风力发电机介绍.pptx

会计学1风力发电机介绍风力发电机介绍古代波斯和中国的垂直轴风车第2页/共103页 中国是最早使用帆船和风车的国家之一，明代以后风车的利用较为中国是最早使用帆船和风车的国家之一，明代以后风车的利用较为普遍。中国沿海沿江地区的风帆船和用风力提水灌溉或制盐的做法，普遍。中国沿海沿江地区的风帆船和用风力提水灌溉或制盐的做法，一直延续到一直延续到2020世纪世纪5050年代，仅在江苏沿海利用风力提水的设备就曾年代，仅在江苏沿海利用风力提水的设备就曾达到达到2020万台。万台。第3页/共103页n n欧洲到中世纪才开始广泛利用风能，荷兰人发展了水平轴的风车，欧洲到中世纪才开始广泛利用风能，荷兰人发展了水平轴的风车，1818世纪荷兰曾利用近万座风车将海堤内的水排干，造成的良田相当世纪荷兰曾利用近万座风车将海堤内的水排干，造成的良田相当于国土面积的于国土面积的1/31/3，成果著名的风车之国。，成果著名的风车之国。n n1919世纪中叶以后，美国大规模开发西部，为了解决人畜饮水问题，世纪中叶以后，美国大规模开发西部，为了解决人畜饮水问题，制造了金属叶片的风轮，制造了金属叶片的风轮，驱动活塞泵用于提水，成为有名的美国农驱动活塞泵用于提水，成为有名的美国农场风车。拥有量曾达到场风车。拥有量曾达到600600万台。万台。第4页/共103页n n在蒸汽机出现之前，风力机械是动力机械的一大支柱，其后随着煤、在蒸汽机出现之前，风力机械是动力机械的一大支柱，其后随着煤、石油、天然气的大规模开采和廉价电力的获得，各种曾经被广泛使石油、天然气的大规模开采和廉价电力的获得，各种曾经被广泛使用的风力机械，由于成本高，效率低，使用不方便等，无法与蒸汽用的风力机械，由于成本高，效率低，使用不方便等，无法与蒸汽机、内燃机和电动机等相竞争，渐渐被淘汰。机、内燃机和电动机等相竞争，渐渐被淘汰。n n到了到了1919世纪末，开始利用风力发电，这在解决农村电气化方面显示世纪末，开始利用风力发电，这在解决农村电气化方面显示了重要的作用，特别是了重要的作用，特别是2020世纪世纪7070年代以后利用风力发电更进入了一年代以后利用风力发电更进入了一个蓬勃发展的阶段。个蓬勃发展的阶段。第5页/共103页二、风力发电的发展二、风力发电的发展n n风力发电原理n n世界风力发电的发展n n国内风力发电的发展第6页/共103页风力发电原理风力发电原理风轮基础机舱塔架第7页/共103页风力发电是利用风能来发电，而风力发电机组是将风能转化为电能的机风力发电是利用风能来发电，而风力发电机组是将风能转化为电能的机械。风轮是风电机组最主要的部件，有桨叶和轮毂组成。桨叶具有良好械。风轮是风电机组最主要的部件，有桨叶和轮毂组成。桨叶具有良好的空气动力外形，在风的作用下产生空气动力使风轮旋转，将风能转化的空气动力外形，在风的作用下产生空气动力使风轮旋转，将风能转化成机械能，在通过传动系统（主轴、齿轮箱、连轴器），最后通过发电成机械能，在通过传动系统（主轴、齿轮箱、连轴器），最后通过发电机将机械能转化成电能。机将机械能转化成电能。风能机械能电能理论上Cp90%理论上理论上,最好的风轮只能将约最好的风轮只能将约60%60%的风能转化成机械能的风能转化成机械能.华仪风能华仪风能HW82/1500HW82/1500机组采用机组采用aeroBlade40.3/sinoma40.2aeroBlade40.3/sinoma40.2叶片叶片,最大风能利用系数为最大风能利用系数为0.480.48第8页/共103页n n由于风速随时在变化由于风速随时在变化,因此处在野外运行的风电机组承受着十分复杂因此处在野外运行的风电机组承受着十分复杂恶劣的交变载荷恶劣的交变载荷.n n目前机组的设计寿命是目前机组的设计寿命是2020年年,机组的可利用率要达到机组的可利用率要达到95%95%以上以上.第9页/共103页 IEC-I,IEC-I,生存风速生存风速70m/s(370m/s(3秒阵风秒阵风),),平均风速平均风速10m/s;10m/s;IEC-II,IEC-II,生存风速生存风速59.5m/s(359.5m/s(3秒阵风秒阵风),),平均风速平均风速8.5m/s;8.5m/s;IEC-III,IEC-III,生存风速生存风速52.5m/s(352.5m/s(3秒阵风秒阵风),),平均风速平均风速7.5m/s.7.5m/s.HW50/780 HW50/780机组机组,安全等级为安全等级为IEC-IA,IEC-IA,已经通过北京鉴衡设计认证已经通过北京鉴衡设计认证,轮毂中心高度为轮毂中心高度为5050米米.HW77/1500 HW77/1500机组机组,安全等级安全等级TC 2A+,TC 2A+,即抗极限风速按即抗极限风速按IEC-IIEC-I设计设计,平均风速按平均风速按IEC-IIIEC-II设计设计.配套轮毂中心高配套轮毂中心高61.4m.61.4m.安全等级安全等级TC 2A,TC 2A,配套轮毂中心高度配套轮毂中心高度70m.70m.HW82/1500 HW82/1500机组机组,安全等级安全等级TC 3B,TC 3B,已经通过德国已经通过德国TUV-NordTUV-Nord设计认证设计认证,轮毂中心高度轮毂中心高度70m/80m.70m/80m.第10页/共103页 独立运行供电系统独立运行供电系统 即在电网未通达的偏远地区即在电网未通达的偏远地区,用小用小型风电机组为蓄电池充电型风电机组为蓄电池充电,再通再通过逆变器转化成交流电向终端过逆变器转化成交流电向终端电器供电电器供电;或者采用中型风电机或者采用中型风电机组与柴油发电机组成混合供电组与柴油发电机组成混合供电系统。系统。作为常规电网的能源作为常规电网的能源,与电网并联运行与电网并联运行.联网风力发电是大规模利用风能的最经济方式。单机容量在联网风力发电是大规模利用风能的最经济方式。单机容量在2002500kW2002500kW之间之间,既可以单独并网既可以单独并网,也可以由多台机组组成风力发电场也可以由多台机组组成风力发电场.第11页/共103页利：风电的突出优点是环境效益好利：风电的突出优点是环境效益好,不排放任何有害气体和不排放任何有害气体和废弃物废弃物.风电场虽然占了大片土地风电场虽然占了大片土地,但是风电机组基础的使用但是风电机组基础的使用面积很小面积很小,不影响农田和牧场的正常生产不影响农田和牧场的正常生产.而且多风的地方往而且多风的地方往往是荒滩或山地往是荒滩或山地,建设风场的同时也开发了旅游资源建设风场的同时也开发了旅游资源.弊：由于风速是随时变化的弊：由于风速是随时变化的,风电的不稳定性会给电网带来风电的不稳定性会给电网带来一定的影响一定的影响,目前许多电场内都建设有调峰用的抽水蓄能电目前许多电场内都建设有调峰用的抽水蓄能电站站,使风电的这个缺点可以得到克服使风电的这个缺点可以得到克服.第12页/共103页世界风力发电的发展世界风力发电的发展 小型充电用风力机达到实小型充电用风力机达到实 用阶段。用阶段。并网型机组的研制。并网型机组的研制。19731973年石油危机以后，风年石油危机以后，风电行业迅猛发展。电行业迅猛发展。第13页/共103页 19 19世纪末，丹麦首先开始探索风力发电，研制出风世纪末，丹麦首先开始探索风力发电，研制出风力发电机组。直到力发电机组。直到2020世纪世纪7070年代以前，只有小型充电年代以前，只有小型充电用风力机达到实用阶段。独立运行的小型风电机组在用风力机达到实用阶段。独立运行的小型风电机组在实现农村电气化方面起了很大作用。实现农村电气化方面起了很大作用。当时的机组多采用木制叶片、固定轮毂和侧偏尾舵当时的机组多采用木制叶片、固定轮毂和侧偏尾舵调速，单机容量范围在调速，单机容量范围在0.53kW.0.53kW.第14页/共103页对于如何将风力发出的电送入电网对于如何将风力发出的电送入电网,曾经做过许多尝试来研制并曾经做过许多尝试来研制并网风力发电机组。网风力发电机组。容量最大：美国制造的容量最大：美国制造的1.25MW1.25MW机组，风轮直径机组，风轮直径53m53m，安装在佛，安装在佛蒙特州，于蒙特州，于19411941年年1010月作为常规电站并入电网，后因一个叶片月作为常规电站并入电网，后因一个叶片在在19451945年年3 3月脱落而停止运行。月脱落而停止运行。影响最大：丹麦研制的一款影响最大：丹麦研制的一款200kW200kW机组，设计者采用异步电机、机组，设计者采用异步电机、定桨距风轮和叶片端部有制动翼片，这种结构方式后来成为丹麦定桨距风轮和叶片端部有制动翼片，这种结构方式后来成为丹麦风电机组的主流。风电机组的主流。第15页/共103页19731973年石油危机以后，美国、西欧等发达国家为寻求替代化石燃料的能源，投入大量的经费，动员高科技产业，利用计算机、空气动力学、结构力学和材料科学等领域的新技术研制现代风力发电机组，开创了风能利用的新时期。年石油危机以后，美国、西欧等发达国家为寻求替代化石燃料的能源，投入大量的经费，动员高科技产业，利用计算机、空气动力学、结构力学和材料科学等领域的新技术研制现代风力发电机组，开创了风能利用的新时期。各个国家相继出台了激励措施，促进了风电行业的发展。各个国家相继出台了激励措施，促进了风电行业的发展。风电机组的型式也从多种结构形式逐步向少数几种过渡风电机组的型式也从多种结构形式逐步向少数几种过渡:2020世纪世纪8080年代初期，市场上有上风向和下风向；风轮主轴有水平轴和垂直轴的；风轮叶片有三个、两个、甚至一个的；叶片材料有木头的和玻璃钢的。最后只剩下以水平轴、上风向、三叶片的机组为主。年代初期，市场上有上风向和下风向；风轮主轴有水平轴和垂直轴的；风轮叶片有三个、两个、甚至一个的；叶片材料有木头的和玻璃钢的。最后只剩下以水平轴、上风向、三叶片的机组为主。第16页/共103页国内风力发电的发展国内风力发电的发展l l 小型机组发展迅速；小型机组发展迅速；小型机组发展迅速；小型机组发展迅速；l l 并网型机组的研制；并网型机组的研制；并网型机组的研制；并网型机组的研制；l l 引进国外成熟机型；引进国外成熟机型；引进国外成熟机型；引进国外成熟机型；l l 迅猛发展阶段。迅猛发展阶段。迅猛发展阶段。迅猛发展阶段。第17页/共103页中国风力发电技术起源于中国风力发电技术起源于2020世纪世纪7070年代初。经过初期发展、年代初。经过初期发展、单机分散研制、示范应用、重点攻关、实用推广、系列化和单机分散研制、示范应用、重点攻关、实用推广、系列化和标准化几个阶段的发展，取得了很大的成效。取得了明显的标准化几个阶段的发展，取得了很大的成效。取得了明显的经济效益和社会效益，特别是在解决常规电网外无电地区农、经济效益和社会效益，特别是在解决常规电网外无电地区农、牧、渔民用电方面走在世界的前列。牧、渔民用电方面走在世界的前列。到到20002000年底，全国的小型风电机组生产企业有十几家，年生年底，全国的小型风电机组生产企业有十几家，年生产能力超过产能力超过3 3万台，产品额定功率从万台，产品额定功率从0.110kW0.110kW。中国的微型。中国的微型及小型机组还出口到美国、德国、希腊、比利时、瑞典等国。及小型机组还出口到美国、德国、希腊、比利时、瑞典等国。第18页/共103页并网型机组的研制并网型机组的研制2020世纪世纪8080年代，中国陆续研制过几种并网型机组，额定年代，中国陆续研制过几种并网型机组，额定功率分别是功率分别是1818、3030、5555和和200KW200KW，未能转化成商品型机，未能转化成商品型机组。组。第19页/共103页引进技术，消化吸收引进技术，消化吸收19971997年新疆风能公司购买了德国年新疆风能公司购买了德国JacobsJacobs公司公司500kW500kW风电风电机组的制造技术，随后试制出十几台机组的制造技术，随后试制出十几台500kW500kW和和600kW600kW样机。样机。中国西安航空发动机公司与德国中国西安航空发动机公司与德国NordexBalcke-DurrNordexBalcke-Durr公司公司合资，引进合资，引进NordexN43/600NordexN43/600型风电机组的制造技术。型风电机组的制造技术。中国第一拖拉机工程机械公司与西班牙中国第一拖拉机工程机械公司与西班牙MADEMADE公司合资建公司合资建立了立了拖美德风电设备公司，引进拖美德风电设备公司，引进660kW660kW机组。机组。第20页/共103页19941994年以后，国家出台相关政策，促进了风电行业的发展。年以后，国家出台相关政策，促进了风电行业的发展。第21页/共103页发达国家与发展中国家发电对比发达国家与发展中国家发电对比第22页/共103页中国风电机组累计装机容量（中国风电机组累计装机容量（MW）中国风电市场迅猛发展，2006 年新增装机达1347MWNew installed capacity is 1347MW in 2006第23页/共103页三、风力发电机组基础知识三、风力发电机组基础知识第24页/共103页1、概论、概论n n1.1 风力发电机简介n n1.2 风力发电机设计总论n n 设计过程n n 风力发电机组机构形式n n 机组载荷第25页/共103页1.1 风力发电机组简介风力发电机组简介1）风力发电机 能量转化装置：风能 电能 第26页/共103页几点说明：几点说明：1、风力发电机和风车2、风力发电机和电网 风力发电机总是连接着某种电网：风力发电机总是连接着某种电网：蓄电池电路蓄电池电路 民用电路民用电路 独立电路独立电路 大型公用电网大型公用电网风能风能电电 能能机械能机械能风力发电机风力发电机风车风车第27页/共103页3、风力发电机与风 （风轮）（发电机）风能 机械能 电能二次转化不能存储风风电的波动性和断续（不可调度）风不能被传送，风电只能就地产生几点说明：第28页/共103页2）风力发电机的组成）风力发电机的组成第29页/共103页风风风风机机机机结结结结构构构构示示示示意意意意图图图图1 1 叶片叶片 2 2 轮毂轮毂3 3 主轴承主轴承 4 4 主轴主轴 5 5 齿轮箱齿轮箱6 6 制动器、弹性联轴器制动器、弹性联轴器 7 7 双馈发电机双馈发电机8 8 偏航系统偏航系统 9 9 机舱底盘机舱底盘 10 10 润滑系统润滑系统11 11 舱内维修平台舱内维修平台 12 12 舱内控制柜舱内控制柜13 13 通风系统通风系统第30页/共103页风力发电机组的组成（续）风力发电机组的组成（续）n n风力发电机组的主要组成部分：风力发电机组的主要组成部分：风轮：将风能转变为机械能风轮：将风能转变为机械能 传动系统：将叶轮的转速提升到发电机的额传动系统：将叶轮的转速提升到发电机的额定转速定转速 发电机；将机械能转变为电能发电机；将机械能转变为电能 偏航系统：使风轮可靠的迎风转动并解缆。偏航系统：使风轮可靠的迎风转动并解缆。其他部件：如机舱、塔架等其他部件：如机舱、塔架等 控制系统：使风力发电机组在各种自然条件控制系统：使风力发电机组在各种自然条件与工况下正常运行的保障机制，包括调速、调向与工况下正常运行的保障机制，包括调速、调向和安全控制。和安全控制。第31页/共103页3）风力发电机组分类）风力发电机组分类n n根据额定功率分为小、中、大型机组。但由于各个国根据额定功率分为小、中、大型机组。但由于各个国家和地区经济技术发展不平衡，界限不尽相同。家和地区经济技术发展不平衡，界限不尽相同。欧洲欧洲美国美国中国中国微型机微型机1kW以下以下小型机小型机小于小于100kW110kW中型机中型机100500kW1001000kW10100kW大型机大型机大于大于500kW大于大于1000kW大于大于100kW第32页/共103页机组的容量、叶轮直径和塔架高度机组的容量、叶轮直径和塔架高度第33页/共103页德国德国Repower公司公司5MW机组机组第34页/共103页4）风力发电机的主要机型）风力发电机的主要机型n n按功率调节方式分：按功率调节方式分：n n按叶轮转速是否恒定分：按叶轮转速是否恒定分：n n其他机型其他机型:定桨距定桨距(失速型失速型)机组机组变桨距机组变桨距机组定速风力机定速风力机变速风力机变速风力机主动失速型主动失速型直驱型直驱型海上风力机海上风力机组合成多组合成多种机型种机型第35页/共103页海上机组海上机组第36页/共103页风力发电机组功率曲线风力发电机组功率曲线第37页/共103页5）基本特征技术及发展趋势）基本特征技术及发展趋势n n基本技术特征n n机型的发展趋势水平轴、三叶片、上风向水平轴、三叶片、上风向定桨距定桨距 变桨距变桨距定速定定速定 变速型变速型kWkW级级 MWMW级级有齿轮箱式有齿轮箱式 直驱式直驱式第38页/共103页6）主要零部件简介）主要零部件简介由叶片和轮毂组成由叶片和轮毂组成是机组中最重要的部件：决定性能与成本是机组中最重要的部件：决定性能与成本目前多数是上风式，三叶片；也有下风式，两叶片目前多数是上风式，三叶片；也有下风式，两叶片叶片与轮毂的连接：固定式，可动式叶片与轮毂的连接：固定式，可动式叶片材料叶片材料第39页/共103页主要零部件简介（续）主要零部件简介（续）由风力发电机中的旋转部分组成。主要包括低速轴、由风力发电机中的旋转部分组成。主要包括低速轴、齿轮箱和高速轴，以及支撑轴承、联轴器和机械刹车。齿轮箱和高速轴，以及支撑轴承、联轴器和机械刹车。齿轮箱有两种：平行轴式与行星式，大型机组中多用齿轮箱有两种：平行轴式与行星式，大型机组中多用行星式。行星式。有些机组无齿轮箱有些机组无齿轮箱传动系的设计按传统的机械工程方法，主要考虑特殊传动系的设计按传统的机械工程方法，主要考虑特殊的受载荷情况。的受载荷情况。第40页/共103页主要零部件简介（续）主要零部件简介（续）包括机舱罩、机架和偏航系统；包括机舱罩、机架和偏航系统；机舱罩起防护作用，机架支撑着传动系统；机舱罩起防护作用，机架支撑着传动系统；偏航系统的主要部件是一个连接机架和塔架的大齿轮；偏航系统的主要部件是一个连接机架和塔架的大齿轮；上风式采用主动偏航，由偏航电机驱动，由偏航控制系统上风式采用主动偏航，由偏航电机驱动，由偏航控制系统控制；控制；偏航刹车用来固定机舱位置；偏航刹车用来固定机舱位置；自由偏航主要用于下风式机组。自由偏航主要用于下风式机组。第41页/共103页1.5MW机组具有较好的防尘和密封性能;叶片、风轮罩和轮毂表面都喷涂高附着力、耐腐蚀防护层，能够保证这些零部件在机组寿命期限内不受腐蚀破坏。同时针对沙尘暴环境，防护层中添加了性能较好的耐磨剂，使机组能够很好的抵御沙尘的冲刷。第42页/共103页主要零部件简介（续）主要零部件简介（续）主要有异步电机和同步电机两种，两者都能在并网主要有异步电机和同步电机两种，两者都能在并网时定速或近似定速运行；时定速或近似定速运行；异步电机由于可靠、廉价、易于接入电网而得到更异步电机由于可靠、廉价、易于接入电网而得到更多的使用；多的使用；变速运行时，电气系统将更昂贵和复杂；变速运行时，电气系统将更昂贵和复杂；选用适当的变流装置，同步电机和异步电机都可以选用适当的变流装置，同步电机和异步电机都可以用于变速运行。用于变速运行。第43页/共103页主要零部件简介（续）主要零部件简介（续）塔架有钢管、桁架和混凝土三种；塔架有钢管、桁架和混凝土三种；塔架高度通常为叶轮直径的塔架高度通常为叶轮直径的11.511.5倍；倍；塔架的刚度在风力机动力学中是主要因素；塔架的刚度在风力机动力学中是主要因素；对于下风式机型，必须要考虑塔影效应、功率波动和对于下风式机型，必须要考虑塔影效应、功率波动和噪声问题。噪声问题。第44页/共103页叶片形式叶片形式 一般风轮叶片数取决于风轮的尖速比。目前的风力发电机组一般属于高速风力机，=47，叶片数一般取3。用于风力提水的风力机一般属于低速风力机，叶片数较多。叶片数多的风力机在低尖速比运行时，虽然风能利用系数较低，但具有较大的转矩，而且起动风速也低，因此适用于提水。而叶片数少的风力发电机组在高尖速比运行时具有较高的风能利用系数，但起动风速较高。另外，叶片数目确定应与实度一起考虑，既要考虑风能利用系数，也要考虑起动性能。由于三叶片的风力发电机的运行和输出功率较平稳，目前风力发电机采用三叶片的较多。第45页/共103页塔架类型塔架类型水泥塔钢制锥塔桁架结构塔第46页/共103页1.2风力发电机设计总论风力发电机设计总论n n风力发电机的主要部件第47页/共103页风力发电机的主要部件风力发电机的主要部件n n典型的水平轴风力发电机叶轮，包括叶片与轮毂叶轮，包括叶片与轮毂传动系，除叶轮之外的旋转部件，主要有：主轴、齿轮传动系，除叶轮之外的旋转部件，主要有：主轴、齿轮箱、联轴器、机械刹车和发电机箱、联轴器、机械刹车和发电机机舱，包括机舱罩、机架和偏航系统机舱，包括机舱罩、机架和偏航系统塔架和基础塔架和基础控制系统控制系统电气系统，包括电缆、开关装置、变压器，以及变流器电气系统，包括电缆、开关装置、变压器，以及变流器第48页/共103页风力发电机设计的主要内容风力发电机设计的主要内容叶片数目（叶片数目（2 2或或3 3个）个）叶轮的方位；上风式或下风式叶轮的方位；上风式或下风式叶片材料、结构和外形叶片材料、结构和外形轮毂设计：刚性或铰链轮毂设计：刚性或铰链功率控制：失速或变桨距功率控制：失速或变桨距定速或变速运行定速或变速运行主动偏航或自由偏航主动偏航或自由偏航同步电机或异步电机同步电机或异步电机有齿轮箱或直接驱动有齿轮箱或直接驱动第49页/共103页设计过程和要求设计过程和要求l l 经济性是风力发电机设计要考虑的基本问题。设计的经济性是风力发电机设计要考虑的基本问题。设计的基本目标是使机组的能量成本最低。基本目标是使机组的能量成本最低。l l能量成本受许多因素的影响，但主要有两个：能量成本受许多因素的影响，但主要有两个：l l设计的基本要求：设计的基本要求：机组本身的成本（机器、安装、运行、维护等）机组本身的成本（机器、安装、运行、维护等）年发电量（设计和风资源）年发电量（设计和风资源）单个零部件成本最低，重量尽可能轻；单个零部件成本最低，重量尽可能轻；足够的强度承受可能的极限载荷足够的强度承受可能的极限载荷运行可靠，最低的维护费用运行可靠，最低的维护费用足够的疲劳寿命足够的疲劳寿命第50页/共103页风力发电机总体布局风力发电机总体布局风力机总体布局的选项：风力机总体布局的选项：叶轮轴线的方位：水平或垂直；叶轮轴线的方位：水平或垂直；功率控制：失速，变桨距；功率控制：失速，变桨距；叶轮的方位：上风式或下风式；叶轮的方位：上风式或下风式；偏航控制：主动偏航，自由偏航或固定偏航偏航控制：主动偏航，自由偏航或固定偏航叶轮转速：定速或变速；叶轮转速：定速或变速；轮毂类型：固定式或可动式轮毂类型：固定式或可动式叶片的数量叶片的数量第51页/共103页1）叶轮轴线的方位：水平或垂直）叶轮轴线的方位：水平或垂直大多数现代机是水平轴（平行或近似平行于地面）大多数现代机是水平轴（平行或近似平行于地面）水平轴机组有两个主要优势：水平轴机组有两个主要优势：实度较低，进而成本低于垂直轴机组。实度较低，进而成本低于垂直轴机组。叶轮扫略面的平均高度可以更高。利于增加发电量叶轮扫略面的平均高度可以更高。利于增加发电量。垂直轴机组的优势：垂直轴机组的优势：无需偏航无需偏航叶片定弦长，无扭曲。叶片定弦长，无扭曲。传动系位置可降低。传动系位置可降低。第52页/共103页第53页/共103页第54页/共103页2）叶轮功率控制：失速、变桨距）叶轮功率控制：失速、变桨距 失速控制方式失速控制方式功率控制方式简单，成本较低；功率控制方式简单，成本较低；叶片与轮毂的连接简单；叶片与轮毂的连接简单；叶轮转速需单独控制；叶轮转速需单独控制；在较高风速下达到最大功率；在较高风速下达到最大功率；传动系的设计偏安全。传动系的设计偏安全。第55页/共103页2）叶轮功率控制：失速、变桨距）叶轮功率控制：失速、变桨距 变桨距控制方式变桨距控制方式易于控制；易于控制；变桨距轴承使轮毂结构较为复杂；变桨距轴承使轮毂结构较为复杂；增加变桨距驱动装置。增加变桨距驱动装置。第56页/共103页3）叶轮方位：上风向或下风向）叶轮方位：上风向或下风向 上风向：上风向：需主动偏航；需主动偏航；塔影效应小；塔影效应小；叶根弯曲应力大。叶根弯曲应力大。第57页/共103页叶轮方位：上风向或下风向叶轮方位：上风向或下风向 上风向：上风向：可自由偏航；可自由偏航；减小或消除叶根弯曲减小或消除叶根弯曲应力；应力；有塔影效应（气动力有塔影效应（气动力减小、叶片疲劳、噪音。减小、叶片疲劳、噪音。第58页/共103页4）叶轮转速：定速或变速）叶轮转速：定速或变速n n 定速机型发电方式简单，造价低；对电网依赖程度高。第59页/共103页叶轮转速：定速或变速叶轮转速：定速或变速n n变速机型电气设备价高；电能品质好。第60页/共103页机组载荷机组载荷 总体布局完成后，必须考虑载荷，使机组能够承受得住。总体布局完成后，必须考虑载荷，使机组能够承受得住。载荷以力或力矩的形式表示。载荷以力或力矩的形式表示。机组零部件的设计考虑两种载荷：机组零部件的设计考虑两种载荷：极限载荷（最大载荷乘安全系数）极限载荷（最大载荷乘安全系数）疲劳载荷。疲劳载荷。作用在风力机上的载荷分为五类：作用在风力机上的载荷分为五类：稳定载荷（包括静载荷）稳定载荷（包括静载荷）周期载荷；周期载荷；随即载荷；随即载荷；瞬态载荷；瞬态载荷；谐振载荷。谐振载荷。第61页/共103页载荷及其来源载荷及其来源第62页/共103页 2、风力机空气动力学基础、风力机空气动力学基础n n 叶片的空气动力特性n n 叶轮的空气动力模型第63页/共103页2.1 空气动力学的基本概念空气动力学的基本概念一、流线一、流线l l 气体质点：体积无限小的具有质量和速度的流体微团。气体质点：体积无限小的具有质量和速度的流体微团。l l 流线：流线：在某一瞬时沿着流场中各气体质点的速度方向连成的一条平滑曲在某一瞬时沿着流场中各气体质点的速度方向连成的一条平滑曲线。线。描述了该时刻个气体质点的运动方向：切线方向。描述了该时刻个气体质点的运动方向：切线方向。流场中众多流线的集合称为流线簇。一般情况下，各流线彼此不流场中众多流线的集合称为流线簇。一般情况下，各流线彼此不会相交。会相交。第64页/共103页第65页/共103页 绕过障碍物的流线：绕过障碍物的流线：当流线绕过障碍物时，流线形状会改变，其形状当流线绕过障碍物时，流线形状会改变，其形状取决于所绕过的障碍物的形状。取决于所绕过的障碍物的形状。不同的物体对气流的阻碍效果也不相同不同的物体对气流的阻碍效果也不相同 考虑几种形状的物体，它们的截面尺寸相同，但考虑几种形状的物体，它们的截面尺寸相同，但侧面形状各异，对气流的阻碍作用（阻力系数）不侧面形状各异，对气流的阻碍作用（阻力系数）不同同第66页/共103页第67页/共103页二、阻力与升力二、阻力与升力 阻力：阻力：当气流与物体有相对运动时，气流对物体的平行当气流与物体有相对运动时，气流对物体的平行于气流方向的作用力。于气流方向的作用力。升力：升力：先定性的考察一番飞机机翼附近的流线。当机翼先定性的考察一番飞机机翼附近的流线。当机翼相对于流线保持图示的方向与方位时，在机翼上下相对于流线保持图示的方向与方位时，在机翼上下面流线簇的疏密程度是不尽相同的。面流线簇的疏密程度是不尽相同的。第68页/共103页第69页/共103页第70页/共103页三、翼型的气动特性三、翼型的气动特性1、翼型的几何描述：翼型的几何描述：uu 前缘与后缘：前缘与后缘：uu 翼弦；翼弦；OBOB，长度称为弦长，记为，长度称为弦长，记为C C弦长是翼型的基本长度，也称几何弦。弦长是翼型的基本长度，也称几何弦。此外，翼型上还有气动弦，又称零升力线。此外，翼型上还有气动弦，又称零升力线。第71页/共103页l l 上翼面：凸出的翼型表面。上翼面：凸出的翼型表面。l l 下翼面：平缓的翼型表面。下翼面：平缓的翼型表面。l l 中弧线：翼型内切圆圆心的连线。对称翼型的中弧线与翼中弧线：翼型内切圆圆心的连线。对称翼型的中弧线与翼弦重合。弦重合。l l 厚度：翼弦垂直方向上上下翼面间的距离。厚度：翼弦垂直方向上上下翼面间的距离。厚度分布：沿着翼弦方向的厚度变化。厚度分布：沿着翼弦方向的厚度变化。l l 弯度：翼型中弧线与翼弦间的距离。弯度：翼型中弧线与翼弦间的距离。弯度分布：沿着翼弦方向的弯度变化。弯度分布：沿着翼弦方向的弯度变化。第72页/共103页2、作用在翼型上的气动力。、作用在翼型上的气动力。uu 重要概念：攻角重要概念：攻角第73页/共103页l l由于机翼上下表面所受的压力差，实际上存在着一个指向上由于机翼上下表面所受的压力差，实际上存在着一个指向上翼面的合力，记为翼面的合力，记为R R。阻力与升力：阻力与升力：R R在风速方向上的投影称为阻力，记为在风速方向上的投影称为阻力，记为DD；而在垂直于风速方向上的投影称为升力，记为而在垂直于风速方向上的投影称为升力，记为L L。气动力矩：合力气动力矩：合力R R对（除自己的作用点外）其它点的力矩，对（除自己的作用点外）其它点的力矩，记为记为MM。又称扭转力矩。又称扭转力矩。l l为方便使用，通常用无量纲数值表示翼剖面的气动特性，故为方便使用，通常用无量纲数值表示翼剖面的气动特性，故定义几个气动力系数：定义几个气动力系数：升力系数：升力系数：C CL L=L/(1/2V=L/(1/2V2 2C)C)阻力系数：阻力系数：C CDD=D/(1/2V=D/(1/2V2 2C)C)气动力矩系数：气动力矩系数：C CMM=M/(1/2V=M/(1/2V2 2C C2 2)此处，此处，L L、DD、MM分别为翼型沿展向单位长度的升力、阻力和分别为翼型沿展向单位长度的升力、阻力和气动力矩。气动力矩。第74页/共103页3、翼剖面的升力特性、翼剖面的升力特性uu 用升力系数用升力系数CLCL随攻角变化的曲线（升力随攻角变化的曲线（升力特性曲线）来描述。特性曲线）来描述。第75页/共103页说明：说明：uu 在在 0 0 CTCT之间，之间，C CL L与与 呈近似的线性关系表明随呈近似的线性关系表明随着着 的增加，升力的增加，升力L L逐渐加大。逐渐加大。uu 在在=CTCT时，时，C CL L达到最大值。达到最大值。CTCT称为临界攻角称为临界攻角或失速攻角，当或失速攻角，当 CTCT时，时，C CL L下降。下降。uu 当当=0 0时，时，C CL L=0=0，表明无升力。，表明无升力。0 0称为零升力称为零升力角，对应零升力线。角，对应零升力线。第76页/共103页4、翼剖面的阻力特性、翼剖面的阻力特性用阻力特性曲线来描述：用阻力特性曲线来描述：两个特性参数：两个特性参数：最小阻力系数最小阻力系数C CDminDmin及对应攻角及对应攻角 CDminCDmin第77页/共103页5、极曲线、极曲线第78页/共103页二、贝兹理论二、贝兹理论1、贝兹理论中的假设叶轮是理想的；叶轮是理想的；气流在整个叶轮扫略面上是均匀的；气流在整个叶轮扫略面上是均匀的；气流始终沿着叶轮轴线气流始终沿着叶轮轴线叶轮处在单元流管模型中，如图。叶轮处在单元流管模型中，如图。流体连续性条件：流体连续性条件：S1V1=SV=S2V2S1V1=SV=S2V2第79页/共103页2、对叶轮应用气流冲量原理、对叶轮应用气流冲量原理uu 叶轮所受的轴向推力 F=m（V1-V2）式中m=SV，为单位时间内的流量质量uu 叶轮单位时间内吸收的风能叶轮吸收 的功率为：P=FV=SV2（V1-V2）第80页/共103页3、动能定理的应用、动能定理的应用 基本公式：基本公式：E=1/2mVE=1/2mV2 2（m m同上）同上）单位时间内气流所做的功单位时间内气流所做的功功率：功率：P=1/2mVP=1/2mV2 2=1/2=1/2SVSVV V2 2 在叶轮前后，单位时间内气流动能的改变量：在叶轮前后，单位时间内气流动能的改变量：P=1/2P=1/2SVSV（V V1 12 2-V-V2 22 2）此既气流穿越叶轮时，被叶轮吸收的功率此既气流穿越叶轮时，被叶轮吸收的功率。因此：因此：SVSV2 2（V V1 1-V-V2 2）=1/2=1/2SVSV（V V1 12 2-V-V2 22 2）整理得：整理得：V=1/2V=1/2（V V1 1+V+V2 2）即穿越叶轮的风速为叶轮远前方与远后方风速的均值。即穿越叶轮的风速为叶轮远前方与远后方风速的均值。第81页/共103页4、贝兹极限、贝兹极限 引入引入轴向干扰因子轴向干扰因子进一步讨论。进一步讨论。令：令：V=VV=V1 1(1-)=V(1-)=V1 1-U-U 则有：则有：V V2 2=V=V1 1(1-2)(1-2)其中：其中：轴向干扰因子，又称入流因子。轴向干扰因子，又称入流因子。U=VU=V1 1轴向诱导速度。轴向诱导速度。讨论：讨论：当当1/21/2时，时，V V2 200，因此，因此1/21/2。又又V VV V1 1且且V V0 0，有，有1 10 0。的范围：的范围：1/21/20 0第82页/共103页由于叶轮吸收的功率为由于叶轮吸收的功率为 P=P=1/2P=P=1/2SVSV（V V1 12 2-V-V2 22 2）=2SV=2SV1 13 3（1-1-）2 2令令dP/d=0dP/d=0，可得吸收功率最大时的入流因子。，可得吸收功率最大时的入流因子。解得：解得：=1=1和和=1/3=1/3。取。取a=1/3a=1/3，得，得 Pmax=16/27Pmax=16/27（1/2SV1/2SV1 13 3）注意到注意到1/2SV1/2SV1 13 3是远前方单位时间内气流的动能是远前方单位时间内气流的动能功率，并功率，并定义风能利用系数定义风能利用系数CpCp为：为：Cp=P/Cp=P/（1/2SV1/2SV1 13 3）于是最大风能利用系数于是最大风能利用系数CpmaxCpmax为：为：Cpmax=Pmax/Cpmax=Pmax/（1/2SV131/2SV13）=16/270.593=16/270.593此乃贝兹极限。此乃贝兹极限。第83页/共103页三、叶素理论三、叶素理论第84页/共103页翼型剖面翼型剖面第85页/共103页第86页/共103页第87页/共103页额定风速与成本的关系额定风速与成本的关系第88页/共103页第89页/共103页n n由于风能与风速的三次方成正比，因此风况是影响风力发电经济性的一个重要因素。根据国由于风能与风速的三次方成正比，因此风况是影响风力发电经济性的一个重要因素。根据国内外大型风电场的开发建设经验，为保证风力发电机组高效稳定的运行，达到预期的目的，内外大型风电场的开发建设经验，为保证风力发电机组高效稳定的运行，达到预期的目的，风电场场址必须具备丰富的风能资源。风电场场址必须具备丰富的风能资源。四、风电场场址的选择四、风电场场址的选择第90页/共103页考虑的因素考虑的因素n n风速较大风速较大n n风向基本稳定风向基本稳定n n风速变化小风速变化小n n湍流强度小湍流强度小n n无灾害性天气无灾害性天气n n靠近电网靠近电网n n交通方便交通方便n n对环境不利影响小对环境不利影响小n n地形、地质情况，地理位置地形、地质情况，地理位置n n温度、湿度、气压温度、湿度、气压第91页/共103页第92页/共103页第93页/共103页华仪电气华仪电气1.5MW机组机组1.5MW1.5MW风力机组为华仪电气与德国风力机组为华仪电气与德国Aero