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3 主讲:刘俊电力工程系

第二章 风力发电特性分析 2.

1 风力机的能量获取和功率控制 掌握风力机风轮扫掠面上获取能量的公式. 2.2 恒速风电机组的原理 掌握恒速风力发电机的结构和原理. 2.3 变速风电机组的原理 掌握双馈风机和永磁直驱风机的结构和原理. 2.4 大规模风电及海上风电场关键问题 了解大规模风电场的接线形式及聚合技术.

2 2.1 风力机的能量获取和功率控制

3 ・陆上约2.53亿千瓦 ・海上约7.5亿千瓦 ・合计约10亿千瓦 据中国气象科学院预测,我国经济可开发风能资源为: ? 我国风能资源概况 如果陆上风电年上网电量按等效满负荷2000小时计,每年可提供5000亿千瓦时电量, 海上风电年上网电量按等效满负荷 2500小时计,每年可提供1.8万亿千瓦时电量,合计2.3万亿千瓦时电量. 如果中国的风力资源能够得到全部开发,相当于每年多出 20个三峡水电站. 2.1 风力机的能量获取和功率控制 ? 风力发电的基本原理 C 风力发电的原理:利用风力带动风轮叶片旋转, 再透过增速装置将旋转的速度提升,来促使发 电机发电. C 风力发电机组的结构,包括风轮、塔架和机舱 三部分.

4 5 风力机 及其 控制系统 发电机 及其 控制系统 风能电能机械能 风力发电系统:实现 风能-机械能-电能 转换的系 统,称为风力发电系统,是一个非常复杂的能量转换系统, 包括多学科的基础知识:空气动力学、流体力学、机械设 计学、结构力学、电机技术、电力电子技术、电网技术、 计算机技术、通信技术……… ? 风力发电的基本原理

一、风力机的分类 ? 1. 按转轴与风向的关系,风力机可分为两类: C 水平轴风力机:风轮的旋转轴与风向平行;

C 垂直轴风力机:风轮的旋转轴垂直于地面或气 流方向.

6 1)水平轴风力机

7 2)垂直轴风力机 虽然目前还没有大 量商业化,但它有 许多独特优点,如: 不需要塔架、发电 机可安装在地面上、 维修方便及叶片制 造方便等.

8 高空风电 &

海上风电

9

一、风力机的分类 ? 2.按风轮桨叶分类: C 失速型: ? 高风速时,因桨叶形状或因叶尖处的扰流器动作, 限制风力机的输出转矩与功率;

C 变桨型: ? 高风速时通过调整桨距角,限制输出转矩与功率.

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一、风力机的分类 ? 3.按风轮转速分类: C 定速型: ? 风轮保持一定转速运行,风能转换率较低,与恒速 发电机对应;

C 变速型: ? (1) 双速型:可在两个设定转速运行,改善风能转换 率,与双速发电机对应;

? (2) 连续变速型:在一段转速范围内连续可调,可捕 捉最大风能功率,与变速发电机对应.

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一、风力机的分类 ? 4.按传动机构分类: C 齿轮箱升速型: ? 用齿轮箱连接低速风力机和高速发电机;

(减小发 电机体积重量,降低电气系统成本) C 直驱型: ? 直接连接低速风力机和低速发电机.(避免齿轮箱 故障)

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一、风力机的分类 ? 5.按风机额定功率(容量)分类: C 微型机:10kW以下 C 小型机:10kW至100kW C 中型机:100kW至1000kW C 大型机:1000kW以上(MW级)

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一、风力机的分类 ? 6.按所带动的发电机分类: C 异步型: ? (1)笼型单速异步发电机;

? (2)笼型双速变极异步发电机;

? (3)绕线式双馈异步发电机;

C 同步型: ? (1)电励磁同步发电机;

? (2)永磁同步发电机.

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一、风力机的分类 ? 7.按发电机的并网方式分类: C 并网型: ? 并入大电网,可省却储能环节. C 离网型: ? 一般需配蓄电池等直流储能环节,可带交、直流 负载,或与柴油发电机、光伏电池并联运行.

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二、风电机组的总体结构

16 轮毂 齿轮箱 油冷却器 发电机 变桨驱动 旋转罩 机舱 低速轴 热交换器 控制箱 旋转接头 支撑轴承 偏航驱动 机舱座 通风 隔离减震 风力发电机视频 风力发电机组零部件所占成本比例 其他 20% 塔架 18% 叶片 23% 发电机 6% 电控系统 5% 变频器 5% 配电柜 8% 齿轮箱 15% 资料来源:中国风能协会,海通证券研究所整理

17 (以带齿轮箱异步风机为例) 风力发电成本的一般占比示意图

18 其他 设备折旧 管理费 维修护理 利息偿还 资料来源:中国风能协会,海通证券研究所整理

三、风力机能量转换过程 ? 风能基本知识 C 风能(Wind Energy):地球表面大量空气流动所产生的 动能. C 由于地面各处受太阳辐照后气温变化不同和空气中水 蒸气的含量不同,因而引起各地气压的差异,在水平 方向高压空气向低压地区流动,即形成风. C 地球吸收的太阳能有1%~3%转化为风能,总量相当于 地球上所有植物通过光合作用吸收太阳能转化为化学 能的50到100倍.

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三、风力机能量转换过程 ? 贝兹Betz理论

20 S1,v1 S,v S2,v2 风能经风轮之后的气体体积变化示意图 气流动能为:

2 1

2 E mv = m――空气质量;

v――气流速度. m V Sv ρ ρ = =

3 1

2 E Sv ρ = 气流质量为: (单位时间) 单位时间内的动能, 这里的E相当于功率! ? 贝兹Betz理论假设,基于理想风轮,经过风轮前 后的空气体积相等.

21 根据牛顿第二定律,(单位时间内) 风轮上的受力及风轮吸收的功率为:

1 2

1 2 ( ) F mv mv Sv v v ρ = ? = ? 风轮吸收的功率也等于风轮前后动能 (单位时间)的变化:

1 2

2 v v v + =

2 2

1 2

1 2

1 ( )( )

4 P S v v v v ρ = ? +

2 2

1 2

1 ( )

2 E Sv v v ρ ? = ?

2 1

2 ( ) P Fv Sv v v ρ = = ? 令P和ΔE相等,可推出风机的机械功率P表达式: ? 贝兹极限(理想风力机的理论最大效率) C 因为风涡轮提取能量,空气减速,导致它在风涡轮附 近,并在某种程度上牵制它的旋转.德国物理学家 Albert Betz, 1919年确定风涡轮可提取流经涡轮的横 断面至多59.3%的能量. C 试问气流经过风轮之后减速至多大的速度v2,效率最高?

22 2

0 dP dv =

2 1

1 3 v v =

3 max

1 8

27 P Sv ρ = max max

16 0.593

27 P E η = = ≈ 美国某公司( FloDesign ):在风力 涡轮机的叶片周围罩上遮蔽物,引导 空气通过叶片并使其加速,增加风机 的对风能的利用能力.

四、风力机的主要特性系数 ? 1.风能利用系数Cp C 定义:风力机能够从风气流中吸取的能量,与风轮扫 过面积内的全部风能(未受风轮干扰时)之比,称为风能 利用系数,也称风能转换系数;

C 风能利用系数主要取决于: ? 风轮叶片的设计(如攻角、桨距、翼型) ? 风机的制造水平 ? 风轮的转速

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四、风力机的主要特性系数 ? 1.风能利用系数Cp C 风力机的实际功率: C CP小于Betz极限0.593,一般为0.15~0.5之间,高性能 的螺旋桨式风力机,Cp才能达到0.45左右.

24 3

1 1

2 S P P Sv C = ρ

四、风力机的主要特性系数 ? 2.叶尖速比 λ C 叶片圆周速度与上游未受 干扰的风速比:为了表示 风轮在不同风速中的状态. ? 当λ取某特定值时,Cp 值最大,此时的λ称为 最佳叶尖速比. ? 叶尖速比λ与风速v成反 比.

25 (2 ) r R n R v v ω π λ = =

四、风力机的主要特性系数 ? 3.桨距角 θ(Pitch Angle) C 桨距角θ是指风机叶片与风轮平面夹角,也称节距角, 或叶片安装角(仅对定桨距风机而言). C 变桨距风机在不同风速下调节桨距角以最大利用风能. C 区别于:攻角、入流角.

26 27 水平轴风机的翼型及其受力 后缘 前缘 最大厚度 翼弦 在与飞行器设计有关的空气动力学中,FL是促使飞行器飞离地 面的力――升力(Lift),FD是垂直于翼弦方向的力――阻力 (Drag) , 两个力的合力产生转矩. 攻角α定义:翼弦与空气来流速度之间的夹角. 当攻角α为0?时,升力最小.当气流方向与物体表面垂直时, 物体受到的阻力最大.

28 入流角等于攻角加桨距角. 入流角是来流合速度(也就是风速和旋转相对速度的合速度) 与旋转平面的夹角. 叶片安装角 (节距角) 攻角 叶片运动 方向 气流 运动方向 风能转换系数:与叶尖速比和桨距角的关系

29 不同桨距角下典型风能转换系数-叶尖速比曲线

4 4 ,

0 0 ( , ) j i p i j i j C λ θ α θ λ = = = ∑∑ 多项式拟合: 风能转换系数:与叶尖速比和桨距角的关系 ? Cp与切入、额定、切出风速关系(功率运行点)

30 0.2

0 0.1 0.3 0.4 0.5 13°

10 2

4 15°

6 8 切出风速

12 14

16 18 λ 切入风速 额定风速 2° 6° 10° 9° 8° 7° 5° 4° 3° 1° 恒定功率 Cp ? 4.风力发电机其它主要技术参数 C 启动风速,一般为3~5m/s,也称切入风速;

C 额定风速,一般为8~20m/s ;

C 停机风速,通常为15~35m/s,也称切出风速;

C 输出功率,一般为几百千瓦~几兆瓦;

C 叶片材料,常采用高强度低密度的复合材料;

C 风轮直径,通常风力机的功率越大,直径越大;

C 叶片数目,高速发电用风力机为2~4片,低速........