風力發(fā)電技術基礎教程

1、風力發(fā)電技術基礎教程風力發(fā)電技術基礎教程崔 新 維 2002.7.11.目目 錄錄 風力發(fā)電技術概述 風力機的理論基礎 機組的機械零部件 機組電氣系統(tǒng) 風資源概述第一章第一章 風力發(fā)電技術概述風力發(fā)電技術概述 風力發(fā)電機組的總體構成 風力發(fā)電機組的主要機型 風力發(fā)電機組中的關鍵技術一、風力發(fā)電機組的總體構成一、風力發(fā)電機組的總體構成風 電 機組 風力發(fā)電機組的主要組成部分： 葉輪：將風能轉變?yōu)闄C械能。 傳動系統(tǒng)：將葉輪的轉速提升到發(fā)電機的額 定轉速 發(fā)電機：將葉輪獲得的機械能再轉變?yōu)殡娔堋?偏航系統(tǒng)：使葉輪可靠地迎風轉動并解纜。 其它部件：如塔架、機艙等 控制系統(tǒng)：使風力機在各種自然條件與工況

2、下正常運行的保障機制，包括調速、調向和安全控制。 風力發(fā)電機組（以下簡稱風力機）是一種能量轉換裝置將風能轉換為電能的。二、風力發(fā)電機組的主要機型二、風力發(fā)電機組的主要機型 按葉輪轉速是否恒定分： 定速風力機 變速風力機 按葉片與輪轂的聯(lián)接方式分： 定槳距 （失速型）機組 變槳距機組其它機型 主動失速型 無齒輪箱型 海上機組 基本特征基本特征 水平軸 三葉片 上風式 雙速發(fā)電機 機型的發(fā)展趨勢機型的發(fā)展趨勢 定槳距 變槳距 定速型 變速型 Kw級 MW級 有齒輪箱式 直接驅動式三、風力發(fā)電機組中的關鍵技術三、風力發(fā)電機組中的關鍵技術 機組的設計方法與技術機組的設計方法與技術 葉片的設計與制造技術

3、葉片的設計與制造技術 氣動設計 結構設計 制造工藝 機組控制技術機組控制技術 功率控制技術 載荷控制技術 并網技術 遠程監(jiān)控技術第二章第二章 風力機基礎理論風力機基礎理論 葉片的空氣動力特性葉片的空氣動力特性 葉輪的空氣動力模型葉輪的空氣動力模型2.1 空氣動力學的基本概念一、流線流線 氣體質點：氣體質點：體積無限小的具有質量和速度的流體微團。 流線：流線： 在某一瞬時沿著流場中各氣體質點的速度方向連成的一條平滑曲線。 描述了該時刻各氣體質點的運動方向：切線方向。 流場中眾多流線的集合稱為流線簇。一般情況下，各流線彼此不會相交如圖所示。繞過物體的流線簇 繞過障礙物的流線繞過障礙物的流線: 當流

4、體繞過障礙物時，流線形狀會改變，其形狀取決于所繞過的障礙物的形狀。 不同的物體對氣流的阻礙效果也各不相同不同的物體對氣流的阻礙效果也各不相同 考慮幾種形狀的物體，它們的截面尺寸相同，但側面形狀各異，對氣流的阻礙作用（用阻力系數度量）不同。0.470.0441.330.341.11側面形狀不同的幾種物體二、阻力與升力 阻力阻力： 當氣流與物體有相對運動時，氣流對物體的平行于氣流方向的作用力。 升力升力： 先定性地考察一番飛機機翼附近的流線。當機翼相對氣流保持圖示的方向與方位時，在機翼上下面流線簇的疏密程度是不盡相同的。 1 2 1 1 3 1根據流體運動的質量守恒定律，有連續(xù)性方程連續(xù)性方程 A

5、1V1 = A2V2 + A3V3 其中：A、V分別表示截面積和速度。 下標1、2、3分別代表前方或后方、上表面 和下表面處。根據伯努利方程伯努利方程： P = Pi +1/2 * Vi2 即：氣體總壓力=靜壓力+動壓力=恒定值 考察翼型剖面氣體流動的情況： 上翼面突出，流場橫截面面積減小，空氣流速大， 即V2V1。而由伯努利方程，必使： P2 CTCT時，C CL L下降。 當 = = 0 0(0)時， C CL L=0，表明無升力。0稱為零升力角，對應零升力線。用阻力特性曲線來描述。 CD CDmin CDmin 兩個特征參數： 最小阻力系數C CDminDmin及對應攻角 CDminCD

6、min 。 4、翼剖面的阻力特性2.2 葉輪空氣動力學基礎葉輪的作用葉輪的作用：將風能轉換為機械能一、葉輪的幾何描述一、葉輪的幾何描述 葉輪軸線：葉輪旋轉的軸線。 旋轉平面：槳葉掃過的垂直于葉輪軸線的平面。 葉片軸線：葉片繞其旋轉以改變相對于旋轉平面的偏轉角安裝角（重要概念）。 半徑r處的槳葉剖面：距葉輪軸線r處用垂直于葉片軸線的平面切出的葉片截面。 安裝角：槳葉剖面上的翼弦線與旋轉平面的夾角，又稱槳距角，記為。 半徑r處葉片截面的幾何槳距：在r處幾何螺旋線的螺距。 可以從幾個方面來理解： 幾何螺旋線的描述：半徑r，螺旋升角 。 此處的螺旋升角為該半徑處的安裝角 r。 該幾何螺旋線 與r處翼剖

7、面 的弦線相切。 槳距值： H=2 r tg r二、貝茲理論1. 1.貝茲理論中的假設貝茲理論中的假設 葉輪是理想的； 氣流在整個葉輪掃略面上是均勻的； 氣流始終沿著葉輪軸線； 葉輪處在單元流管模型中，如圖。 流體連續(xù)性條件：S1V1 = SV = S2V22. 對葉輪應用氣流沖量原理 葉輪所受的軸向推力： F = m ( V1 - V2 ) 式中m= SV，為單位時間內的流量質量 葉輪單位時間內吸收的風能葉輪吸收的功率為： P=FV= SV2(V1-V2)3、動能定理的應用 基本公式：E=1/2 mV2 （m同上） 單位時間內氣流所做的功功率： P=1/2 mV2= =1/2 SV V2 在

8、 葉輪前后，單位時間內氣流動能的改變量： P= 1/2 SV (V21_ V22) 此既氣流穿越葉輪時，被葉輪吸收的功率。 因此： SV2(V1-V2)= 1/2 SV (V21_ V22) 整理得： V=1/2 (V1+V2) 即穿越葉輪的風速為葉輪遠前方與遠后方風 速的均值。4.4. 貝茲極限貝茲極限 引入軸向干擾因子進一步討論。 令： V = V1( 1- a ) = V1 U 則有：V2 =V1 ( 1- 2a ) 其中： a軸向干擾因子，又稱入流因子。 U=V1a軸向誘導速度。 討論： 當a1/2時，V20，因此a1/2。 又V 0 ，有1a0。 a的范圍： a 0 由于葉輪吸收的功

9、率為 P= P= 1/2 SV (V21_ V22) = 2 S V13a( 1- a )2 令dP/da=0，可得吸收功率最大時的入流因子。 解得：a=1和a=1/3。取a=1/3，得 Pmax =16/27 (1/2 SV13 ) 注意到1/2 SV13 是遠前方單位時間內氣流的動能功率，并定義風能利用系數Cp為： Cp=P/(1/2 SV13 ) 于是最大風能利用系數Cpmax為： Cpmax=Pmax/(1/2 SV13 )=16/27 0.593 此乃貝茲極限。此乃貝茲極限。三、三、 葉素理論葉素理論1、基本思想、基本思想 將葉片沿展向分成若干微段葉片元素葉素； 視葉素為二元翼型，即

10、不考慮展向的變化； 作用在每個葉素上的力互不干擾； 將作用在葉素上的氣動力元沿展向積分，求得作用在葉輪上的氣動扭矩與軸向推力。2、葉素模型、葉素模型 端面： 槳葉的徑向距離r處取微段，展向長度dr。 在旋轉平面內的線速度：U=r。翼型剖面： 弦長 C，安裝角 。 設V為來流的風速，由于有線速度U，氣流相對于槳葉的速度應是兩者的合成，記為W。 W V U dF dR dL旋轉平面定義W與葉輪旋轉平面的夾角為入流角，記為 ，則有葉片翼型的攻角為： = - 。3、葉素上的受力分析葉素上的受力分析 在W的作用下，葉素受到一個氣動合力元dR，可分解為平行于W的阻力元dD和垂直于W的升力元dL。 另一方面

11、，dR還可分解為推力元dF和扭矩元dT，由幾何關系可得： dFdLcos + dDsin dTr(dLsin - dD cos ) 由于可利用阻力系數CD和升力系數Cl 分別求得dD和dL: dL = 1/2 CLW 2C dr dD = 1/2 CD W 2C dr 故dF和dT可求。 將葉素上的力元沿展向積分，得： 作用在葉輪上的推力：F= dF 作用在葉輪上的扭矩：T= dT 葉輪的輸出功率：P= dT= T第三章第三章 機組機械零部件機組機械零部件主要機械零部件： 葉輪：葉片、輪轂及其聯(lián)接。 變槳距機構：原動裝置、傳動部件、執(zhí)行部件等。 傳動系：主軸、主軸軸承、齒輪箱、機械剎車、聯(lián)軸器

12、、發(fā)電機等。 偏航系統(tǒng)：偏航軸承、偏航齒輪、偏航電機及減速器及其控制子系統(tǒng) 其它機件：機艙、塔架、提升裝置3.1 葉輪葉輪 一臺設計良好的風力機必須具有良好的空氣動力性能。 風力機的空氣動能主要表現為葉輪的空氣動力性能。 葉輪的空氣動力性能主要取決于它的氣動設計。 氣動設計時，必須先確定總體參數。這也是進行方案設計所必需的。一、葉輪的主要參數一、葉輪的主要參數1、尖速比、尖速比 葉輪的葉尖線速度與額定風速之比。是一個重要設計參數。與葉片數及實度有關。 用于風力發(fā)電的高速 Cp 風力機，常取較大的 0.5 尖速比。尖速比在5- 0.4 15 時，具有較高的 0.3 風能利用系數。通常 0.2 可

13、取 6-8 。 0.1 3 6 9 12 2、葉片數、葉片數 取決于葉輪的尖速比 ，具體對應關系如下表 ： 由于葉片數少的風力機在高尖速比運行的具有較高的風能利用系數，適合于發(fā)電。 三葉片的風力機運行和功率輸出較平穩(wěn)，兩葉片的可降低成本。3、風輪直徑風輪直徑 D 風輪直徑D 主要取決于兩個因素： 風力機輸出功率P 額定風速V r 計算公式的推導： 葉輪輸出功率：P1=1/2 Cp SVr3 =P/( 1 2) 于是 ： P =1/2 Cp Vr3 1 2 D 2 /4 直徑D 的簡化計算公式： D 2 =8P/( Cp 1 2 Vr3) 5P/ Vr3其中，取 Cp 0.45， 1.25， 1

14、 2 0.94、實度、實度 定義： 葉輪的葉片面積之和與風輪掃面積之比。它是和尖速比密切相關的一個重要參數。 取值： 對于風力發(fā)電機而言，由于尖速比較高，要求有較高的轉速，起動風速高，因此，可取較小的實度。通常大致在520%之間。示意圖。 作用： 決定葉輪的力矩特性，尤其是起動力矩； 決定葉輪的重量與材料成本5、其它參數、其它參數1、葉輪中心離地面高度、葉輪中心離地面高度H 取決于安裝地點（山谷、丘陵等），垂直風梯度，安裝條件，單機容量等因素。2、葉輪錐角、葉輪錐角 葉片和旋轉平面的夾角。 減少氣動力引起的葉根彎曲應力（對下風式風力機）； 防止葉片梢部與塔架碰撞（對上風式）。3、葉輪傾角、葉輪

15、傾角 葉輪轉軸與水平面的夾角。 減少葉片梢部與塔架碰撞的機會。二、葉片二、葉片 一個葉片大致分成四部分：葉根、厚翼型段、正常翼型段、葉尖段。 大型風力機幾乎都采用強化玻璃鋼（GRP）制成的。 葉片的外表面光滑且從葉根到葉尖呈扭曲狀。 葉片的中間結構需要考慮葉片的強度、剛度、慣性、重量等因素。1、葉片的載荷、葉片的載荷 對葉片運行載荷分析與計算，不僅是葉片的結構設計所必須的，而且更為重要的是分析整個風力機各部件受載的基礎。 風力機在運行情況下，作用在其上的載荷就比較復雜，主要有氣動載荷，重力和慣性載荷。它們都隨時間而變化，特別是氣動載荷受陣風和風向變化的影響是隨機的，要準確計算是困難的。 作用在

16、葉片上的力作用在葉片上的力 簡化為三種力：空氣動力、離心力和重力。 各作用力的影響各作用力的影響2、葉片的附加載荷、葉片的附加載荷 陣風期間，風速在一秒內可變化1520m/s甚至更多，風向在一秒內可改變幾十度。此時，葉片處在不利的攻角下，導致所受彎矩的增加陣風效應。 -U W V13、錐角效應 對下風式風力機，葉片與轉軸的夾角小于90度，將使正常運行時葉片受到的彎曲應力大大減小，甚至可為零錐角效應錐角效應。 對于上風式風力機，要注意負錐角效應錐角效應4、陀螺效應、陀螺效應 葉輪偏航時，槳葉除受到氣動力的作用外，還受有離心力和旋轉慣性力，在槳葉中產生附加力矩陀螺效應，附加力矩的大小為： M =

17、2 I 1三、輪轂三、輪轂 兩種形式的輪轂：球形和叉形。一般采用球墨鑄鐵鑄造而成 輪轂是機組中受力最復雜的零件之一，因此需要進行詳細的結構設計與疲勞強度分析。 輪轂與葉片之間的聯(lián)接有：固定式、鉸鏈式、蹺蹺板式等形式。第四章第四章 機組電氣系統(tǒng)機組電氣系統(tǒng) 發(fā)電機 并網運行 控制系統(tǒng) 基本運行過程4.1 發(fā)電機發(fā)電機一、常用的發(fā)電機種類一、常用的發(fā)電機種類 1、同步發(fā)電機、同步發(fā)電機 基本構成 定子 定子鐵心 定子繞組（定子線圈） 轉子 轉子鐵心（磁極） 勵磁繞組（轉子繞組）發(fā)電原理 勵磁繞組中通過直流電后，轉子磁極磁化，產生磁場； 原動機帶動轉子轉動，轉子磁場同時轉動，與定子繞組相對運動，使其

18、感應出交流電動勢發(fā)電機發(fā)出交流電 。 該交流電的頻率取決于轉子極對數 p及轉子的轉速n： f=pn/60(Hz)，當n改變時，f也改變。 定子繞組中感應出的電動勢，在外電路接通后產生交流電流。該電流也要在電機中產生旋轉磁場，其轉速稱為同步轉速同步轉速 ，它由交流電頻率f 和定子繞組旋轉磁場的極對數p1決定 ： n1 =60 f / p1 （r/min） 由于在這種發(fā)電機中，使得p1 = p，則n1 = n。故稱為同步發(fā)電機。同步發(fā)電機。2、異步發(fā)電機、異步發(fā)電機基本構造與同步發(fā)電機相似。異步電動機異步電動機工作原理工作原理 定子繞組接到交流電源上，定子在電機中產生旋轉交變磁場 ，轉速為同步轉速

19、n1, n1= 60f/p1。 旋轉磁場在轉子繞組中產生感應電流，使轉子繞組成為載流導體。它在旋轉磁場中又受到電磁力的作用，于是就按照旋轉磁場的方向轉動起來。 由于轉子導體中的電流是靠電磁感應產生的，故又稱為感應（式）電動機。 由于轉子繞組中的感應電流產生于轉子相對于磁場的運動，而該感應電流又產生轉子轉動的電磁力。因此，轉子轉速n不能等于同步轉速n1異步電動機?；盥?定義： n1 - n為轉速差（滑差）轉速差（滑差）； s = (n1 - n)/ n1 100%為滑差率滑差率 異步電動機的滑差率一般為1.56%。 用作發(fā)電機時，必須使轉子轉速n大于同步轉速n1 ，此時，s小于0。二、雙速發(fā)電

20、機二、雙速發(fā)電機1、問題： 定槳距機組在低風速運行時的效率較低 由于轉速恒定，而風速變化（如運行風速范圍為325m/s）； 如果設計低風速時效率過高，葉片會過早失速。 發(fā)電機本身在低負荷時的效率問題 當P30%的額定功率時，效率90%； 但P3m/s，但不足以將機組拖動到切入轉速時的自由轉動狀態(tài)。 發(fā)電機未并入電網，但機組已處于工作狀態(tài)，控制系統(tǒng)已經做好切入電網的一切準備： 機械剎車松開； 葉尖阻尼板收回； 葉輪處于迎風位置； 液壓系統(tǒng)的壓力保持在設定值上； 風況、電網和機組的所有狀態(tài)參數均在控制系統(tǒng)檢測之中，一旦風速增大，轉速升高，發(fā)電機即可并網。二、機組的自起動二、機組的自起動 早期的定槳

21、距機組的利用發(fā)電機起動Motor star。 由于葉片氣動性能的改進，葉輪在自然風速的作用下，不依靠其它外力的協(xié)助，將發(fā)電機拖動到額定轉速自起動。 現在絕大多數定槳距機組均有良好的自起動性，一般在4m/s的風速條件下，即可自起動到發(fā)電機的額定轉速。三、葉輪對風三、葉輪對風 當風速傳感器測得10min平均風速3m/s時，控制器允許葉輪對風。 偏航角度通過風向儀測定。同時延遲10s執(zhí)行偏航，以免在風向擾動情況下的頻繁動作。 釋放偏航剎車1s后，偏航電機根據指令執(zhí)行偏航；偏航停止時，偏航剎車投入。四、制動解除四、制動解除 當自起動條件滿足時，控制葉尖擾流器的電磁閥打開，壓力油進入葉片液壓缸，擾流器被

22、收回與葉片主體合為一體。 控制器收到反饋信號后，控制盤式制動器（機械剎車）松開。第五章第五章 風資源概述風資源概述 風的一般知識風的一般知識 風的形成 風向與風速 風的統(tǒng)計學風的統(tǒng)計學 風向頻率 風速頻率 風的能量風的能量5.1 風的一般知識風的一般知識一、風的形成一、風的形成 地球表面上，受太陽加熱的空氣較輕，上升到高空；冷卻的空氣較重，傾向于去補充上升的空氣。這就導致了空氣的空氣的 流動流動風風。 全球性氣流、海風與陸風、山谷風的形成大致都如此。 風能風能是太陽能太陽能的一種表現形式。局部加熱與冷卻形成風二、風向與風速二、風向與風速風向風向：風向來風的方向來風的方向。通常說的西西北風北風、

23、南風南風等即表明的就是風向。陸地上的風向一般用16個方位觀測。即以正北為零度，順時針每轉過22.5為一個方位。風向的方位圖圖示如下。 N NNW NNE NW NE WNW ENE W E WSW ESE SW SE SSW SSE S 風速：風速：風速空氣流動的速度。 用空氣在單位時間內流經的距離表示 ； 單位：m/s或km/h； 是表示風能的一個重要物理量； 風速和風向都是不斷變化的。瞬時風速任意時刻風的速度。 具有隨機性因而不可控制。 測量時選用極短的采樣間隔，如1s。平均風速某一時間段內各瞬時風速的平均值。如日平均風速、月平均風速等。1、風速的周期性變化風速的日變化： 一天之中，風速的

24、大小是不同的。 地面（或海拔較低處）一般是白天風速高，夜間風速較低。 高空（或海拔較高處）則相反，夜間風強，白天風弱。 其逆轉的臨界高度約為100150m。風速的季節(jié)變化： 一年之中，風的速度也有變化。 在我國，大部分地區(qū)風的季節(jié)性變化規(guī)律是：春季最強，冬季次之，夏季最弱。2 2、影響風速的主要因素、影響風速的主要因素 垂直高度垂直高度： 由于風與地表面摩擦的結果，越往高處風速越高。定量關系常用實驗式表示： V(z)=Vr(z/zr) V 高度z處的風速。 Vr參考高度zr處的風速，測得。 地表摩擦系數，或地表面粗糙度。 取值范圍：0.1（光滑）0.4（粗糙）。 地形地貌地形地貌不同地形與平坦地面的風速比值 不同地形 平坦地面的平均風速（35 m/s） 山澗盆地 0.950.85 山背風坡 0.90.8 山迎風坡 1.101.20 峽谷口或山口 1.301.40 地理位置地理位置 海面上的風比海岸大，沿海的風比內陸大得多。 障礙物障礙物 風流經障礙物后，將產生不規(guī)則的渦流，使風速降低。但隨著遠離物體，這種渦流逐漸消失。當距離大于10倍物體高度時，渦流可完全消失。 啟示：在障礙物附近設置風力機或多排設置風力機時的位置。5.2 風的統(tǒng)計理論風的統(tǒng)計理論一、風向頻率一、風向頻率 任意點處的風向時刻都在改變。但在一定時間內（