风力发电原理和技术讲座.ppt

风力发电,一、概述,风能是由于大气的运动而形成的一种能源形式，其能量来自于大气所吸收的太阳能。太阳辐射到地球的能量中有大约20转变成为风能。,人类对于风能利用的利用历史久远，早在公元10世纪，波斯就出现了水平转动的风磨，即以风车为动力的磨坊。公元12世纪，欧洲开始应用风车来抽水、捻磨谷物，此后，风车一直是主要的动力机械之一。到19世纪中叶蒸汽机出现之后，风力发动机的应用才逐渐减少。我国开始利用风车作为动力大约在13世纪中叶。,现在所说的风能利用主要是指风力发电。采用风力涡轮机发电的设想始于1890年丹麦的一项风力发电计划，到1918年，丹麦已经投运了120台风力发电机。在20世纪5060年代，由于内燃机开始广泛应用，化石燃料成本低廉，而风力发电成本较高，与使用化石燃料发电相比不具有竞争力，使风力发电技术的发展近于停止。,到1973年石油危机之后，由于在西方国家出现化石燃料的短缺，开始了应用现代科学技术开发风能的时期。 能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。常规能源以煤、石油、天然气为主，它不仅资源有限，而且造成了严重的大气污染。因此，对可再生能源的开发利用，已受到世界各国的高度重视。,风力发电逐步走向规模化应用还是在进入20世纪90年代以后，风力发电的装机容量开始以每年平均20%以上的速度增长，已成为世界上各种能源中增长最快的一种。2008年全世界风力发电的装机容量为109GW（约10万MW，相当于100台1000MW火力发电机组）,风力发电快速增长的原因在于两个方面：一个是经济发展对电力需求的快速增长和可持续发展的要求；另一个则是风力发电技术的不断进步，风轮机的大型化、规模化和高效化促进了风电价格不断降低。在很多地方，风电的价格已经接近或低于核电的价格，表现出强劲的市场竞争力。,由于化石燃料的价格呈总体上升趋势，加之环保(除尘除汞、脱硫脱硝)和二氧化碳减排的需要，化石燃料发电的价格总体上是上涨的。因此，风力发电将成为21世纪重要的电源形式之一。,德国埃纳康（Enercon）公司的 E112型风力发电机最大输出功率达到6MW，该风力发电机全高186m，风轮直径为114m，风轮扫过面积为10207m2，启动风速为2.5ms，切出风速为2834ms，是目前世界上最大的风轮机，如图所示。,2006年10月，我国首台拥有自主知识产权的1.5MW风力发电机组在沈阳华创风能有限公司正式出厂。该机组的研制是国家“863计划重点开发扶持项目“兆瓦级变速恒频风电机组”的目标技术和产品，机组的成功下线对于我国实现大型风力发电机组的国产化具有重要意义。此次1.5MW变速恒频风电机组的研制成功填补了我国该项技术的空白。,沈阳工业大学风能技术研究所是该“863项目的主要承担人，项目研制的“兆瓦级变速恒频风电机组”及其SUT系列产品具有100自主知识产权，已经申请了多项发明专利。2006年10月下线的两台1.5MWSUT-1500型风电机组于2007年5月在内蒙古自治区正镶白旗明安图风电场并网试车成功，并投入自动运行。该SUT-1500型风电机组为三叶片、迎风式、双馈式变速变距功率调节方式，发电机采用绕线异步发电机，具有小风区风能捕获效率高、输出电能质量优良的优点。首批机组的整机国产化率在80以上。,风力发电的优缺点 1. 优点 风能是可再生能源形式，利用风力发电有利于可持续发展。,有利于环境保护。在目前的规模化发电方式中，如火电、核电和水电中，风力发电和水力发电类似，是最洁净、污染最少和对环境影响最小的、可再生的能源形式。燃煤电站会产生二氧化碳（CO2）、氮氧化物（NOX）、二氧化硫（SO2）等对环境有害的物质。利用石油或天然气发电虽然可以减少污染物的排放，但也总有温室气体排放等问题。核电是相对清洁的能源形式，在发电期间，污染排放要比火电少得多，但核废料及核设备报废后的处理目前还没伺十分可靠而妥善的处理方法。,随着风电技术的日趋成熟，风电的成本越来越低，可以和其他能源形式相竞争。目前来看，风力发电的规模效应比较明显，在风力发电机组单机容量lOOkW、200kW时。它在成本方面的优越性不突出，单机容量达450kW以上时就显示出来。国外风电电价已接近甚至低于常规电源。在我国，如果能够完成风电设备的国产化，降低投资，则我国风电电价有望更低。,2.风力发电的负面影响 间接的不可再生能源利用和污染物排放。风电本身是清洁能源，但风力发电机组的生产过程、风电场的建造和安装过程也会消耗常规能源，所消耗的常规能源所造成的污染物排放是风电的间接污染物排放。,风电可能对鸟类造成伤害。国外曾有将风电场建于鸟类迁徙途中，致使鸟类飞经该风电场时有很多被风轮机叶片击伤、击死的教训。 噪声问题，包括风轮机的机械噪声和空气动力学噪声。对于距离居民区较近的风电场，噪声问题往往是很突出的。对于海上风电场，就没有噪声问题的制约了。,对视觉景观的影响。很多地区的风电场不会对当地景观产生严重的负面影响，有的甚至作为观览项目之一。不过也有一些人觉得风电场对视觉景观造成负面影响而很难接受（法国人就是这样认为的）。 对无线电通信的干扰。 安全问题，如发生过叶片折断伤人或维修过程中伤人的事件。,二、风力发电,风力发电的两种方式 (1)离网型的小型分散风力发电装置。这种风力发电机组的功率较小，在几个千瓦的量级，风力发电机组对风速的适应范围广，对气候环境的适应能力强，维护维修简便，使用寿命长，生产技术成熟，适合于家庭和边远地区的小型用电负荷点。考虑到风能的不连续性和不稳定性，通常需要配备蓄电装置。美国、德国、瑞典和法国等国家都生产这种单用户小型风力发电装置，我国则是生产和使用小型风力发电机最多的国家。,(2)并网型大型风力发电装置。建设并网风电场是风力发电规模化利用的主要方式，风力发电机组的功率在100kW以上，目前主流产品的功率在5001500kW，并且在向大型化的方向继续发展，最大的已经达到6MW。丹麦、德国和法国是风力发电机组生产技术比较领先的国家。,2.风力发电装置 风力发电装置包括三个主要部分，即风力涡轮机(简称风轮机)、传动变速机构及发电机。其中，风轮机是风力发电装置的核心，式样很多，如图所示。 这些风轮机大体上可以分为两种类型：一种是桨叶绕水平轴转动的翼式风轮机，这种风轮机又可以分为双叶式、三叶式、多叶式，以及顺风式和迎风式等；另一种是桨叶绕垂直轴转动的风轮机，如S型叶片式、戴瑞斯(Darrieus)式等。,水平轴的翼式风力发电装置主要由以下几部分组成：叶轮、传动机构(变速箱)、停车制动器、发电机、机座、塔架、调速器或变速器、调向器等(如图所示)。,风轮机的气动原理 当风速的方向与风轮转轴相重合时，桨叶受力与气流速度如图所示。为了简便，图中叶片断面是一片薄板，而实际的叶片截面是翼型，但基本的速度分析和受力分析是一致的。薄板式的叶片在现代风能利用之前是普遍的形式。 图中，x方向为风轮机的轴向，也是空气来流方向；y向为叶轮的旋转平面，取半径为r处的桨叶断面进行分析，各符号分别为：,ut气流流过桨叶的速度； 桨叶的旋转角速度， r为叶轮旋转带来的牵连速度； ur气流对桨叶的相对速度； 冲角，即气流对桨叶的相对速度ur与叶片迎风面之间的夹角。对于翼型断面的叶片，冲角为零也可以产生驱动力，但对于薄板则不行； 楔角，即叶轮迎风面和叶轮旋转半面之I司的夹角； 气流对桨叶的相对速度ur与风速之间的夹角。,(1)气流对桨叶的作用力。对于桨叶，气流的作用速度为气流对桨叶的相对速度。 气流对桨叶的作用力可分解为两个部分： 1)与ur方向相同的阻力D； 2)与ur方向相垂直的升力L。 这两个力的合力为总作用力R，R可以分解为风轮旋转平面内的(周向的)分力Ry和轴向水平分力Rx,周向分力Ry 形成驱动叶轮旋转的转矩 Ry r，轴向分力Rx 形成对风轮的正面压力。,(2)最佳冲角。对于桨叶上的力，总是希望阻力较小而升力较大，升力和阻力的比值与叶型有关，并随冲角而变化。在L/D取得最大值时的冲角为最佳冲角。 由于在不同半径处的牵连速度不同，为了使不同半径处保持相同的最佳冲角，桨叶的楔角也应该随着半径而变化。即,随着半径的增大，桨叶的楔角应减小。,(3)升力和失速。为了做图和说明问题简单，在图中采用了平板型的叶轮。实际中，叶片上的升力不仅仅是空气分子撞击动叶这样简单，它不仅与冲角有关，还与叶型有关。风机借用了一些飞机的技术，另外也发展了本领域的一些先进技术。飞机能够飞起来的原因是机翼上表面的空气流动速度比下表面的快，这意味着上表面的空气压力低，这样就产生升力，如图所示。因此，风轮叶片的剖面往往不是直方型的，而是采用翼型。合理的翼型可以减小阻力，提高升力。,对于一定的叶型，当冲角增大时，可能会出现失速的现象。当飞机要快速地爬升而向后倾斜时，在向后倾斜时机翼的升力应该是增大的，但是，从实验中我们可以看到，在这一瞬问，机翼上表面的空气不再紧贴机翼表面，而是因附面层分离而产生涡流，导致升力的瞬间消失，这一现象就称为失速，如图所示。,如果在叶片壁面上，沿着空气流动方向机翼的形状变化过快，机翼将会失速。当然，机翼的形状不会自己改变，这是由于机翼相对空气流的冲角增大了，注意涡流是在机翼的背风面产生的。,如果机翼或风轮机叶片的表面不光滑，会加剧失速。即使冲角相当小，机翼或风机叶片上的一个凹痕或一小片黏带也会导致涡流。飞机的设计者显然不惜一切代价也要尽力避免失速，因为没有了来自机翼的升力飞机就会像石头那样坠落。 不过，对于风轮机工程师而言，可以在设计风轮机叶片时利用失速现象进行风轮机控制。,2.桨叶效率(简化分析方法) 在桨叶的某一横截面上，桨叶获得的有用功率和该点风的输入功率之比称为桨叶效率。 根据前面的力和速度分析，在半径为r的桨叶截面上，桨叶获得的有用功率为，而在该点输入的功率为R，则桨叶的效率为,令,，由于,则,影响桨叶效率的因素(如图所示),(1)k值越小，即阻力越小，升力越大，则桨叶效率越大，当k0时，1。k与桨叶的设计和运行时的风况有关。 r/ut是牵连速度和风速的比值，当该值很大或很小时，桨叶效率都狠小。因此，风轮的圆周速度的比值存在一个最佳值。 对于整个风轮机叶轮，桨叶叶尖速度与风速的比值R/u是一个基本设计参数（优化目标），称为叶尖速度比，也称为高速特性数。,风轮机控制,风轮机的设计思想是尽可能便宜地生产电能。风轮机的设计基于目标风场的风速条件，因此风轮机一般被设计成在风速为815ms时具有最佳的性能，即有最大的电能产出。人们不会花大力气把风机设计在强风时有最多电能产出，因为强风天气不多见。 因此，在强风天气时必须浪费部分多余风能，以避免损坏风机。所以所有的风机都设计有某种能量控制装置，在现代风机上有两种不同的安全实现方式。,(1)可调楔角控制风轮机。在可调楔角控制(pitch)的风力发电机上，风力发电机的电子控制器每秒钟检查几次风力发电机的电能输出。当能量输出过高时，它就会向桨叶调节装置发出一个指令，后者将立即把桨叶轻微地转动一个角度，减小冲角使之偏离最佳值；反之，当风速再次降低时，桨叶就会回复原来的最佳冲角。因此，安装在轮毂上的桨叶必须能够绕风轮的径向纵轴转动。,在实际运行中，桨叶的角度调节是在转子旋转的同时完成的，叶片一次会转动一个微小的角度。 采用可调楔角控制的风轮机要求精确的工程设计来保证叶片恰好转动所需的角度。可调楔角控制用计算机来实现，使风轮机在所有风速时桨叶都能保持最佳角度，以产出最多电能。 可调楔角控制装置通常都是液压驱动的。,(2)被动失速控制风轮机。被动失速控制(stall)风轮机的桨叶以一个固定的角度(即安装角或楔角)用螺栓固定在轮毂上，因此其楔角是固定不变的。,桨叶的几何轮廓是根据空气动力学原理设计的，类似于飞机的机翼。前面讲过，对于翼型，攻角过大时会产生失速。对于飞机，自然要避免出现失速的状况。但对于风轮机，则可以利用失速的现象来实现控制。当风速过高时，能够在叶型的背风侧(吸力面)会产生涡流形成失速，从而减小作用于转子的扭矩。,被动失速控制风轮机的桨叶是经过适当设计的，当实际风速增大到某一特定的数值时，桨叶的冲角就会达到失速边界，开始出现失速。 被动失速控制风轮机的转子叶片沿纵向是微螺旋形(也称为弯扭叶片)的，即楔角随着半径的增大而减小。除了前面介绍的原因外，这样做的另一方面原因是确保当风速达到失速临界值时叶轮能够平稳失速而不要突然全面爆发。或者说，失速是自叶根部位开始的，随着风速的增加逐步向叶尖的方向发展。,被动失速控制的主要优点是避免了扭动叶轮转子本身的部分，而且不用复杂的控制系统。而另一方面则出现了复杂的气体动力学设计难题，还有相关的风力发电机整体结构动力学设计的挑战，比如说怎样避免诱发失速的振动等。现在，世界上安装的风力发电机组大约有23采用的是被动失速控制方式。,(3)主动失速控制风机。越来越多的大型风机(1MW及以上)在发展主动失速控制装置。 主动失速控制风轮机技术上与可调楔角控制的风轮机有些相像，因为它们都可以扭转桨叶。为了在低风速时能够有足够大的力矩，这种风轮机通常设计在低风速时像可调楔角控制风轮机那样转动桨叶，从而获得最佳的冲角(不过通常只是根据风速情况采取几个固定角度)。,然而，当风速增大，风力发电机的出力达到额定功率时，就会体现出它与可调楔角控制风轮机的重要差别：当发电机将要超负荷时，它转动桨叶的方向与可调楔角控制风轮机的方向恰恰相反。可调楔角控制风轮机是通过减小冲角来使之小于最佳值，而主动失速控制的方法是继续增加冲角，使桨叶失速来浪费多余的风能。,主动失速控制的一个优点是能够比被