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1、1,风力发电技术,2,风能的利用,按照不同的需要，风能可以被转化成其他不同形式的能量，如机械能、电能、热能等，以实现提水灌溉、发电、供热、风帆助航等功能。21世纪风能利用的主要领域是风力发电。,3,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
2、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(110kW)、中型(10100kW)和大型(100kw以上)机。,4,叶轮：叶片和轮毂，获取风能并转化为机械能。 机舱 偏航系统 传动链 主轴：将风轮力矩传递给齿轮箱或发电机。 齿轮箱：将风轮转速在高速轴侧提高到满足发电机需要的转速。 发电机：异步发电机、双馈发电机、永磁同步发电机 制动系统、桨距调节装置 塔架 电控系统：风力发电机组的运行与管理。,绪论,5,我上到风机上了,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,1、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
3、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，是日前最具有灾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。,20,风力机的主要技术指标参数,风轮直径，通常风力机的功率越大，直径越大； 叶片数目，高速发电用风力机为24片，低速风力机大干4片； 叶片材料，现代常采用高强度低密度的复合材料； 风能利用系数，一般为0.150.5之间； 启动风速，一般为35m/s; 停机风速，通常为1535ms; 输出功率，现代风力机一般为几百干瓦几兆瓦； 发电机，分为直流发电机和交流
4、发电机； 另外还有塔架高度等等。,21,风机叶片,22,2、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、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。,23,型风力机图,24,风力发电系统的分类风轮轴向,垂直轴,水平轴,25,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
5、的)及有关控制器和储能装置。,26,（二）调向机构,作用：用来调整风力机的风轮叶片旋转平而与空气流动方向相对位置的机构。因为当风轮叶片旋转平面与气流方向垂直时，也即是迎着风向时，风力机从流动的空气中获取的能量最大，因而风力机的输出功率最大，所以调向机构又称为迎风机构(国外通称偏航系统)。 类型：小型水平轴风力机常用的调向机构有尾舵和尾车；风电场中并网运行的中大型风力机则采用由伺服电动机。,27,（三）发电机,微型及容量在10kW以下的小型风力发电机组，采用永磁式或自励式交流发电机，经整流后向负载供电及向蓄电池充电； 容量在l00kw以上的并网运行的风力发电机组，则应用同步发电机或异步发电机：
6、（四）升速齿轮箱 作用：是将风力机轴上的低速旋转输入转变为高速旋转输出，以便与发电机运转所需要的转速相匹配。,28,(五)塔架,水平抽风力发电机组需要通过塔架将其置于空中，以捕捉更多的风能。 类型：即由钢板制成的锥形筒状塔架和由角钢制成的桁架式塔架。 (六)控制系统 组成： 100kw以上的中型风力发电机组及1Mw以上的大型风力发电机组皆配有由微机或可编程控制器(PLC)组成的控制系统来实现控制、自检和显示功能。,29,控制系统主要功能：,按预先设定的风速值(一般为34ms)自动启动风力发电机组，并通过软启动装置将异步发电机并人电网。 借助各种传感器自动检测风力发电机组的运行参数及状态，包括风
7、速、风向、风力机风轮转速、发电机转速、发电机温升、发电机输出功率、功率因数、电压、电流等以从齿轮箱轴承的油温、液压系统的油压等。 当风速大干最大运行速度(一般设定为25ms)时实现自动停机。 故障保护。 通过调制解调器与电话线连接。,30,水平轴中大风力发电机组基本结构,31,风轮机的设计思想是尽可能便宜地生产电能。风轮机的设计基于目标风场的风速条件，因此风轮机一般被设计成在风速为815ms时具有最佳的性能，即有最大的电能产出。人们不会花大力气把风机设计在强风时有最多电能产出，因为强风天气不多见。 因此，在强风天气时必须浪费部分多余风能，以避免损坏风机。所以所有的风机都设计有某种能量控制装置，
8、在现代风机上有两种不同的安全实现方式。,32,(1)可调楔角控制风轮机。在可调楔角控制(pitch)的风力发电机上，风力发电机的电子控制器每秒钟检查几次风力发电机的电能输出。当能量输出过高时，它就会向桨叶调节装置发出一个指令，后者将立即把桨叶轻微地转动一个角度，减小冲角使之偏离最佳值；反之，当风速再次降低时，桨叶就会回复原来的最佳冲角。因此，安装在轮毂上的桨叶必须能够绕风轮的径向纵轴转动。,33,在实际运行中，桨叶的角度调节是在转子旋转的同时完成的，叶片一次会转动一个微小的角度。 采用可调楔角控制的风轮机要求精确的工程设计来保证叶片恰好转动所需的角度。可调楔角控制用计算机来实现，使风轮机在所有
9、风速时桨叶都能保持最佳角度，以产出最多电能。 可调楔角控制装置通常都是液压驱动的。,34,(2)被动失速控制风轮机。被动失速控制(stall)风轮机的桨叶以一个固定的角度(即安装角或楔角)用螺栓固定在轮毂上，因此其楔角是固定不变的。,35,桨叶的几何轮廓是根据空气动力学原理设计的，类似于飞机的机翼。前面讲过，对于翼型，攻角过大时会产生失速。对于飞机，自然要避免出现失速的状况。但对于风轮机，则可以利用失速的现象来实现控制。当风速过高时，能够在叶型的背风侧(吸力面)会产生涡流形成失速，从而减小作用于转子的扭矩。,36,被动失速控制风轮机的桨叶是经过适当设计的，当实际风速增大到某一特定的数值时，桨叶
10、的冲角就会达到失速边界，开始出现失速。 被动失速控制风轮机的转子叶片沿纵向是微螺旋形(也称为弯扭叶片)的，即楔角随着半径的增大而减小。除了前面介绍的原因外，这样做的另一方面原因是确保当风速达到失速临界值时叶轮能够平稳失速而不要突然全面爆发。或者说，失速是自叶根部位开始的，随着风速的增加逐步向叶尖的方向发展。,37,被动失速控制的主要优点是避免了扭动叶轮转子本身的部分，而且不用复杂的控制系统。而另一方面则出现了复杂的气体动力学设计难题，还有相关的风力发电机整体结构动力学设计的挑战，比如说怎样避免诱发失速的振动等。现在，世界上安装的风力发电机组大约有23采用的是被动失速控制方式。,38,(3)主动
11、失速控制风机。越来越多的大型风机(1MW及以上)在发展主动失速控制装置。 主动失速控制风轮机技术上与可调楔角控制的风轮机有些相像，因为它们都可以扭转桨叶。为了在低风速时能够有足够大的力矩，这种风轮机通常设计在低风速时像可调楔角控制风轮机那样转动桨叶，从而获得最佳的冲角(不过通常只是根据风速情况采取几个固定角度)。,39,然而，当风速增大，风力发电机的出力达到额定功率时，就会体现出它与可调楔角控制风轮机的重要差别：当发电机将要超负荷时，它转动桨叶的方向与可调楔角控制风轮机的方向恰恰相反。可调楔角控制风轮机是通过减小冲角来使之小于最佳值，而主动失速控制的方法是继续增加冲角，使桨叶失速来浪费多余的风
12、能。,40,主动失速控制的一个优点是能够比被动失速控制更精确地控制能量输出，以避免刚起大风时风力发电机出现超负荷。另一个优点是几乎在所有强风天气都能保持额定功率运行，而一般被动失速控制的风力发电机在高风速时通常会因为叶轮失速而使电能输出降低。,41,主动失速控制装置通常通过液压装置或步进电动机来驱动。 但是，与被动失速控制相比，主动失速控制有一个经济问题：加装动叶转动装置显然会增加风力发电机的投资，同时也会增加风力发电机的维护费用。,42,另一种在理论上十分可行的办法是使风轮机偏离迎风方向，这样就减小了实际的迎风截面积，减少了风能输入。从速度上看，风速分解为垂直于叶轮平面的轴向分量和平行于叶轮
13、平面的侧向分量，轴向风速比实际风速小。但偏离控制技术实际只应用在小型机组(1Mw以下)上，而且应用得不广泛，因为当叶轮偏离时会使转子受周期变化的力，最终将会破坏整个风力发电机组结构。,43,当风速达到启动风速时，风轮机开始运行，带动发电机发电。随着风速的增加，风力发电机的功率也开始增加。达到设计风速时，风力发电机可以达到额定功率。当风速进一步增加时，风力发电机组的能量控制机制开始工作，使风力发电机不会超负荷，而是在额定功率附近工作。如果风速再进一步增大，超过了能量控制机制的调整范围，风力发电机组就会实施保护性停机，风轮停止转动。,44,四、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
14、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： 单叶片式；双叶片式；三叶片式；多叶片风车式车轮式多叶片风车式；迎风式；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。,45,小型风力发电机图,46,风力发电连接电网系统图,47,风电系统图1,48,风电场1,49,中国风电历年装机图,50,1-3 风力发电运行方式,分类：独立运行和并网运行两种运行方式。 一、独立运行方式 独立运行的风力发电机组，又称离网型风力发电机组，是把风力发电机组输出的电能经蓄电池蓄能，再供应用户使用，如需要交流电，则要加逆变器。
15、（一）储能系统： 风力发电系统采用的储能系统主要有：蓄电池储能、抽水蓄能。 正在研究试验的有压缩空气储能、飞轮储能、电解水制氢储能等。,51,风力发电特点及优势:,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。 风力发电不消耗资源、不污染环境，具有广阔的发展前景， 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； 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； 运行简单，可完全做到无人值守； 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； 对土
16、地要求低，在山丘、海边、河堤、荒漠等地形条件下均可建设， 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。,52,(二)与其他发电形式的联合运行,常用的方式主要有： 1 风力柴油发电联合运行 2 风力大阳能电地发电联合运行 风力一光伏联合系统有两种不同的运行方式： （1）切换运行，即有风时由风力发电机组供电，有太阳光时由太阳能电池方阵供电，这种方式简单，但系统的效率较低： （2）同时运行，风力发电机组与太阳能电池方阵同时向电池组充电，可以充分发挥两者的效能，系统效率高。,53,二、并网运行方式,作用：采用风力发电机与电网连接，由电网输送电能的方式，是克服风的随机性而带来的蓄能问题的最稳妥易行的运行方式，同时可达到节约矿物燃料的目的。 应用：10kw以上直至Mw级的风力发电机组皆可采用这种方式。 并网运行又可分为两种不同的方式： 恒速桓频方式，即风力发电机组的转速不随风速的波动而变化，始终维持恒转速运转，从而输出恒定额定频
