风力发电机组结构原理及技术

浙江风电公司吴金城风力发电机组技术风电场中，高级工程技术及管理人员培训班2008年9月12日浙江风电公司吴金城吴金城：浙江风电公司副总经理1992：Bonus合作生产120千瓦风电机1993：参加200千瓦风力发电机研制1994：浙江风电公司

NTK550千瓦、Micon600千瓦、V42、D4、V52－V80250千瓦、750千瓦风电机浙江风电公司吴金城时间安排

12日

08:30–09:30 介绍 风力发电机原理、发展

空气动力学原理 风力发电机发展历史

09:30–10:00 休息

10:00–11:30 风力发电机分类

各类风力发电机的特点

14:00–15:00 风力发电机结构及主要部件

15:00–15:30 休息

15:30–17:00 风力发电机齿轮箱

齿轮箱结构特点、发展趋势和常见故障浙江风电公司吴金城时间安排

13日

08:30–09:30 风力发电机偏航系统

09:30–10:00 休息

10:00–11:30 风力发电机液压系统和刹车结构 风力发电机的控制和安全系统

14:00–15:00 风力发电机的塔架和基础

塔架种类、基础设计特点

15:00–15:30 休息

15:30–17:00 风电机特性及环境影响

功率特性、噪声特性、风电机对环境影响浙江风电公司吴金城

两天课程的最低目标：了解风力发电基本原理、风电机的主要结构和几个基本概念。浙江风电公司吴金城风力发电机原理风中蕴含的能量风电机将风的动能转化为机械能并进而转化为电能。从动能到机械能的转化是通过叶片来实现的，而从机械能到电能则是通过发电机实现的。动能能量和功率空气的质量空气密度随着空气压力的增大而增大，随着温度的升高而减小：•冷空气比热空气密度大（热气球升空就是利用的这个原理）。在普通大气压力和20°C温度的条件下每立方米空气的质量是1.204kg；在-10°C的温度下，每立方米空气重1.342kg，比常温下重了11%。也就是说，同样的风速同样的风电机，-10°C冷风比20°C热风能够多产生11%的电能。•单位体积的空气，密度大的比密度小的要重，也含有更多的能量。高压地区（1020hPa）的空气密度比低压地区（980hPa）的空气密度大，单位体积重量也大。浙江风电公司吴金城风力发电机原理一台2MW的风电机叶片半径在40米左右。在普通空气密度下，温度10°C，风速6米/秒（=21km/h）的情况下，风电机的功率是780KW。在这个风速下，每秒流经风电机的空气是43吨。其中所蕴含的能量相当于一辆小型货车（2.5吨重）开90公里/小时的时候，或者一台小轿车（700公斤）开170公里/小时的时候的能量。当风速达到18米/秒（=65公里/小时）的时候，每秒流经风电机的空气大约是110吨。风速增长到3倍，但风的功率却要增长到3的3次方倍，也就是27倍。这个时候风的功率大约是21兆瓦。浙江风电公司吴金城基本原理A1AA2v1v2vPmech空气是不可压缩的，高速气流减慢后必然扩散。浙江风电公司吴金城基本原理动能:风能:风电机吸收的能量:MaxDPw?浙江风电公司吴金城将风能转化为机械能升力型和阻力型风力机风会对切割它移动方向上的任意面积A形成一个力，这个力就是阻力。阻力型机器利用阻力产生动力。浙江风电公司吴金城阻力型风力机

阻力与下面的参数成比例关系：风速U的平方切割面积A该面积的阻力系数CD

空气密度ρ阻力系数CD(D是英语里“阻力”的第一个字母)。这个值是用来表示某个物体对空气形成阻力的大小的，可以在风洞里进行测定。CD值越小，空气阻力也就越小。比如一个圆盘横向对风的

CD值大约是1.11，而方盘大约是1.10，球体大约是0.45。在汽车工业中，工程师们都在研究如何将汽车的CD值变的更小，这样汽车在行进时的阻力就会最小化。比如丰田的Prius的

CD值是0.26，而大众的GolfCD是0.325浙江风电公司吴金城Drag-typeturbinesRef:www.ifb.uni-stuttgart.de/~doerner/edesignphil.html浙江风电公司吴金城古波斯的风力机浙江风电公司吴金城阻力型风力机1922年，芬兰工程师S.J.Savonius发明了Savonious风机浙江风电公司吴金城Savonius风力机Asmallirrigationpumpcouldbedrivenbyasavoniuswindmillatawindvelocityof3m/sormore.Energyconversionefficiencyisamaximumof0.05atatipspeedratioof0.25.Torquecoefficientdecreasesatatipspeedratioof0.25orover.Asmallirrigationpumpcouldbedrivenbyasavoniuswindmillatawindvelocityof3m/sormore.Energyconversionefficiencyisamaximumof0.05atatipspeedratioof0.25.Torquecoefficientdecreasesatatipspeedratioof0.25orover.浙江风电公司吴金城阻力型风力机

风杯风速仪也是利用阻力原理来实现的。风杯风速计上风杯的CD-值分别是1.33和0.33（迎风时和背风时）。风杯迎风时的阻力要比背风时的阻力大很多，所以风杯风速计才会迎风旋转。通过阻力定律来运动的转子无法转动的比风速更快（增速值小于1），属于亚风速转子。这种转子能量损失较大，功率系数（流体动力学上的作用参数）非常小。（波斯风车大概0.17，风杯风速计大概0.08）浙江风电公司吴金城升力型风力机

水平轴HAWT,丹麦理念上风向恒转速风轮、失速功率控制、叶尖气动刹车＋机械刹车浙江风电公司吴金城升力型风力机

垂直轴风力机VAWT,达里厄Darrieus浙江风电公司吴金城升力型风力机

水平轴HAWT,美国多叶片浙江风电公司吴金城Ref:www.ifb.uni-stuttgart.de/~doerner/edesignphil.html浙江风电公司吴金城升力型风力机根据伯努利方程，在同一高度上，叶片的底面或者顶面的动态压力和静态压力和平衡。由于顶端的空气流动比底端的快，从而使顶端产生低压，而底部产生高压：这就是飞机飞行的原理，也是风电机叶片转动的原理。浮力的大小跟风速的平方、作用面积、空气密度

以及升力参数成正比。浙江风电公司吴金城升力型风力机风轮前后风速和压力的变化过程在到达风电机附近之前，该气流最外层为v1，压力为大气压Po。风电机在风接触到叶片之前就开始对风影响：在叶片之前，压力迅速上升，速度稍微减弱。在接触到叶片的那一刻，气流的压力值达到最大值，然后迅速降低到最小压力值：其中所蕴含的动能由叶片转化成了机械能。在这个时刻，风速值v2只有v1的大约三分之二经过叶片之后，气流的压力值很快上升，速度继续下降到v3。v3大约等于v1的三分之一。换句话说，风电机将风速减少了67%。该气流经过叶片后形成紊流和所谓的涡流效应。所有的这些影响在经过叶片之后逐渐减弱，在距离叶片直径9倍的距离上，气流基本上恢复到原来的90%。浙江风电公司吴金城失去部分动能的气流流过风轮后速度降低，由于假定空气是不可压缩的，速度减慢的气流截面必然增大。浙江风电公司吴金城贝茨风电机叶片无法将风能量的100%转化为机械能。风电机的转化效率是有极限的。德国物理学家阿尔伯特贝茨(1885-1968)在1920年计算了风电机转化效率的最大可能值，并在1926年公开发表。根据贝茨定律，风速v1和v3存在着一个最优化的关系：如果风速经过叶片后v3变成0，那么风无法经过风电机；如果风速经过叶片后速度不变，那么风电机就没有捕获能量。浙江风电公司吴金城贝茨的假定条件理想风轮：无轮毂、无限多叶片、气流流过风轮无阻力；气流流过风轮是均匀的，在风轮前后的速度为轴向。空气是不可压缩的。失去部分动能的气流流过风轮后速度降低，由于假定空气是不可压缩的，速度减慢的气流截面必然增大。浙江风电公司吴金城基本原理TheoreticalMaximumofcp:(A.Betz,1926)浙江风电公司吴金城基本原理ContinuityPower:1式＝3式得:浙江风电公司吴金城基本原理ContinuityPower:Powercoefficient:浙江风电公司吴金城基本原理风电机功率:cp

依赖以下因素:尖速比:叶片数量叶片角度翼型设计浙江风电公司吴金城基本原理

理想Betz效率浙江风电公司吴金城TheCP

–

λperformancecurve

浙江风电公司吴金城基本原理：实际各种风机效率理想值OnebladeTwobladesThreebladesDarrieusDutch-TypeAmerican浙江风电公司吴金城风机的尖速比尖速比是用来表述风电机特性的一个十分重要的参数。它等于叶片顶端的速度除以风接触叶片之前很远距离上的速度；叶片越长，或者叶片转速越快，同风速下的尖速比就越大。浙江风电公司吴金城尖速比慢速比风电机的尖速比最大为2.5。所有以阻力原理作用的风电机的尖速比都小于1，属于慢速比风电机。以升力原理作用的风电机，如果其尖速比在1到2.5之间，也被称为慢速比风电机。Westernmills和某些风力泵的尖速比大概是1，而Bock风车以及荷兰风车的尖速比大概是2。快速比风电机是指按照升力原理作用的风电机，并且其尖速比在2.5到15之间。几乎所有的现代风电机（叶片数一到三）都属于此类。快速比风机由于产生的涡流损失要比慢速比风机低很多，所以其作用系数要明显比慢速比的风机高。一般慢速比风机的转化效率系数cP在0.3到0.35之间，而快速比的风机能够达到0.45到0.55。浙江风电公司吴金城什么使风轮转动？Lift

浙江风电公司吴金城吹到叶片上的气流是风轮前方气流和相对叶片运动的气流合并而成。自行车5m/s向前，正右方吹来5m/s，吹到骑车人身上的风速和风向是？浙江风电公司吴金城αVR=RelativeWindVΩRΩrVα=angleofattack=anglebetweenthechordlineandthedirectionoftherelativewind,VR.VR=windspeedseenbytheairfoil–vectorsumofV(freestreamwind)andΩR(tipspeed).合成风速和攻角浙江风电公司吴金城浙江风电公司吴金城叶片的受力分析Φ为相对速度W与局部线速度U（旋转平面）的夹角，称为倾斜角；α为弦线和相对速度W的夹角，称为攻角。

θ为弦线和局部线速度U（旋转平面）的夹角，称为节距角；（叶片的安装角？）浙江风电公司吴金城速度W在叶片局部剖面上产生升力dL和阻力dD，通过把dL和dD分解到平行和垂直风轮旋转平面上，即为风轮的轴向推力dFn和旋转切向力dFt。轴向推力作用在风力发电机组塔架上，旋转切向力产生有用的旋转力矩，驱动风轮转动。

Φ=θ+αdFn=dDsinΦ+dLcosΦdFt=dLsinΦ-dDcosΦdM=rdFt=r(dLsinΦ-dDcosΦ)浙江风电公司吴金城风力机的功率调节失速变桨主动失速浙江风电公司吴金城失速特点主要优点：简单缺点：失速后的风机输出变化不稳，难以预测。失速叶片振动阻尼性差，易产生较大振动，引起的弯曲和应力造成疲劳损坏。在大风中停机时，定桨叶片产生很大气动负荷。所以，定桨失速风电机承受的叶片和塔架负载比变桨风电机大。.浙江风电公司吴金城浙江风电公司吴金城失速浙江风电公司吴金城黄带在离轮毂1/4处，红带的线速度是黄带的4倍，黄带更向后。为保持攻角恒定，叶片需扭转。浙江风电公司吴金城Thewindinthelandscapeblowsbetween,say8m/sand16m/sIfthewindbecomespowerfulenoughtomakethebladestallitwillstartstallingattherootoftheblade.letuscuttherotorbladeatthepointwiththeyellowline.Inthenextpicturethegreyarrowshowsthedirectionoftheliftatthispoint.Theliftisperpendiculartothedirectionofthewind.Asyoucansee,theliftpullsthebladepartlyinthedirectionwewant,left.浙江风电公司吴金城叶片扭转和锥度距轮毂不同距离处的合成风速不同。相应的尖速比不同。为了保证最佳攻角，叶片需要扭转一定的角度。浙江风电公司吴金城叶片扭转

叶片扭转是为攻角a相同。浙江风电公司吴金城失速thiscreationofminuteturbulencepreventstheaircraftwingfromstallingatlowwindspeeds.

浙江风电公司吴金城变桨uavwvrvt=wRFl浙江风电公司吴金城浙江风电公司吴金城浙江风电公司吴金城变桨叶片：桨距角增加－减小气流攻角。

桨距角减小－增大气流攻角。

浙江风电公司吴金城变桨特点造价，可靠性。变桨启动。气动刹车。浙江风电公司吴金城浙江风电公司吴金城定桨、变桨、变速P<PratedP=Pratedconst.Pn<nratedVariablespeedFixedspeed,pitchcontrolledP<PratedFixedspeed,stallcontrolledn=nratedP=Prated浙江风电公司吴金城小节风功率于v3成正比功率于风轮扫略面积A成正比,理论风能的转换最佳效率为：最佳风速比为:浙江风电公司吴金城风电机发展演变及趋势浙江风电公司吴金城风能利用历史风能利用已有数千年的历史，蒸气机发明前，风能是船舶航行、提水灌溉、排水造田、磨面等工作的主要动力，最早的利用是“风帆行舟”。“乘风破浪会有时，直挂云帆济沧海”。14世纪郑和七下西洋，风帆船队功不可没。《天工开物》对利用风帆车水灌田就有记载。浙江风电公司吴金城历史Evt.inEgypt,3000yearsago,butnoproofthatEgyptians,Romans,Greecsetc.usedwindpowerFirstproofedwind-mill:公元644Afghanistan,verticalaxis,grain-mill浙江风电公司吴金城有偏航系统的风车1180West-Europe,horizontalaxiswind-mill,„Bockwindmühle“wind-directiontrackingbyturningtheentiremill浙江风电公司吴金城TrackingtheWind-Direction16thcentury:„Dutch-wind-mill“.Technicalimprovement:

winddirectiontrackingbyjustturningtheupperpart1750:Side-wheelforautomatictracking(MekleandLee,Scotland)浙江风电公司吴金城发展Midof19thcentury:Netherlands:around9000wind-millsGermany:around20000wind-mills(2002:around13000)Europe:around200000wind-millsMidof19thcentury:Competitionbysteamengine,butstillquitesuccesfulBeginningof20th:Electricityletswind-poweralmostdieout.浙江风电公司吴金城美国抽水风机Beginningof19thcenturyRequirements:Slowlyrotating

wind-mills,nodestructionincaseof

heavywind-gusts.浙江风电公司吴金城丹麦风电之父PoullaCour(1846-1908)现代风电的先驱。

In1918some120localutilitiesinDenmarkhadawindturbine,typicallyofasizefrom20to35kWforatotalofsome3megawattinstalledpower.

PoullaCourPrizeTheworld'sfirstJournalofWindElectricitywasalsopublishedbyPoullaCour.浙江风电公司吴金城TwoLaCourwindturbinesin1897atAskovFolkHighSchool,Askov,浙江风电公司吴金城DuringWorldWarIItheDanishengineeringcompanyF.L.Smidth(nowacementmachinerymaker)builtanumberoftwo-andthree-bladedwindturbines.

浙江风电公司吴金城TheGedserWindTurbineTheinnovative200kWGedserwindturbinewasbuiltin1956-57byJ.JuulfortheelectricitycompanySEASatGedsercoastintheSouthernpartofDenmark.

Thethree-bladedupwindturbinewithelectromechanicalyawingandanasynchronousgeneratorwasapioneeringdesignformodernwindturbines.Theturbinewasstallcontroled,andJ.Juulinventedtheemergencyaerodynamictipbrakes浙江风电公司吴金城浙江风电公司吴金城突破兆瓦级浙江风电公司吴金城50ies,60iesPriceforprimaryenergydecreasesSomeinterestingprojects,manyfailuresduetolackoffundings浙江风电公司吴金城OilCrises:TheGiants70年代石油危机后，世界各国政府支持风电机的研究开发。研制了一批MW级试验样机。Examples:USA:Mod-1(1979,2000kW),Mod-2(1980,2500kW),Mod-5(1987,3200kW)美国风电机厂商Denmark:Tvind(1978,2000kW)Germany:Growian(1982,3000kW)Sweden:WTS-75(1983,2000kW),WTS-3(1982,3000kW)Canada:Eole(1987,4000kW)->verticalaxis,DarrieusRotorAllconceptssufferedfromlackofreliability.Seenasfailure,but:Welldocumentedprototypesofmodernwindgenerators浙江风电公司吴金城一台特殊的风电机OneimportantmachinesTvind2MWmachine,afairlyrevolutionarymachine,(havingbeenbuiltbyidealistvolunteers,practisinggenderquotasandotherpoliticallycorrectactivities,includingwavingChairmanMao'slittleredbook.)Themachineisadownwindmachinewith54mrotordiameterrunningatvariablespeedwithasynchronousgeneratorandindirectgridconnectionusingpowerelectronics.浙江风电公司吴金城丹麦风电机产业Bonus30kW

TheBonus30kWmanufacturedfrom1980isanexampleofoneoftheearlymodelsfrompresentdaymanufacturers.

LikemostotherDanishmanufacturers,thecompanywasoriginallyamanufacturerofagriculturalmachinery.

Thebasicdesigninthesemachineswasdevelopedmuchfurtherinsubsequentgenerationsofwindturbines.

浙江风电公司吴金城The55kWgenerationofwindturbineswhichweredevelopedin1980-1981becametheindustrialandtechnologicalbreakthroughformodernwindturbines.

Thecostperkilowatthour(kWh)ofelectricitydroppedbyabout50percentwiththeappearanceofthisgenerationofwindturbines.浙江风电公司吴金城风电场California,midoftheeightiesWindfarmswithsmallunits(upto100kW)Beginningof1987:Around15000units,1400MWintotal(40%ofDanishproduction)浙江风电公司吴金城Californiaintheearlyeighties，abouthalfofthewindturbinesplacedinCaliforniaareofDanishorigin.

ThemarketforwindenergyintheUnitedStatesdisappearedovernightwiththedisappearanceoftheCaliforniansupportschemesaround1985.浙江风电公司吴金城当今的风电技术TheprototypeoftheVestas1500kWwascommissionedin1996.

Theoriginalmodelhada63metrerotordiameteranda1,500kWgenerator.

Themostrecentversionhasa68metrerotordiameterandadual1650/300kWgenerator.

浙江风电公司吴金城CommissionedinAugust1999.Ithasa72m(236ft.)rotordiameter.Inthiscase(Hagesholm,Denmark)itismountedona68mtower.浙江风电公司吴金城当今的风电技术NM92(Neg-Micon)RatedCapacity:2,7MWRotorDiameter:92mWind-speed:4....25m/sDoubly-fedinductiongeneratorSource:浙江风电公司吴金城当今的风电技术VestasV90RatedPower:3MWRotorDiameter:90mHubHight:80/105mRotor-speed:9-19rpmWind-speed:4....25m/sDoubly-fedinductiongenerator(1kV)Source:http://www.vestas.dk浙江风电公司吴金城当今的风电技术GE3.6MWRatedCapacity:3,6MWRotorDiameter:104mHubHight:site-dependentRotor-speed8.5..15.3rpmWind-speed:3.5....25m/sDoubly-fedinductiongeneratorSource:浙江风电公司吴金城当今的风电技术EnerconE112RatedPower:4.5MWRotorDiameter:114mHubHight:124mRotor-speed:8-13rpmwind-speed:2.5....28-34m/sDirectdrivesynchronousgenerator

(440V)Source:http://www.enercon.de浙江风电公司吴金城当今的风电技术MultibridM5000RatedPower:5MWRotorDiameter:116mHubHight:variableRotor-speed:5.9-14.8rpmwind-speed:4....25-35m/sPermanentmagnetsynchronous

generatorLowgear-boxratioSpecialprovisionforoffshore-

installationSource:http://www.enercon.de浙江风电公司吴金城当今的风电技术－海上风电Example:HornsRev(Denmark)160MW(80x2MW),doubly-fedinductionmachines(Vestas)Inoperationsincesummer2002浙江风电公司吴金城浙江风电公司吴金城2.3风力发电过程星形环形中央连接浙江风电公司吴金城海上风电场一般将风力发电机组安装在离海岸5km、水深5-20m的浅海区，升压变电站置于塔筒内，通过海底电缆与大陆并网。建设海上风电场风资源的基本条件为年平均风速应大于6m/s(10m高度)。我国海上风能资源丰富，10m高度可利用的风能资源约7亿多kW