可再生能源發(fā)電技術(shù)課后習(xí)題

1、第2章風(fēng)力發(fā)電課后習(xí)題2-1簡述風(fēng)的形成原因和不同級別風(fēng)的特點(diǎn)。答：風(fēng)是空氣流動的結(jié)果。地球表面被厚厚一層稱為大氣層的空氣所包圍，由于密度不同或氣壓不同造成空氣對流運(yùn)動，水平運(yùn)動的空氣就是風(fēng)，空氣流動形成的動能稱為風(fēng)能?？諝饬鲃又饕艿酱髿猸h(huán)流、季風(fēng)環(huán)流和局部環(huán)流的共同影響。不同風(fēng)力等級的特點(diǎn)見P19頁的蒲福風(fēng)力等級。2-2常用的描述風(fēng)能的參數(shù)有哪些？答：風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)頻、風(fēng)能以及風(fēng)能的利用系數(shù)等等。風(fēng)速：風(fēng)強(qiáng)度的表示方法。指單位時間內(nèi)風(fēng)的水平移動距離，從時間上看有瞬時風(fēng)速和平均風(fēng)速，用風(fēng)速儀測量。風(fēng)向：風(fēng)吹來的方向，一般用風(fēng)向儀來測風(fēng)向。風(fēng)頻：風(fēng)向出現(xiàn)的頻率。風(fēng)能：指風(fēng)所具有的能量、動能，常

2、用風(fēng)壓風(fēng)功率等來表示。風(fēng)能利用系數(shù)：表示風(fēng)力機(jī)所捕獲的功率與風(fēng)功率之比，計算公式為cp=p/pair,它是一個小于1的系數(shù)。2-3試計算表2-2所列不同風(fēng)速及面積上的風(fēng)功率，以kW表示。P=1.0kg/m3。風(fēng)功率P，2Av3，2p兀r2v3,已知：半徑r、P速度v表2-2直徑m風(fēng)速m/sX功率kW5105010051.234.91122.72490.871533.13132.543313.41325425153.4613.5915340613592-4以10m高度為基準(zhǔn)，試分別計算20m和50m高度的風(fēng)速增長系數(shù)，在指數(shù)公式中取a=0.14。答：風(fēng)速隨高度變化的經(jīng)驗公式很多，通常采用以下指數(shù)

3、公式，v=v0（h/hO），教材P21式（2-4）。V為高度h處的風(fēng)速，單位為m/s；v0為高度h0處的風(fēng)速，單位為m/s,般取10m；a為經(jīng)驗指數(shù)，本題中取a=0.14，（在開闊、平坦、穩(wěn)定度正常的地區(qū)）。風(fēng)速增長系數(shù)為（h/h。）520m高度的風(fēng)速增長速度為（20/10）人0.14=1.10250m高度的風(fēng)速增長速度為（50/10）人0.14=1.2532-5設(shè)風(fēng)分別以5m/s和15m/s各吹1h（1小時），取空氣密度P=1.0kg/m3。試計算：（1）2h（2小時）內(nèi)的平均風(fēng)速是多少？平均風(fēng)功率密度是多少？答：平均風(fēng)速為：V=vl+v2=(5+15)/2=10m/s2平均風(fēng)功率密度為：P

4、=pvi+pv2=1(1X53+1X153)=875w2(2h)2X2或表示為：其中n為風(fēng)吹的時間，平均風(fēng)功率密度P=1P3=1(1X53+1X153)=875w2ni=1i2X22-6根據(jù)圖2-66所示，設(shè)風(fēng)速為20m/s,試計算下列條件下風(fēng)力機(jī)的功率:E轉(zhuǎn)速/V/nninJ風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速為160r/min(曲線A)；風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在最大風(fēng)能利用系數(shù)曲線上(曲線B)；風(fēng)力機(jī)運(yùn)行于600Nm的恒轉(zhuǎn)矩曲線上(曲線C)；設(shè)風(fēng)力機(jī)的額定風(fēng)速未12.5m/s(圖中曲線A、B、C的交點(diǎn))，試問該風(fēng)力機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩、額定功率和額定轉(zhuǎn)速各是多少？答：首先求(1)(2)(3)問題的風(fēng)力機(jī)功率，然后求(4)問題(額定工況

5、點(diǎn))的轉(zhuǎn)矩、功率、轉(zhuǎn)速，稱為額定轉(zhuǎn)矩、額定功率、額定轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速與角速度關(guān)系2兀n，(n的單位r/min,除以60為每秒單位)，有Q=2nn/60,功率P，TQ，2Tn/60風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速為160r/min(曲線A),點(diǎn)(1)由圖中插值：風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速約為160r/min,轉(zhuǎn)矩約為1500Nm,功率：P，TQ，2Tn/60=2X3.1416X1500X160/60=25133w風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在最大風(fēng)能利用系數(shù)(曲線B),點(diǎn)(2)由圖中插值：風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速約為240r/min時，轉(zhuǎn)矩約為1400Nm,功率：P，TQ，2Tn/60=2X3.1416X1400X240/60=35186w風(fēng)力機(jī)運(yùn)行于600Nm的恒轉(zhuǎn)矩

6、曲線上(曲線C),點(diǎn)(3)由圖中插值：風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速約為375r/min時，轉(zhuǎn)矩約為600Nm,功率：P，TQ，2Tn/60=2X3.1416X600X375/60=23562w(4)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行于額定工況點(diǎn)(4),由圖中插值：額定轉(zhuǎn)矩為600Nm,額定轉(zhuǎn)速為160r/min，額定功率由下式求得：P，TQ，2Tn/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(fēng)力發(fā)電中關(guān)于風(fēng)能利用效率的一條基本的理論。貝茲理論：理想情況下風(fēng)能所能轉(zhuǎn)換成電能的極限比值為16/27約為59.3%。它由德國物理學(xué)家AlbertBetz于1919年提出。2-8什

7、么是風(fēng)力機(jī)的失速？答：對于定速定槳距風(fēng)力機(jī)，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(fēng)速時產(chǎn)生失速來限制風(fēng)力機(jī)功率。當(dāng)風(fēng)速增大時，槳距角B不變，攻角a增大。一旦攻角大于臨界值，則葉片上側(cè)氣流分離，形成阻力，對應(yīng)的阻力系數(shù)CD增大，而升力系數(shù)CL有所減小。升力Fl和阻力FD的改變，導(dǎo)致作用在葉片上的軸向推力Ft增加，切向旋轉(zhuǎn)力Fr略有減小，結(jié)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(shù)CL、阻力系數(shù)CD突然下降，失速時，升阻比CL/CD突然下降。）2-9風(fēng)力機(jī)分別運(yùn)行在恒葉尖速比和恒轉(zhuǎn)速，試說明其性能有何不同？答：葉尖速比入=RQ

8、/U,式中Q為角速度、u為風(fēng)速、R為風(fēng)機(jī)半徑。風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在恒葉尖速比時，即入恒為常數(shù)，當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)速變化的時候，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速需隨之變化，保證兩者比值恒定，一般適用于風(fēng)速小于額定風(fēng)速的時候。風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在恒轉(zhuǎn)速時，不管風(fēng)速怎么變化，在到達(dá)額定功率以前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速要保持恒定。風(fēng)速大于額定風(fēng)速時，通過主動失速或者變槳距調(diào)節(jié)，限制風(fēng)輪從風(fēng)中吸收風(fēng)能，而使發(fā)電機(jī)保持恒定的輸出功率。2-10設(shè)風(fēng)力機(jī)的葉尖速比入=7時有最大風(fēng)能利用系數(shù)Cp,試計算直徑分別為5m、10m、pmax50m和100m的風(fēng)力機(jī)在風(fēng)速為10m/s、20m/s和25m/s時的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速應(yīng)為多少？答：葉尖速比入=RQ/u，Q，2n，故轉(zhuǎn)子

9、轉(zhuǎn)速為n=入/2Rn。注意這里R為半徑。風(fēng)速轉(zhuǎn)速5m10m50m100m10m/s4.462.220.440.2220m/s8.924.460.900.4425m/s11.145.581.120.562-11設(shè)某風(fēng)力機(jī)具有以下參數(shù)：額定功率為1000KW，額定風(fēng)速為13m/s，塔高為60m，輪轂半徑為1.5m，轉(zhuǎn)子半徑為30m，葉尖速比入=6.3。試計算：（1）在額定風(fēng)速下葉尖和葉根的運(yùn)動速度分別是多少？（2）額定轉(zhuǎn)矩是多少？答：（1）由心RQ/V,得到旋轉(zhuǎn)角速度Q=AV/R=2.73,則葉尖運(yùn)動速度為QR=81.9m/s，葉根運(yùn)動速度為QR=2.73*1.5=4.1m/s。(2)由P=TQ,

10、得到額定轉(zhuǎn)矩T=P/Q=366300Nm。12-12根據(jù)功率調(diào)節(jié)方式不同，風(fēng)力機(jī)有哪幾種主要類別？主動失速型風(fēng)力機(jī)與變漿風(fēng)力機(jī)有何異同？（P30-31）答：風(fēng)力機(jī)有三種調(diào)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(fēng)速增大攻角a增大，葉片上側(cè)氣流分離，阻力系數(shù)增大，軸向推力Ft增大，切向旋轉(zhuǎn)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(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速及以上時，通過人為地減小槳距角B,攻角a快速增加，使風(fēng)力機(jī)加深失速，達(dá)到快速調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)功率的目的。優(yōu)點(diǎn)是：功率調(diào)節(jié)性能好，控制簡單（相對于后面的變槳距控制）；缺點(diǎn)是：作用在轉(zhuǎn)子水平面上的軸向推力ft增大，風(fēng)力機(jī)氣

11、動載荷加重。變槳距：當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速后，可通過變槳距機(jī)構(gòu)使葉片繞其軸線旋轉(zhuǎn)，增大葉素弦線與旋轉(zhuǎn)平面的夾角也就是槳距角B,減小攻角a,使風(fēng)力機(jī)功率不變，此時升力系數(shù)減小，而阻力系數(shù)仍然維持在較小數(shù)值。因此可以認(rèn)為，控制器通過調(diào)節(jié)升力FT，使旋轉(zhuǎn)切向力FR維持不變，從而保持了風(fēng)力機(jī)的功率不變。并由圖2-22，作用在轉(zhuǎn)子平面上的軸向推力FT減小。因此，變槳控制不僅可控制風(fēng)力機(jī)的功率恒定，而且可減小風(fēng)力機(jī)的氣動載荷。優(yōu)點(diǎn)：功率調(diào)節(jié)性能好，氣動載荷??；缺點(diǎn)：需要復(fù)雜的控制機(jī)構(gòu)，增加了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的復(fù)雜性。兩者的差異：調(diào)節(jié)方向不同；調(diào)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

12、50Hz的4極（2對）籠型異步電機(jī)，其運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍是多少？而對于雙饋異步電機(jī)，則其運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍又是多少？為什么會不同？答:鼠籠異步發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場取轉(zhuǎn)差率最大為5%，n1=60f1/p=50X60/2=1500（P33式2-18及2-19）n1n=5%,n1sni化簡得：nn=，sn1nn1，得到n1sn=1500in=n1得到最大的n=15755%x1500最小n=142511雙饋異步發(fā)電機(jī):n1=60f1/p=50X60/2=1500轉(zhuǎn)差率最大為30%雙饋異步發(fā)電機(jī)s二1500-n=30%nn1，得到n1sn=nn，化簡得：nn=，snsn=1500in=n1得到最大的n=195030%x1

13、500最小n=10501500（P37最大轉(zhuǎn)差率約為0.3）2-14什么叫風(fēng)力發(fā)電機(jī)變速恒頻運(yùn)行？那些發(fā)電機(jī)屬于變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)？答：風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行時，由于風(fēng)速的變化是隨機(jī)的，因此要求發(fā)電機(jī)在風(fēng)速變化時，保持恒定的輸出頻率。雙饋異步發(fā)電機(jī)、低速永磁同步發(fā)電機(jī)、無刷雙饋發(fā)電機(jī)都屬于變速恒頻的發(fā)電機(jī)。2-15試比較雙饋異步發(fā)電機(jī)和永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)各有什么特點(diǎn)？答：雙饋異步發(fā)電機(jī)：能連續(xù)變速運(yùn)行；功率變換器容量較小，成本低；輸出功率平滑，功率因數(shù)較高，電能質(zhì)量較好，并網(wǎng)簡單，無沖擊電流；有電刷與集電環(huán)，存在機(jī)械磨損，可靠性較低；轉(zhuǎn)子繞組中的功率雙向流動，功率變換器結(jié)構(gòu)及控制較為復(fù)雜；需要齒輪箱增

14、速，可靠性較低。永磁同步發(fā)電機(jī)：沒有增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(jī)與電網(wǎng)完全解耦；外形呈扁平的盤形；采用分?jǐn)?shù)槽繞組；體積大。2-16變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組什么優(yōu)點(diǎn)？什么是變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的最大功率點(diǎn)跟蹤控制？答：優(yōu)點(diǎn)：變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠根據(jù)風(fēng)速的變化，在低風(fēng)速時，保持最佳葉尖速比，實現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤；當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時，利用變槳技術(shù)可將輸出功率穩(wěn)定地控制在額定功率。最大功率點(diǎn)跟蹤：就是在風(fēng)速小于額定風(fēng)速時，采用適當(dāng)?shù)目刂品椒?，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)保持有最佳的葉尖速比，有最大的風(fēng)能利用系數(shù)。2-17根據(jù)風(fēng)速不同，變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有哪幾個運(yùn)行區(qū)間？最大功率跟蹤控制適用于哪個區(qū)間？答：啟

15、動狀態(tài)：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速從靜止上升到切入風(fēng)速。此時，發(fā)電機(jī)沒有工作，不需要控制Cp恒定區(qū)：也稱變速運(yùn)行區(qū)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組切入電網(wǎng)后運(yùn)行在額定風(fēng)速以下的區(qū)域。在此區(qū)間，隨著風(fēng)速的變化，調(diào)整風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，使葉尖速比保持最佳值，對應(yīng)的風(fēng)能利用系數(shù)等于最大值。此區(qū)間適合用最大功率點(diǎn)跟蹤控制。轉(zhuǎn)速恒定區(qū)：由于受到旋轉(zhuǎn)部件機(jī)械強(qiáng)度的限制，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速有一個極限，在達(dá)到額定功率以前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速保持恒定。功率恒定區(qū)：風(fēng)速高于額定風(fēng)速時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組受到機(jī)械和電氣極限的制約，轉(zhuǎn)速和功率維持在額定值，因此，該狀態(tài)運(yùn)行區(qū)域稱為功率恒定區(qū)。切出區(qū)：當(dāng)風(fēng)速大于切出風(fēng)速時，為保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全，需對機(jī)組進(jìn)行制動減

16、速，直至切出。2-18當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時，如何控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率？此時風(fēng)能利用系數(shù)Cp隨著風(fēng)速的增大如何變化。答：風(fēng)速大于額定風(fēng)速時，可通過增大槳距角使Cp減小，降低轉(zhuǎn)速，使葉尖速比減小，達(dá)到降低Cp的目的。此時Cp隨著風(fēng)速的增大而減小。2-19什么是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的偏航？偏航系統(tǒng)主要有哪些類型？答：風(fēng)速的大小和風(fēng)的方向隨著時間不斷變化，為保證風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定工作，必須有一種裝置使風(fēng)力機(jī)隨風(fēng)向變化自動繞塔架中心線旋轉(zhuǎn)，保持風(fēng)力機(jī)與風(fēng)向始終垂直，這樁裝置叫做偏航系統(tǒng)，也叫迎風(fēng)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(fēng)力機(jī)一般采用被動偏航系統(tǒng)，安裝尾舵自然對風(fēng)。大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般采用液壓

17、伺服機(jī)構(gòu)或者齒輪構(gòu)成的電機(jī)伺服機(jī)構(gòu)來時風(fēng)力機(jī)對風(fēng)。2-20什么是同步變漿？什么是獨(dú)立變漿？各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？答：同步變槳：在大型風(fēng)力機(jī)中，一個風(fēng)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(dú)立變槳：在傳統(tǒng)的同步變槳距的基礎(chǔ)上，給每個葉片疊加一個獨(dú)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(xué)特性，以補(bǔ)償風(fēng)的不均勻性引起的俯仰載荷和偏航載荷等。2-21風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量為什么越來越大？答：風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量越來越大的原因：增加風(fēng)力機(jī)組發(fā)電量，減少對常規(guī)能源的依賴；降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的成本。2-22與路上風(fēng)電相比，海上風(fēng)電有什么優(yōu)缺點(diǎn)？

18、答：海上有豐富的風(fēng)能資源和廣闊平坦的區(qū)域，風(fēng)速大且穩(wěn)定，利用小時數(shù)較大。同容量裝機(jī)，海上比路上成本增加60%，電量增加50%以上。2-23什么是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越？我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越的要求是什么？答：低電壓穿越：指由于電網(wǎng)故障或擾動引起風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)的電壓跌落時，在一定電壓跌落的范圍內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠不間斷并網(wǎng)運(yùn)行，并向電網(wǎng)提供一定無功功率，支持電網(wǎng)電壓恢復(fù)，直到電網(wǎng)恢復(fù)正常，從而“穿越”這個低電壓時間。我國的要求：1.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)具有在并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至20%額定電壓時能搞維持并網(wǎng)運(yùn)行625ms的低電壓穿越能力（P62）風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓在發(fā)生跌落后2s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)具有不間斷并網(wǎng)運(yùn)行的能力在電網(wǎng)故障期間沒有切出的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，在故障清除后其有功功率應(yīng)至少10%額定功率每秒的功率變化率恢復(fù)至故障前的狀態(tài)。2-24當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)店電壓跌落時，對雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將產(chǎn)生什么影響？在雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和低速永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，哪一個低