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能源与动力工程导论论文

第1章绪论

1.1课题研究背景及意义

人类很早就已经开始利用风，公元前200年就存有记述。19世纪之前，社会生产力
高，风能够获得了广为的利用;在步入19世纪之后，廉价的蒸汽机已经开始发生，加之
当时燃料，风能的利用所占到比重逐渐降至最低点。当今，随着人类经济社会和各行各业
的飞速发展，社会对能源需求量也在不断减少，尤其就是对煤、石油等化石燃料市场需求
越来越小。但是人类的大量采矿和采用，这些资源在逐渐耗竭，引致几次资源危机的出现，
尤其就是1973年，出现的石油危机导致的影响最小;此外，轻易冷却化石燃料对环境也
可以导致轻微的污染。同时，煤、石油也被誉为“工业的粮食”、“工业的血液”，冷却
只是利用了它们的化学能，导致非常大的浪费。基于对环境保护的注重，对化石燃料的节
约，世界各国纷纷把对可以再生能源的利用做为将来的能源发展方向，而对风能的利用又
就是关键的组成部分，目前风能够主要利用方式就是发电。先将风的动能转变成机械动能，
再将机械能转变为电能，这就是风力发电。它具备无污染、设备使用寿命短、范围广等优
点，这也就是其它传统发电方式不具备的优点。一般来说，当风速达至三级时就存有利用
价值，但通常少于4米/秒时才适宜用以发电。根据实验数据，以一台55kw风力机为基
准，风速在9.5米/秒时，机组输出功率为额定值55kw，;当风速为8米/秒时，功率增
加为38kw;风速在6米/秒时，只有16kw;而风速只有5米/秒时，仅为9.5kw。因此风
速越慢，输出功率越大，经济效益也越高。当前我国仍以火电机组居多，对煤炭等化石能
源需求量非常大，且这些化石燃料不容再造，还是工业生产的关键原料，轻易冷却用作发
电就是非常大的浪费，还可以污染环境。风力发电就是一种无污染的发电方式，且风能就
是一种可以再生能源，合乎我国的可持续发展战略。我国的风力资源多样，大多数地区的
年平均风速都在4米/秒以上，在西北、东北、青藏高原和东南沿海地区和部分岛屿，年
平均风速更高;尤其就是新疆山口地区，几乎全年都就是大风天。在这些地区，发展风力
发电就是很存有前景的。

1.2国内外研究现状

人类利用风力历史很长，但在数千年的时间里，主要就是利用风能够转变为其它形式
的机械能，直至1877年才问世第一台风力发电机。1941年美国研制成功世界上第一台
兆瓦级风力发电机，使大规模风力发电沦为了可能将。然而当时化石燃料价格低廉，风力
发电被边缘化，并未受到重视，直至1973年能源危机的出现，使得风力发电获得了较慢
的发展，1987年，美国研制成功3.2mw风力发电机，与此同时，加拿大研制出34mw风
力发电机组。至2022年底，存有16个欧洲国家、4个亚太国家、4个美洲国家风电装
机容量少于1000mw。2022年加拿大追加装机容量1599mw，28个欧盟国家追加装机总容
量超过11159mw，同时，巴西追加装机容量也吻合1000mw。我国就是最早利用风能的国
家之一，但利用风力发电起步较晚，直至1986年才在山东荣成创建第一座风力发电场。
近年来我国风电发展较慢，年风电装机容量以10%以上的速度快速增长，2022年我国追
加风电装机容量1609万kw，并在西藏投入使用该省第一座风电场，总装机容量少于
9000万kw，年发电量超过134.0twh，沦为第三小电源，共计16个省(市)风力发电总计
并网量少于100万kw。预计至2022年，风电装机容量将达至2.5万kw。与此同时我
国独立自主研发的风电设备所占到比重也越来越小，2022年仅10%，至2022年少于
70%，价格也从“十一五”初期的7000元/kw降至了4000元/kw。

第2章风力发电及运行仿真

2.1风力发电

风能是一种清洁的可再生能源，风力发电是当前风能利用的主要形式，风力发电机主
要有机舱、叶片、塔架、导流罩、风轮轴、齿轮增速箱、发电机、和风向标、风速仪等组
成。机舱：装有并保护风力发电机重要设备。叶片：风力使叶片转动，将风能转化为机械
能，传送到风轮轴。塔架：搭载风力发电设备，通常的，高度越高，风力发电机所受风速
越大，叶片可以造得更大，输出功率也越大。导流罩：迎风状态时，风会沿着导流罩均匀
分流，使每个叶片都接受相同的风力。风轮轴和齿轮增速箱：将叶片的机械能传送给齿轮
增速箱，再通过齿轮增速箱加速后带动发电机发电。风向标和风速仪：目前风力发电机组
最高只能承受25米/秒风速，因此需要时刻检测风速和风向。当风速超过最大设计时可
立刻采取措施，保证整个设备的安全。风力发电机组有双馈型、永磁型等。风力发电也分
为离网型风力发电系统和并网型风力发电系统。

2.2风速、贝兹理论、叶尖速比以及机械转矩

风速是指空气的移动速度。衡量风能是否能用于发电的指标通常是年