风力发电基础知识

1、.风力发电基础知识风力发电基础知识.一一 、风力发电机组的分类、风力发电机组的分类二二 、风力发电机组的功能原理、风力发电机组的功能原理三三 、风力发电机组的理论基础、风力发电机组的理论基础四四 、风力发电机组的空气动力基础知识、风力发电机组的空气动力基础知识五、五、 风力发电机组设计风区分类风力发电机组设计风区分类课程目录课程目录.一一 、风力发电机组的分类、风力发电机组的分类风力发电系统的分类风力发电系统的分类风轮轴向风轮轴向垂直轴垂直轴水平轴水平轴.一一 、风力发电机组的分类、风力发电机组的分类风力发电系统的分类风力发电系统的分类叶片数量叶片数量.一一 、风力发电机组的分类、风力发电机组

2、的分类风力发电系统的分类按功率调节方式定桨距风机定桨距风机：桨叶于轮毂固定连接，桨叶的迎风角度不随风速而变化。依靠桨叶的气动特性自动失速，即当风速大于额定风速时依靠叶片的失速特性保持输入功率基本恒定。变桨距调节变桨距调节：风速低于额定风速时，保证叶片在最佳攻角状态，以获得最大风能；当风速超过额定风速后，变桨系统减小叶片攻角，保证输出功率在额定范围内。主动失速调节主动失速调节：风速低于额定风速时，控制系统根据风速分几级控制，控制精度低于变桨距控制；当风速超过额定风速后，变桨系统通过增加叶片攻角，使叶片“失速”，限制风轮吸收功率增加。.一一 、风力发电机组的分类、风力发电机组的分类风力发电系统的分

3、类按传动形式高传动比齿轮箱型高传动比齿轮箱型：风轮的转速较低，通常达不到发电机发电的要求，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。直接驱动型直接驱动型：应用多极同步风力发电机可以去掉风力发电系统中常见的齿轮箱，让风力发电机直接拖动发电机转子运转在低速状态，这就没有了齿轮箱所带来的噪声、故障率高和维护成本大等问题，提高了运行可靠性。中传动比齿轮箱（半直驱）型中传动比齿轮箱（半直驱）型：这种风机的工作原理是以上两种形式的综合。中传动比高传动风力机减少了传统齿轮箱的传动比，同时也相应地减少了多极同步风力发电机的极数，从而减小了发电机的体积。.一一 、风力发电机组的分类、风力发

4、电机组的分类风力发电系统的分类风力发电系统的分类按发电机形式（基本类型）按发电机形式（基本类型） (a) (a) 固定转速的异步发电机组固定转速的异步发电机组(c) (c) 永磁直驱同步发电机组永磁直驱同步发电机组(b) (b) 双馈异步发电机组双馈异步发电机组.二、风力发电机组的功能原理二、风力发电机组的功能原理风力发电机组风力发电机组变电站（升压站）变电站（升压站）变压器变压器110 - 220 kV10 35 kV 690 V风力发电机组的功能原理：风力发电机组的功能原理： 基本功能原理是风能转换成电能，这需要两个阶段来完成。风能机械能电能.二、风力发电机组的功能原理二、风力发电机组的功

5、能原理.二二 、风力发电机组的功能原理、风力发电机组的功能原理偏航系统发电机驱动链轮毂叶轮控制系统变电系统风力发电机组主要组成机舱罩.三三 、风力发电机组的理论基础、风力发电机组的理论基础vAdtdxAm2windmv21E.扫风面积：A三、风力发电机组的理论基础三、风力发电机组的理论基础.n假设: 空气流是均匀的，空气密度是常量n密度、速度和面积的乘积是不变的332211AvAvAv三、风力发电机组的理论基础三、风力发电机组的理论基础.n吸收功率 = 上风向能量 下风向能量n吸收的风能:n吸收功率:)vm(v21E2321ex)v(vm21E2321ex三、风力发电机组的理论基础三、风力发电

6、机组的理论基础.三、风力发电机组的理论基础三、风力发电机组的理论基础n吸收的风能vvvvAvE1321331ex112121风能 最大风能利用系数 cp当V1=3V3时，Cp达到最大值：Cp=1/2*(1+1/3)*(1-(1/3)2)=16/2759.3%P风电机组功率=(1/2) V3 A Cp .)vv)(vv(A21)vv(mT313131推力推力:推力推力T89.098cwithAv21cTT21TCT为推力系数,当V1=V3时,CT达到最大.三、风力发电机组的理论基础三、风力发电机组的理论基础.三、风力发电机组的理论基础三、风力发电机组的理论基础2/min;/ ;RnRVVnrRm

7、Vm s为了表示风轮运行速度的快慢，常用叶片的叶尖圆周速度与来流风速之比来描述，称为叶尖速比 式中风轮转速，叶尖的半径， 上游风速，风轮旋转角速度,rad/s。 叶尖速比叶尖速比.三、风力发电机组的理论基础三、风力发电机组的理论基础 风能利用系数和无因次数随叶尖速比变化的曲线风能利用系数和无因次数随叶尖速比变化的曲线构成风轮机空气动力特性曲线构成风轮机空气动力特性曲线2222ppVRMCSV RCMMSV R功率P可表示成风轮获得的总转矩M和风轮角速度的乘积 ，由 ，得并定义为无因次数，正比于转矩。3maxwwPk3max12woptpkS RC20wwTk.三、风力发电机组的理论基础三、风力

8、发电机组的理论基础.四四 、风力发电机组的空气动力基础知识、风力发电机组的空气动力基础知识1、桨叶的翼型、桨叶的翼型l0i功角升力角零升力角风向弦长vivAB攻角攻角：来流方向与弦线的夹角：来流方向与弦线的夹角零升力角零升力角：弦线与零升力线夹角：弦线与零升力线夹角升力角升力角：来流方向与零升力线夹角：来流方向与零升力线夹角2、桨叶上的气动力、桨叶上的气动力221SvCFr总的气动力总的气动力，S S 桨叶面积，桨叶面积，Cr Cr 总气动系数总气动系数C压力中心221SvCFll221SvCFdd升力升力，与气流方向垂直，与气流方向垂直，Cl Cl 升力系数升力系数阻力阻力，与气流方向平行，

9、与气流方向平行，Cd Cd 阻力阻力系数系数CdCd、Cl Cl 是由设计的叶片决定的固有参数，也是气动力计算的原始依据。是由设计的叶片决定的固有参数，也是气动力计算的原始依据。.四四 、风力发电机组的空气动力基础知识、风力发电机组的空气动力基础知识ilCdC升力和阻力的变化曲线升力和阻力的变化曲线-30o -20o -10o 0o 10o 20o 30o 40o0.80.60.40.2Mi-0.2minlC升力系数与阻力系数是随攻角变化的升力系数与阻力系数是随攻角变化的升力系数随攻角的增加而增加，使得升力系数随攻角的增加而增加，使得桨叶的升力增加，但当增加到某个角桨叶的升力增加，但当增加到某

10、个角度后升力开始下降；阻力系数开始上度后升力开始下降；阻力系数开始上升。出现最大升力的点叫失速点。升。出现最大升力的点叫失速点。截面形状（翼型弯度、翼型厚度、前截面形状（翼型弯度、翼型厚度、前缘位置）、表面粗糙度等都会影响升缘位置）、表面粗糙度等都会影响升力系数与阻力系数。力系数与阻力系数。对有限长桨叶，叶片两端会产生涡流，对有限长桨叶，叶片两端会产生涡流，造成阻力增加，造成阻力增加，.四四 、风力发电机组的空气动力基础知识、风力发电机组的空气动力基础知识i旋转桨叶的气动力（叶素分析）旋转桨叶的气动力（叶素分析）风向v- uw运动旋转方向安装角（桨距角、节距角）：回转平面与桨叶截面弦长的夹角I

11、倾斜角RnRu2相对速度dFdF气流气流W W产生的气动力产生的气动力dLdL气流升力气流升力dDdD气流阻力气流阻力dSwCdLl221dSwCdDd221I轴向推力轴向推力dFa=dLcosI+dDsinIdFa=dLcosI+dDsinII旋转力矩旋转力矩dT=r(dLsinI-dDcosI)dT=r(dLsinI-dDcosI)驱动功率驱动功率dPw=dPw=dTdT风输入的总气动功率风输入的总气动功率P=vP=vFaFa旋转轴得到的功率旋转轴得到的功率Pu=TPu=T风轮效率风轮效率=Pu/P=Pu/P.四四 、风力发电机组的空气动力基础知识、风力发电机组的空气动力基础知识低压高压W

12、ind speed失速极限151210864m/sec1800160014001200100080060040020000 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20功率 kW风速功率曲线一种自然现象. 当空气流速超过某一速度，在桨叶后缘形成漩涡。失速失速控制失速控制.四四 、风力发电机组的空气动力基础知识、风力发电机组的空气动力基础知识主动失速控制主动失速控制Wind speedStall limit151210864m/sec1800160014001200100080060040020000 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20功率 kW风速功率曲线通过变桨, 漩涡

13、在桨叶后缘形成. 这可以用于功率的控制.主动失速.四四 、风力发电机组的空气动力基础知识、风力发电机组的空气动力基础知识变桨控制变桨控制 风速151210864m/sec1800160014001200100080060040020000 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20功率 kW风速功率曲线通过变桨, 可以改变风与桨叶前缘的接触点.这可以用来控制功率.变桨控制.五、五、 风力发电机组设计风区分类风力发电机组设计风区分类IEC标准 Wind turbine Wind turbine class class I I II II III III S S Vref (m/s) 5042.537.5 Values specified by