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1、第四章 风力发电技术 4.1 风的特性 4.2 风力发电机组 4.3 风力机的基本理论 4.4 风力发电机及工作原理 风力发电是风能利用的主要形 式，也是目前再生新能源利用中技术最成 熟、最具规模化开发条件和商业化发展前 景的发电方式之一。综合资源、技术、经 济、环保等因素考虑，大规模发展风力发 电是解决我国能源和电力短缺的一种战略 选择，也是缓解日益严峻的环境保护压力 的有效措施。 4.1 风的特性 风是地球上的一种自然现象，是太阳能的一 种转换形式，它由太阳辐射热和地球自转、公转 和地表差异等原因引起的，大气是这种能源转换 的媒介。 地球绕太阳运转，由于日地距离和方位不同 ，地球上各纬度所
2、接收的太阳辐射强度也不同， 地球南北极接收太阳辐射少，所以温度低，气压 高；而赤道接收的热量多，温度高，所以气压 低。太阳将地表的空气加温，空气受热膨胀后变 轻上升，当热空气上升时，冷空气则横向切入， 地球各表面受热不同，使大气产生温差形成气压 梯度，从而引起大气的对流运动，而大气压差是 风产生的根本原因。 风的产生是随时随地的，其方向、速度和大 小不定。风能特点是：能量巨大，但能量密度低 ，当流速同为3m/s时，风力的能量密度仅为水力 的1/1000；风能利用简单，无污染、可再生；风 的稳定性、连续性、可靠性差；而且风的时空分 布不均匀。 4.1.1 风的表示法及其特性 1. 风向表示法 风
3、向、风速和风力是描述风的三个基本参数。风向 是风吹来的方向。风速表示风移动的速度，即单位时间 内空气在水平方向上流动所经过的距离。风力表示风的 大小，以风力强度等级来区别。风向、风速和风力这些 参数都是随时随地变化的。地球公转、自转和地表地形 差异等因素，都将造成风力、风向和风速的改变。 （1）风向表示法 风向一般用16个方位表示，也可以用角度表 示。当用16个方位表示时，分别为北北东（NNE) ，北东(NE)、东北东(ENE)、东(E)、东南东 (ESE)、南东(SE)、南南东(SSE)、南(S)、南南 西(SSW)、南西(SW)、西南西(WSW)、西(W)、 西北西(WNW)、北西(NW)
4、、北北西(NNW)、北 (N)。 风向方位图如图4-1所示，当用角度表示时，以 正北为基准，顺时针方向旋转，东风90，南方 180，西风270，北风为360。 图4-1 风向方位图 （2）风速表示法 国际一般表示为m/s或km/h，由于风时有时 无，时大时小，每一瞬时的速度都不相同，所以 风速一般指一段时间内的平均值，即平均风速。 （3）风速与风级 风力等级是根据风对地面或海面物体影响而引 起的各种现象，按风力的强度等级来估计风力的 大小。国际上采用的为蒲福风级，从静风到飓风 有13个等级，分别为012级。 除了风级的估计方法，还可根据每级风相应 的风速数据，判定风的等级或计算风速和风级之 间
5、的关系 (4-1) 式中， 为 级风的平均风速（m/s)； 为风的 级数。如果已知风的级数 ，可以计算平均风速。 2. 风的特性 风的特性包括风的随机性、风随高度的变化而 变化等。 （1）风的随机性 风的产生是随机的，但可 以根据风随时间的变化总结出一定规律，风随时间 变化包括每日的变化和季节的变化。同时一天之中 风的强弱在一定程度上可以看做是周期性的。 （2）风随高度变化而变化 从空气运动的角 度看，通常将不同高度大气层分为三个区域:离地 面2m以内称为底层；2100m的区域称为下部摩擦 层，两者统称为地面境界层；1001000m的区域 称为上部摩擦层。以上三区域总称为摩擦层，而摩 擦层之上
6、是自由空气。 风速随高度变化的经验公式很多，通 常采用的是所谓指数公式，其表达式为 （4-2） 式中， 为距地面高度为 处的风速（ m/s)； 为高度为 处风速m/s，一般取 为10m；k 为修正指数，它取决于大气稳定度和地面粗糙程 度，其值为0.1250.5。不同地面的粗糙程度见表 4-1。 地面情况粗糙度 光滑地面，硬地面，海洋0.10 草地0.14 城市平地，较高草地0.16 高的农作物，树木少0.20 树木多，建筑物极少0.220.24 森林，村庄0.280.30 城市有高层建筑0.40 表4-1 不同地面情况的地面粗糙程度 从表4-1中数据可以发现，粗糙地面比光滑 地面的值大，这是因
7、为粗糙地面在近地层更容 易形成湍流，使得风速梯度大。所以为了从自 然界获取最大的风能，应尽量利用高空中的风 能，一般至少比周围的障碍物高10m左右。 3. 风能 风是空气的水平运动，空气运动产生的动能 称为风能。 （1）风能密度 空气在1s内以速度 流过单位 面积产生的动能称为风能密度，风能密度表达式 为 （4-3） 式中， 为风能密度（W/m2）； 为空气质量 密度（kg/m3）； 为风速（m/s)。 由于风速时刻在变化通常用某一段时间内的 平均风能密度来说明该地的风能资源潜力。 （2）风能 空气在1s内以速度 流过 截面的 动能为风能。风能表达式为 (4-4) 式中， 为风能（W)； 为风
8、能密度（W/m2 ）； 为截面积（m2)。 可见，风能大小与气流密度和通过的截面积 成正比，与气流的三次方成正比，可以风速对风 能影响很大。风能和其他的能源相比，有其优点 也有其缺点。优点在于蕴量巨大，可以再生、分 布广泛、没有污染；缺点是密度低、不稳定、地 区差异大。 4.1.2 风能的利用 风能的利用主要是将大气运动时所具有的动能转化为 其他形式的能量，一般利用风推动风车的转动以形成动 能。风能的各种应用包括风力发电、风帆助航、风水提 水、风力致热采暖等。 在风能的各种应用中，风力发电是风能利用的重要形 式。从风力发电技术状况以及实际运行情况表明，它是一 种安全可靠的发电方式。风力发电机组
9、的生产和控制技术 日渐成熟，产品商品化的进程加快，降低了风力发电成本 ，已经具备了和其他发电手段相竞争的能力。和其它发电 方式相比：风力发电不消耗资源、不污染环境；建设周期 一般很短，安装一台可投产一台，装机规模灵活，可根据 资金多少来确定装机量；运行简单，可完全做到无人值守 ；实际占地少，机组与监控、变电等建筑仅占风力发电场 约1的土地，其余场地仍可供农、牧、渔使用；对土地 要求低，在山丘、海边、河堤等地形条件下均可建设。此 外，在发电方式上还有多样化的特点，既可联网运行，也 可和柴油发电机等联成互补系统或独立运行，可解决边远 无电地区的用电问题。 4.1.3 风速数学模型 风是风机的原动力
10、，其模型相对于风电机组比较 独立。为了能够精确地描述风速的随机性和间歇性特 点，通常使用四种成分的风速来模拟自然风的变化情 况，分别为基本风vwa（Average）、阵风vwg（Gust ）、渐变风vwr（Ramp）、随机噪声风vwn（Noise ）。 （1）基本风 基本风在风电机组正常运行期间始终存在，决定了 输出到电网中的额定功率的大小，大体上反映了风电场 受到的平均风速的变化，其能够根据威布尔（Weibull） 分布参数近似求解 (4-5） 式中，vwa为基本风速，m/s；A和K为威布尔的尺度参数 和形状参数；()为伽马函数。 （2）阵风 阵风分量可以描述风速突然变化特性。 （4-6）
11、式中，vwg为阵风风速，m/s；TG为周期，s； T1G为启动时间，s；vwgmax为阵风最大值，m/s。 （3）渐变风 渐变风分量可以反映风速的渐变特性。 （4-7） 式中，vwr为渐变风速，m/s；TR为保持时间 ，s；T1R为起始时间，s；T2R为终止时间，s； vwrmax为渐变风最大值，m/s。 （4）随机噪声风 随机噪声风速分量反映的是风速变化的随机 特性。 （4-8） 式中， ， 。 其中，i为02之间均匀分布的随机变量；KN 是地表粗糙系数（一般取为0.004）；i为各个频 率段的频率；F为扰动范围，m2；为对高度的平 均风速，m/s；N为频谱取样点数。 综上所述，自然风的风速
12、可以模拟为 4.2 风力发电机组 4.2.1 风力发电机组的分类及结构 1.风力发电机组的分类 风力发电包含两个能量转换过程：即风力机 （风轮）将风能转换为机械能和发电机将机械能 转换为电能。风力发电所需要的装置，称为风力 发电机组。风力发电机的分类有很多种，从风轮 轴的安装形式上可分为水平轴风力发电机组和垂 直风力发电机组两种；按风力发电机的功率来可 分为四种，分别为微型（额定功率为(501000W) 、小型（额定功率为1.010kW)、中型（额定功 率为10100kW)和大型（额定功率大于100kW)风 力发电机组；按运行方式来分可分为独立运行和 并网运行两种方式的风力发电机组。 2.风力
13、发电机组的结构 风力发电机组中，水平轴风力发电机组是目 前技术最成熟、产量最大的型式；垂直轴风力发 电机组因其效率低、需起动设备等技术原因应用 较少，因此下面介绍水平轴风力发电机组的结 构。 1）独立运行的水平轴风力发电机组。 水平 轴独立运行的风力发电机组由风轮（包括尾舵 ）、发电机、支架、电缆、充电控制器、逆变 器、蓄电池组等组成，其主要结构如图4-2所示。 图4-2 水平轴独立运行 的风力发电机组 独立运行的水平轴风力发电机容量较小、一 般在7.5kW以下，适用于户用型的离网供电系 统。系统通常与蓄电池和功率变换器配合实现直 流电和交流电的持续供给。通过控制发电机的励 磁、转速及功率变换
14、器以产生恒压恒频的交流 电。 独立运行的异步发电机带负载运行时，负载 的大小和性质对发电机输出的电压和频率都有影 响，一般发电机的负载为感性负载，当负载增大 时，感性电流将抵消一部分容性电流，导致励磁 电流的减小，使发电机的端电压下降，因此随着 感性负载的增大，必须增加并接的电容数量，以 维持励磁电流的大小不变；为了维持发电机频率 不变，当发电机的负载增大时，还必须相应地提 高发电机转子的转速。 2）并网运行的风力发电机组。 并网运行得 到水平轴风力发电机组由风轮、传动系统、发电 机、变频器、控制系统、保护装置、变压器、塔 架等部件组成，图4-3所示为并网运行的水平轴风 力发电机组的原理框图。
15、 图4-3 并网运行的水平轴风力发电机组图 4.2.2 风力发电机组的工作原理 在并网运行的风力发电机组中，当风以一定速度吹向 风力机时，在风轮的叶片上产生的力驱动风轮叶片低速转 动，将风能转换为机械能，通过传动系统将增速齿轮箱增 速，将动力传递给发电机，发电机匀速运转，把机械能转 变为电能。整个机舱由高大的塔架举起，由于风向经常变 化，为了有效地利用风能，还安装有迎风装置。迎风装置 根据风向传感器测得的风向信号，由控制器控制偏航电动 机，驱动与塔架上大齿轮相啮合的小齿轮转动，使机舱始 终对准风的方向。而在独立运行的风力发电机组中，风轮 驱动风力发电机。将风能转化为电能，通过蓄电池蓄能， 直接
16、或通过逆变器转换成交流电供给供网达不到的地区使 用，尾舵的作用也是使风轮对准风向，以捕获最大的风 轮。 在由机械能转换为电能的过程中，发电机及其控制器 是整个系统的核心。它不仅直接影响整个系统的性能、效 率和供电质量，而且也影响到风能吸收装置的运行方式、 效率和结构。 4.3 风力机的基本理论 4.3.1 风力机类型与结构 将风能转化成机械能的装置称为风力机（风 轮机）。经过多年发展，风力机已形成多种型式 ，如图4-4所示。品种繁多、用途各异的风力机原 理上都是把风能转变成机械能，然后变成其他形 式的能量使用。 （a)垂直轴风力机(b) 水平轴风力机 风力机从不同角度有多种分类方法，如： 1.按风轮轴与地面的相对位置，分为水平轴风力机和垂直 轴风力机。 2.按叶片工作原理，分为升力型风力机和阻力型风力机。 3.按风力机的用途
