风力发电基础知识

风力发电基础知识第1页，共28页，2023年，2月20日，星期四一、风力发电机组的分类二、风力发电机组的功能原理三、风力发电机组的理论基础四、风力发电机组的空气动力基础知识五、风力发电机组设计风区分类课程目录第2页，共28页，2023年，2月20日，星期四一、风力发电机组的分类风力发电系统的分类——风轮轴向垂直轴水平轴第3页，共28页，2023年，2月20日，星期四一、风力发电机组的分类风力发电系统的分类——叶片数量第4页，共28页，2023年，2月20日，星期四一、风力发电机组的分类风力发电系统的分类——按功率调节方式定桨距风机：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：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：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。第5页，共28页，2023年，2月20日，星期四一、风力发电机组的分类风力发电系统的分类——按传动形式高传动比齿轮箱型：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：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：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。第6页，共28页，2023年，2月20日，星期四一、风力发电机组的分类风力发电系统的分类——按发电机形式（基本类型）

(a)固定转速的异步发电机组(c)永磁直驱同步发电机组(b)双馈异步发电机组第7页，共28页，2023年，2月20日，星期四二、风力发电机组的功能原理风力发电机组变电站（升压站）变压器110-220kV10–35kV690V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→电能第8页，共28页，2023年，2月20日，星期四二、风力发电机组的功能原理第9页，共28页，2023年，2月20日，星期四二、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第10页，共28页，2023年，2月20日，星期四三、风力发电机组的理论基础第11页，共28页，2023年，2月20日，星期四扫风面积：A三、风力发电机组的理论基础第12页，共28页，2023年，2月20日，星期四假设:空气流是均匀的，空气密度是常量密度、速度和面积的乘积是不变的三、风力发电机组的理论基础第13页，共28页，2023年，2月20日，星期四吸收功率

=上风向能量–

下风向能量吸收的风能:吸收功率:三、风力发电机组的理论基础第14页，共28页，2023年，2月20日，星期四三、风力发电机组的理论基础吸收的风能风能 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)=16/27≈59.3%P风电机组功率=(1/2)

ρV3

ACp

第15页，共28页，2023年，2月20日，星期四推力:推力TCT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第16页，共28页，2023年，2月20日，星期四三、风力发电机组的理论基础

叶尖速比第17页，共28页，2023年，2月20日，星期四三、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构成风轮机空气动力特性曲线第18页，共28页，2023年，2月20日，星期四三、风力发电机组的理论基础第19页，共28页，2023年，2月20日，星期四四、风力发电机组的空气动力基础知识1、桨叶的翼型功角升力角零升力角风向弦长AB攻角：来流方向与弦线的夹角零升力角：弦线与零升力线夹角升力角：来流方向与零升力线夹角2、桨叶上的气动力总的气动力，S—

桨叶面积，Cr—

总气动系数C压力中心升力，与气流方向垂直，Cl—

升力系数阻力，与气流方向平行，Cd—

阻力系数Cd、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。第20页，共28页，2023年，2月20日，星期四四、风力发电机组的空气动力基础知识升力和阻力的变化曲线-30o-20o-10o0o10o20o30o40o0.80.60.40.2-0.2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、前缘位置）、表面粗糙度等都会影响升力系数与阻力系数。对有限长桨叶，叶片两端会产生涡流，造成阻力增加，第21页，共28页，2023年，2月20日，星期四四、风力发电机组的空气动力基础知识旋转桨叶的气动力（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倾斜角相对速度dF气流W产生的气动力dL气流升力dD气流阻力I轴向推力dFa=dLcosI+dDsinII旋转力矩dT=r(dLsinI-dDcosI)驱动功率dPw=ωdT风输入的总气动功率P=vΣFa旋转轴得到的功率Pu=Tω风轮效率η=Pu/P第22页，共28页，2023年，2月20日，星期四四、风力发电机组的空气动力基础知识低压高压Windspeed失速极限151210864m/sec18001600140012001000800600400200002468101214161820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。失速失速控制第23页，共28页，2023年，2月20日，星期四四、风力发电机组的空气动力基础知识主动失速控制WindspeedStalllimit151210864m/sec18001600140012001000800600400200002468101214161820功率kW风速功率曲线通过变桨,漩涡在桨叶后缘形成.这可以用于功率的控制.主动失速第24页，共28页，2023年，2月20日，星期四四、风力发电机组的空气动力基础知识变桨控制风速151210864m/sec18001600140012001000800600400200002468101214161820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.变桨控制第25页，共28页，2023年，2月20日，星期四五、风力发电机组设计风区分类IEC标准

Windturbineclass

I

II

III

S

Vref(m/s)5042.537.5

Valuesspecifiedbythedesigner

A

Iref(-)

0,16

B

Iref(-)

0,14

C

Ire