1风能基础理论及风机结构剖析

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1、风能基础理论 及风机结构,概述,1、风力发电机组的入门知识 （风能的利用、风机的发展与分类） 2、水平轴风力机工作原理及结构 3、水平轴风力发电机组基本概念,风工程,气象学,结构动力学,复合材料力学,机械结构设计,控制工程,电气工程,空气动力学,1、风力发电机组的入门知识 1.1 风能的利用价值 1.2 风机的发展历程 1.3 风机的类型 1.4 风力机的发展趋势,化石燃料 极有限且不可再生 煤炭可供200年 天然气可用50年 石油资源可用30年,1.1 风能的利用价值,1、风力发电机组的入门知识,风能 清洁且可再生 世界每年风能总量为2*1013W，约为世界总能耗的3倍。,VS,1.2 风机

2、的发展历程,1、风力发电机组的入门知识,它是利用风能旋转的、最简单的捕风装置,1）历史记载的最早的风车出现在公元644年，在现在的阿富汗一带，为垂直轴，用于辗磨谷物。,1.2 风机的发展历程,1、风力发电机组的入门知识,2）中国也很早开始利用风能，主要使用垂直轴风车。,1.2 风机的发展历程,1、风力发电机组的入门知识,3）关于水平轴风车的最早历史记载，是1180年，在诺曼底一带，用于辗磨谷物。,1.2 风机的发展历程,1、风力发电机组的入门知识,1.2 风机的发展历程,1、风力发电机组的入门知识,垂直轴 特点：效率低、不需要偏航,水平轴 特点：效率较高、需偏航,VS,4）荷兰风车，举世闻名，

3、主要用于辗磨谷物、灌溉等。,1.2 风机的发展历程,1、风力发电机组的入门知识,1.2 风机的发展历程,1、风力发电机组的入门知识,风车 辗磨谷物、灌溉,风力发电机 发电,？,第一次尝试,一战导致的石油价格的上涨，推动了风机技术的迅速发展，到1918年共有120台风力发电机投入运行（功率1035kW、风轮直径最大达20m）。,丹麦：1891年，Poul La Cour。,1.2 风机的发展历程,1、风力发电机组的入门知识,不断探索,1920年，德国空气动力学专家贝茨提出著名的贝茨极限：0.593；,贝茨，德国 18851968,德国：,1.2 风机的发展历程,1、风力发电机组的入门知识,风机最

4、大能捕获多少风能呢？,贝茨极限：风机所能捕获风能与经过风机的总风能的比值，它说明风机从自然风中所能索取的能量是有限的，最优情况只能利用59.3%。,不断探索,德国：,1.2 风机的发展历程,1、风力发电机组的入门知识,20世纪三、四十年代，德国主要忙于风能理论的研究。,Herrmann honnef提出的大电站计划(1932年,高160m，功率20MW).,几经修改补充的MAN Kleinhenz项目愿景(1942年,风轮直径130m，功率10MW).最终由于战争而放弃.,不断探索,美国：,1.2 风机的发展历程,1、风力发电机组的入门知识,离网型：从1920年到1960年，数以万计的Jaco

5、bs 1.83kW风机投入运行(“wind charger”)；,并网型：Smith Putnam于1941年试制功率为1250kW机组，风轮直径53.3m（19411946）。,遭遇挫折,与传统化石能源的相比，风电价格一直没有优势，因此风力发电一度遭遇挫折(19451973)。,1.2 风机的发展历程,1、风力发电机组的入门知识,能源危机,1973年10月6日，埃及和叙利亚入侵以色列，点燃了“赎罪日战争”的烽火。 1973年10月16日，欧佩克在维也纳召开会议，决定将油价由每桶3.01美元提高到5.11美元，第二年一度达12美元。 次日，欧佩克组织中的阿拉伯成员国在历数“美国在中东战争中支持

6、以色列的种种罪状”后，正式宣布停止向美国和荷兰出口石油。 震惊世界的史上第一次“石油危机”全面爆发。 西方国家意识到对化石能源的依赖性太强，各国政府开始重视其他替代能源特别是可再生能源（环保压力）。,1.2 风机的发展历程,1、风力发电机组的入门知识,能源危机后， 美国、丹麦、 瑞典、德国 下大决心开 发风能。,蓬勃发展,1.2 风机的发展历程,1、风力发电机组的入门知识,1.2 风机的发展历程,1、风力发电机组的入门知识,能源危机后， 美国、丹麦、 瑞典、德国 下大决心开 发风能。,蓬勃发展,1） 按输电方式： 离网型,1.3 风机的类型,1、风力发电机组的入门知识,独立运行供电系统：在电网

7、未通达的偏远地区，用小型风电机组为蓄电池充电，再通过逆转器转换成交流电向终端电器供电，单机容量一般为100W10kW；或采用中型风电机组与柴油发电机或太阳能电池组成混合供电系统，系统容量约为10200kW，可解决小得社区用电问题。,1） 按输电方式： 并网型,1.3 风机的类型,1、风力发电机组的入门知识,联网风力发电系统：单机容量在2003000kW之间，即可以单独并网，也可以由多台甚至成百上千台组成风力发电场,2） 按风轮运行原理： 水平轴 上风向 叶片塔架 （塔影对载荷和噪声影响较小，塔架净空要考虑） 下风向（我司6MW机型） 塔架叶片 垂直轴,1.3 风机的类型,1、风力发电机组的入门

8、知识,单叶片 两叶片 三叶片 多叶片,3） 按叶片数目：,1.3 风机的类型,1、风力发电机组的入门知识,25,1.3 风机的类型,1、风力发电机组的入门知识,单叶片&双叶片： 节约成本，减少风轮的重量 为保证功率，旋转速度高，噪声大、叶片弦长长、载荷波动、视觉美观 需要平衡重块来平衡风轮叶片（单叶片）,26,问题：是否叶片越多就越能发电，越好？,1.3 风机的类型,1、风力发电机组的入门知识,但是大多数风力发电机从技术和经济考虑，采用2至3个叶片。 叶片越多，越容易启动。,当速度为v的风流过面积为f的流面时，风中所蕴含的功率为：,4）按发电机类型：,1.3 风机的类型,1、风力发电机组的入门

9、知识,感应发电机 可变滑差感应发电机 双馈异步发电机 （MY1.5MW）,励磁同步发电机 永磁同步发电机 （明阳SCD）,同步发电机 （转子转速与旋转磁场同步运转） 体型大、永磁体（贵）,异步发电机 （转子转速低于旋转磁场转速） 结构简单、价格较低、需无功功率,感应发电机,金风S43/600,1.3 风机的类型,1、风力发电机组的入门知识,利用定子与转子间气隙旋转磁场与转子绕组中感应电流相互作用的一种交流发电机。这种发电机要求转子表面到定子的距离间隙非常小。,双馈异步发电机,东汽 FD77-1500,1.3 风机的类型,1、风力发电机组的入门知识,原理： 通过叶轮将风能转变为机械能（风轮转动惯

10、量），通过主轴传动链，经齿轮箱增速到异步发电机的转速后，通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网。如果超过发电机的同步转速，转子也处于发电转态，通过变流器向电网馈电。,此即双馈定子与转子均参与发电。,励磁同步发电机,ENERCON,1.3 风机的类型,1、风力发电机组的入门知识,永磁同步发电机,MY SCD,1.3 风机的类型,1、风力发电机组的入门知识,5） 按功率控制方式：,定桨定速型（失速） 变桨变速型（变桨控制） 变桨定速型（主动失速） 在后续的空气动力学部分将进行详细阐述。,1.3 风机的类型,1、风力发电机组的入门知识,1.4 风力机的发展趋势,1、风力发电机组的入门知识,越

11、来越庞大,但并不是越大越好，还要考虑当地风况和机组成本等因素,1.4 风力机的发展趋势,1、风力发电机组的入门知识,陆上海上,要用较高的塔架以获取更好的风况 一般不大于3MW,风况较好，一般适用于3MW以上风机，以节约基础成本,1.4 风力机的发展趋势,1、风力发电机组的入门知识,传动链布局趋势,直驱,ENERCON E-112,MULTIBRID M5000,SCD 2.5/3MW,混合驱动（半直驱）,电机体积巨大 吊装运输,齿轮箱故障 电网支撑 低电压穿越,ENERCON一枝独秀,双馈,（目前主流）,2、水平轴风力机工作原理及结构 2.1 风力机的工作原理 2.2 风力机的结构,2.1.

12、风力机的工作原理,2、水平轴风力机工作原理及结构,飞机是怎么抵抗地心引力的？,气动升力,2.1. 风力机的工作原理,2、水平轴风力机工作原理及结构,气动升力,机翼翼型运动的气流方向有所变化，在其上表面形成低压区，在其下表面形成高压区，产生向上的合力，并垂直于气流方向；在产生升力的同时也产生阻力。,2.1. 风力机的工作原理,2、水平轴风力机工作原理及结构,风机机叶片叶素翼型,美国NACA系列：NACA44系列NACA63系列 美国NREL系列 丹麦RISO-A系列 瑞典FFA-W系列 荷兰DU系列。,2.1. 风力机的工作原理,2、水平轴风力机工作原理及结构,速度三角形 & 受力（针对某一翼型

13、）,翼型参数： 前缘（刀背）尾缘（刀尖） 弦长 攻角,2.1. 风力机的工作原理,2、水平轴风力机工作原理及结构,升力系数 阻力系数 力矩系数,高升力区、 低阻力区 对风机翼型 设计十分重要,有利的攻角范围一般：017左右,2.1. 风力机的工作原理,2、水平轴风力机工作原理及结构,叶片扭角分布,叶片扭角： 各截面弦线与旋转平面的夹角。 从叶跟到叶尖：转速增大；风角度变化，为了保持截面有适宜的几何攻角，叶片必须沿长度方向发生扭曲。且扭角逐渐减小,2.1. 风力机的工作原理,2、水平轴风力机工作原理及结构,2.1. 风力机的工作原理,2、水平轴风力机工作原理及结构,叶片弦长分布,2.1. 风力机

14、的工作原理,2、水平轴风力机工作原理及结构,气动设计过程,2.1. 风力机的工作原理,2、水平轴风力机工作原理及结构,设计理论：,动量理论,叶素理论,涡流理论,2.1. 风力机的工作原理,2、水平轴风力机工作原理及结构,风机按气动控制方式分类：,1）定桨定速型（失速） 2）变桨变速型（变桨控制） 3）变桨定速型（主动失速）,补充知识：,1）定桨定速型（失速）,转速r.w不变，风速Vw增大，攻角增大，失速。 失速：上翼面有大的分离（流动） 失速后，cl、驱动力、效率均减少。,2.1. 风力机的工作原理,2、水平轴风力机工作原理及结构,1）定桨定速型（失速）,2.1. 风力机的工作原理,2、水平轴

15、风力机工作原理及结构,定桨失速型风机靠翼型本身的气动特性失速的，风大时不会飞车。叶片装上后不能转动，叶片较厚，成本高。,1）定桨定速型（失速）,2.1. 风力机的工作原理,2、水平轴风力机工作原理及结构,此失速型风机不具备刹车功能，通过叶尖扰流器（弹开-旋转越90）使整个机组停下来,2）变桨变速型,2.1. 风力机的工作原理,2、水平轴风力机工作原理及结构,目前主流，特别是大型MW级以上风机 通过调整桨距角来改变攻角，以达到控制功率输出的目的 风速Vw增大时，调节桨距角，使桨距角增大，从而攻角减少，输出功率变小 停机时，改变90，使刀背朝前,2）变桨变速型,2.1. 风力机的工作原理,2、水平

16、轴风力机工作原理及结构,变桨系统：变桨齿轮箱、变桨电机、变桨电池 吊装时，叶片刀锋朝上，以防其受损,3）变桨定速型（主动失速）,2.1. 风力机的工作原理,2、水平轴风力机工作原理及结构,变桨以改变攻角，与变桨变速不同，它是增大攻角，以实现失速，停机时刀尖朝前。,3）变桨定速型（主动失速）,2.1. 风力机的工作原理,2、水平轴风力机工作原理及结构,停机时刀尖朝前。,2.1. 风力机的工作原理,2、水平轴风力机工作原理及结构,切向力： 用于发电的驱动力 推力： 作用于塔架，直接影响到塔架和地基的成本,57,2.1. 风力机的工作原理,2、水平轴风力机工作原理及结构,获取动力转动发电,气动力,？,2.1. 风力机的工作原理,2、水平轴风力机工作原理及结构,风轮主轴齿轮箱高速轴发电机,2.2 风力机的结构,2、水平轴风力机工作原理及结构,风轮系统：将风能转变为机械能。 传动链：将叶轮的转速提升到发电机的所需转速。 发电机：将叶轮获得的机械能再转变为电能。 偏航系统：使叶轮可靠地迎风转动并解缆。 塔架：