风力机原理及技术应用 课件 第1章 风能利用简介

s第一章风能利用简介1.1风能利用概念为了利用风能，需要对风能进行量化。自然界中风速随时间无规律变化，可以认为由稳定风和波动风组成。在对风力机械进行设计时，稳定风和波动风都需要考虑，而对风能利用潜力进行评估时，只能基于稳定风，或者说是某一时间段内的平均风。一个常用的风能测量单位是风功率密度，是与风向垂直的单位面积中风所具有的功率，与风速的三次方和空气密度成正比关系

风能利用是如何将风能转化为其他能量供人们生产生活使用，如动能、热能、电能等。将风能转化为动能最简单，因此人们首先想到利用风的推力（主要靠阻力）获得动能，如最早期的风车碾米、提水等。翼型发明之后，发现利用升力比利用阻力带动旋转更为有效。因此，现在主流的水平轴风力机和垂直轴风力机都属于升力型风力机。1.2风能利用发展历程风力磨坊是当时利用风能最具代表性的风力机械。早期的风力磨坊通常有四只叶片，并且垂直于主风向安装，叶片不能自动跟踪风向，风能不能得到充分利用。为了解决叶片自动对风问题，德国人发明了一种栅架式风力磨房，栅架固定在地面上，叶片和风力磨房主体建筑由栅架支承，并可以随风向转动。1745年荷兰人EdmundLee发明了旋转机头，并获专利，应用在风力磨坊上。

风力磨坊

风力提水机

风力提水机也是早期人们广泛使用的风力机械。10世纪伊斯兰人就利用风车提水。19世纪的欧洲，大约有数十万台风力提水机，最大风轮直径可达25m，功率为30kW。19世纪的美国，有数百万台多叶片风力提水机，风轮直径为3～5m，功率为500～1000W。在风轮的背风面安装一块尾翼，从而保证对风。当尾翼转动90°时，风轮和风向平行，风力提水机停止运行。1.2风能利用发展历程第一阶段

风力发电开始时期

从1891年到20世纪30年代初，这一阶段小容量的风电机组技术基本成熟。

1891年，丹麦P.L.Cour教授设计建造了世界上第一台风力发电机，采用蓄电池充放电方式供电，并得到推广应用。丹麦没有石油，所需石油全部从国外进口，因此丹麦政府对开发利用风能非常积极。此外，丹麦有相当丰富的风能资源和技术储备。到1910年，丹麦已建成100座容量5～25kW风力发电站，风力发电量占全国总发电量的1/4。到20世纪30年代初，小容量的风电机组技术已经比较成熟，并得到广泛推广应用。世界第一台风力发电机1.2风能利用发展历程第二阶段

风力发电徘徊时期

从20世纪30年代初到20世纪60年代末，这一阶段各国对各种大中小的风电机组进行研制和尝试，渴望探索得到廉价的风能资源。20世纪30年代，美国开始研制大中型风电机组。1932年，工程师Honnef设计了一款20MW的大型风电机组，有两个直径达160m反向旋转的风轮，用来解决传动问题，但是在当时的技术条件下，这种庞大的风电机组只能是一个大胆的构思。1941年，美国设计了一台1250kW的伯能大型风电机组，采用两叶片结构。经过1000小时的运转后，到1945年，一只叶片因金属疲劳而断裂。伯能大型风电机组

1.2风能利用发展历程丹麦在风电机组并网方面研究比较深人，取得了很多成果。最具代表性的风电机组是盖瑟风电机组，1956年在盖瑟地域建造，1957年投入运行，额定功率200kW。1968年，由于风力发电价格高于石油发电价格的2倍，该机组停止运转。1973年，由于发生了世界性的石油危机，又被重新整修，于1977年再次运转发电。盖瑟风电机组

1.2风能利用发展历程1958～1966年，法国研制的大型风电机组中，有三种比较具有代表性。尼尔必克风电机组于1958年投入运行，额定功率132kW，三叶片，最大功率可达150kW。贝斯·罗曼尼风电机组，额定功率800kW，三叶片，风轮直径30.2m。1963年投运一台1MW尼尔必克风电机组，三叶片，风轮直径35m，后来由于刹车系统问题而停止运行。尼尔必克风电机组

贝斯·罗曼尼风电机组

1MW风电机组1.2风能利用发展历程英国风电主要是在1948～1963年中发展起来的。1952年，约翰·布朗设计的100kW风电机组，最大功率可达130kW，但由于设计不完善，于1956年停运。另一台设计独特的100kW恩菲·安德鲁风电机组，其叶片是中空的，尖端有开口。当叶片转动时，根据空气动力学原理，在开口处产生低压，抽出叶片与塔筒内部连通的空气。由于塔底部开有进风口，空气可不断地从底部向上流，从而带动塔内安装的风力发电机发电。后来这台风电机组因叶片根部轴承损坏，无法找到替代的零件而停止运行。约翰·布朗风电机组

恩菲·安德鲁风电机组

1.2风能利用发展历程德国由于不产石油，所以也非常积极地开发风能资源。1957～1968年，在风力专家胡特教授的指导下，先后建造了6kW、100kW风电机组。其特点是叶片均采用玻璃纤维为主要材料，有些还采用了复合材料，这在当时是非常先进并通过多年试验验证的技术。胡特风电机组

1.2风能利用发展历程国名额定功率（kW）额定风速（m/s）风轮直径（m）风轮转速（r/min）叶片数塔高（m）投运年份苏联10010.530303301931美国125013.553.326233.51941-1945英国10015.2515.31303\1954英国10013.524.495.42301955英国10018.515.275310.71959丹麦2001524303241957西德100834422241957-1968法国13212.521.2563\1958法国80016.730.247.3332.31958-1962法国10001735\3\1962国外1970年以前研制的100kW级及以上的风电机组

1.2风能利用发展历程第三阶段

中小型风电机组产业化发展时期从20世纪70年代初到20世纪80年代末。1973年秋，爆发了全球性的石油危机，很多国家面临能源短缺的困境，为此提出能源应多样化，风能的开发研究又重新得到重视。1972年，美国成立了能源部，并专门设置了机构负责发展大型、中型和小型风电机组。1976～1980年，美国政府发展风电机组的预算每年都大幅度增加。1975年9月，第一台100kWMOD-0型风电机组开始运行发电。随后几年内，200kWMOD-0A型（1977年）、2000kWMOD-1型（1979年）、2500kWMOD-2型（1980年）和3200kWMOD-5b型（1983年）风电机组陆续推出。MOD-2型风电机组

MOD-5b型风电机组

1.2风能利用发展历程丹麦在20世纪70年代初，也开始研制大型风电机组。1978年，特文德（Tvind）风电机组投入运行。该风电机组额定功率2MW，风轮直径54m。1979年，丹麦设计了A型和B型两种630kW变桨距涅比型风电机组（NibeA和NibeB）。两种型号的区别是：A型叶片的可调节距是在整个叶片长度从根部算起的约1／3处，而B型则在其根部。特文德风电机组

NibeA（右）和NibeB（左）型风电机组

1.2风能利用发展历程德国在单叶片风轮研究方面比较深入。德国MBB公司曾开发生产了直径15～56m，功率从30～700kW的单叶片风电机组。从动力学原理分析，一个风轮至少需要2个叶片才能保持动力学平衡。一个叶片的风轮要稳定运行，必须解决空气动力及自身重力不平衡产生的振动问题，因此，单叶片风轮的价格取决于解决振动控制问题的费用。MBB公司生产的单叶片风电机组

1.2风能利用发展历程第四阶段

现代风电机组发展时期从20世纪90年代初到现在，风力发电从小到大，从单机运行到并网发电，及大规模风电场的建设。90年代初，丹麦维斯塔斯公司生产了一台55kW/1lkW的风电机组，其技术先进，可靠性高。因为选用两台不同功率的发电机，所以在低风速和高风速时风能资源都能得到充分的利用，该机组是现代风电机组的雏形。1.3历代风力机介绍时间：945年名称：风车国家：阿富汗用途：磨房

特点：垂直轴

时间：？名称：中国风车国家：中国用途：提水特点：竹和帆布制

时间：13世纪名称：柱式风车国家：德国用途：磨房特点：木制，整个磨坊转动

时间：15世纪名称：空心柱风车国家：荷兰用途：磨房特点：引入固定地基，简化模房

1.3历代风力机介绍时间：？名称：塔式风车国家：希腊用途：磨房特点：石头塔式磨房，三角形帆

时间：——名称：荷兰风车国家：荷兰用途：磨房特点：大的固定磨房可以容纳更多机械，磨谷物，磨染料，锯木

时间：16世纪名称：帕尔特洛克式水车（Paltrockmill）国家：荷兰用途：磨房特点：不有名，磨房可以转动

时间：1868年名称：哈拉迪风力涡轮机（Halladaywindturbine）国家：美国用途：提水

1.3历代风力机介绍时间：1891年名称：风力发电机国家：丹麦第一台风力发电机时间：1924年名称：La-Cour-Lykkegard风力机（右图）国家：丹麦功率：30kw特点：额定风速为12m/s时间：1941年名称：Smidth“Aeromotor”国家：丹麦功率：50kw（2叶片）

70kw（3叶片）

特点：翼尖速度比约为9时间：1932年名称：霍内夫的设想国家：德国特点：只是设想，5个风轮

第一阶段

风力发电开始时期

1.3历代风力机介绍时间：1942年名称：曼-克莱因亨茨项目（ProjectMAN-Kleinhenz）国家：德国功率：10000kw

该项目未实施

时间：1931年名称：WimeD-30国家：苏联功率：100kw时间：1932年名称：雅各布斯“风力充电器”（Jacobs“windcharger”）国家：美国功率：1.8~3kw

为乡村聚居地和偏远度假屋提供适度供电时间：1941名称：史密斯-普特南风力机（Smith-Putnamwindturbine）国家：美国功率：1250kw风轮直径：53.3叶片数：2

世界上第一台大风机

第二阶段

风力发电徘徊时期

1.3历代风力机介绍时间：1950年名称：约翰·布朗公司风力机（WindturbineoftheJohnBrownCompany）国家：英国功率：100kw

试验机，失败（风轮设计不好）时间：1956年名称：安德罗-恩菲尔德风力机（Andreau-Enfieldwindturbine）国家：英国功率：100kw

具有新的气动传动系统时间：1958年名称：贝斯特-罗马尼风力机（WindturbinebyBest-Romani）国家：法国功率：800kw

时间：1962年名称：内普里克-瓦多风力机（Neypric-Vadotwindturbines）国家：法国功率：1000kw、132kw1.3历代风力机介绍时间：1957年名称：丹麦格德瑟风力机（DanishGedserwindturbine）国家：丹麦功率：200kw时间：1959年名称：W-34风力机国家：德国功率：100kw时间：1975年名称：MOD-0国家：美国功率：200kw

大型涡轮机技术的发展始于美国时间：1979年名称：MOD-1国家：美国功率：2000kw

时间：1980年名称：MOD-2国家：美国功率：2500kw

第三阶段

中小型风电机组产业化发展时期1.3历代风力机介绍时间：1987年名称：MOD-5国家：美国功率：3200KW特点：旨在验证大型风力机（特别是兆瓦级）的技术和商业可行性。是风力发电发展史上的一座里程碑。

时间：1983年名称：MOD-5A国家：美国功率：7300KW特点：计划采用副翼控制双叶桨设计。但最后项目被取消。时间：1978年名称：TvindTurbine国家：丹麦功率：2000KW特点：建造充满热情和理想主义，但在某些方面显得相当业余。时间：1979年名称：NibeAandNibeB国家：丹麦功率：630KW特点：证明了主动桨距调节虽然是更复杂、更具挑战性的技术，但它在性能、效率和载荷控制方面具有无可比拟的优越性。从长远看，这是大型风机的未来。1.3历代风力机介绍时间：1982年名称：theGrowianproject国家：德国功率：3000KW

特点：集成了双叶片、下风向、柔性转子等多项非主流且不成熟的技术。因结构性疲劳等问题，大部分时间处于瘫痪状态。时间：1982年名称：WEC-520国家：德国功率：270KW特点：采用经过验证的“丹麦概念”，风险低。结构设计扎实，维护需求相对较低，寿命长。时间：1985年名称：Monopteros国家：德国功率：600KW特点：采用了当时先进的复合材料和主动控制技术。

时间：1983年名称：WTS-75国家：瑞典功率：2000KW特点：双叶片、上风向配合跷跷板柔性轮毂。成功的全翼展主动变桨控制和载荷管理。1.3历代风力机介绍时间：1983年名称：WTS-3国家：瑞典功率：3000KW特点：在结构设计上采用了更轻量化和灵活化的理念。

时间：1987年名称：Darrieusturbine´Eole国家：加拿大功率：4000KW特点：在相对短暂的运行期间积累的经验并不令人鼓舞，最终风机被拆解，仅公布少量测试数据。

时间：1987年名称：Gamma-60国家：意大利功率：1500KW特点：它精准地预见了现代大型风机的几乎所有关键技术趋势：直驱、变速、全功率变流、主动变桨控制。时间：1988年名称：LS-1国家：英国功率：3000KW特点：采用经典的三叶片、上风向、失速调节设计。1.3历代风力机介绍时间：1989年名称：HWP-55国家：英国功率：1000KW特点：以长寿命和低维护成本闻名。

时间：1985年名称：Newecs-45国家：荷兰功率：1000KW特点：旨在通过极简设计降低材料成本和总重。时间：1985年名称：Tjaereborgexperimentalturbine国家：丹麦功率：2000KW特点：全身传感器网络，产生了无与伦比的科学数据集。时间：1985年名称：AeolusIIinWilhelmshaven国家：德国功率：3000KW特点：无法克服动态不平衡、振动和噪音等根本性缺陷。1.3历代风力机介绍时间：1993年名称：AeolusII国家：瑞士功率：1500KW特点：

旨在通过极简设计实现材料成本和重量的突破性降低。

时间：1990年名称：WKA-60国家：德国功率：1200KW特点：具备主动变桨系统和创新的混合式塔架。时间：1989年名称：Awec-60国家：西班牙功率：1200KW特点：开创性地采用全液压传动系统，旨在取代故障率高的齿轮箱。时间：1989年名称：Darrieuswindturbine国家：西班牙功率：170KW特点：既能有效利用空气动力升力又能实现垂直轴设计的新型涡轮机。

1.3历代风力机介绍时间：1989年名称：H-rotorwindturbine功率：300KW特点：采用直叶片并通过支架与转子轴相连。时间：1989年名称：Horizontal-axiswindturbine(Siemens)国家：德国

功率：3600KW特点：通过调整叶片绕纵轴的俯仰角度（即叶片桨距控制），可精准调控转子转速与功率输出。

名称：E-70特点：风力发电机的叶片内侧结构采用了大弦长设计，完美复现理想形态，并将机舱周围的气流纳入计算范围。名称：E-66特点：在叶片尖端加装导叶方案，叶片叶尖小翼设计。1.3历代风力机介绍时间：1980年名称：温科风力发电机国家：美国

特点：较早使用风向标

时间：1985年名称：Aeroman型小型风力风力机特点：偏航由fan-tailwheel控制,有较大劣势时间：1985年名称：美国ESI风力机国家：美国特点：下风摆动式旋翼，具有明显的锥角时间：1985年名称：美国ESI风力机国家：美国特点：下风摆动式旋翼，具有明显的锥角1.3历代风力机介绍名称：E-40国家：德国特点：直接驱动转子发电机，独立电动桨距系统

名称：小型Windmaster300风力机特点：由焊接钢板制成的转子轮毂名称：N-80国家：德国

特点：铸造转子轮毂名称：HWP-1000国家：英国特点：部分叶片变桨

焊接设计的优点在于可以在无需大量生产工具投资的情况下进行生产。

在具有部分叶片调桨的风力涡轮机中，调桨机构必须安装在外部叶片区域。1.3历代风力机介绍名称：V-66国家：丹麦特点：转子轴带独立轴承、塔架、吊装

名称：V-90国家：丹麦特点：铸造承重结构名称：MkV风力机国家：丹麦特点：固定支撑轴上的转子轴承组件