风力发电原理讲解ppt课件

雷电热能工程系，风力发电原理，P141-1，风力发电机组主要参数和设计水平水平轴风力发电机组结构，第三章风力发电机组的分类和组成，P141-2，3-1风力发电机组，小容量风力发电机组：容量小于60kW的中型风力发电机组，容量为70-600kW的大型风力发电机组，容量为600-1000kW (1MW)，容量大于1000kW的巨型风力发电机组。单台机器的容量越大，哈里森的桨就越长。2MW风机叶片直径达到72m，最长叶片达到50m，随着机组容量的增加，叶片会越来越长。P141-3和P141-4，根据风轮的结构及其在气流中的位置，水平轴风力涡轮机的：叶片绕水平轴旋转并水平旋转。根据风轮的结构，表面垂直于风向。垂直轴风力涡轮机：风轮绕垂直轴旋转。P141-5，P141-6，根据功率调节模式划分，固定桨距风力涡轮机，变桨距风力涡轮机，主动失速风力涡轮机，P141-7，固定桨距风力涡轮机：叶片固定在轮毂上，桨距角恒定，风力涡轮机的功率调节完全取决于叶片的失速性能。当风速超过额定风速时，叶片后端将形成边界层分离(湍流状态)，这将降低升力系数，增加阻力系数，从而限制单位功率的进一步增加。优点：结构简单。缺点：不能保证超过额定风速的部分的输出功率是恒定的，并且由于阻力的增加，叶片、塔架和其他部件所承受的负载相应地增加。此外，由于桨距角不可调节，并且没有气动制动功能，因此固定桨距的叶片需要在叶片顶端设计特殊的制动机构。P141-8，变桨距风力发电机：叶片和轮毂不固定，叶片桨距角可调。当超过额定风速范围时，通过增加叶片桨距角来减小攻角，从而改变叶片升力与阻力的比值，达到限制风轮功率的目的，使机组输出接近额定功率的电能。优点：在高于额定风速的区域可以获得稳定的功率输出。缺点：需要变桨距调节机构，设备结构复杂，可靠性降低。目前，变桨距控制技术广泛应用于大型兆瓦级风力发电机组中。主动失速型风力发电机：其工作原理相当于上述两种形式的结合。功率调节是利用叶片的失速特性来实现的，叶片不与轮毂固定连接，叶片可以相对于轮毂旋转来实现桨距角调节。当机组达到额定功率时，叶片向减小桨距角的方向转动一个角度，以增大来风的攻角，使叶片主动进入失速状态，从而限制功率。优点：改善被动失速机组功率调节的不稳定性。缺点：增加俯仰调节机构，使设备复杂化。P141-9，高传动比齿轮箱：优点：极数小，结构简单，体积小；缺点：传动系统结构复杂，变速箱设计、操作和维护复杂，容易出现故障。直驱式：采用多级同步风力发电机，风轮直接驱动发电机低速旋转。优点：无齿轮箱噪音，故障率高，维修费用高等。以及改进的操作可靠性。缺点：发电机极数高，体积大，结构复杂。半直接驱动型：以上两种类型的组合。本发明降低了传统齿轮箱的传动比，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。根据传动形式，P141-10通过传动系统连接风轮和发电机，使发电机转子达到要求的转速。并网风力发电机中使用的交流发电机的同步转速为发电机极数；电网频率为50Hz。风轮的转速相对较低，约为1020r/min，而ge变速风力发电机：发电机的工作速度随风速而变化。主流大型风力发电机组基本采用变速恒频运行方式。多状态恒速风力涡轮机：发电机组包括两台或多台发电机。根据风速的变化，不同大小和数量的发电机可以投入运行。根据发电机转速P141-13、陆上风力发电机组、海上风力发电机组、a)陆上风力发电机组、b)海上风力发电机组、P141-14的变化，沿海风场风况和环境条件与陆上风场有所不同，海上风力发电机组有一些特殊性：1)适合选择大容量风力发电机组。海上的风速通常高于沿海陆地的风速。风速相对稳定，不受地形影响。风湍流强度和风切变相对较小，具有稳定的主导风向。在相同容量下，海上风力涡轮机的塔架高度低于陆上风力涡轮机的塔架高度。P141-15，2)风力发电机组的安全性和可靠性要求较高。海上风电场可能会遇到极端天气条件。强风、台风和巨浪等恶劣天气条件会对机组造成严重损坏。海上风电场与海浪和潮汐有很强的耦合作用，使得风力发电机组在海浪扰动的随机风场中运行，负载条件相对复杂。海上风力涡轮机长期暴露在含盐的潮湿和热雾腐蚀环境中。此外，海上风力涡轮机比陆上风电场更难安装、操作、操作和维护。因此，海上风力涡轮机结构的耐久性，尤其是叶片材料，是极其重要的。3)基本形式和陆地风力涡轮机之间存在巨大差异。由于不同海域水下条件的复杂性，以及在基础施工中需要综合考虑海底地质结构、离岸距离、风浪水平、水流条件等方面的影响，海上风力发电机组比较复杂，基础的施工成本也占很大比例。海上风电与陆上风电在很多方面都有所不同，如风资源评估、机组安装、运行维护、设备监控、输电等。这在技术上很困难，而且建设成本很高。P141-16，中国近海风力发电机发展趋势滩涂风电场目前，中国已经建成或正在建设的滩涂风电场主要集中在潮上带和围垦区。由于淤泥质地质，风电设备的运输和安装是潮间带的难题。然而，与海上风电相比，行业专家认为潮间带风电场仍有一定的成本优势。中国首个近海潮间带风力发电项目于2009年10月成功并网。首批两台1.5兆瓦的风力发电机已正式接入电网。水平轴风力涡轮机的叶片围绕水平轴旋转，旋转平面垂直于风向。叶片径向布置在风轮上，并垂直于或接近垂直于旋转轴。风轮叶片的数量取决于风力涡轮机的应用。用于风力发电的风力涡轮机的叶片数量通常为1-3个，用于风力泵送的风力涡轮机的叶片数量通常为12-24个。1.根据风轮转速，水平轴风力机P141-18可分为高速风力机和低速风力机。高速风力涡轮机叶片的数量很少，并且广泛使用1-3个叶片。对应于最佳转速的叶尖线速度是风速的5-15倍。当高速运行时，高速风力涡轮机具有高的风能利用系数。由于叶片数量少，在同等输出功率下，比低速风轮轻得多，因此适合发电。多叶片风力涡轮机的最佳转速较低，仅为高速风力涡轮机的一半甚至更低，风能利用率也低于高速风力涡轮机(俗称低速风力涡轮机)。起动转矩大，起动风速低。低速运转产生较高的扭矩，因此适用于提水。P141-19，根据wi的相对位置特点：不需要风向调节装置，可以接受任何方向的风，风向变化时不需要调节风向。(2)齿轮箱和发电机可安装在地面或风轮下方，操作维护简单，成本低。(3)叶片结构简单，制造方便，设计成本低。(2)垂直轴风力机，分类：阻力风力机：利用空气对叶片的阻力做功。使用翼型升力做功。P141-21，S型风力涡轮机由两个轴线交错的半圆柱形叶片组成。它的优点是可以在较低的风速下运行，但由于风轮周围气流不对称，S形风轮产生侧向推力。由于受到侧向推力和安全极限应力的限制，S型风力发电机很难扩大。风能利用系数也远低于高速垂直轴或水平轴风力发电机，仅为0.15左右。在风轮的尺寸、重量和成本相同的情况下，其功率输出较低，因此发电的经济性较差。提升型： Darieu风力涡轮机是水平轴风力涡轮机的主要竞争对手。型包括、h、y和菱形。根据叶片的结构形状，可以简单地分为直叶片和弯叶片。h型风轮和型风轮被广泛使用。叶片具有翼型，空气围绕叶片流动产生的合力形成扭矩，因此叶片在一周内几乎在任何角度都具有升力。达瑞厄风力发电机组的最佳转速比水平轴的转速低，但比S型风力发电机组的转速高得多。其风能利用系数相当于水平轴风力发电机。H型风轮结构简单，但离心力会在其连接点处对叶片产生严重的弯曲应力。直叶片由支架或缆绳支撑，这会产生空气动力阻力并降低风力涡轮机的效率。型风轮采用的弧形叶片只承受拉力，不承受离心力载荷，因此弯曲应力最小。因为材料能承受比弯曲应力更大的张力，所以在相同的总强度下，形叶片比直叶片更轻，运行速度也更快。但是，形叶片采用变桨距方法实现自起动和速度控制并不方便。对于相同高度和直径的风轮，型转子的扫掠面积小于H型转子。P141-24和P13-2风力发电机组的主要参数和设计水平，以及风力发电机组的性能和技术规格可以通过一些主要参数来反映。P141-25，风轮的直径是风轮旋转时的外圆直径，用D表示.风轮的直径决定了风轮的扫掠面积和叶片的长度，这是影响机组容量和性价比的主要因素之一。根据贝茨理论，风轮从自然风中获得的功率用公式表示，s是风轮的掠入面积，d增加，掠入面积与D2成比例增加，获得的风力相应增加。风轮直径和扫掠面积，1。主要参数P141-26，风轮高度是指风轮轮毂中心离地面的高度，是风力涡轮机设计中需要考虑的一个重要参数。由于风的剪切特性，离地风速越高，风能越大，因此大型风力涡轮机的发展趋势是轮毂高度越高。然而，随着轮毂高度的增加，所需的塔架高度也会相应增加。当塔架高度达到一定水平时，在设计、制造、运输和安装中将出现新的问题，这也将导致风力涡轮机的成本相应增加。轮毂高度，P141-27，构成风轮的叶片数量，用B表示。选择风力涡轮机叶片数量时，应考虑诸如风力涡轮机的性能和负载、风力涡轮机和传动系统的成本、风力涡轮机的空气动力噪声和景观效果等因素。使用不同数量的叶片，叶片的数量将对风力涡轮机的空气动力学性能和结构设计产生不同的影响。风轮的风能转换效率取决于风轮的功率系数。P141-28，多叶片的最佳叶尖速度现代水平轴风力机风轮的功率系数高于垂直轴风轮，其中三叶风轮的功率系数最高，最大功率系数约为0.47，相应的叶尖速比约为7。双叶片和单叶片风力涡轮机的风能转换效率稍低，其最大功率系数对应的叶尖速比也高于三叶片风力涡轮机，即在相同的风速条件下，叶片数量越少，风力涡轮机的最佳转速越高，因此有时单叶片和双叶片风力涡轮机也称为高速风力涡轮机。风轮的作用是将风能转化为机械扭矩，推动风轮旋转。测量转子扭矩性能的重要参数：扭矩系数：功率系数除以叶尖速比。扭矩系数决定了传动系统中主轴和齿轮箱的设计。现代并网风力涡轮机需要小的扭矩系数来降低传动系统的设计成本。叶片数量越大，最大扭矩系数越大，相应的叶尖速比越小，表明起动扭矩越大。三叶片风力涡轮机的性能相对较好。目前，水平轴风力机一般采用两叶片或三叶片风力机，其中三叶片风力机是主要的一种。几乎所有在中国安装并投入运行的大型并网风力涡轮机都使用三叶片风力涡轮机。叶片数量的减少会降低风轮的制造成本，但也会带来许多不利因素，在选择风轮叶片数量时应综合考虑。双叶片风轮上的脉动载荷大于三叶片风轮上的脉动载荷。此外，由于双叶片风轮转速高，旋转时会产生较大的气动噪声，对环境产生不利影响，风轮转速快的视觉效果不好。风轮坚固性：风轮叶片总面积与风轮扫掠面积之比，通常用来反映风轮的风能转换性能。风轮中有许多叶片，转子的坚固性和功率系数很大，但功率曲线很窄，对叶尖速比的变化很敏感。当叶片数减少时，转子的坚固性降低，其最大功率系数相应降低。然而，功率曲线越平坦，对叶尖速比的变化就越不敏感。P141-31，叶尖速比是风力涡轮机叶片的叶尖线速度与风速之比，这是描述风力涡轮机的风力涡轮机特性的重要无量纲量。风轮转速、叶尖速比，对于特定的风轮形式，其功率系数与叶尖速比曲线之间的关系是确定的，其形状就像一个山包。在一定的叶尖速比下，功率系数达到最大，此时风轮吸收的风能最多，相应的叶尖速比称为最佳叶尖速比。风力涡轮发电机转子的主要设计目标之一是吸收尽可能多的风能，因此在低于额定风速的区域，希望转子将尽可能接近最大功率系数工作，即转子速度与风速的比率将尽可能接近最佳叶尖速度比。由于风速不断变化，因此有必要控制风轮的转速以适应风速的变化。P141-32，以表中所列的1.5MW风力发电机组为例，以直径为77m、额定风速为12m/s的三叶片风轮为例。粗略估计风轮的额定速度。三叶片风轮对应的最佳叶片速比约为7，风轮的额定转速约为实际风力机风轮转速范围的确定。还应考虑其他因素，如所列机组的实际转速范围约为11 20r/min。风轮的转速不仅影响风能的吸收特性，还影响风轮的机械扭矩。当风力涡轮机的额定功率和风轮的直径被确定时，风轮的转速增加，绕组的转矩在风力涡轮机运行期间，根据测得的风速方向，通过偏航系统调节风轮的方向，使得风轮始终保持前风向，以获得最大的风能吸收率。偏航角P141-35，主要指其吸收和转换风能的能力，即风轮的气动性能。功率特性是反映风力发电机组基本性能的重要指标，由风力发电机组输出功率与风速的关系曲线表示。功率曲线直接影响风力涡轮机的年发电量。风力涡轮机的基本性能、对应于不同风速的理论风力功率曲线、根据贝茨理论计算的理想风轮吸收风力功率曲线、以及风力涡轮机的实际功率曲线。理论风力