风力发电基础知识精编版

1、 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 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、风力发电机组的分类 风力发电系统的分类

2、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 风力发电系统的分类按传动

3、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

4、、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

5、功能原理二、风力发电机组的功能原理 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 vA dt dx Am 2 wind mv 2 1 E 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 332211 AvAvAv 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(v

6、2 1 E 2 3 2 1ex )v(vm 2 1 E 2 3 2 1ex 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 n吸收的风能 v v v v Av E 1 3 2 1 3 3 1ex 11 2 1 2 1 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(A 2 1 )vv(mT 313131 推力推力: 推力推力T 89.0 9 8 cwithAv 2 1 cT T 2 1

7、T CT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; ; / ; RnR VV nr Rm 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 2

8、2 2 2 p p V R M C SV R C M M SV 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。 3 maxww Pk 3 max 1 2 woptp kS RC 2 0ww Tk 三、风力发电机组的理论基础三、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 1、桨叶的翼型、桨叶的翼型 l 0 i 功角 升力角 零升力角 风向 弦长 v i v A B 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：

9、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 2 2 1 SvCF r 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 2 2 1 SvCF ll 2 2 1 SvCF dd 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，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

10、气动力基础知识 i l C d C 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 40o 0.8 0.6 0.4 0.2 M i -0.2 minl C 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

11、 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 - u w 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 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 dSwCdL l 2 2 1

12、dSwCdD d 2 2 1 I 轴向推力轴向推力dFa=dLcosI+dDsinIdFa=dLcosI+dDsinI I 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 Wind speed 失速极限 15 12 10 8 6 4 m/sec 1800 1600 1400 120

13、0 1000 800 600 400 200 0 0 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 speed Stall limit 15 12 10 8 6 4 m/sec 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 功率 kW 风速 功率曲线 通过变桨, 漩涡在桨叶

14、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 15 12 10 8 6 4 m/sec 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0 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 I