可再生能源發(fā)電技術課后習題

1、第2章風力發(fā)電課后習題2-1簡述風的形成原因和不同級別風的特點。答：風是空化流動的結果。地球表面被厚厚一層稱為大氣層的空氣所包闈，由于密度不同或氣壓不同造成空氣對流運動，水平運動的空氣就是風，空氣流動形成的動能稱為風能。空氣流動主要受到大氣環(huán)流、季風環(huán)流和局部環(huán)流的共同影響。不同風力等級的特點見P19頁的蒲福風力等級。2-2常用的描述風能的參數有哪些？答：風速、風向、風頻、風能以及風能的利用系數等等。風速：風強度的表示方法。指單位時間內風的水平移動距離，從時間上看有瞬時風速和平均風速，用風速儀測量。風向：風吹來的方向，一般用風向儀來測風向。風頻：風向出現(xiàn)的頻率。風能：指風所具有的能量、動能，常

2、用風壓風功率等來表示。風能利用系數：表示風力機所捕獲的功率與風功率之比，計算公式為Cp=P/P.它是一個小于1的系數。2-3試計算表2-2所列不同風速及面積上的風功率，以kW表示。p=1.0kg/m3.風功率Pngpmv3,已知：半徑、p、速度v表2-2直徑m風速kW5105010051.234.91122.72490.871533.13132.543313.41325425153.4613.5915340613592-4以10m高度為基準，試分別計算20m和50m高度的風速增長系數，在指數公式中取。=0.14.答：風速隨高度變化的經驗公式很多，通常采用以卜指數公式，v=v0（力0）人。），教

3、材P21式（2-4）。V為高度h處的風速，單位為m/s：v0為高度h0處的風速，單位為m/s,一般取10m：。為經驗指數，本題中取a=0.14,（在開闊、平坦、穩(wěn)定度正常的地區(qū)）。風速增長系數為（h/hO）M20m高度的風速增長速度；J（20/10）A0.14=1.10250m高度的風速增長速度為（50/10）A0.14=1.2532-5設風分別以5m/s和15m/s各吹lh（1小時），取空氣密度p=1.0kg/m試計算：（l）2h（2小時）內的平均風速是多少？（2）平均風功率密度是多少？答：平均風速為：V=（5+15）/2=10m/s2平均風功率密度為：,=呼:吃=與1X53+1X153）=

4、875w2（2h）2x2或表示為：其中n為風吹的時間，平均風功率密度證;%（1X53+1X153）=875w2-6根據圖2-66所示，設風速為2Om/s,試計算卜.列條件卜風力機的功率:（1）風力機轉速為160r/min（曲線A）；（2）風力機運行在最大風能利用系數曲線上（曲線B）；（3）風力機運行于600Nm的恒轉矩曲線上（曲線C）：（4）設風力機的額定風速未12.5m/s（圖中曲線A、B、C的交點），試問該風力機的額定轉矩、額定功率和額定轉速各是多少？答：首先求（1）（2）（3）問題的風力機功率，然后求（4）問題（額定工況點）的轉矩、功率、轉速，稱為額定轉矩、額定功率、額定轉速。轉速與角速

5、度關系。=2加1,（n的單位r/min,除以60為每秒單位），有。=2rrn/60,功率P=TQ=2#Tn/60（1）風力機轉速為160r/min（曲線A）,點（1）由圖中插值:風力機轉速約為160r/min,轉矩約為1500Nm,功率：P=TQ=2#Tn/60=2X3.1416X1500X160/60=25133w風力機運行在最大風能利用系數（曲線B）,點（2）由圖中插值：風力機轉速約為240r/min時，轉矩約為1400Nm,功率：P=TQ=2#Tn/60=2X3.1416X1400X240/60=35186w（3）風力機運行于600Nm的恒轉矩曲線上（曲線C）,點（3）由圖中插值:風力機

6、轉速約為375r/min時，轉矩約為600Nm,功率：P=TQ=2#Tn/60=2X3.1416X600X375/60=23562w（4）風力機運行于額定工況點（4）,由圖中插值：額定轉矩為600Nm,額定轉速為1601/miii,額定功率由下式求得：P=TQ=2#Tn/60=2X3.1416X600X160/60=10053w。2-7什么是貝茲極限？其值是多少？答：貝茲理論是風力發(fā)電中關于風能利用效率的一條基本的理論。貝茲理論：理想情況卜風能所能轉換成電能的極限比值為16/27約為59.3%。它由德國物理學家AlbertBetz于1919年提出。2-8什么是風力機的失速？答：對于定速定架距風

7、力機，槳葉的槳距角B是固定不變的。它利用葉片的氣動特性，使其在高風速時產生失速來限制風力機功率。當風速增大時，槳距角B不變，攻角。增大。一旦攻角大于臨界值，則葉片上側氣流分離，形成阻力，對應的阻力系數Cd增大.而升力系數Cl有所減小。升力Fl和阻力Fd的改變，導致作用在葉片上的軸向推力增加，切向旋轉力Fr略有減小，結果是氣動力矩和功率減小，稱之為失速。（P30、圖2-20）、或用（P27、圖2.15升力系數Cl、阻力系數Cd突然下降，失速時，升阻比CJCd突然下降。）2-9風力機分別運行在恒葉尖速比和恒轉速，試說明其性能有何不同?答：葉尖速比入=Rfl/v,式中。為角速度、為風速、R為風機半徑

8、。風力機運行在恒葉尖速比時，即入恒為常數，當風機風速變化的時候，風力機轉速需隨之變化，保證兩者比值恒定，一般適用于風速小于額定風速的時候。風力機運行在恒轉速時，不管風速怎么變化.在到達額定功率以前，風力發(fā)電機組的轉速要保持恒定。風速大于額定風速時，通過主動失速或者變槳距調節(jié)，限制風輪從風中吸收風能，而使發(fā)電機保持恒定的輸出功率。2-10設風力機的葉尖速比入=7時有最大風能利用系數，試計算直徑分別為5m、10m、50m和100m的風力機在風速為10m/s20m/s和25m/s時的轉子轉速應為多少？答：葉尖速比人=RO/v,C=2mi,故轉子轉速為n=Av/2Rtt,注意這里R為半徑。風逮專速5m

9、10m50m100m10m/s4.462.220.440.2220m/s8.924.460.900.4425m/s11.145.581.120.562-11設某風力機具有以卜.參數：額定功率為1000KW.額定風速為13m/s,塔高為60m,輪轂半徑為1.5m,轉子半徑為30m,葉尖速比入=6.3。試計算：（1）在額定風速下葉尖和葉根的運動速度分別是多少？（2）額定轉矩是多少？答:由入=RQ/V,得到旋轉角速度。=入V/R=2.73,則葉尖運動速度為QR=819m/s,葉根運動速度為QR=2.73*1.5=4.1m/s。（2）由P=TQ,得至IJ額定轉矩T二P/Q=366300Nm。2-12根

10、據功率調節(jié)方式不同，風力機有哪幾種主要類別？主動失速型風力機與變漿風力機有何異同？（P30-31）答：風力機有三種調節(jié)方式：失速、主動失速和變槳距控制。失速：槳距角B不變，風速增大攻角。增大，葉片上側氣流分離，阻力系數增大，軸向推力Ft增大，切向旋轉力Fr減小，氣動力矩減小和功率減小，稱之為失速控制。主動失速：就是在風速達到額定風速及以上時，通過人為地減小槳距角B,攻角?？焖僭黾樱癸L力機加深失速，達到快速調節(jié)風力機功率的目的。優(yōu)點是：功率調節(jié)性能好，控制簡單（相對于后面的變槳距控制）；缺點是：作用在轉子水平面上的軸向推力Ft增大，風力機氣動載荷加重。變槳距：當風速大于額定風速后，可通過變槳距

11、鞏構使葉片繞其軸線旋轉，增大葉索弦線與旋轉平面的夾角也就是槳距角B，減小攻角a,使風力機功率不變，此時升力系數減小，而阻力系數仍然維持在較小數值。因此可以認為，控制器通過調節(jié)升力FT，使旋轉切向力FR維持不變，從而保持了風力機的功率不變。并由圖2-22,作用在轉子平面上的軸向推力FT減小。因此，變槳控制不僅可控制風力機的功率恒定，而且可減小風力機的氣動載荷。優(yōu)點：功率調節(jié)性能好，氣動載荷小：缺點：需要狂雜的控制機構，增加了風力發(fā)電系統(tǒng)的更雜性。兩者的差異：調節(jié)方向不同；調節(jié)頻率不同；軸向推力變化規(guī)律不同。（P32的1）2）3）2-13頻率為50Hz的4極（2對）籠型異步電機，其運行轉速范圍是多

12、少？而對于雙饋異步電機，則其運行轉速范圍又是多少？為什么會不同？答:鼠籠異步發(fā)電機旋轉磁場：nl=60fl/p=50X60/2=1500（P33式2-18及2-19）取轉差率最大為5%,即|s|=5%,由忖=得到卜nj=R-n,化簡得：q_n=士卜nJn=n引sq|=1500引5%x1500(得到最大的n=1575最小n=1425雙饋異步發(fā)電機：nl=60fl/p=50X60/2=1500轉差率最大為30%雙饋異步發(fā)電機卜|=1500-11=30%1500（P37最大轉差率約為0.3）由忖=|n得到卜嗎|=|叫一臼，化簡得：叫一n=卜叫|n=嗎引sq|=1500引30%x15叫得到最大的n=1

13、95O最小n=lU502-14什么叫風力發(fā)電機變速恒頻運行？那些發(fā)電機屬于變速恒頻風力發(fā)電機？答：風力發(fā)電機運行時，由于風速的變化是隨機的，因此要求發(fā)電機在風速變化時，保持恒定的輸出頻率。雙饋異步發(fā)電機、低速永磁同步發(fā)電機、無刷雙饋發(fā)電機都屬于變速恒頻的發(fā)電機。2-15試比較雙饋異步發(fā)電機和永磁同步風力發(fā)電機各有什么特點？答：雙饋異步發(fā)電機：能連續(xù)變速運行：功率變換器容量較小，成本低；輸出功率平滑，功率因數較高，電能質量較好，并網簡單，無沖擊電流；有電刷與集電環(huán)，存在機械磨損，可靠性較低：轉子繞組中的功率雙向流動，功率變換器結構及控制較為復雜；需要齒輪箱增速，可靠性較低。永磁同步發(fā)電機：沒有增

14、速齒輪箱或者采用一級增速齒輪箱，提高了可靠性：發(fā)電機與電網完全解耦：外形呈扁平的盤形；采用分數槽繞組；體積大。2-16變速風力發(fā)電機組什么優(yōu)點？什么是變速風力發(fā)電機組的最大功率點跟蹤控制？答：優(yōu)點：變速風力發(fā)電機能夠根據風速的變化，在低風速時，保持最佳葉尖速比，實現(xiàn)最大功率點跟蹤；當風速大于額定風速時，利用變槳技術可將輸出功率穩(wěn)定地控制在額定功率。最大功率點跟蹤：就是在風速小于額定風速時，采用適當的控制方法，使風力發(fā)電機保持有最佳的葉尖速比，有最大的風能利用系數。2-17根據風速不同，變速風力發(fā)電機組有哪幾個運行區(qū)間？最大功率跟蹤控制適用于哪個區(qū)間？答：啟動狀態(tài)：發(fā)電機轉速從靜止上升到切入風速

15、。此時，發(fā)電機沒有工作，不需要控制Cp恒定區(qū)：也稱變速運行區(qū)。風力發(fā)電機組切入電網后運行在額定風速以卜的區(qū)域。在此區(qū)間，隨著風速的變化，調整風力機轉速，使葉尖速比保持最佳值，對應的風能利用系數等于最大值。此區(qū)間適合用最大功率點跟蹤控制。轉速恒定區(qū)：由于受到旋轉部件機械強度的限制，風力發(fā)電機組的轉速有一個極限，在達到額定功率以前，風力發(fā)電機組的轉速保持恒定。功率恒定區(qū)：風速高于額定風速時，風力發(fā)電機組受到機械和電氣極限的制約，轉速和功率維持在額定值，因此，該狀態(tài)運行區(qū)域稱為功率恒定區(qū)。切出區(qū)：當風速大于切出風速時，為保證風力發(fā)電機組的安全，需對機組進行制動減速，直至切出。2-18當風速大于額定風

16、速時，如何控制風力發(fā)電機組的功率？此時風能利用系數Cp隨著風速的增大如何變化。答：風速大于額定風速時，可通過增大槳距角使Cp減小，降低轉速，使葉尖速比減小，達到降低Cp的目的。此時Cp隨著風速的增大而減小。2-19什么是風力發(fā)電機的偏航？偏航系統(tǒng)主要有哪些類型？答：風速的大小和風的方向隨著時間不斷變化，為保證風力機穩(wěn)定工作，必須有一種裝置使風力機隨風向變化自動繞塔架中心線旋轉，保持風力機與風向始終垂直，這樁裝置叫做偏航系統(tǒng)，也叫迎風裝置偏航系統(tǒng)可以分為被動偏航系統(tǒng)和主動偏航系統(tǒng)。小型風力機一般采用被動偏航系統(tǒng),安裝尾舵自然對風。大型風力發(fā)電系統(tǒng)一般采用液壓伺服機構或者齒輪構成的電機伺服機構來時

17、風力機對風。2-20什么是同步變漿？什么是獨立變漿？各有什么優(yōu)缺點？答：同步變槳：在大型風力機中，一個風輪上的葉片的槳距角同步變化，即葉片的槳距角同時增大或同時減小。任何時候他們的槳距角都相同。獨立變槳：在傳統(tǒng)的同步變槳距的基礎上，給每個葉片總加一個獨立的漿距信號，使三個葉片具有不同的槳距角從而有不同的空氣動力學特性，以補償風的不均勻性引起的俯仰載荷和偏航載荷等。2-21風力發(fā)電機組的單機容量為什么越來越大？答：風力發(fā)電機裝機容量越來越大的原因：增加風力機組發(fā)電量，減少對常規(guī)能源的依賴；降低風力發(fā)電機組的成本。2-22與路上風電相比，海上風電有什么優(yōu)缺點？答：海上有豐富的風能資源和廣闊平坦的區(qū)

18、域，風速大且穩(wěn)定，利用小時數較大。同容量裝機，海上比路上成本增加60%,電量增加50%以上。2-23什么是風力發(fā)電機組的低電壓穿越？我國風力發(fā)電機組的低電壓穿越的要求是什么？答：低電壓穿越：指由于電網故障或擾動引起風電場并網點的電壓跌落時，在一定電壓跌落的范圍內，風力發(fā)電機組能夠不間斷并網運行，并向電網提供一定無功功率，支持電網電壓恢復，直到電網恢復正常，從而“穿越”這個低電壓時間。我國的要求：1.風力發(fā)電機組應具行在并網點電壓跌至20%額定電壓時能搞維持并網運行625ms的低電壓穿越能力（P62）2 .風電場并網點電壓在發(fā)生跌落后2s內能夠恢乂到額定電壓的90%時，風力發(fā)電機組應具有不間斷并網運行的能力3 .在電網故障期間沒有切出的風力發(fā)電機組，在故障清除后其有功功率應至少10%額定功率每秒的功率變化率恢復至故障前的狀態(tài)。2-24當風力發(fā)電機組的并網店電壓跌落時，對雙饋異步風力發(fā)電機組將產生什么影響？在雙饋異步風力發(fā)電機組和低速永磁風力發(fā)電機組中，哪一個低