m 到 126m。 3.2 风力机的种类 风力发电机是把风能转换为电能的装置，鉴于风力发电机种类繁多，因此分类法也是多种。按叶片数量分，单叶片，双叶片，三叶片，四叶片和多叶片；按主轴与地面的相对位置分，水平轴、垂直轴 (立轴 )式；按桨叶工作原理分，升力型、阻力型。目前风力发电机三叶片水平轴类型居多。 水平轴风力机，风轮的旋转轴与风向平行，如图 1 所示
9、；垂直轴风力机，风轮的旋转轴垂直于地面或气流方向。 4、 国内外风力发电的现状 tc “4 国内外风力发电的现状 “ 4.1 世界风力发电的现状 目前，中、大型风力发电机组已在世界上 40 多个国家陆地和近海并网运行，风电增长率比其它电源增长率高的趋势仍然继续。如表 1 所示，截止 2005年 12月 31 日世界装机容量已达 58,982MW，年装机容量为 11,310MW，增长率为 24%；风力发电量占全球电量的 1%，4 部分国家及地区已达 20%甚至更多。 2005 年世界风电累计装机容量最多的十个国家见表 2，前十名合计 51750.9MW，约占世界总装机容量的 87.7%。 200
10、5 年国际风电市场份额的分布多样化进程呈持续发展趋势：有 11 个国家的装机容量已高于 1,000MW，其中 7 个欧洲国家（德国、西班牙、意大利、丹麦、英国、荷兰、葡萄牙）， 3 个亚洲国家（印度、中国、日本），还有美国。亚洲正成为发展全球风电的新生力量，其增长率为 48%。 2002 年欧洲风能协会（ EWEA）与绿色和平组织（ Greenpeace International）发表了一份标题为“风力 12（ Wind Force 12）”的报告，勾画了风电在 2020 年达到世界电量 12%的蓝图。报告声明这份文件不是预测，而是从世界风能资源、世界电力需求的增长和电网容量、风电市场发展趋
11、势和潜在的增长率、与核电和大水电等其他电源技术发展历程的比较以及减排 CO2 等温室气体的要求，论证了风电达到世界电 12%的可能性。报告还指出中国 2020 年风电装机有可能达到 1.7亿千瓦 4.2 国内风力发电的现状 根据国家气象科学院的估算，我国陆地地面 10 米高度层风能的理论可开发量为 32 亿kW，实际可开发量为 2.53 亿 kW。海上风能可开发量是陆地风能储量的 3 倍。 内蒙古实际可开发量 0.618 亿 kW，西藏实际可 开发量 0.408 亿 kW 新疆实际可开发量 0.343 亿 kW，青海实际可开发量 0.242 亿 kW， 黑龙江实际可开发量 0.172 亿 kW
12、。 2005 年中国除台湾省外新增风电机组 592 台，装机容量 50.3 万 kW。与 2004 年当年新增装机 19.8 万 kW 相比， 2005 年当年新增装机增长率为 25.4%。截至 2005 年底，中国除台湾省外累计风电机组 1864 台，装机容量 126.6 万 kW，风电场 62 个。分布在 15 个省（市、自治区、特别行政区），它们按装机容量排序如表 3 所示。与 2004 年累计装机 76.4 万 kW相比， 2005 年累计装机增长率为 65.6%。 2005 年风电上网电量约 15.3 亿 kW.h。 中国“十一五”国家科技支撑计划重大项目“大功率风电机组研制与示范”
13、支持1.52.5MW、 2.5MW 以上双馈式变速恒频风电机组的研制； 1.52.5MW、 2.5MW 以上直驱式变速恒频风电机组的研制； 1.5MW 以上风电机组叶片、齿轮箱、双馈式发电机、直驱式永磁发电机的研制及产业化； 1.5MW 以上双馈式风电机组控制系统及变流器、直驱式风电机组控制系统及变流器的研制及产业化；近海风电场建设关键技术的研究；近海风电机组安装及维护专用设备的 研制；大型风电机组相关标准制定及风电技术发展分析等 16 个课题的研究。“十一五”末，我国风电技术的自主研发能力将接近世界前沿水平。 4.3小型风力发电机 5 4.3.1小型风力发电机行业现状 作为农村可再生能源主要
14、支柱之一的小型风力发电行业在 2005 年度得到长足的发展，从事小型风电产业的开发、研制、生产单位达到 70 家。据 23 个生产企业报表统计， 2005年共生产 30kW 以下独立运行的小型风力发电机组共 33,253 台，比上年增长 34.4%，其中200W、 300W、 500W 机组共生产 24,123 台，占全年总产量的 72.5%； 15 个单位共出口小型风力发电机组 5,884 台，比上年增长 40.7%，创汇 282.7 万美元，主要出口到菲律宾、越南等24 个国家和地区。并且，由于汽油、柴油、煤油价格飞涨，且供应渠道不畅通，内陆、江湖、渔船、边防哨所、部队、气象站和微波站等使
15、用柴油发电机的用户逐步改用风力发电机或风光互补发电系统。 4.3.2 小型风力发电机行业发展趋势 1) 由于广大农牧民生活水平提高、用电量不断增加，因此小型风力发电机组单机功率在继续提高， 50W 机组不再生产， 100W、 150W 机组产量逐年下降，而 200W、 300W、 500W 和 1kW机组逐年增加，占总年产量的 80%。 2) 由于广大农民迫切希望不间断用电，因此“风光互补发电系统”的推广应用明显加快，并向多台组合式发展，成为今后一段时间的发展方向。 3) 随着国家可再生能源法及可再生能源产业指导目录的制定，相继还会有多种配套措施及税收优惠扶植政策出台，必将提高生产企业的生产积
16、极性，促进产业发展。 4) 目前我国尚有 2.8 万个村、 700 万户、 2,800 万人口没有用上电，且分散居住在边远山区、农牧区、常规电网很难达到，有关专家分析 700 万无电用户中、 300 万户可用微水电 解决用电，而 400 万户可以用小型风力发电或风光互补发电，满足农牧民用电需要。 4.3.3浓缩风能型风力发电机 浓缩风能型风力发电机由内蒙古农业大学新能源技术研究所研制，已获得中国实用新型专利（专利号： ZL94244155.9）。该型风电机组将稀薄的风能经浓缩风能装置加速、整流和均匀化后驱动叶轮旋转发电，从而提高了风能的能流密度，降低了自然风的湍流度，改善了风能的不稳定等弱点，
17、提高了风能品位，降低了风电度电成本。该风力发电机具有的切入风速低、发电量大、噪音低、安全性高、寿命长、度电成本低等特点。 浓缩风能型风 力发电机可独立运行、风光互补运行、多机联网运行和并入低压电网运行。现已研制开发的系列产品有 200W、 300W、 600W、 1kW、 2kW 等机组。浓缩风能型风力发电机经过中试后，可以向中、大型机组发展。这种新型风电技术在中国和世界的应用，将有效地提高风电系统的供电水平和质量，有效地利用低品位的风能，提高风电商品竞争力，具有重6 要的经济益和生态环保效益。 5、结 论 tc “5 结 论 “ 在今后的 20 年内，国际上风力发电产业将是增长速度最快的产业
18、，风力发电技术也将进入快速发展的黄金时期；在中国，并网型风力发 电机组装机容量增长速度将明显加快，令世界瞩目，离网型风力发电机组发展的地域广、潜力大，装机总容量最终将超过并网型风力发电机组。 参考文献 1 吴忠伟 .尹鹤松 .蒋禹 .风力发电机组常用几种无功补偿装置分析 J.科技创新导报2010 NO.28 2 夏毅琴 .风力发电设备控制装置研制初步设想 J东方电机 2007年第 6期 3 许伟民 .何湘鄂 ， 赵红兵 .风力发电装置关键工程技术概述 J机电工程技术 2009年第 38卷 09期 4 陈渭清 ,吕启东 ,陈渭良 ,鲁向东 .一种能更好利用风能的新 型风力发电装置 J 上海电力
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