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1、风力发电机的发展史,风力机的起源,风力机最早出现在三千年前,当时主要用于碾米和提水。第一台水平轴式风力机出现在十二世纪。,风力机的起源,在农场用来给牲畜和居民提水的风力机。用来给无电地区农牧民供电的小型风力发电机。,一、风能的先驱Charles F.Brush,Charles F.Brush（1849-1929）是美国电力工业的奠基人之一。他发明了一种效率非常高的直流发电机应用于公共电网，发明了第一个商业化电弧光灯，找到了一种高效的制造铅酸蓄电池的方法。他自己的公司Brush Electric位于俄亥俄州Cleveland市。1889年他卖掉了公司，1892年与爱迪生通用电气公司合并取名通用电
2、气公司（GE）。,位于俄亥俄州Cleveland市庞大的BRUSH 风车,1887-1888年冬，Brush安装了一台被现代人认为是第一台自动运行的且用于发电的风力机。它是个宠然大物叶轮直径是17米，有144个由雪松木制成的叶片。风力机运行了约20年，用来给他家地窑里的蓄电池充电。这台发电机仅为12千瓦。这是因为低转速风机效率不可能太高。丹麦人Poul la Cour随后发现了快速转动、叶片数少的风力机，在发电时比低转速的风力机效率高得多。,二、风能的先驱Poul la Cour,Poul la Cour（1846-1908）是一名气象学家同时也是现代风力发电机的先驱。Poul la Cour
3、 是现代空气动力学的鼻祖，他建了一个属于他自己的风洞来实验风力发电机。图中是Poul la Cour和他的妻子。Poul la Cour致力于能源储存的研究，将风力机发出的电力用于电解来生产氢气，供他学校的瓦斯灯使用。这个计划的唯一缺点是，由于氢气中含有少量氧气致使氢气爆炸，他不得不数次更换几个学校的的窗户。,1904年的培训班,la Cour每年在Askov Folk高中给风电工人做几次培训。这个图片是1904年培训班毕业照。,la Cour的风力机,1897年，他发明的两台实验风力机，安装在丹麦Askov Folk 高中。此外，la Cour于1905年创立了风电工人协会，它成立一年后，就
4、拥有了356个会员。,风电期刊,世界上第一个风力发电期刊Journal of Wind Electricity 也是由Poul la Cour创立的。1918年，丹麦约有120个地方公用事业拥有风力发电机，通常的单机容量是20-35kW，总装机约3MW。这些风电容量当时占丹麦电力消耗量的3%。丹麦对风力发电的兴趣在随后的若干年逐渐减退，直到二次世界大战期间出现供电危机为止。,三、风能的先驱1940-1950,F.L.Smidth 风机 在二次世界大战期间，丹麦工程公司F.L.Smidth（现在是水泥机械制造商）安装了一批两叶片和三叶片的风机。丹麦风机制造商已经生产出了两叶片的风机，尽管所谓的“
5、丹麦概念”是三叶片的风机。所有这些风机（与它们的前辈一样）发的是直流电。这些三叶片F.L.Smidth 风机于1942年安装在Bobo岛，它们看起来很象“丹麦”风机。这些风机是风-柴系统中的一部分，给小岛供电。1951年，这些直流发电机被35kW的交流异步发电机取代，如此一来，第二台生产交流电的风机问世了。,四、Gedser 风力发电机,Johannes Juul 和 the Vester Egesborg 风力机 Johannes Juul工程师是Poul La Cour在1904年开办的“风电工”培训班中的一名学生。1950年，Johannes Juul在丹麦的Vester Egesbor
6、g成为了世界上开发第一台交流风力发电机的先驱。,Johannes Juul风力发电机,创新的200KW Gedser 风力发电机在1956-57年由Johannes Juul为SEAS电力公司建成，风机安装在丹麦南部的Gedser海岸。三叶片，上风向，带有电动机械偏航和异步发电机的风力发电机是现代风力发电机的设计先驱。这台风力机是失速调节型风力机，Johannes Juul发明了紧急气动叶尖刹车，在风机过速时通过离心力的作用释放。基本上，现代失速型风力发电机上使用着相同的系统。这台风力发电机，在随后的很多年中一直是世界上最大的。它在无需维护的情况下，运行了11年。风力机的机舱和叶轮现在在丹麦B
7、jerringbro电力博物馆中展出。,Nibe风力机,在1973年第一次石油危机后，几个国家起对风能的兴趣重新点燃。在丹麦，电力公司立即把目标放在的制造大型风力发电机上，德国、瑞典、英国和美国也紧跟其后。1979年，他们安装了两台630KW风力发电机，一台是桨矩控制的，另一台是失速控制的。,五、1980年后的风力发电机,Riisager 风力发电机 一个名叫Christian Riisager的木匠在自已家的后院安装了一台小型的22KW的风力发电机，他以Gedser风力机的设计为基础，尽可能地采用了便宜的标准部件（如，用一台电动机作为发电机，把汽车的部件用作齿箱和机械刹车）。Riisager
8、的风力发电机在丹麦许多私人家庭中成为了成功的典范，同时他的成功给丹麦的风力发电机制造商提供了灵感，从1980年起，制造商开始设计他们自己的风力发电机。,风力发电机设计中的竞争,许多设计，包括Riisager的设计部分地以古典Gedser 风力机或古典低转速多叶片的美国“风能玫瑰”的经验为基础，其它的则革命一些，包括立轴的Darrieus 风机，风机采用襟翼来进行功率调节，或将液压用于传动系统等。大部分风力机通常为5-11KW，按现在的标准判断它们太小了。,Tvind 2 MW风力发电机,与小风机不同的是Tvind 2 MW风力机，它是一台相当革命的风机。这台机组是下风向变速风机，叶轮直径为54
9、米，发电机为同步发电机。目前，这台风力机还在正常地运行之中。早期丹麦的风力发电机与德国，美国、英国或加拿大政府资助大型风力发电机研制工程完全不同。最后，由Gedser风力发电机 改良的古典三叶片、上风向风力机设计在疯狂的竞争中成为商业赢家。,RISO国家实验室,RISO国家实验室因其在风能领域中的工作而广为人知。RISO国家实验室的风能和大气物理部有约100名员工从事空气弹性学的基础研究（也就是空气动力和结构动力之间的交互作用）以及风资源评估工作。此外它还有一个独立的小的商业化活动，就是对风力发电机作类型鉴定。RISO最初是为风机鉴定而成立的，当时丹麦政府支持了一个项目在丹麦安装风力发电机。为
10、了保证风力发电机购买者的利益，政府要求所有被支持的风力发电机必须通过安全鉴定。严格的安全规程（包括双重制动系统要求）使得风力发电机更安全可靠。,BONUS 30kW风力发电机,BONUS 30kW风力发电机从1980年开始制造，是现在制造商早期模型的代表。与丹麦大多数制造商相似，BONUS公司最初是一个农业机械制造厂。,六、伟大的加利佛尼亚风暴,NORTANK 55KW风力发电机 1980-1981年开发的55KW风力发电机的出现是现代风力发电机工业和技术上的一个突破。随着这种风力发电机的诞生，风力发电每度电的成本下降了约50%。风能工业变得越来越专业了，此外相应的由RISO国家实验室开发的欧
11、洲风图谱对降低度电成本也是非常重要的。这张照片展示的是Nortank55kW风力发电机组独特的选址思维方式，这些风机安装在丹麦Ebeltoft镇的一个港口码头。,伟大的加利福尼亚风暴,在八十年代初，数千台风力发电机被运送到美国加利福尼亚。Micon 55kW风力发电机也是其中之一，它被运到加州Palm Springs的一个拥有一千多台风力机的大型风电场。早5年开始制造风力机的丹麦制造商比其它国家的公司销售业绩更佳。在加利福尼亚有将近一半的风机来自丹麦。大约在1985年，在加利福尼亚支持计划终结的前一夜，美国的风能市场消失了。尽管看起来市场已经堀起，但从那时起只有很少量的装机投运。现在德国已成为
12、世界上最大的风电市场，而且德国的装机也是世界上最大的。,七、现代风力机,丹麦 Avedore Holme 这张照片拍摄的是Avedore风电场，距丹麦哥本哈根市只有5公里。邻近250MW的火电厂，安装了12台Bonus 300kW 风力机和一台1000kW电力公司试验风力机。,丹麦最大的风电场Middelgrunden,丹麦现在的风电总装机约2000MW,有约6000台风力机在运行。其中80%风力机属于个人或当地风力机合资公司。丹麦最大的风电场是Middelgrunden，而且它还是世界上最大的海上风电场，拥有20台Bonus 2MW风力机，总装机为40MW。丹麦最大的陆地风电场是位于洛兰岛的
13、Syltholm风电场，拥有35台NEG Micon750kW风力机，总装机容量为26.25MW。,八、海上风电场,Vindeby Vindeby风电场位于波罗的海丹麦海岸，于1991年由公用事业公司SEAS建成。风电场拥有11台Bonus450kW失速调节型风力机，风机位于洛兰岛海岸1.5至3公里以北，靠近Vindeby村。这些风力机经过修改在塔架内有足够的空间放置高电压变压器，而且门的位置比正常的风机高一些。在后来的TunoKnob项目采用了同样的修改方案。此外，在现场安装了两个风速仪塔来研究风况和湍流。通过RISO国家实验室的研究已经获得了一些关于海上风况的结果。尽管由于洛兰岛对南部的风
14、遮敝使得产量有一些减少，但发电量比容量相同的陆地风电场还是高出20%。,Tuno Knob,Tuno Knob海上风电场位于丹麦海岸的Kattegat海域，由Midtkraft公用事业公司建造。这张照片展示的是水上浮动式起重机在从事安装工作。风电场拥有10台Vestas500kW风力发电机。风力机根据海洋环境进行了修改，每台风机上都安装了一个电动吊用来更换主要部件如发电机，而无需使用浮吊。此外，这些风机的齿轮箱也进行了修改，转速比陆地风机提高了10%。这样可使电产量增加5%。,海上风能的未来,海上风能开发是风电的一个非常有希望的应用，对那些高人口密度和在陆地上很难找到合适安装地点的国家尤为如此
15、。在海上的安装成本高得多，但电量生产同样也很高。丹麦电力公司已宣布了在2000年后将安装4000MW海上风电的计划。4000MW的装机预计每年可发电13.5TWh，相当于丹麦电力总消耗的40%。,九、兆瓦级风力发电机,Nortank1500 图片上是NEG Micon1500kW风机，于1995年投入运行。此型风机最初的模式是叶轮直径为60米，两台750kW发电机并联。最新的模式是1500/750kW模式（两台750KW发电机）叶轮直径为64米。这张照片在丹麦西部靠近Esbjerg市的 Tjaereborg拍摄的。,Vastas 1.5MW,Vastas 1.5MW风机的原形于1996年问世。
16、最初的模式是63米叶轮直径，一台1500kW发电机。最新的模式是68米叶轮直径一台两极发电机1650/300kW。照片上吊车正在吊装机舱。在它的左侧可以看到ELSAM 2MW测试风机（混凝土塔架），还有再远一些的NEG Micon 1500kW风力机。,兆瓦级风机的未来,到1998年兆瓦级风机的出现之前，600和750kW的风机一直是主流，。兆瓦级风机主要用于海上或安装地点稀少的地区，因而兆瓦级风机可以开发利用更多的风资源。,十、多兆瓦级风力机,NEG Micon 2MW NEG Micon 2MW风力机于1999年8月投入运行。叶轮直径为72米。在这种条件下（丹麦Hagesholm），风机塔
17、架高度为68米。在图片的背景中可以看到另两台风机的基础。风机将用于海上风电。外界象1500kWNEG Micon这样的风机如此之多，致使你不得不通过观察风机的停止状态（叶片侧风）来区别：2MW的风机叶片是桨矩调节的，因为风机是主动失速控制，而1500kW风机是被动失速控制。,Bonus 2MW,Bonus 2MW于1998年秋投入运行。叶轮直径为72米。在这种状况下（德国威廉港），塔架为60米。风机主要为海上风电场而设计，为混合失速控制（Bonus商标上称其为主动失速）。类似的风机有Bonus 1MW 和1.3MW风机。,Nordex 2.5MW,Nordex 2.5MW风机于2000年春投入
18、运行。叶轮直径为80米。图片中的风机位于德国Grevenbroich，塔架高度为80米。风机为桨矩控制。现在是世界上最大的商业化风力发电机。,GE 3.6MW,十一、风力发电技术发展现状,丹麦技术,水平轴上风向三叶片气动叶尖刹车失速调节固定转速 双绕阻感应型发电机,恒速a)失速调节b)桨矩调节变速a)双馈异步电机，带齿箱b)直驱同步电机，无齿箱,风力发电机类型,恒速风力机,优点1.设计简单 造价低2.更加可靠，停机时间短3.维护量少4.直接并网缺点1.气动效率低2.结构载荷高3.给电网造成电网波动4.从电网吸收无功功率,恒速风力机工作示意图,PFC,变速风力机,优点1.气动效率高2.机械应力小
19、3.功率波动小4.成本效率高5.支撑结构轻缺点1.功率对电压降敏感2.造价高3.维护量高,变速风力机工作示意图,GEAR BOX,GEN,INVERTER,D.C CONVERTER,D.C BUS,AC,变速风力机,双馈感应发电机优点1.发电机使用相当标准2.变流器便宜，只有1/3功率通过。缺点1.维护量仍然比较多2.齿轮箱存在潜在不可靠性 直驱同步发电机优点1.省去了齿轮箱2.不会吸收电网的无功缺点1.需要大型、笨重、复杂的环形发电机2.需要大型变流器，因为所有功率都要通过,发电机类型举例恒速Bonus(1.0 MW)NEG Micon(600 kW-1.5 MW)Nordex(600 k
20、W-1.3 MW)GE(600 kW)Repower(750 kW)Suzlon(1MW-1.25 MW)变速双馈异步电机GE(900 kW,1.5 MW&3.6 MW)Dewind(600 kW-2MW)NEG Micon(2.75 MW-4.5 MW)Nordex(1.5 MW 2.5 MW)RE Power(1.5 MW-2MW)Vestas(850 kW-3 MW)变速直驱同步发电机Enercon(300 kW-4.5 MW)Lagerway(750 kW-2 MW)Vensys(1.2 MW),双绕阻发电机,发电机绕阻提供两种容量如：600/125kW,1250/250 kW,两极
21、如：4/6级,6/8级两种转速 如：100/1000 rpm缺点气动效率稍高发电机效率稍高,发电机特性,发电机转速=频率(50 Hz)x 极对数,降低机组重量结构紧凑型驱动链轻型叶片结构紧凑型齿轮箱优化滑差永磁发电机,未来技术发展趋势,总机头重量,低机头总重量降低造价降低安装成本对系统受力有利,紧凑型驱动链,轮毂直接与轴承相连如:Vensys2.5 MWVestasV90-3MW轮毂直接安装在单级齿箱的行星齿轮上如：multibird,Pfleiderer 5MW,大型风力机和叶片,不断降低叶片的重量和成本1.优化气动设计2.材料最小设计，细叶片3.对叶根的挠度受力和振动降低到最小化4.使用更
22、轻强度更大的材料使用碳纤维是一种解决方案，但它的成本是玻璃纤维的10倍探索使用木环氧和凯夫拉尔纤维,齿轮箱设计趋势,齿轮箱的技术水平是两级行星齿加一级平行齿如:Vestas V90,3MWNEG-Micon NM 110/4200,4.2 MWRePower,5MWGE Wind,104 m 叶轮直径,3.5 MW,其它概念,1.Multibird5 MW 德国Pfleiderer 风机(叶轮转速 7 to 15 rpm)a.带齿箱发电机转速 1500 rpm(4极),齿轮传动比约100。如：REPower 5 MWb.无齿箱发电机极数为400，Enercon 4.5 MWMultibird
23、概念:1.单级行星齿轮箱 1:10 转速比2.中速发电机(最大150 rpm 40 极)3.机头总重 290 T,2、优化滑差,允许感应型电机转速变化范围扩大至10%.降低塔架的应力水平提高基础的成本效率（1.5 to 2.0 MW 风力机基础重可最多减少 50T)功率稳定降低传动系统的载荷,3、永磁机,Vensys 62,1.2 MW,直驱Zephyros Z-72,2.0 MW,直驱,4000 VPfleiderer 116,5.0 MW,变速Lagerway,2.0 MW,直驱ABB开发永磁机，直驱,目前大型风力机技术,十二、世界风能装机现状(到2003年3月),金风科技股份有限公司,谢谢！,
