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风力发电相关内容,能量转换,风能,电能,更进一步,风能,电能,机械能,风力发电基本原理： 用风力带动风车叶片旋转,再透过增速机将旋转的速度提升,来促使发电。 主要优点： 第一，费用低廉，建设周期短； 第二，不需原料即可产生电力，除常规保养外，没有其他消耗； 第三，风力是一种洁净的自然能源，没有环境污染问题。,风能发电的主要形式 1、小型独立风力发电系统 单台装机容量约为100瓦-5千瓦，通常不超过10千瓦。 风力发电机充电器数字逆变器。 因风量不稳定，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。 2、并网风力发电系统 变桨距控制、失速控制 变极、变滑差、变速恒频及低速永磁等新型发电机 风力发电机单机装机容量可以达到600千瓦以上。不少国家建立了众多的中型及大型风力发电场，并实现了与大电网的对接。,风机结构 转子叶片：捉获风，并将风力传送到转子轴心。 低速轴：风电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。转子转速相当慢，大约为19至30转每分钟。 齿轮箱：齿轮箱左边是低速轴，它可以将高速轴的转速提高至低速轴的50倍。 高速轴：高速轴以1500转每分钟运转，并驱动发电机。 发电机：感应电机或异步发电机。在现代风电机上，最大电力输出通常为500至1500千瓦。 偏航装置：借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。,风力发动机本体和附件 把风能转化为机械能的装置,发电机及电气装置 把机械能转化为电能,贝兹理论中的假设 叶轮是理想的； 气流在整个叶轮扫略面上是均匀的； 气流始终沿着叶轮轴线； 叶轮处在单元流管模型中，如图。,贝兹理论,流体连续性条件：S1V1 = SV = S2V2,应用气流冲量原理,叶轮所受的轴向推力： F=m(V1-V2) 式中m=SV，为单位时间内的流量质量。 叶轮单位时间内吸收的风能叶轮吸收的功率为：P=FV= SV2(V1-V2),2. 动能定理的应用,基本公式：E=1/2 mV2 （m同上） 单位时间内气流所做的功功率： P=1/2 mV2= =1/2 SV V2 在 叶轮前后，单位时间内气流动能的改变量： P= 1/2 SV (V21_ V22) 此既气流穿越叶轮时，被叶轮吸收的功率。 因此： SV2(V1-V2)= 1/2 SV (V21_ V22) 整理得： V=1/2 (V1+V2) 即穿越叶轮的风速为叶轮远前方与远后方风速的均值。,3. 贝兹极限,引入轴向干扰因子进一步讨论。 令： V = V1( 1- a ) = V1 U 则有：V2 =V1 ( 1- 2a ) 其中： a轴向干扰因子，又称入流因子。 U=V1a轴向诱导速度。 当a=1/2时，V2=0，因此aa0。 a的范围： a 0,由于叶轮吸收的功率为 P=P= 1/2 SV (V21_ V22) = 2 S V13a( 1- a )2 令dP/da=0，可得吸收功率最大时的入流因子。 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 是远前方单位时间内气流的动能功率,由空气动力学特性可知, 通过叶轮旋转面的风能不能全部被叶轮吸收利用, 可以定义出一个风能利用系数CP 。 于是最大风能利用系数Cpmax为： Cpmax=Pmax/(1/2 SV13 )=16/270.593 此乃贝兹极限。,叶素理论,基本思想 将叶片沿展向分成若干微段叶片元素叶素； 视叶素为二元翼型，即不考虑展向的变化； 作用在每个叶素上的力互不干扰； 将作用在叶素上的气动力元沿展向积分，求得作用在叶轮上的气动扭矩与轴向推力。,还有另一个重要的参数叶尖速比, 即叶轮的尖速度与风速之比:,风轮与发电机匹配问题,风能利用系数Cp 不是一个常数, 它随着风轮转速以及风轮叶片( 攻角、桨距角等) 变化 不同风速下的风轮输出机械功率随风轮转速而变化。对于每一风速总存在一个最大输出功率点,永磁同步发电机性能数学模型,稀土永磁直流发电机功率和转矩可写为:,从理论上讲, 要想使风力机达到最佳的匹配, 就应使配套发电机功率- 转速曲线与曲线A 重合, 使转矩- 转速曲线与曲线B 重合。 通过对发电机的结构和参数做出调整，使得两组曲线尽量匹配。 调整方法： 1、调整绕组：绕组匝数、线径等 2、调节磁场：磁通量等,风轮输出功率控制方式,失速控制 在转速不变的条件下，风速超过额定植后，叶片发生失速，将输出功率限制在一定范围内。 失速定义 由于气流冲角过大而造成压气机叶片背弧上附面层严重分离，以致压气机性能严重下降甚至丧失功能的现象。,变桨距调节 变速风机中，风轮转速可变，即叶尖速度可变。 低于额定风速时保持桨距不变，和风速保持比例关系，即保持在最佳叶尖速比，数值在68之间，以获得最佳功率系数。 高风速时，对叶片的桨距角控制以限制风轮的气动效率。最佳桨距角在额定风速以下为零，额定风速以上桨距角对风速增大而增大。,并网发电机工作方式,恒速恒频发电系统失速控制 变速恒频发电系统变桨距调节 从风力机的运行原理可知，这就要求风力机的转速正比于风速并保持一个恒定的最佳叶尖速比 ，从而使风力机的风能利用系数 保持最大值不变，风力发电机组输出最大的功率，最大限度的利用风能，提高了风力机的运行效率。 交直交系统、磁场调制发电机系统、交流励磁双馈发电机系统、无刷双馈发电机系统、爪极式发电机系统、开关磁阻发电机系统等，,几种变速恒频方案的对比分析,参考文献,小型风力发电机外特性测试平台的设计 张延