风力发电原理讲解

能源动力与机械工程学院P141-1风力发电原理雷鸣热能工程教研室能源动力与机械工程学院P141-2•风力机的类型•风电机组主要参数及设计级别•水平轴风力机构造第三章风力机分类和构成能源动力与机械工程学院P141-3§3-1风力机的类型按容量划分小型风力机：容量小于60kW中型风力机：容量为70～600kW大型风力机：容量为600～1000kW（1MW）巨型风力机：容量大于1000kW。单机容量越大，桨叶越长。2MW风力机叶片的直径已经达到72m，最长的叶片已经做到50m，且随着机组容量的增加会更长。能源动力与机械工程学院P141-4能源动力与机械工程学院P141-5按照风轮结构及其在气流中的位置：水平轴风力机:叶片围绕一个水平轴旋转，旋转平按风轮结构划分面与风向垂直。垂直轴风力机:风轮围绕一个垂直轴进行旋转。能源动力与机械工程学院P141-6能源动力与机械工程学院P141-7按功率调节方式划分定桨距风力机变桨距风力机主动失速型风力机能源动力与机械工程学院P141-8定桨距风力机:叶片固定在轮毂上，桨距角不变，风力机的功率调节完全依靠叶片的失速性能。当风速超过额定风速时，在叶片后端将形成边界层分离(湍流状态)，使升力系数下降，阻力系数增加，从而限制了机组功率的进一步增加。优点:结构简单。缺点:不能保证超过额定风速区段的输出功率恒定，并且由于阻力增大,导致叶片和塔架等部件承受的载荷相应增大。此外，由于桨距角不能调整，没有气动制动功能，因此定桨距叶片在叶尖部位需要设计专门的制动机构。能源动力与机械工程学院P141-9变桨距风力机：叶片和轮毂不是固定连接，叶片桨距角可调。在超过额定风速范围时，通过增大叶片桨距角，使攻角减小，以改变叶片升力与阻力的比例，达到限制风轮功率的目的，使机组能够在额定功率附近输出电能。优点：高于额定风速区域可以获得稳定的功率输出。缺点：需要变桨距调节机构，设备结构复杂，可靠性降低。目前的大型兆瓦级风电机组普遍采用变桨距控制技术。主动失速型风力机：工作原理相当于以上两种形式的组合。利用叶片的失速特性实现功率调节，叶片与轮毂不是固定连接，叶片可以相对轮毂转动，实现桨距角调节。当机组达到额定功率后，使叶片向桨距角向减小的方向转过一个角度，增大来风攻角，使叶片主动进入失速状态，从而限制功率。优点：改善了被动失速机组功率调节的不稳定性。缺点：增加了桨距调节机构，使设备变得复杂。能源动力与机械工程学院P141-10高传动比齿轮箱型：优点：由于极对数小，结构简单，体积小；缺点：传动系统结构复杂，齿轮箱设计、运行维护复杂，容易出故障。直接驱动型：采用多级同步风力发电机，让风轮直接带动发电机低速旋转。优点：没有了齿轮箱所带来的噪声、故障率高和维护成本大等，提高了运行可靠性。缺点：发电机极对数高，体积比较大，结构复杂。半直驱型：上述两种类型的综合。中传动比型风力机减少了传统齿轮箱的传动比，同时也相应减少了多极同步风力发电机的极数，从而减少了发电机的体积。按传动形式划分能源动力与机械工程学院P141-11通过传动系统连接风轮和发电机，使发电机转子达到所需要的转速。并网风电机组所用交流发电机的同步转速为为发电机磁极对数；为电网频率，50Hz。风轮转速较低，约10~20r/min，而发电机要输出50Hz的交流电功率，当发电机的磁极对数不同时，要求转子的转速也不同。如当磁极对数为2时，要求发电机其转子转速在1500r/min左右，这时需要在风轮与发电机组之间用齿轮箱进行增速。如果发电机组的极对数足够大，使得发电机转速与风轮转速接近，就不需要增速齿轮箱。60(/min)fnrppf能源动力与机械工程学院P141-12能源动力与机械工程学院P141-13恒速型风力机：发电机转速恒定不变，不随风速的变化而变化。变速型风力机：发电机工作转速随风速时刻变化而变化。主流大型风力发电机组基本都采用变速恒频运行方式。多态定速风力机：发电机组中包含两台或多台发电机，根据风速的变化，可以有不同大小和数量的发电机投入运行。按发电机转速变化划分能源动力与机械工程学院P141-14陆地风电机组海上风电机组a)陆上风机b)海上风机能源动力与机械工程学院P141-15沿海风场风况和环境条件与陆地风场存在差别，海上风电机具有一些特殊性：1)适合选用大容量风电机组。海上风速通常比沿岸陆地高，风速比较稳定，不受地形影响，风湍流强度和风切变都比较小，并且具有稳定的主导风向。在相同容量下，海上风电机组的塔架高度比陆地机组低。能源动力与机械工程学院P141-162)风电机组安全可靠性要求更高。海上风电场遭遇极端气象条件的可能性大，强阵风、台风和巨浪等极端恶劣天气条件都会对机组造成严重破坏。海上风电场与海浪、潮汐具有较强的耦合作用，使得风电机组运行在海浪干扰下的随机风场中，载荷条件比较复杂。海上风电机组长期处在含盐湿热雾腐蚀环境中，加之海上风电机组安装、运行、操作和维护等方面都比陆地风场困难。因此，海上风电机组结构，尤其是叶片材料的耐久性问题极为重要。3)基础形式与陆地风电机组有巨大差别。由于不同海域的水下情况复杂、基础建造需要综合考虑海床地质结构、离岸距离、风浪等级、海流情况等多方面影响，因此海上风电机组复杂，用于基础的建设费用也占较大比例。海上风电在风资源评估、机组安装、运行维护、设备监控、电力输送等许多方面都与陆地风电存在差异，技术难度大、建设成本高。能源动力与机械工程学院P141-17我国海上风机发展趋势——滩涂风电场目前，我国已建或在建的滩涂风电场主要集中在潮上带及围垦区。潮间带由于淤泥地质，风电设备运输安装都是难题。但是相比于近海风电，业内专家认为潮间带风电场还具有一定成本优势。国内首个海上潮间带风力发电项目——龙源江苏如东海上潮间带试验风场于09年10月并网发电成功，首批两台1.5兆瓦风力发电机组正式并网运行。能源动力与机械工程学院P141-18水平轴风力机的叶片围绕一个水平轴旋转，旋转平面与风向垂直。叶片径向安置于风轮上，与旋转轴垂直或近似垂直。风轮叶片数目视风力机用途而定，用于风力发电的风力机的叶片数一般取1～3片，用于风力提水的风力机叶片数一般取12～24片。一、水平轴风力发电机能源动力与机械工程学院P141-19按风轮转速的快慢划分，可分为高速风力机和低速风力机。高速风力机叶片数较少，1～3片应用得较多，其最佳转速对应的风轮叶尖线速度为5～15倍风速。在高速运行时，高速风力机有较高的风能利用系数。由于叶片数较少，在输出功率相同的条件下，比低速风轮要轻得多，因此适用于发电。叶片数较多的风力机的最佳转速较低，为高速风力机的一半甚至更低，风能利用率也较高速风轮的低，通常称为低速风力机。起动力矩大，起动风速低。低速运行产生较高的转矩，因而适用于提水。能源动力与机械工程学院P141-20按照风轮与塔架相对位置的不同划分逆风式风力机顺风式风力机水平轴风力机风轮在塔架的下风位置旋转的风力机。能够自动对准风向，不需要调向装置。缺点：空气流先通过塔架然后再流向风轮，会造成塔影效应，风力机性能降低。以空气流向作为参考，风轮在塔架前迎风旋转的风力机为逆风式风力机。需要调风装置，使风轮迎风面正对风向。能源动力与机械工程学院P141-21定义：垂直轴风力机的风轮围绕一个垂直轴进行旋转。特点：①无需调风向装置，可接受来自任何方向的风，风向改变时无需对风。②齿轮箱和发电机均可安装在地面上或风轮下，运行维修简便，费用较低。③叶片结构简单，制造方便，设计费用较低。二、垂直轴风力发电机分类：阻力型风力机：利用空气对叶片的阻力做功。升力型风力机：利用翼型升力做功。能源动力与机械工程学院P141-22S形风力机由两个轴线错开的半圆柱形叶片组成，其优点可在较低风速下运行，但S形风轮由于风轮周围气流不对称，从而产生侧向推力。受侧向推力与安全极限应力的限制，S形风力机大型化比较困难。风能利用系数也远低于高速垂直轴或水平轴风力机，仅为0.15左右。在风轮尺寸、重量和成本相同的条件下，其功率输出较低，因而用于发电的经济性较差。能源动力与机械工程学院P141-23升力型:达里厄型风力机是水平轴风力机的主要竞争者。形式:有φ形、H形、△形、Y形和菱形等。根据叶片结构形状，可简单地归纳为直叶片和弯叶片两种。H形风轮和φ形风轮应用最为广泛。叶片具有翼型剖面，空气绕叶片流动而产生的合力形成转矩，因此叶片几乎在旋转一周内的任何角度都有升力产生。达里厄风力机最佳转速较水平轴的慢，但比S形风轮快很多，其风能利用系数与水平轴风力机相当。能源动力与机械工程学院P141-24•H形风轮结构简单，但离心力使叶片在其连接点处产生严重的弯曲应力。直叶片借助支撑件或拉索来支撑，这些支撑产生气动阻力，降低了风力机的效率。•φ形风轮所采用的弯叶片只承受张力，不承受离心力载荷，使弯曲应力减至最小。由于材料可承受的张力比弯曲应力要强，对于相同的总强度，φ形叶片比较轻，且比直叶片可以更高的速度运行。但φ形叶片不便采用变浆距方法来实现自起动和控制转速。对于高度和直径相同的风轮，φ形转子比H形转子的扫掠面积要小一些。能源动力与机械工程学院P141-25§3-2风电机组主要参数及设计级别风电机组的性能和技术规格可以通过一些主要参数反映。能源动力与机械工程学院P141-26风轮直径是风轮旋转时的外圆直径，用D表示。风轮直径大小决定了风轮扫掠面积的大小以及叶片的长度，是影响机组容量大小和机组性价比的主要因素之一。根据贝茨理论，风轮从自然风中获取的功率为式中，S为风轮的扫掠面积，D增加，则其扫掠面积与D2成比例增加，其获取的风功率也相应增加。风轮直径与扫掠面积一.主要参数312PPSC24DS能源动力与机械工程学院P141-27风轮高度是指风轮轮毂中心离地面的高度，是风电机组设计时要考虑的一个重要参数。由于风剪切特性，离地面越高，风速越大，具有的风能也越大，因此大型风电机组的发展趋势是轮毂高度越来越高。但是轮毂高度增加，所需要的塔架高度也相应增加，当塔架高度达到一定水平时，设计、制造、运输和安装等方面都将产生新的问题，也导致风电机组成本相应增加。轮毂高度能源动力与机械工程学院P141-28组成风轮的叶片个数，用B表示。选择风轮叶片数时要考虑风电机组的性能和载荷、风轮和传动系统的成本、风力机气动噪声及景观效果等因素。叶片数采用不同的叶片数，对风电机组的气动性能和结构设计都将产生不同的影响。风轮的风能转换效率取决于风轮的功率系数。能源动力与机械工程学院P141-29多叶片风车的最佳叶尖速比较低，风轮转速可以很慢，因此也称为慢速风轮。当然多叶片风轮由于功率系数很低，因而很少用于现代风电机组。现代水平轴风电机组风轮的功率系数比垂直轴风轮高，其中三叶片风轮的功率系数最高，其最大功率系数约为0.47，对应叶尖速比约为7；双叶片和单叶片风轮的风能转换效率略低，其最大功率系数对应的叶尖速比也高于三叶片风轮，即在相同风速条件下，叶片数越少，风轮最佳转速越高，因此有时也将单叶片和双叶片风轮称为高速风轮。能源动力与机械工程学院P141-30风轮的作用是将风能转换成推动风轮旋转的机械转矩。衡量风轮转矩性能重要参数：转矩系数：功率系数除以叶尖速比。转矩系数决定了传动系统中主轴及齿轮箱的设计。现代并网风电机组希望转矩系数小，以降低传动系统的设计费用。叶片数越多，最大转矩系数值也越大，对应的叶尖速比也越小，表明起动转矩越大。能源动力与机械工程学院P141-31三叶片风轮的性能比较好，目前，水平轴风电机组一般采用两叶片或三叶片风轮，其中以三叶片风轮为主。我国安装投运的大型并网风电机组几乎全部采用三叶片风轮。叶片数量减少，将使风轮制造成本降低，但也会带来很多不利的因素，在选择风轮叶片数时要综合考虑。两叶片风轮上的脉动载荷大于三叶片风轮。另外，由于两叶片风轮转速高，在旋转时将产生较大的空气动力噪声，对环境产生不利影响，而且风轮转速快视觉效果也不好。风轮实度：风轮叶片总面积与风轮扫掠面积的比值，常用于反映风轮的风能转换性能。风轮的叶片数多，风轮的实度大，功率系数比较大