新能源发电技术 ----宋长华 1
风力发电技术
宋先
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1-1 风与风力资源
一、风的产生与特性
? 产生,风是地球外表大气层由于太阳的热辐射
而引起的空气流动；大气压差是风产生的根本
原因。
? 特性,周期性, 多样性, 复杂性
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二、风的能量与测量
1、产生能量的基本要素,风具有一定的质量和速度。
2、风能的一些主要特性参数,如风能、风能密度、风速与风
级、风向与风频以及风的测量等。
1）风能,空气运动产生的动能称为, 风能, 。
2）风能密度, 单位时间内通过单位截面积的风能。
3）风速与风级,风速就是空气在单位时间内移动的距离，
国际上的单位是米／秒 (m/s)或千米／小时 (km／ h)。 分 13级
4）风向与风频,通常把风吹来的地平方向定为风的方向，
即 风向 。 风频 是指风向的频率，即在一定时间内某风向出
现的次数占各风向出现总次数的百分比，
5）风的测量,风的测量仪器主要有 风向器, 杯形风速器 和
三杯轻便风向风速表 等。
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三、风力资源
? 据理论计算，太阳辐射到地球的热能中约有 2％被转
变成风能，全球大气中总的风能量约为 10 14MW，其
中蕴藏的可被开发利用的风能约有 3.5× 10 9MW，这
比世界上可利用的水能大 10倍。
（一）世界风力资源分布
? 根据世界能源理事会的有关资料，地球表面有 27％
的地区年平均风速高于 5m／ s(距地而 10m高 )。如将
这些地方用作风力发电场，则每 km2的风力发电能力
最大值可达 8Mw，总装机容量可达 24x1013w。
? 据分析，实际上陆地面积中风力大于 5m／ s 的地区，
其中仅 4％有可能安装风力发电机组。
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世界风能资源评估
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(二 )中国风力资源
? 中国风能资源十分丰富，全国风能储量约 4.8 3× 10 9MW,可
开发利用的风能资源总量达 2.53亿 kw。
? 在中国，风能资源主要分布在新疆、内蒙古等北部
地区和东部至南部沿海地带及岛屿。
1、风能最佳区,(1)东南沿海、山东半岛、辽东半岛以及海
上岛屿。 (2)内蒙古、甘肃北部。 (3)黑龙江南部、吉林东部。
2,风能较佳区,(1)西藏高原中北部。（ 2）三北北部。 (3)东
南沿海 (离海岸线 20— 50kM)
? 3、风能可利用区,(1)两广沿海。 (2)大小兴安岭山区。 3)
东从辽河平原向西，过华北太平原经西北到最西端，左侧绕
西藏高原边缘部分，右侧从华北向南面淮讨、长江到南岭。
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（三）风能的利用
? 按照不同的需要，风能可以被转化成其他不同形式的能量，如机
械能、电能、热能等，以实现 提水灌溉, 发电,供热、风帆助航
等 功能。 21世纪风能利用的主要领域是 风力发电 。
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1-2 风力发电设备
一、组成,风力发电机组包括两大部分；
? 一部分是 风力机,由它将风能转换为机械能；
? 另一部分是 发电机,由它将机械能转换为电能。
二、分类：
1） 根据它收集风能的结构形式及在空间的布臵，可分为水平轴
式或垂直轴式。
2） 从塔架位臵上，分为上风式和下风式；
3） 还可以按桨叶数量，分为单叶片、双叶片、三叶片、四叶片
和多叶片式。
4） 从桨叶和形式上分，有螺旋桨式,H型,S型等；
5） 按桨叶的工作原理分，则有升力型和阻力型的区别。
6）以风力机的容量分，则有微型 (1kW以下 ),小型 (1— 10kW)、
中型 (10— 100kW)和大型 (100kw以上 )机。
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1、水平轴力风机
特点,风力机的风轮轴与地面呈水平状态，称
水平轴风力机。
组成,它一般内 风轮增速器, 调速器, 调向装
臵,发电机和 塔架 等部件组成，大中型风力
机还有 自动控制系统 。 图
应用,这种风力机的功率从几十千瓦到数兆瓦，
是日前最具有灾际开发价值的风力机：
? 类型：有 传统风车, 低速风力机 及 高速风力
机 等 3大类型。
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风力机的主要技术指标参数
① 风轮直径，通常风力机的功率越大，直径越大；
② 叶片数目，高速发电用风力机为 2— 4片，低速风力
机大干 4片；
③ 叶片材料，现代常采用高强度低密度的复合材料；
④ 风能利用系数，一般为 0.15— 0.5之间；
⑤ 启动风速，一般为 3— 5m/s;
⑥ 停机风速，通常为 15— 35m／ s;
⑦ 输出功率，现代风力机一般为几百干瓦 — 几兆瓦；
⑧ 发电机，分为直流发电机和交流发电机；
⑨ 另外还有塔架高度等等。
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水平轴力风机图
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2、垂直轴风力机
特点,凡风轮转轴与地面呈垂直状态的风力
机叫垂直抽风力机。
形式有,如 s型,H型,Ф 型 等。
应用,虽然目前垂直轴风力机尚未大量商品
化，但是它有许多特点，如不需大型塔架、
发电机可安装在地面上、维修方便及叶片制
造简便等，研究日趋增多，各种形式不断出
现。各种形式的垂直轴风力机。
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Ф 型风力机图
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三、风力发电系统及装臵
(一 )风力发电机组的系统
组成
? 风力发电系统是将风能转
换为电能的机械、电气及
共控制设备的组合。
? 通常包括 风轮, 发电机,
变速器 (小、微容量及特殊
类型的也有不包括变速器
的 )及有关 控制器 和 储能装
臵 。
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（二）调向机构
作用,用来调整风力机的风轮叶片旋转平而与空气
流动方向相对位臵的机构。因为当风轮叶片旋转平
面与气流方向垂直时，也即是迎着风向时，风力机
从流动的空气中获取的能量最大，因而风力机的输
出功率最大，所以调向机构又称为 迎风机构 (国外
通称偏航系统 )。
类型,小型水平轴风力机常用的调向机构有 尾
舵 和 尾车 ；风电场中并网运行的中大型风力
机则采用由 伺服电动机 。
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（三）发电机
?微型及容量在 10kW以下的小型风力发电机组，
采用 永磁式或自励式交流发电机,经整流后
向负载供电及向蓄电池充电；
?容量在 l00kw以上的并网运行的风力发电机组，
则应用 同步发电机或异步发电机,
（四）升速齿轮箱
? 作用：是将风力机轴上的低速旋转输入转变
为高速旋转输出，以便与发电机运转所需要
的转速相匹配。
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(五 )塔架
? 水平抽风力发电机组需要通过塔架将其臵
于空中，以捕捉更多的风能。
? 类型：即由钢板制成的 锥形筒状塔架 和由
角钢制成的 桁架式塔架 。
(六 )控制系统
组成,100kw以上的中型风力发电机组及 1Mw
以上的大型风力发电机组皆配有由 微机或
可编程控制器 (PLC)组成的控制系统来实现
控制、自检和显示功能。
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控制系统主要功能：
①按预先设定的风速值 (一般为 3— 4m／ s)自动启动风
力发电机组,并通过软启动装臵将异步发电机并人
电网 。
②借助各种传感器 自动检测风力发电机组的运行参数
及状态,包括风速、风向、风力机风轮转速、发电
机转速、发电机温升、发电机输出功率、功率因数、
电压、电流等以从齿轮箱轴承的油温、液压系统的
油压等。
③当风速大干最大运行速度 (一般设定为 25m／ s)时实
现 自动停机 。
④ 故障保护 。
⑤ 通过调制解调器与电话线连接 。
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水平轴中大风力发电机组基本结构
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四、大型并网型风力发电机组
类型,目前世界上比较成熟的并网型风力发电
机组多采用水平轴风力机，其形式多种多样
常见的水平轴风力机类型有：
①单叶片式；②双叶片式；②三叶片式；④
多叶片风车式⑤车轮式多叶片风车式；⑥迎
风式；⑦背风式等。
基本组成,典型的大型风力发电机组通常主要
由 叶轮, 传动系统,发电机,调向机构 及 控
制系统 等几大部分组成。
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课堂作业 (10月 14日 )
1、风有哪些特性？
2、风能的主要特性参数有哪些？什么叫风
能密度？
3、从能量转换角度，风力发电机组包括哪
两大部分？各部分作用是什么？
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小型风力发电机图
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风力发电连接电网系统图
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低杨程风力提水机图
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风电系统图 1
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风力机结构图
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南澳风电场
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风电场 1
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中国风电历年装机图
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1-3 风力发电运行方式
? 分类,独立运行 和 并网运行 两种运行方式。
一、独立运行方式
? 独立运行的风力发电机组，又称 离网型 风力发电机组，
是把风力发电机组输出的电能经蓄电池蓄能，再供应
用户使用，如需要交流电，则要加逆变器。
（一）储能系统：
? 风力发电系统采用的储能系统主要有,蓄电池储能、
抽水蓄能。
? 正在研究试验的有 压缩空气储能, 飞轮储能, 电解水
制氢储能 等。
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风力发电特点及优势,
① 它是一种 安全可靠 的发电方式，随着大型机组的技术成熟
和产品商品化的进程，风力发电 成本降低 。
② 风力发电不消耗资源、不污染环境,具有广阔的发展前景，
③ 建设周期一般很短,一台风机的运输安装时间不超过三个
月，万千瓦级风电场建设期不到一年，而且安装一台可投
产一台；
④ 装机规模灵活,可根据资金多少来确定，为筹集资金带来
便利；
⑤ 运行简单,可完全做到无人值守；
⑥ 实际占地少,机组与监控、变电等建筑仅占风电场约 1％的
土地，其余场地仍可供农、牧、渔使用；
⑦ 对土地要求低,在山丘、海边、河堤、荒漠等地形条件下
均可建设，
⑧ 在发电方式上还有多样化的特点,既可联网运行，也可和
柴油发电机等级成互补系统或独立运行，这对于解决边远
无电地区的用电问题提供了现实可能性。
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(二 )与其他发电形式的联合运行
? 常用的方式主要有：
1 风力 —— 柴油发电 联合运行
2 风力 —— 大阳能电地发电联合运行
? 风力一光伏联合系统有两种不同的运行方式：
（ 1） 切换运行,即有风时由风力发电机组供电，
有太阳光时由太阳能电池方阵供电，这种方式
简单，但系统的效率较低：
（ 2） 同时运行,风力发电机组与太阳能电池方
阵同时向苦电池组充电，可以充分发挥两者的
效能，系统效率高。
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二、并网运行方式
作用,采用风力发电机与电网连接，由电网输送电能的方式，是克
服风的随机性而带来的蓄能问题的最稳妥易行的运行方式，同时
可达到节约矿物燃料的目的。
应用,10kw以上直至 Mw级的风力发电机组皆可采用这种方式。
并网运行又可分为两种不同的方式：
? ①恒速桓频方式,即风力发电机组的转速不随风速的波动而变化，
始终维持恒转速运转，从而输出恒定额定频率的交流电。这种方
式目前已普遍采用，具有简单可靠的优点，但是对风能的利用不
充分。
? ②变速恒频方式,即风力发电机组的转速随风速的波动作变速运
行，但仍输出恒定频率的交流电。这种方式可提高风能的利用率，
但将导致必须增加实现恒频输出的电力电子设备，同时还应解决
由于变速运行而在风力发电机组文撑结构上出现共振现象等问题。
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1-4 风电场
一、概念
? 风力发电场是日前世界上风力发电并网运行
方式的基本形式。 图 1,图 2,图 3，
? 在风能资源良好的地区，将几十台、几百台
或几千台单机容量从数十 kw、数百 kw直至
MW级以上的 风力发电机组按一定的阵列布局
方式成群安装而组成的风力发电机群体．称
为风力发电场，简称风电场。
? 风力发电场属于大规模利用风能的方式，其
发出的电能全部经变电设备送往大电网。
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(二 )风力发电场的选址
1,考虑因素,风电场场址选择的最主要的因
素是 风能资源, 环境影响, 道路交通 及 电
网条件 等许多出素。
2,主要依据,
① 风力资源
② 风塔建设条件
③ 气象数据
④ 地形地貌
⑤ 对居民影响
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(三 )风力发电场的风力发电机组排布
? 作用,合理地选择机组的排列方式，以
减少机组之间的 相互影响,风电场内风
力发电机组的排列应以风电场内 可获得
最大的发电量 来考虑。
? 影响因素,主要受风能 分布, 风场地形
和 土地征用 的影响。
? 机组排列的最主要原则,是充分利用风
能资源，最大程度利用风能。
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(四 )风力发电场的经济效益评估
? 风电场容量系数即发电成本是衡量风力
发电场经济效益的重要指标。风电场内
风力发电机组容量系数的计算方法为：
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风电场每 kWh电能的发电成本的影响因素
? 风能资源特性 (主要是风速频率分布 )、
? 风力发电机组设备的投资费用、
? 风电场建设工程费用、
? 风电场运行维护费用、
? 建场投资回收方式及期限 (指投资贷款利率、
设备规定使用寿命及所要求的固定回收率等 )
? 某些部件进口关税、设备增值税和设备保险
所付出的费用等。
新能源发电技术 ----宋长华 40
(五 )风力发电场的安装和调试
风电机组运行安装方式灵活，既可以单机运行，也可
以组成风力发电场机群运行，采用何种运行方式主
要决定于风场的建设条件；机组安装简单，单机安
装调试仅需 5— 7天的时间。
主要工作包括：
① 机组基础建设（ 基础钢筋敷设, 敷设接地网,混凝
土浇筑和混凝土捣震）
② 主要部件 吊装,
③ 内部线路连接、
④ 机组系统调试。
新能源发电技术 ----宋长华 41
1-5 风力发电现状与展望
一、风力发电发展简史
? 起源,世界上第 1台用于发电的风力机于 1891年在丹
麦建成 。
? 发展,风电技术经过 20年的开发日臻成熟，商业化
机组的单机容量从 55 kW增加到 1 650 kW，风电成本
从 20美分 /（ kW·h），持续下降到 5美分 /（ kW·h），
运行可靠性和发电成本接近常规火电，迅速发展成
为初具规模的新兴产业。
? 目前风力机之最 为美国 CE公司的, 超级风力机,,
单机功率为 7.3MW，风车直径为 112m.
新能源发电技术 ----宋长华 42
二、世界风电现状
? 世界风电总装机容量 1994年底为 350万 kW,1995年底为
490万 kw,1996年底为 607万 kW,1997年为 764万 kw，
1998年达 1015万 kW,1999年达 1393万 kw,2001年达 1845
万 kw,2001年达 2493万 kw,2002年达到了 112,7kW，
平均年增长率在 30％以上。
? 到 2001年底，全世界风电场总装机容量达到 24930Mw，
其中：德国为 8730Mw,居世界第 1位 ；美国为 4250Mw，
居世界第 2位 ；西班牙为 3550Mw,居世界第 3位 ；丹麦
为 2460Mw,居第 4位 。在此期间，发展中国家以印度
的风电场建设发展最快，到 2001年底达到 1460Mw,居
世界第 5位 。
? 世界能源委员会预计，全世界到 2020年风力发电装机
容量可达 18亿 — 47亿 kw 。
新能源发电技术 ----宋长华 43
世界风电发展预测
? 世界风电在加速发展，装机容量每年以近
30％的速度递增。
? 按照 德国 风电发展计划，到 2010年，风电
电量将占总发电量的 12.5％；到 2050年，
将占到 50％。
? 丹麦 的风电电量 2003年占全国总发电量的
18％，规划到 2030年，风电将占总发电量
的 50％。
? 西班牙、英国和法国也加快了风电的发展。
新能源发电技术 ----宋长华 44
三、我国风电现状
? 从中国电机工程学会获悉，到今年上半年我
国有 40多个风电场,装机容量约为 76.4万千瓦,
风电装机容量仅占全国装机容量的 0.17%。
? 2004年全国 在建项目 的装机容量约 150万千瓦,
其中正在施工的约 42万千瓦，可研批复的 68
万千瓦，项目建议书批复的 45万千瓦，包括
五个 10万千瓦特许权项目。如果这些项目抓
紧实施,2005年底累计装机可超过 100万千瓦。
新能源发电技术 ----宋长华 45
我国风电造价
? 从统计数据看，全国风电上网电价比常规水电和火
电厂高出许多，新疆常规火电上网平均电价在 0.25
元 /千瓦时左右，而风电则平均达到 0.6元 /千瓦时以
上。而风电利用小时数约在 2000至 3000小时左右，
仅为火电的一半。
? 另外，虽然 风电单位千瓦平均造价 已从 10000元降到
8000元 左右，但仍远高于火电的 4000元 /千瓦 造价，
? 建设一座装机 10万千瓦的风电场，约需 8亿元以上，
而建设同样规模的火电厂约为 4至 5亿元。
新能源发电技术 ----宋长华 46
四、主要风力发电国家发展现状
(1)德国：
? 装机容量到 1994年末就达 64,3万 kw，到 1997年未达
200万 kw以上，超过美国成为 世界第一风电大国 ；
? 仅在 1999年 1年就新增 156,8万 kw，使风电总装机达
到 444,5万 kw，发电量占全国的 4,5％。
? 到 2001年底，总装机容量达到 873万 kw，占世界风力
发电总装机容量的 35％。
? 德国政府计划，到 2010年要使新能源占总装机容量
的 10％,2050年时达到 50％ 。
新能源发电技术 ----宋长华 47
(2)美国
? 到 1994年容量就达到 363万 kw，占当年世界风电总容
量的 53％，使 美国在 1997年前一直成为雄居世界第一
的风电大国 。
? 到 2001年底，美国风电总装机为 425万 kw，居世界第 2
位。
? 近两年美国又开始重视风力发电的发展,加大支持
力度，将旧机更新换代，并制定了雄心勃勃的技术
研究发展计划，最终日标是要将风电电价降到 2.5美
分 /wh。
? 目前联邦政府规定，可再生能源每发 1kwh电可减
1,5美分的税。 1998年 6月，议会提出, 可再生能源
有价证券法规, (RP5)，规定新能源必须在电力发电
来源中占有一定比例，使得风力发电在总发电量中
所占比重有可能 从 1998乍的 2％提高到 2010年的 5.5％。
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(3)丹麦
? 丹麦是世界上最大的风力发电机组生产国,
产量占世界 60％以上。在其出口产业中占第
二位。
? 1999年丹麦风电总装机达 174万 kW，其发电
量巳占全国总量的 10％：
? 2030年将达 550万 kw，发电量将占全国近 50
％，其中海上风电场装机将达 400万 kw。
? 丹麦政府计划，未来新能源 (主要是风电和
生物质能 )将提供 75％以上的能源供应，燃
煤发电将逐渐淘汰。
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五、我国风电场介绍（ 图 1,图 2,图 3）
1、广东省南澳风电场 （图）
? 已安装风力机 132台,总装机容量达 5.7万千瓦,年发电量
达 1.4亿千瓦时,成为亚洲海岛最大的风力发电场，
? 目前，总装机容量达 7.55万千瓦的两个大型风电项目
正在建设中，投资 22亿多元的 3个海上风电场项目已
投入前期工作。
? 南澳地处台湾海峡西南端喇叭口，风力资源丰富，风
电场年平均风速达 8.54米 /秒，年有效风速时数超过
7000小时，有效风能密度达 1011瓦 /平方米，风况属世
界最佳之列，是我国少有的可以大规模开发风力发电
场的地域之一。 介绍
新能源发电技术 ----宋长华 50
2、达坂城风电场
? 达坂城风电场共 3个风电公司，均注册在新
疆乌鲁木齐市。风场年平均风速 6.7m/s。风
电机组共计 157台,总容量 82800kW。 介绍
新能源发电技术 ----宋长华 51
达坂城风力发电一场
? 达坂城风力发电一场位于兰新铁路及乌喀公
路一侧，达坂城谷地，年平均风速 8.1m/s。
? 新疆水利厅 1986年成立新疆风能公司，新疆
风能公司、新疆风能研究所、新疆新风科工
贸有限责任公司是, 三位一体, 的高科技实
体。 1989年建成了当时亚洲最大的大型风力
发电场，并成功地高质量运行管理至今，新
疆金风科贸公司。现装机 42台，总容量
18400kW。 介绍
新能源发电技术 ----宋长华 52
3、辉腾锡勒风电场
? 辉腾锡勒风电场是 1995年成立的风电企
业。场址位于内蒙中旗，海拔 2010～
2131m，风速 7.4～ 8.2m/s。规划容量 120万
千瓦，年发电量 33亿千瓦时。
? 现装机 72台，总容量 42700kW。
? 股东：龙源电力集团公司 (50%)
? 介绍
新能源发电技术 ----宋长华 53
六、世界风力发电发展趁势
? 风力发电技术目前还在不断发展，主要体现在单机
容量不断增大上 。目前主流风力发电机组的功率，
己上升到 600— 750kw,Mw级的机组也已成批生产，
2Mw级的机组己在试验生产。
? 风力发电场未来的发展趋向 将集中在：
? （ 1）提高机群安装场地选择的准确性；（ 2）改进
机群布局的合理件；（ 3）提高运行的可靠性、稳定
性，实现运行的最佳控制；（ 4）进一步降低设备投
资及发电成本；（ 5）总装机容量在 1MW以上的风力
发电场将占据主导地位，风力发电场内的风力发电
机组单机容量将主要是百千瓦以上至兆瓦级的。
新能源发电技术 ----宋长华 54
七、我国, 十五, 期间风力发电的发展目标
?, 十五, 期间，我国计划新增风电容量 119.2万千瓦 。其
中达坂城及阿拉山口地区新增 9.87万千瓦，内蒙古辉腾锡勒
及赤峰地区新增 13.85万千瓦，吉林通榆地区新增 9.28万千瓦，
黑龙江富锦及木兰地区新增 6.18万千瓦，河北张北、黄骅及
承德地区新增 9.18万千瓦，江苏如东和启东地区新增 9万千
瓦，辽宁营口、大连、沈阳等地新增 9.76万千瓦，广东南澳、
惠来和湛江等地新增 9.04万千瓦，上海崇明和南汇等地新增
8万千瓦，其余省份, 十五, 期间合计新增 35.04万千瓦。
,十五, 期间，风力发电发展重点是, 一是 新建设 10万
千瓦风电场约 3－ 5座（包括海上风电场），并取得规模效益；
二是 鼓励有风能资源但还未建设一座风电场地区的电力企业
或非电力企业开发风电项目，尤其在经济发达地区，风电上
网电价也较容易分摊，更需加快速度开发风电，为今后电源
建设中风力发电占一定比例的配额制打好基础。
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将开展的工作
1、继续发展小型风力机组
2、加速发展大型风力发电机组
3、快速建设风电场
4、综合利用新能源和可再生能源
新能源发电技术 ----宋长华 56
课堂作业
1、风力发电的特点？
2、简述风力发电的两种运行方式？
3、风电场容量系数的计算式是什么？
4、你知道我国有哪些风电场？
新能源发电技术 ----宋长华 57
基础钢筋敷设
新能源发电技术 ----宋长华 58
敷设接地网
新能源发电技术 ----宋长华 59
竖立塔架
新能源发电技术 ----宋长华 60
机舱吊装
新能源发电技术 ----宋长华 61
具有负荷调节的独立运行风电系统图
新能源发电技术 ----宋长华 62
风电 —— 柴油发电并联系统图
新能源发电技术 ----宋长华 63
风电场图
新能源发电技术 ----宋长华 64
风电场图 1
新能源发电技术 ----宋长华 65
南澳风电场
新能源发电技术 ----宋长华 66
风电场 3
新能源发电技术 ----宋长华 67
辉腾锡勒风电场图
新能源发电技术 ----宋长华 68
中国已建和在建风电分布图
新能源发电技术 ----宋长华 69
中国风电历年装机图
风力发电技术
宋先
新能源发电技术 ----宋长华 2
1-1 风与风力资源
一、风的产生与特性
? 产生,风是地球外表大气层由于太阳的热辐射
而引起的空气流动；大气压差是风产生的根本
原因。
? 特性,周期性, 多样性, 复杂性
新能源发电技术 ----宋长华 3
二、风的能量与测量
1、产生能量的基本要素,风具有一定的质量和速度。
2、风能的一些主要特性参数,如风能、风能密度、风速与风
级、风向与风频以及风的测量等。
1）风能,空气运动产生的动能称为, 风能, 。
2）风能密度, 单位时间内通过单位截面积的风能。
3）风速与风级,风速就是空气在单位时间内移动的距离，
国际上的单位是米／秒 (m/s)或千米／小时 (km／ h)。 分 13级
4）风向与风频,通常把风吹来的地平方向定为风的方向，
即 风向 。 风频 是指风向的频率，即在一定时间内某风向出
现的次数占各风向出现总次数的百分比，
5）风的测量,风的测量仪器主要有 风向器, 杯形风速器 和
三杯轻便风向风速表 等。
新能源发电技术 ----宋长华 4
三、风力资源
? 据理论计算，太阳辐射到地球的热能中约有 2％被转
变成风能，全球大气中总的风能量约为 10 14MW，其
中蕴藏的可被开发利用的风能约有 3.5× 10 9MW，这
比世界上可利用的水能大 10倍。
（一）世界风力资源分布
? 根据世界能源理事会的有关资料，地球表面有 27％
的地区年平均风速高于 5m／ s(距地而 10m高 )。如将
这些地方用作风力发电场，则每 km2的风力发电能力
最大值可达 8Mw，总装机容量可达 24x1013w。
? 据分析，实际上陆地面积中风力大于 5m／ s 的地区，
其中仅 4％有可能安装风力发电机组。
新能源发电技术 ----宋长华 5
世界风能资源评估
新能源发电技术 ----宋长华 6
(二 )中国风力资源
? 中国风能资源十分丰富，全国风能储量约 4.8 3× 10 9MW,可
开发利用的风能资源总量达 2.53亿 kw。
? 在中国，风能资源主要分布在新疆、内蒙古等北部
地区和东部至南部沿海地带及岛屿。
1、风能最佳区,(1)东南沿海、山东半岛、辽东半岛以及海
上岛屿。 (2)内蒙古、甘肃北部。 (3)黑龙江南部、吉林东部。
2,风能较佳区,(1)西藏高原中北部。（ 2）三北北部。 (3)东
南沿海 (离海岸线 20— 50kM)
? 3、风能可利用区,(1)两广沿海。 (2)大小兴安岭山区。 3)
东从辽河平原向西，过华北太平原经西北到最西端，左侧绕
西藏高原边缘部分，右侧从华北向南面淮讨、长江到南岭。
新能源发电技术 ----宋长华 7
（三）风能的利用
? 按照不同的需要，风能可以被转化成其他不同形式的能量，如机
械能、电能、热能等，以实现 提水灌溉, 发电,供热、风帆助航
等 功能。 21世纪风能利用的主要领域是 风力发电 。
新能源发电技术 ----宋长华 8
1-2 风力发电设备
一、组成,风力发电机组包括两大部分；
? 一部分是 风力机,由它将风能转换为机械能；
? 另一部分是 发电机,由它将机械能转换为电能。
二、分类：
1） 根据它收集风能的结构形式及在空间的布臵，可分为水平轴
式或垂直轴式。
2） 从塔架位臵上，分为上风式和下风式；
3） 还可以按桨叶数量，分为单叶片、双叶片、三叶片、四叶片
和多叶片式。
4） 从桨叶和形式上分，有螺旋桨式,H型,S型等；
5） 按桨叶的工作原理分，则有升力型和阻力型的区别。
6）以风力机的容量分，则有微型 (1kW以下 ),小型 (1— 10kW)、
中型 (10— 100kW)和大型 (100kw以上 )机。
新能源发电技术 ----宋长华 9
1、水平轴力风机
特点,风力机的风轮轴与地面呈水平状态，称
水平轴风力机。
组成,它一般内 风轮增速器, 调速器, 调向装
臵,发电机和 塔架 等部件组成，大中型风力
机还有 自动控制系统 。 图
应用,这种风力机的功率从几十千瓦到数兆瓦，
是日前最具有灾际开发价值的风力机：
? 类型：有 传统风车, 低速风力机 及 高速风力
机 等 3大类型。
新能源发电技术 ----宋长华 10
风力机的主要技术指标参数
① 风轮直径，通常风力机的功率越大，直径越大；
② 叶片数目，高速发电用风力机为 2— 4片，低速风力
机大干 4片；
③ 叶片材料，现代常采用高强度低密度的复合材料；
④ 风能利用系数，一般为 0.15— 0.5之间；
⑤ 启动风速，一般为 3— 5m/s;
⑥ 停机风速，通常为 15— 35m／ s;
⑦ 输出功率，现代风力机一般为几百干瓦 — 几兆瓦；
⑧ 发电机，分为直流发电机和交流发电机；
⑨ 另外还有塔架高度等等。
新能源发电技术 ----宋长华 11
水平轴力风机图
新能源发电技术 ----宋长华 12
2、垂直轴风力机
特点,凡风轮转轴与地面呈垂直状态的风力
机叫垂直抽风力机。
形式有,如 s型,H型,Ф 型 等。
应用,虽然目前垂直轴风力机尚未大量商品
化，但是它有许多特点，如不需大型塔架、
发电机可安装在地面上、维修方便及叶片制
造简便等，研究日趋增多，各种形式不断出
现。各种形式的垂直轴风力机。
新能源发电技术 ----宋长华 13
Ф 型风力机图
新能源发电技术 ----宋长华 14
三、风力发电系统及装臵
(一 )风力发电机组的系统
组成
? 风力发电系统是将风能转
换为电能的机械、电气及
共控制设备的组合。
? 通常包括 风轮, 发电机,
变速器 (小、微容量及特殊
类型的也有不包括变速器
的 )及有关 控制器 和 储能装
臵 。
新能源发电技术 ----宋长华 15
（二）调向机构
作用,用来调整风力机的风轮叶片旋转平而与空气
流动方向相对位臵的机构。因为当风轮叶片旋转平
面与气流方向垂直时，也即是迎着风向时，风力机
从流动的空气中获取的能量最大，因而风力机的输
出功率最大，所以调向机构又称为 迎风机构 (国外
通称偏航系统 )。
类型,小型水平轴风力机常用的调向机构有 尾
舵 和 尾车 ；风电场中并网运行的中大型风力
机则采用由 伺服电动机 。
新能源发电技术 ----宋长华 16
（三）发电机
?微型及容量在 10kW以下的小型风力发电机组，
采用 永磁式或自励式交流发电机,经整流后
向负载供电及向蓄电池充电；
?容量在 l00kw以上的并网运行的风力发电机组，
则应用 同步发电机或异步发电机,
（四）升速齿轮箱
? 作用：是将风力机轴上的低速旋转输入转变
为高速旋转输出，以便与发电机运转所需要
的转速相匹配。
新能源发电技术 ----宋长华 17
(五 )塔架
? 水平抽风力发电机组需要通过塔架将其臵
于空中，以捕捉更多的风能。
? 类型：即由钢板制成的 锥形筒状塔架 和由
角钢制成的 桁架式塔架 。
(六 )控制系统
组成,100kw以上的中型风力发电机组及 1Mw
以上的大型风力发电机组皆配有由 微机或
可编程控制器 (PLC)组成的控制系统来实现
控制、自检和显示功能。
新能源发电技术 ----宋长华 18
控制系统主要功能：
①按预先设定的风速值 (一般为 3— 4m／ s)自动启动风
力发电机组,并通过软启动装臵将异步发电机并人
电网 。
②借助各种传感器 自动检测风力发电机组的运行参数
及状态,包括风速、风向、风力机风轮转速、发电
机转速、发电机温升、发电机输出功率、功率因数、
电压、电流等以从齿轮箱轴承的油温、液压系统的
油压等。
③当风速大干最大运行速度 (一般设定为 25m／ s)时实
现 自动停机 。
④ 故障保护 。
⑤ 通过调制解调器与电话线连接 。
新能源发电技术 ----宋长华 19
水平轴中大风力发电机组基本结构
新能源发电技术 ----宋长华 20
四、大型并网型风力发电机组
类型,目前世界上比较成熟的并网型风力发电
机组多采用水平轴风力机，其形式多种多样
常见的水平轴风力机类型有：
①单叶片式；②双叶片式；②三叶片式；④
多叶片风车式⑤车轮式多叶片风车式；⑥迎
风式；⑦背风式等。
基本组成,典型的大型风力发电机组通常主要
由 叶轮, 传动系统,发电机,调向机构 及 控
制系统 等几大部分组成。
新能源发电技术 ----宋长华 21
课堂作业 (10月 14日 )
1、风有哪些特性？
2、风能的主要特性参数有哪些？什么叫风
能密度？
3、从能量转换角度，风力发电机组包括哪
两大部分？各部分作用是什么？
新能源发电技术 ----宋长华 22
小型风力发电机图
新能源发电技术 ----宋长华 23
风力发电连接电网系统图
新能源发电技术 ----宋长华 24
新能源发电技术 ----宋长华 25
低杨程风力提水机图
新能源发电技术 ----宋长华 26
风电系统图 1
新能源发电技术 ----宋长华 27
风力机结构图
新能源发电技术 ----宋长华 28
南澳风电场
新能源发电技术 ----宋长华 29
风电场 1
新能源发电技术 ----宋长华 30
中国风电历年装机图
新能源发电技术 ----宋长华 31
1-3 风力发电运行方式
? 分类,独立运行 和 并网运行 两种运行方式。
一、独立运行方式
? 独立运行的风力发电机组，又称 离网型 风力发电机组，
是把风力发电机组输出的电能经蓄电池蓄能，再供应
用户使用，如需要交流电，则要加逆变器。
（一）储能系统：
? 风力发电系统采用的储能系统主要有,蓄电池储能、
抽水蓄能。
? 正在研究试验的有 压缩空气储能, 飞轮储能, 电解水
制氢储能 等。
新能源发电技术 ----宋长华 32
风力发电特点及优势,
① 它是一种 安全可靠 的发电方式，随着大型机组的技术成熟
和产品商品化的进程，风力发电 成本降低 。
② 风力发电不消耗资源、不污染环境,具有广阔的发展前景，
③ 建设周期一般很短,一台风机的运输安装时间不超过三个
月，万千瓦级风电场建设期不到一年，而且安装一台可投
产一台；
④ 装机规模灵活,可根据资金多少来确定，为筹集资金带来
便利；
⑤ 运行简单,可完全做到无人值守；
⑥ 实际占地少,机组与监控、变电等建筑仅占风电场约 1％的
土地，其余场地仍可供农、牧、渔使用；
⑦ 对土地要求低,在山丘、海边、河堤、荒漠等地形条件下
均可建设，
⑧ 在发电方式上还有多样化的特点,既可联网运行，也可和
柴油发电机等级成互补系统或独立运行，这对于解决边远
无电地区的用电问题提供了现实可能性。
新能源发电技术 ----宋长华 33
(二 )与其他发电形式的联合运行
? 常用的方式主要有：
1 风力 —— 柴油发电 联合运行
2 风力 —— 大阳能电地发电联合运行
? 风力一光伏联合系统有两种不同的运行方式：
（ 1） 切换运行,即有风时由风力发电机组供电，
有太阳光时由太阳能电池方阵供电，这种方式
简单，但系统的效率较低：
（ 2） 同时运行,风力发电机组与太阳能电池方
阵同时向苦电池组充电，可以充分发挥两者的
效能，系统效率高。
新能源发电技术 ----宋长华 34
二、并网运行方式
作用,采用风力发电机与电网连接，由电网输送电能的方式，是克
服风的随机性而带来的蓄能问题的最稳妥易行的运行方式，同时
可达到节约矿物燃料的目的。
应用,10kw以上直至 Mw级的风力发电机组皆可采用这种方式。
并网运行又可分为两种不同的方式：
? ①恒速桓频方式,即风力发电机组的转速不随风速的波动而变化，
始终维持恒转速运转，从而输出恒定额定频率的交流电。这种方
式目前已普遍采用，具有简单可靠的优点，但是对风能的利用不
充分。
? ②变速恒频方式,即风力发电机组的转速随风速的波动作变速运
行，但仍输出恒定频率的交流电。这种方式可提高风能的利用率，
但将导致必须增加实现恒频输出的电力电子设备，同时还应解决
由于变速运行而在风力发电机组文撑结构上出现共振现象等问题。
新能源发电技术 ----宋长华 35
1-4 风电场
一、概念
? 风力发电场是日前世界上风力发电并网运行
方式的基本形式。 图 1,图 2,图 3，
? 在风能资源良好的地区，将几十台、几百台
或几千台单机容量从数十 kw、数百 kw直至
MW级以上的 风力发电机组按一定的阵列布局
方式成群安装而组成的风力发电机群体．称
为风力发电场，简称风电场。
? 风力发电场属于大规模利用风能的方式，其
发出的电能全部经变电设备送往大电网。
新能源发电技术 ----宋长华 36
(二 )风力发电场的选址
1,考虑因素,风电场场址选择的最主要的因
素是 风能资源, 环境影响, 道路交通 及 电
网条件 等许多出素。
2,主要依据,
① 风力资源
② 风塔建设条件
③ 气象数据
④ 地形地貌
⑤ 对居民影响
新能源发电技术 ----宋长华 37
(三 )风力发电场的风力发电机组排布
? 作用,合理地选择机组的排列方式，以
减少机组之间的 相互影响,风电场内风
力发电机组的排列应以风电场内 可获得
最大的发电量 来考虑。
? 影响因素,主要受风能 分布, 风场地形
和 土地征用 的影响。
? 机组排列的最主要原则,是充分利用风
能资源，最大程度利用风能。
新能源发电技术 ----宋长华 38
(四 )风力发电场的经济效益评估
? 风电场容量系数即发电成本是衡量风力
发电场经济效益的重要指标。风电场内
风力发电机组容量系数的计算方法为：
新能源发电技术 ----宋长华 39
风电场每 kWh电能的发电成本的影响因素
? 风能资源特性 (主要是风速频率分布 )、
? 风力发电机组设备的投资费用、
? 风电场建设工程费用、
? 风电场运行维护费用、
? 建场投资回收方式及期限 (指投资贷款利率、
设备规定使用寿命及所要求的固定回收率等 )
? 某些部件进口关税、设备增值税和设备保险
所付出的费用等。
新能源发电技术 ----宋长华 40
(五 )风力发电场的安装和调试
风电机组运行安装方式灵活，既可以单机运行，也可
以组成风力发电场机群运行，采用何种运行方式主
要决定于风场的建设条件；机组安装简单，单机安
装调试仅需 5— 7天的时间。
主要工作包括：
① 机组基础建设（ 基础钢筋敷设, 敷设接地网,混凝
土浇筑和混凝土捣震）
② 主要部件 吊装,
③ 内部线路连接、
④ 机组系统调试。
新能源发电技术 ----宋长华 41
1-5 风力发电现状与展望
一、风力发电发展简史
? 起源,世界上第 1台用于发电的风力机于 1891年在丹
麦建成 。
? 发展,风电技术经过 20年的开发日臻成熟，商业化
机组的单机容量从 55 kW增加到 1 650 kW，风电成本
从 20美分 /（ kW·h），持续下降到 5美分 /（ kW·h），
运行可靠性和发电成本接近常规火电，迅速发展成
为初具规模的新兴产业。
? 目前风力机之最 为美国 CE公司的, 超级风力机,,
单机功率为 7.3MW，风车直径为 112m.
新能源发电技术 ----宋长华 42
二、世界风电现状
? 世界风电总装机容量 1994年底为 350万 kW,1995年底为
490万 kw,1996年底为 607万 kW,1997年为 764万 kw，
1998年达 1015万 kW,1999年达 1393万 kw,2001年达 1845
万 kw,2001年达 2493万 kw,2002年达到了 112,7kW，
平均年增长率在 30％以上。
? 到 2001年底，全世界风电场总装机容量达到 24930Mw，
其中：德国为 8730Mw,居世界第 1位 ；美国为 4250Mw，
居世界第 2位 ；西班牙为 3550Mw,居世界第 3位 ；丹麦
为 2460Mw,居第 4位 。在此期间，发展中国家以印度
的风电场建设发展最快，到 2001年底达到 1460Mw,居
世界第 5位 。
? 世界能源委员会预计，全世界到 2020年风力发电装机
容量可达 18亿 — 47亿 kw 。
新能源发电技术 ----宋长华 43
世界风电发展预测
? 世界风电在加速发展，装机容量每年以近
30％的速度递增。
? 按照 德国 风电发展计划，到 2010年，风电
电量将占总发电量的 12.5％；到 2050年，
将占到 50％。
? 丹麦 的风电电量 2003年占全国总发电量的
18％，规划到 2030年，风电将占总发电量
的 50％。
? 西班牙、英国和法国也加快了风电的发展。
新能源发电技术 ----宋长华 44
三、我国风电现状
? 从中国电机工程学会获悉，到今年上半年我
国有 40多个风电场,装机容量约为 76.4万千瓦,
风电装机容量仅占全国装机容量的 0.17%。
? 2004年全国 在建项目 的装机容量约 150万千瓦,
其中正在施工的约 42万千瓦，可研批复的 68
万千瓦，项目建议书批复的 45万千瓦，包括
五个 10万千瓦特许权项目。如果这些项目抓
紧实施,2005年底累计装机可超过 100万千瓦。
新能源发电技术 ----宋长华 45
我国风电造价
? 从统计数据看，全国风电上网电价比常规水电和火
电厂高出许多，新疆常规火电上网平均电价在 0.25
元 /千瓦时左右，而风电则平均达到 0.6元 /千瓦时以
上。而风电利用小时数约在 2000至 3000小时左右，
仅为火电的一半。
? 另外，虽然 风电单位千瓦平均造价 已从 10000元降到
8000元 左右，但仍远高于火电的 4000元 /千瓦 造价，
? 建设一座装机 10万千瓦的风电场，约需 8亿元以上，
而建设同样规模的火电厂约为 4至 5亿元。
新能源发电技术 ----宋长华 46
四、主要风力发电国家发展现状
(1)德国：
? 装机容量到 1994年末就达 64,3万 kw，到 1997年未达
200万 kw以上，超过美国成为 世界第一风电大国 ；
? 仅在 1999年 1年就新增 156,8万 kw，使风电总装机达
到 444,5万 kw，发电量占全国的 4,5％。
? 到 2001年底，总装机容量达到 873万 kw，占世界风力
发电总装机容量的 35％。
? 德国政府计划，到 2010年要使新能源占总装机容量
的 10％,2050年时达到 50％ 。
新能源发电技术 ----宋长华 47
(2)美国
? 到 1994年容量就达到 363万 kw，占当年世界风电总容
量的 53％，使 美国在 1997年前一直成为雄居世界第一
的风电大国 。
? 到 2001年底，美国风电总装机为 425万 kw，居世界第 2
位。
? 近两年美国又开始重视风力发电的发展,加大支持
力度，将旧机更新换代，并制定了雄心勃勃的技术
研究发展计划，最终日标是要将风电电价降到 2.5美
分 /wh。
? 目前联邦政府规定，可再生能源每发 1kwh电可减
1,5美分的税。 1998年 6月，议会提出, 可再生能源
有价证券法规, (RP5)，规定新能源必须在电力发电
来源中占有一定比例，使得风力发电在总发电量中
所占比重有可能 从 1998乍的 2％提高到 2010年的 5.5％。
新能源发电技术 ----宋长华 48
(3)丹麦
? 丹麦是世界上最大的风力发电机组生产国,
产量占世界 60％以上。在其出口产业中占第
二位。
? 1999年丹麦风电总装机达 174万 kW，其发电
量巳占全国总量的 10％：
? 2030年将达 550万 kw，发电量将占全国近 50
％，其中海上风电场装机将达 400万 kw。
? 丹麦政府计划，未来新能源 (主要是风电和
生物质能 )将提供 75％以上的能源供应，燃
煤发电将逐渐淘汰。
新能源发电技术 ----宋长华 49
五、我国风电场介绍（ 图 1,图 2,图 3）
1、广东省南澳风电场 （图）
? 已安装风力机 132台,总装机容量达 5.7万千瓦,年发电量
达 1.4亿千瓦时,成为亚洲海岛最大的风力发电场，
? 目前，总装机容量达 7.55万千瓦的两个大型风电项目
正在建设中，投资 22亿多元的 3个海上风电场项目已
投入前期工作。
? 南澳地处台湾海峡西南端喇叭口，风力资源丰富，风
电场年平均风速达 8.54米 /秒，年有效风速时数超过
7000小时，有效风能密度达 1011瓦 /平方米，风况属世
界最佳之列，是我国少有的可以大规模开发风力发电
场的地域之一。 介绍
新能源发电技术 ----宋长华 50
2、达坂城风电场
? 达坂城风电场共 3个风电公司，均注册在新
疆乌鲁木齐市。风场年平均风速 6.7m/s。风
电机组共计 157台,总容量 82800kW。 介绍
新能源发电技术 ----宋长华 51
达坂城风力发电一场
? 达坂城风力发电一场位于兰新铁路及乌喀公
路一侧，达坂城谷地，年平均风速 8.1m/s。
? 新疆水利厅 1986年成立新疆风能公司，新疆
风能公司、新疆风能研究所、新疆新风科工
贸有限责任公司是, 三位一体, 的高科技实
体。 1989年建成了当时亚洲最大的大型风力
发电场，并成功地高质量运行管理至今，新
疆金风科贸公司。现装机 42台，总容量
18400kW。 介绍
新能源发电技术 ----宋长华 52
3、辉腾锡勒风电场
? 辉腾锡勒风电场是 1995年成立的风电企
业。场址位于内蒙中旗，海拔 2010～
2131m，风速 7.4～ 8.2m/s。规划容量 120万
千瓦，年发电量 33亿千瓦时。
? 现装机 72台，总容量 42700kW。
? 股东：龙源电力集团公司 (50%)
? 介绍
新能源发电技术 ----宋长华 53
六、世界风力发电发展趁势
? 风力发电技术目前还在不断发展，主要体现在单机
容量不断增大上 。目前主流风力发电机组的功率，
己上升到 600— 750kw,Mw级的机组也已成批生产，
2Mw级的机组己在试验生产。
? 风力发电场未来的发展趋向 将集中在：
? （ 1）提高机群安装场地选择的准确性；（ 2）改进
机群布局的合理件；（ 3）提高运行的可靠性、稳定
性，实现运行的最佳控制；（ 4）进一步降低设备投
资及发电成本；（ 5）总装机容量在 1MW以上的风力
发电场将占据主导地位，风力发电场内的风力发电
机组单机容量将主要是百千瓦以上至兆瓦级的。
新能源发电技术 ----宋长华 54
七、我国, 十五, 期间风力发电的发展目标
?, 十五, 期间，我国计划新增风电容量 119.2万千瓦 。其
中达坂城及阿拉山口地区新增 9.87万千瓦，内蒙古辉腾锡勒
及赤峰地区新增 13.85万千瓦，吉林通榆地区新增 9.28万千瓦，
黑龙江富锦及木兰地区新增 6.18万千瓦，河北张北、黄骅及
承德地区新增 9.18万千瓦，江苏如东和启东地区新增 9万千
瓦，辽宁营口、大连、沈阳等地新增 9.76万千瓦，广东南澳、
惠来和湛江等地新增 9.04万千瓦，上海崇明和南汇等地新增
8万千瓦，其余省份, 十五, 期间合计新增 35.04万千瓦。
,十五, 期间，风力发电发展重点是, 一是 新建设 10万
千瓦风电场约 3－ 5座（包括海上风电场），并取得规模效益；
二是 鼓励有风能资源但还未建设一座风电场地区的电力企业
或非电力企业开发风电项目，尤其在经济发达地区，风电上
网电价也较容易分摊，更需加快速度开发风电，为今后电源
建设中风力发电占一定比例的配额制打好基础。
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将开展的工作
1、继续发展小型风力机组
2、加速发展大型风力发电机组
3、快速建设风电场
4、综合利用新能源和可再生能源
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课堂作业
1、风力发电的特点？
2、简述风力发电的两种运行方式？
3、风电场容量系数的计算式是什么？
4、你知道我国有哪些风电场？
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基础钢筋敷设
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敷设接地网
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竖立塔架
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机舱吊装
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具有负荷调节的独立运行风电系统图
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风电 —— 柴油发电并联系统图
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风电场图
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风电场图 1
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南澳风电场
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风电场 3
新能源发电技术 ----宋长华 67
辉腾锡勒风电场图
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中国已建和在建风电分布图
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中国风电历年装机图
