1、1第一篇：风电基础技术知识第一章 风能资源概述第一节：风向与风速 风是大气的运动。气象学上一般把垂直方向的大气运动称为气流，水平方向的大气运动称为风 大气的运动本质上是由太阳热辐射引起的。因此，风能是太阳能的一种表现形式。 地球表面上，受太阳加热的空气较轻，上升到高空；冷却的空气较重，倾向于去补充上升的空气。这就导致了空气的 流动风。全球性气流、海风与陆风、山谷风的形成大致都如此。 风向与风速是确定风况的两个重要参数一、风向 风向来风的方向。通常说的 西北风 、 南风 等即表明的就是风向。 陆地上的风向一般用16个方位观测。即以正北为零度，顺时针每转过22.5为一个方位。 风向的方位图图示如下
2、。二、风速 风速风流动的速度，用空气在单位时间内流经的距离表示 ，单位：m/s或km/h。风速是表示气流强度和风能的一个重要物理量。风速和风向都是不断变化的。 瞬时风速任意时刻风的速度。具有随机性因而不可控制。测量时选用极短的采样间隔，如V1。而由伯努利方程，必使：P2 Ct时，CL将下降。 当=0(Recr 紊流雷诺数的物理意义：惯性力与粘性力之比。 雷诺数的影响考虑对NACA翼型升力曲线和阻力曲线的影响。随着雷诺数的增加：升力曲线斜率，最大升力系数与失速攻角均增加；最小阻力系数减小；升阻比增加。第二节：叶轮空气动力学基础一、几何描述 叶轮轴线：叶轮旋转的轴线。 旋转平面：桨叶扫过的垂直于叶
3、轮轴线的平面。 叶片轴线：叶片绕其旋转以改变相对于旋转平面的偏转角安装角（重要概念）。 半径r处的桨叶剖面：距叶轮轴线r处用垂直于叶片轴线的平面切出的叶片截面。 安装角：桨叶剖面上的翼弦线与旋转平面的夹角，又称桨距角，记为。 半径r 处叶片截面的几何桨距：在r 处几何螺旋线的螺距。可以从几个方面来理解：11几何螺旋线的描述：半径r，螺旋升角。此处的螺旋升角为该半径处的安装角r。该几何螺旋线与r处翼剖面的弦线相切。桨距值：H=2 r tg r二、贝兹理论1、贝兹理论中的假设叶轮是理想的；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；叶轮处在单元流管模型中，如图。流体连续性条件：S 1V1
4、 = SV = S2V22. 应用气流冲量原理 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。 叶轮单位时间内吸收的风能叶轮吸收的功率为：P=FV= SV 2(V1-V2)123、动能定理的应用 基本公式：E=1/2 mV2 （m同上） 单位时间内气流所做的功功率：P=1/2 mV2= =1/2 SV V2 在 叶轮前后，单位时间内气流动能的改变量：P= 1/2 SV (V21_ V22)此既气流穿越叶轮时，被叶轮吸收的功率。因此： SV2(V1-V2)= 1/2 SV (V21_ V22)整理得： V=1/2 (V1+V2) 即穿越叶轮的风速为叶轮远前方与远
5、后方风速的均值。4、贝兹极限 引入轴向干扰因子进一步讨论。令： V = V1( 1- a ) = V1 U 则有：V2 =V1 ( 1- 2a )其中： a轴向干扰因子，又称入流因子；U=V1a 轴向诱导速度。 讨论：当a=1/2时，V2=0，因此aa0。a的范围： a 0 由于叶轮吸收的功率为P=P= 1/2 SV (V21_ V22)= 2 S V13a( 1- a )2 令dP/da=0 ，可得吸收功率最大时的入流因子。解得：a=1和a=1/3。取a=1/3，得Pmax =16/27 (1/2 SV13 )注意到1/2 SV 13 是远前方单位时间内气流的动能功率，并定义风能利用系数Cp
6、为：Cp=P/(1/2 SV13 )于是最大风能利用系数Cpmax为：Cpmax=Pmax/(1/2 SV13 )=16/270.593，此乃贝兹极限。三、叶素理论1、基本思想 将叶片沿展向分成若干微段叶片元素叶素； 视叶素为二元翼型，即不考虑展向的变化；13 作用在每个叶素上的力互不干扰； 将作用在叶素上的气动力元沿展向积分，求得作用在叶轮上的气动扭矩与轴向推力。2、叶素模型 端面：桨叶的径向距离r处取微段，展向长度dr。在旋转平面内的线速度：U=r 。 翼型剖面：弦长 C，安装角。设V为来流的风速，由于U的影响，气流相对于桨叶的速度应是两者的合成，记为W。旋 转平 面定义W与叶轮旋转平面的
7、夹角为入流角，记为，则有叶片翼型的攻角为：=- 。3、叶素上的受力分析 在W的作用下，叶素受到一个气动合力dR ，可分解为平行于W 的阻力元dD和垂直于W的升力元dL。 另一方面，dR还可分解推力元阻力元dF和扭矩元dT，由几何关系可得：dFdLcos + dDsin dTr(dLsin - dD cos )由于可利用阻力系数CD和升力系数Cl 分别求得dD和 dL:dL =1/2 CLW 2C drdD=1/2 CD W2C dr， 故dF和dT可求。 将叶素上的力元沿展向积分，得：14作用在叶轮上的推力：F= dF作用在叶轮上的扭矩：T= dT叶轮的输出功率：P= dT= T第三章 风力机
8、的机械设计第一节：叶轮 由轮毂和相连接的叶片组成。 讨论要点：轮毂与桨叶的连接型式轮毂材料与检验桨叶的强度计算一、轮毂与桨叶的连接型式1、固定连接（刚性连接） 三叶片叶轮大多用此连接方式。 制造成本低，较少维护，无磨损。 但要承受所有来自叶片的载荷。 连接用螺栓的材质要好，外加防松装置。 为产生锥角效应，最好使锥角 满足： tg= 气动推力 / 离心力 2、铰链式连接（柔性连接）15 常用于两叶片叶轮。铰链轴分别垂直于叶片轴和叶轮转轴挥舞运动不受约束。 如果两个叶片固连成一体，特称为跷跷板铰链，可使桨叶在旋转平面前后几度（如5度）的范围内自由摆动，以便更利于锥角效应。 变桨距叶轮中的桨叶转轴另
9、行介绍。 但扭转力矩变化较大，叶轮躁声大，结构复杂。二、轮毂材料与检验 轮毂可用铸钢铸造或由钢板焊接而成。铸件不能有铸造缺陷（夹渣、缩孔、砂眼、裂纹等），否则重新浇铸。对焊接件的焊缝要进行超声波检查。 大型风力机叶轮的轮毂可用加延长节的方式，简化轮毂的制造，减少出现各种缺陷的可能。 对轮毂（和延长节）要进行静强度和疲劳强度分析。三、桨叶的强度计算 桨叶的危险剖面：桨叶根部。 考虑桨叶处于水平和垂直两个特殊方位时的强度计算。1、桨叶处于水平位置叶根载荷：重力矩（最大）；气动推力产生的弯矩； 弯曲应力扭转力矩产生的弯矩；离心力： 拉应力2、桨叶处于垂直位置 偏航时的陀螺力矩为：M= 2J sint
10、 当 t 为 0 （即处于水平位置）时，M 为0 ； 当 t 为 90 时，M 最大。 外加其它正常作用的载荷，桨叶根部应力最大。 16第二节： 齿轮箱与刹车 大型风力机的转速大多在3050rpm之间，也有更低的（考虑桨叶离心力与叶尖线速度），与发电机之间存在较大的转速差。故设置传动装置齿轮箱。 传动装置包括：增速器、联轴器等。一、齿轮箱 基本要求：重量轻、效率高（尤其对大型风力机）、承载能力大、躁声小、起动力矩小。 类别：定轴齿轮传动齿轮传动 行星齿轮传动混合轮系传动600kw风力机用的齿轮箱二、机械刹车 一般有两种刹车装置：运行刹车：正常情况下反复使用。紧急刹车：出现运行故障时使用。18
11、安置位置：低速端或高速端。三、空气动力刹车 用途：常用于失速型风力机的超速保护，作为机械刹车的补充。 原理：通过改变桨叶的升阻比。 实现：常通过超速时的离心作用。 第三节： 对风装置为了使风力机有效地捕捉风能，应保证叶轮始终基本上处于迎风状态。这里简单介绍电动对风装置。大中型风力机中普遍使用电动对风装置。一、系统组成风向标，控制电路，偏航齿轮，伺服电机，刹车等。二、对风原理19三、其它问题 偏航角速度： 0.0260.035rad/s(1/4r/m1/3r/m) 回转制动器的应用： 保证对风可靠。第四节： 塔架 型式有拉索式无拉索式 桁架式圆筒式 塔架高度第五节：调速（限速）方式 在一定的风速
12、变化范围内自动限制转速和功率。 调速原理：叶轮输出功率：P=1/2C pSV13 改变S： 叶轮侧偏 改变C p： 变 桨距、失速 。一、变桨距调节1、调节原理佳与CL 及Cp 关系； 利用= - （桨距角 ） 202 、实现方式 全桨叶变桨距，叶尖局部变桨距。 全桨叶变桨距方式 1）离心式 2）风压式：利用风压中心与转轴中心不重合的特点。3）伺服机构式二、失速调节 1、失速现象当桨叶上的攻角增大到一定数值时，在翼型上翼面流动的气流产生偏离而不能附着在上面（称为脱落或分离）的现象。 W V 额 定 风 速V 正 常 气 流-UW V额 定 风 速V 失 速-U几点说明： 正常流动时，流线平滑且
13、流过上翼面。这种流动从翼型前缘邻近到剖面的最大压力点处是加速进行的，然后沿着上翼面的其余部分到后缘缓慢减速。对于保持附着在上翼面的流动来说，这种减速必定是非常缓慢的。 当攻角足够大（大于失速攻角）时，上述的“减速” 加大而使附面层无法保持，使气流从翼型表面分离失速。21 一般来说，失速攻角在12左右（大致相当于升力系数为1. 2）。同时，它在很大程度上还取决于翼型形状和雷诺（Reynolds）数。 未失速的翼型具有低阻力且升力系数随攻角线性增加的特性。而失速的翼型阻力加大，升力大大降低。2、失速调节 根据翼型上升力L、阻力D与驱动力矩T、推力F之间的关系以及叶轮输出功率P=T，失速时的驱动力矩
14、不再增加，使叶轮的转速维持近似的恒定，而功率也不再增加。 由于叶尖处的安装角 较小，其攻角较大而接近失速状态。一旦风速超过额定值，叶尖首先进入失速状态。 叶轮输出的最大功率对叶片的安装角的变化很敏感，大体上是安装角越大，开始失速时的风速越大，而最大功率也越高。采用失速调节时的安装角应该相当准确，以免不必要的空气动力损失而影响出力。3、失速调节的特点 优点无变桨距调节时的运动机构，轮毂结构简化，生产成本降低，维护费用减少。失速后，阵风对叶轮的输出功率影响不大，即该功率不会随阵风出现太大的波动。因此风力机无需进行功率调节，进而省去功率调节系统的费用。 缺点需可靠的刹车以免在风速过大失速消失后出现飞
15、车，这导致了额外的费用。由于随风速的增加，气动推力加大，即便功率恒定或稍有下降。此时叶片、机舱和塔架上将承受较高的动态载荷。在频繁的刹车过程中，使叶片与传动系统产生较大的动载荷。起动风速较高，使起动性较差。在低空气密度地区难以达到额定功率。 第六节：桨叶设计中的若干问题22一、 叶轮的总体参数一台设计良好的风力机必须具有良好的空气动力性能。风力机的空气动能主要表现为叶轮的空气动力性能。叶轮的空气动力性能主要取决于它的气动设计。气动设计时，必须先确定总体参数。这也是进行方案设计所必需的。1、尖速比 0 叶轮的叶尖线速度与额定风速之比。是一个重要设计参数。与叶片数及实度有关。 用于风力发电的高速风
16、力机，常取较大的尖速比。尖速比在5-15 时，具有较高的风能利用系数。通常可取 6-8 。高速风力机在制造成本，运行平稳性等方面均优于低速风力机。但启动风速较高。 尖速比的最终值： 在初定的基础上，需根据额定风速和发电机转速选择齿轮箱传动比，再计算尖速比，作为设计参数。2、叶片数 取决于叶轮的尖速比 ，具体对应关系如下表 。 由于叶片数少的风力机在高尖速比运行的具有较高的风能利用系数，适合于发电。 三叶片的风力机运行和功率输出较平稳，两叶片的可降低成本。3、风轮直径D 风轮直径D 主要取决于两个因素：风力机输出功率P23额定风速V 1 计算公式的推导：叶轮输出功率：P 1=1/2 CpSV13
17、 =P/(12) 于是 ： P =1/2 CpV13 12 D 2 /4直径D 的简化计算公式：D 2 =8P/( Cp 12 V13) 5.6P/ V13其中，取 Cp 0.45， 1.25， 12 0.814、额定风速（设计风速） V 1 额定风速的影响：直接影响着叶轮乃至风力机尺寸及成本，是一个非常重要的参数。 额定风速的确定：取决于使用地区的风能资源分布，包括：平均风速的大小；风速的频率分布。 技术人员应该具备相关的背景知识5、实度 定义：叶轮的叶片面积之和与风轮扫面积之比。它是和尖速比密切相关的一个重要参数。 取值：对于风力发电机而言，由于尖速比较高，要求有较高的转速，起动风速高，因
18、此，可取较小的实度。通常大致在520%之间。可参考Hutter的研究结果（图略）。 作用：决定叶轮的力矩特性，尤其是起动力矩；决定叶轮的重量与材料成本。6、翼型的升阻比翼型决定着风力机的效率，具体体现在翼型的升阻比（L/D）上。升阻比愈高：风能利用系数愈大，则风力机的效率愈高。性能曲线中风能利用系数Cp受叶片数或尖速比的影响愈小7、其它参数241）叶轮中心离地面高度H取决于安装地点（山谷、丘陵等），垂直风梯度，安装条件，单机容量等因素。2）叶轮锥角叶片和旋转平面的夹角。减少气动力引起的叶根弯曲应力（对下风式风力机）； 防止叶片梢部与塔架碰撞（对上风式）。3）叶轮倾角叶轮转轴与水平面的夹角。减少
19、叶片梢部与塔架碰撞的机会二、叶片的载荷分析 对叶片运行载荷分析与计算，不仅是叶片的结构设计所必须的，而且更为重要的是分析整个风力机各部件受载的基础。 风力机在运行情况下，作用在其上的载荷就比较复杂，主要有气动载荷，重力和惯性载荷。它们都随时间而变化，特别是气动载荷受阵风和风向变化的影响是随机的，要准确计算是困难的。 除了正常运行情况外，还有其它工况，如启动停机，突然停机等，都将导致额外的载荷。本节仅讨论正常运行工况下的载荷问题。1、叶片的受力分析 作用在叶片上的力：简化为三种力：空气动力、离心力和重力。 各作用力的影响2、阵风效应阵风期间，风速在一秒内可变化1520m/s 甚至更多，风向在一秒
20、内可改变几十度。此时，叶片处在不利的攻角下，导致所受弯矩的增加阵风效应。 25-U W V13、锥角效应对下风式风力机，叶片与转轴的夹角小于90度，将使正常运行时叶片受到的弯曲应力大大减小，甚至可为零锥角效应。4、陀螺效应叶轮偏航时，桨叶除受到气动力的作用外，还受有离心力和旋转惯性力，在桨叶中产生附加力矩陀螺效应，附加力矩的大小为： M=2I126第四章 风力发电一、同步发电机1、基本构成 定子 定子铁心定子绕组（定子线圈） 转子 转子铁心（磁极）励磁绕组（转子绕组）27由于转子绕组中的感应电流产生于转子相对于磁场的运动，而该感应电流又产生转子转动的电磁力。因此，转子转速n不能等于同步转速n
21、1异步电动机2、转差率定义 n1 - n为转速差； s = (n1 - n)/ n1 100%为 转差率；异步电动机的转差率一般为1.56% 。用作发电机时，必须使转子转速n大于同步转速n 1 。二、叶轮与发电机的匹配由于缺乏风力发电专用的发电机系列产品，设计者需选用合适的发电机。选用时必须考虑叶轮与发电机之间的匹配问题，主要包括功率匹配、转速匹配及转矩匹配。1、功率匹配 叶轮功率曲线叶轮输出功率与风速或叶轮转速之间的关系曲线。 发电机功率特性曲线输出功率与转速之间的关系曲线。问题：在同一额定功率下，叶轮所对应的额定转速与发电机所对应的额定转速相差几倍到几十倍。解决途径：利用增速机构，使发电机
22、在叶轮的额定转速下发出额定功率。叶轮与发电机的功率匹配图28200150100500 50 10 150 20 250 30说明： 风速很低时，转速较低，发电机几乎没有输出功率，即未给叶轮加负载。 风速升高，在一定范围内，叶轮输出功率达不到发电机所需的功率叶轮过载工作。严重时将发生失速或停止转动。 超过某风速后，叶轮输出功率大于发电机所需的功率叶轮欠载工作。导致叶轮转速升高，发电机过载，甚至损坏。办法：配备专用调速机构，使其在一定的风速范围内调整叶轮转速，限制输出功率。2、转速匹配1、转速匹配中的问题2、设置增速装置减小叶轮过载3、叶轮性能与风能分布的匹配假设发电机与叶轮完全匹配，即无过载或欠
23、载现象，该叶轮风能利用系数曲线的峰值应该和在同样风速下的发电机输出功率的峰值相对应。即存在一个最佳风速，在该风速下，当地风能分布曲线处于峰值。 叶 轮 效 率风 速29第五章 并网发电第一节：常用的发电机种类一、同步发电机1、基本构成定子 定子铁心定子绕组（定子线圈） 转子 转子铁心（磁极）励磁绕组（转子绕组）2、发电原理 励磁绕组中通过直流电后，转子磁极磁化，产生磁场；30 原动机带动转子转动，转子磁场同时转动，与定子绕组相对运动，使其感应出交流电动势发电机发出交流电 。 该交流电的频率取决于转子极对数 p及转子的转速n ： f=pn/60(Hz)，当n改变时，f 也改变。 定子绕组中感应出
24、的电动势，在外电路接通后产生交流电流。该电流也要在电机中产生旋转磁场，其转速称为 同步转速 ，它由交流电频率f 和定子绕组旋转磁场的极对数p 1决定 ：n1 =60 f / p1 （r/min） 由于在这种发电机中，使得p 1 = p， 则n 1 = n。 故称为 同步发电机。二、异步发电机1、基本构造与同步发电机相似。2、异步电动机工作原理 定子绕组接到交流电源上，定子在电机中产生旋转交变磁场 ，转速为同步转速 n1, n1= 60f/p1。 旋转磁场在转子绕组中产生感应电流，使转子绕组成为载流导体。它在旋转磁场中又受到电磁力的作用，于是就按照旋转磁场的方向转动起来。 由于转子导体中的电流是
25、靠电磁感应产生的，故又称为感应（式）电动机。 由于转子绕组中的感应电流产生于转子相对于磁场的运动，而该感应电流又产生转子转动的电磁力。因此，转子转速n不能等于同步转速n 1异步电动机。3、转差率 定义： n1 - n为 转速差（滑差） ； s = (n1 - n)/ n1 100%为 转差率 异步电动机的转差率一般为1.56%。 用作发电机时，必须使转子转速n大于同步转速n 1 ，此时，s小于0。第二节：并网运行一、 概述风力发电机发出的电力通常以三种方式加以利用： 独立供电单独向负荷供电。 储存能量转变为化学能、势能、热能等能量形式，加以存储或使用。31 并网发电是一种广义的储能方式，但却最为简便有效。 技术难题：电压控制问题风能的不均匀性 频率控制问题贮能问题解决途径之一：风力机并入电网运行。并网方式 ： 直接并网 并入强网 间接并网 并入弱网 二、并网运行1、直接并网 将发电机的交流输出直接并到电网上。 连接示意图： 齿 轮 箱 发 电 机叶 片 变 桨 距失 速齿 轮 箱 发 电 机齿 轮 箱 发 电 机叶 片 变 桨 距失 速 特点：
