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风力发电及能量转换1-1风与风力资源一、风的产生与特性•产生：风是地球外表大气层由于太阳的热辐射而引起的空气流动；大气压差是风产生的根本原因。•特性：周期性、多样性、复杂性二、风的能量与测量1、产生能量的基本要素：风具有一定的质量和速度。2、风能的一些主要特性参数：如风能、风能密度、风速与风级、风向与风频以及风的测量等。1）风能：空气运动产生的动能称为“风能”。2）风能密度：单位时间内通过单位截面积的风能。3）风速与风级：风速就是空气在单位时间内移动的距离，国际上的单位是米／秒(m/s)或千米／小时(km／h)。分13级4）风向与风频：通常把风吹来的地平方向定为风的方向，即风向。风频是指风向的频率，即在一定时间内某风向出现的次数占各风向出现总次数的百分比，5）风的测量：风的测量仪器主要有风向器、杯形风速器和三杯轻便风向风速表等。3、风中的能量风中蕴含的能量是动能，故P=1/2ρAV3•可用风能与风速的立方成正比，风速的轻微增加会导致功率的显著增加•风力与海平面1.225kg/m3处的空气比重成正比•风能还受气压及温度的影响（大约10-15%）•风能还与叶轮扫略面积成正比4、功率系数功率系数（Cp）描述风机将风能转换为机械能的效率风中的能量无法全部被风机转换，其理论最高限度Cp（max）=0.593，通常被称为贝茨因数。输入的风能可能提取的风能pC),(fCpVR/式中λ表示叶尖速比；ω表示风轮转速；R：表示风轮半径；V表示风速；β表示桨叶节距角风力机特性曲线通常由一簇风能利用系数Cp曲线来表示5、风机的实际输出功率P=0.5×ρ×A×Cp×V3×Ng×Nb其中P为风机输出功率ρ为空气比重A为扫掠面积Cp为功率系数V为风速Ng为发电机效率Nb为齿轮箱效率0200400600800100012001400345678910111213141516171819202122232425三、风力发电特点及优势:①它是一种安全可靠的发电方式，随着大型机组的技术成熟和产品商品化的进程，风力发电成本降低。②风力发电不消耗资源、不污染环境，具有广阔的发展前景，③建设周期一般很短，一台风机的运输安装时间不超过三个月，万千瓦级风电场建设期不到一年，而且安装一台可投产一台；④装机规模灵活，可根据资金多少来确定，为筹集资金带来便利；⑤运行简单，可完全做到无人值守；⑥实际占地少，机组与监控、变电等建筑仅占风电场约1％的土地，其余场地仍可供农、牧、渔使用；⑦对土地要求低，在山丘、海边、河堤、荒漠等地形条件下均可建设，⑧在发电方式上还有多样化的特点，既可联网运行，也可和柴油发电机等级成互补系统或独立运行，这对于解决边远无电地区的用电问题提供了现实可能性。1-2风力发电设备一、组成：风力发电机组包括两大部分；一部分是风力机，由它将风能转换为机械能；另一部分是发电机，由它将机械能转换为电能。二、分类：1）根据它收集风能的结构形式及在空间的布置，可分为水平轴式或垂直轴式。2）从塔架位置上，分为上风式和下风式；3）还可以按桨叶数量，分为单叶片、双叶片、三叶片、四叶片和多叶片式。4）从桨叶和形式上分，有螺旋桨式、H型、S型等；5）按桨叶的工作原理分，则有升力型和阻力型的区别。6）以风力机的容量分，则有微型(1kW以下)、小型(1—10kW)、中型(10—100kW)和大型(100kw以上)机。风力机的主要技术指标参数①风轮直径，通常风力机的功率越大，直径越大；②叶片数目，高速发电用风力机为2—4片，低速风力机大干4片；③叶片材料，现代常采用高强度低密度的复合材料；④风能利用系数，一般为0.15—0.5之间；⑤启动风速，一般为3—5m/s;⑥停机风速，通常为15—35m／s;⑦输出功率，现代风力机一般为几百干瓦—几兆瓦；⑧发电机，分为直流发电机和交流发电机；⑨另外还有塔架高度等等。1、水平轴力风机特点：风力机的风轮轴与地面呈水平状态，称水平轴风力机。组成：它一般内风轮增速器、调速器、调向装置、发电机和塔架等部件组成，大中型风力机还有自动控制系统。应用：这种风力机的功率从几十千瓦到数兆瓦，是日前最具有实际开发价值的风力机：•类型：有传统风车、低速风力机及高速风力机等3大类型。水平轴力风机图2、垂直轴风力机特点：凡风轮转轴与地面呈垂直状态的风力机叫垂直抽风力机。形式有：如s型、H型、Ф型等。应用：虽然目前垂直轴风力机尚未大量商品化，但是它有许多特点，如不需大型塔架、发电机可安装在地面上、维修方便及叶片制造简便等，研究日趋增多，各种形式不断出现。各种形式的垂直轴风力机。Ф型风力机图3、风力发电机组可分为定桨距机组与变桨距机组。定桨距风力发电机组的功率调节完全依靠叶片的气动特性。这种机组的输出功率随风速的变化而变化，当风速超过额定风速时，通过叶片的失速或偏航控制降低风能转换系数Cp，从而维持功率恒定。变桨距机组为了尽可能提高风力机风能转换效率和保证风力机输出功率平稳，风力机可由轮毂舱内叶片根部的液压装置或电动机构进行桨距调整。变桨距风力发电机组的功率调节不完全依靠叶片的气动特性，它要依靠与叶片相匹配的叶片攻角改变来进行调节。1-5风力发电系统及装置(一)风力发电机组的系统组成•风力发电系统是将风能转换为电能的机械、电气及共控制设备的组合。•通常包括风轮、发电机、变速器(小、微容量及特殊类型的也有不包括变速器的)及有关控制器和储能装置。（二）大型并网型风力发电机组类型：目前世界上比较成熟的并网型风力发电机组多采用水平轴风力机，其形式多种多样常见的水平轴风力机类型有：①单叶片式；②双叶片式；②三叶片式；④多叶片风车式⑤车轮式多叶片风车式；⑥迎风式；⑦背风式等。基本组成：典型的大型风力发电机组通常主要由叶轮、传动系统、发电机、调向机构及控制系统等几大部分组成。风力机结构图（三）风力发电机主要组成部分介绍1、叶轮风力机区别于其他机械的最主要特征就是风轮。风轮一般由2～3个叶片和轮毂所组成，其功能是将风能转换为机械能。由于风力发电机的理论基础也是空气动力学，故其叶片形状与机翼很相似。风经过水平轴风力发电机的叶片时由于叶片与风有一个夹角，风在叶片上形成升力，风力发电机就是依靠叶片上的升力把风能转换为旋转的机械能，从而带动发电机进行发电的。2、塔架风力机的塔架除了要支撑风力机的重量，还要承受吹向风力机和塔架的风压，以及风力机运行中的动载荷。它的刚度和风力机的振动有密切关系。水平轴风力发电机的塔架主要可分为管柱型和桁架型两类。一般圆柱形塔架对风的阻力较小，特别是对于下风向风力机，产生紊流的影响要比桁架式塔架小。桁架式塔架常用于中小型风力机上，其优点是造价不高，运输也方便。但这种塔架会使下风向风力机的叶片产生很大的紊流。3、机舱齿轮箱由于种种限制风机叶轮的转速不能太快，而并网运行的发电机必须要求再同步转速左右才能运行，故风力发电机组一般都在主轴与发电机之间安装有增速传动机构。风力机的传动机构一般包括低速轴、高速轴、齿轮箱、联轴节和制动器等。发电机目前国内外常见的风电机组类型主要有四种：采用齿轮箱增速的普通异步风力发电机组，双馈异步风力发电机组和直驱式同步风力发电机组（含永磁发电机和直流励磁发电机）以及混合式风力发电机组。1.3直驱式同步风力发电机组技术特点：•叶轮转速较低，一般为每分钟十几转，转子绕组通过增加极对数来降低同步转速，从而避免了齿轮箱损耗；•同步电机励磁系统可采用直流电励磁或永磁体励磁方式，由于转子极对数较多，电机外尺寸较大且较重，不方便运输和吊装。•对于直流电励磁方式的同步电机，转子转速的调节可以通过控制励磁电流的大小来控制电磁转矩，从而使风力发电系统获得最大风能捕获效率；对于永磁同步电机，可以通过调节直流电压的方式来控制电磁转矩，从而使风力发电系统获得最大风能捕获效率，风能利用率高；•对于直流励磁方式的同步电机，励磁损耗较小；对于永磁同步电机，则存在永磁材料的消磁现象。•通过电力电子换流器与电网连接，吸收或输出功率可调，因此可以实现风力发电机平滑并网。•电网侧换流器采用空间矢量控制技术，可以实现发电机有功功率和无功功率的解藕控制，能够独立调节发电机向系统吸收或发出无功。•结构、控制系统复杂。以上风电机组优缺点比较表风电机组类型优点缺点普通异步风力发电机组结构简单，控制方便1、采用齿轮箱，故障率高，维护困难；2、风能利用率低；3、启动电流大，需配置启动装置；4、消耗大量无功，需要从电网输入无功；双馈异步风力发电机组1、可以实现变速运行，获得最大风能利用率；2、输出电流可控，无需启动装置；3、可以吸收或发出无功；1、采用齿轮箱，故障率高，维护困难；2、有励磁功率损耗；3、结构复杂，控制系统复杂；永磁同步风力发电机组1、可以实现变速运行，获得最大风能利用率；2、输出电流可控，无需启动装置；3、可以吸收或发出无功；4、无励磁功率损耗；1、电机体积大、重量大2、采用全功率电力电子设备，价格稍贵；3、结构复杂，控制系统复杂；4、永磁体有消磁现象直流励磁同步风力发电机组1、可以实现变速运行，获得最大风能利用率；2、输出电流可控，无需启动装置；3、可以吸收或发出无功1、电机体积大、重量大2、采用全功率电力电子设备，价格稍贵；3、有励磁功率损耗；4、结构复杂，控制系统复杂；双馈、永磁和直流励磁风力发电机外观图双馈风力发电机外观特点：机舱细长主要生产厂家：Vestas，Gamesa，GE等直驱永磁风力发电机外观特点：机舱短粗主要生产厂家：金风/VENSYS，湘电/ZEPHYROS直流励磁风力发电机外观特点：机舱臃肿主要生产厂家：ENERCON