风力发电基础知识

风力发电基础知识一、风力发电机组的分类二、风力发电机组的功能原理三、风力发电机组的理论基础四、风力发电机组的空气动力基础知识五、风力发电机组设计风区分类课程目录一、风力发电机组的分类风力发电系统的分类——风轮轴向垂直轴水平轴一、风力发电机组的分类风力发电系统的分类——叶片数量一、风力发电机组的分类风力发电系统的分类——按功率调节方式定桨距风机：桨叶于轮毂固定连接，桨叶的迎风角度不随风速而变化。依靠桨叶的气动特性自动失速，即当风速大于额定风速时依靠叶片的失速特性保持输入功率基本恒定。变桨距调节：风速低于额定风速时，保证叶片在最佳攻角状态，以获得最大风能；当风速超过额定风速后，变桨系统减小叶片攻角，保证输出功率在额定范围内。主动失速调节：风速低于额定风速时，控制系统根据风速分几级控制，控制精度低于变桨距控制；当风速超过额定风速后，变桨系统通过增加叶片攻角，使叶片“失速”，限制风轮吸收功率增加。一、风力发电机组的分类风力发电系统的分类——按传动形式高传动比齿轮箱型：风轮的转速较低，通常达不到发电机发电的要求，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。直接驱动型：应用多极同步风力发电机可以去掉风力发电系统中常见的齿轮箱，让风力发电机直接拖动发电机转子运转在低速状态，这就没有了齿轮箱所带来的噪声、故障率高和维护成本大等问题，提高了运行可靠性。中传动比齿轮箱（半直驱）型：这种风机的工作原理是以上两种形式的综合。中传动比高传动风力机减少了传统齿轮箱的传动比，同时也相应地减少了多极同步风力发电机的极数，从而减小了发电机的体积。一、风力发电机组的分类风力发电系统的分类——按发电机形式（基本类型）IGGridCompensationGearboxPsDFIGACDCDCACGridFilterConverterGearboxPssPssPsPMSGGridFilterPsACDCDCACConverter(a)固定转速的异步发电机组(c)永磁直驱同步发电机组(b)双馈异步发电机组二、风力发电机组的功能原理风力发电机组变电站（升压站）变压器110-220kV10–35kV690V风力发电机组的功能原理：基本功能原理是风能转换成电能，这需要两个阶段来完成。风能→机械能→电能二、风力发电机组的功能原理二、风力发电机组的功能原理偏航系统发电机驱动链轮毂叶轮控制系统变电系统风力发电机组主要组成机舱罩三、风力发电机组的理论基础vAdtdxAm2windmv21E扫风面积：A三、风力发电机组的理论基础假设:空气流是均匀的，空气密度是常量密度、速度和面积的乘积是不变的332211AvAvAv三、风力发电机组的理论基础吸收功率=上风向能量–下风向能量吸收的风能:吸收功率:)vm(v21E2321ex)v(vm21E2321ex三、风力发电机组的理论基础三、风力发电机组的理论基础吸收的风能vvvvAvE1321331ex112121风能最大风能利用系数cp当V1=3V3时，Cp达到最大值：Cp=1/2*(1+1/3)*(1-(1/3)^2)=16/27≈59.3%P风电机组功率=(1/2)ρV3ACp)vv)(vv(A21)vv(mT313131推力:推力T89.098cwithAv21cTT21TCT为推力系数,当V1=V3时,CT达到最大.三、风力发电机组的理论基础三、风力发电机组的理论基础2/min;;/;RnRVVnrRmVms为了表示风轮运行速度的快慢，常用叶片的叶尖圆周速度与来流风速之比来描述，称为叶尖速比　　　　　　　　　　＝式中　风轮转速，　　　叶尖的半径，　　　－上游风速，　　　风轮旋转角速度,rad/s。叶尖速比三、风力发电机组的理论基础风能利用系数和无因次数随叶尖速比变化的曲线构成风轮机空气动力特性曲线2222ppVRMCSVRCMMSVR功率P可表示成风轮获得的总转矩M和风轮角速度的乘积，由＝，得　　　　　　　　并定义为无因次数，正比于转矩。0510152000.10.20.30.40.5(,)pCmaxpC3579113maxwwPk3max12woptpkSRC20wwTk三、风力发电机组的理论基础0510152000.10.20.30.40.5(,)pCmaxpC3579110510152000.10.20.30.40.5(,)pCmaxpCopt四、风力发电机组的空气动力基础知识1、桨叶的翼型l0i功角升力角零升力角风向弦长vivAB攻角：来流方向与弦线的夹角零升力角：弦线与零升力线夹角升力角：来流方向与零升力线夹角2、桨叶上的气动力221SvCFr总的气动力，S—桨叶面积，Cr—总气动系数C压力中心221SvCFll221SvCFdd升力，与气流方向垂直，Cl—升力系数阻力，与气流方向平行，Cd—阻力系数Cd、Cl是由设计的叶片决定的固有参数，也是气动力计算的原始依据。四、风力发电机组的空气动力基础知识ilCdC升力和阻力的变化曲线-30o-20o-10o0o10o20o30o40o0.80.60.40.2Mi-0.2minlC•升力系数与阻力系数是随攻角变化的•升力系数随攻角的增加而增加，使得桨叶的升力增加，但当增加到某个角度后升力开始下降；阻力系数开始上升。出现最大升力的点叫失速点。•截面形状（翼型弯度、翼型厚度、前缘位置）、表面粗糙度等都会影响升力系数与阻力系数。•对有限长桨叶，叶片两端会产生涡流，造成阻力增加，四、风力发电机组的空气动力基础知识i旋转桨叶的气动力（叶素分析）风向v-uw运动旋转方向安装角（桨距角、节距角）：回转平面与桨叶截面弦长的夹角I倾斜角RnRu2相对速度dF气流W产生的气动力dL气流升力dD气流阻力dSwCdLl221dSwCdDd221I轴向推力dFa=dLcosI+dDsinII旋转力矩dT=r(dLsinI-dDcosI)驱动功率dPw=ωdT风输入的总气动功率P=vΣFa旋转轴得到的功率Pu=Tω风轮效率η=Pu/P四、风力发电机组的空气动力基础知识低压高压Windspeed失速极限151210864m/sec18001600140012001000800600400200002468101214161820功率kW风速功率曲线一种自然现象.当空气流速超过某一速度，在桨叶后缘形成漩涡。失速失速控制四、风力发电机组的空气动力基础知识主动失速控制WindspeedStalllimit151210864m/sec18001600140012001000800600400200002468101214161820功率kW风速功率曲线通过变桨,漩涡在桨叶后缘形成.这可以用于功率的控制.主动失速四、风力发电机组的空气动力基础知识变桨控制风速151210864m/sec18001600140012001000800600400200002468101214161820功率kW风速功率曲线通过变桨,可以改变风与桨叶前缘的接触点.这可以用来控制功率.变桨控制五、风力发电机组设计风区分类IEC标准WindturbineclassIIIIIISVref(m/s)5042.537.5ValuesspecifiedbythedesignerAIref(-)0,16BIref(-)0,14CIref(-)0,12GL规范一类风区二类风区三类风区四类风区39.16.002433.627.955.347.5030.0042.0034.8848.838.5034.0047.6039.5350年极限风速(m/s)10.0040.0056.0046.5065.10平均风速(m/s)年最大风速(m/s)年极限风速(m/s)50年暴风风速(m/s)GL标准五、风力发电机组设计风区分类本课程就讲到这里，如果有什么问题，欢迎大家踊跃的提出来，我们共同探讨。同时也希望各位在各自的工作岗位上能像雄鹰一样自由的翱翔。尾声：谢谢大家！