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1、风电基础知识培训 目录 第一章风能开发的意义第二章风能的技术原理第三章风力发电机组第四章风机的吊装与调试 第一章风能开发的意义 发展风力发电具有什么优势 风电技术日趋成熟 产品质量可靠 可用率已达95 以上 已是一种安全可靠的能源 风力发电的经济性日益提高 发电成本已接近煤电 低于油电与核电 若计及煤电的环境保护与交通运输的间接投资 则风电经济性将优于煤电 风力发电场建设工期短 单台机组安装仅需几周 从土建 安装到投产 只需半年至一年时间 是煤电 核电无可比拟的 投资规模灵活 有多少钱装多少机 对沿海岛屿 交通不便的边远山区 地广人稀的草原牧场 以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村 边疆来
2、说 可作为解决生产和生活能源的一种有效途径 第一章风能开发的意义 什么是风能 风能就是空气的动能 是指风所负载的能量 风能的大小决定于风速和空气的密度 风能来源于何处 风的能量是由太阳辐射能转化来的 太阳每小时辐射地球的能量是174 423 000 000 000千瓦 换句话说 地球每小时接受了1 74x10 17瓦的能量 风能大约占太阳提供总能量的百分之一 二 太阳辐射能量中的一部分被地球上的植物转换成生物能 而被转化的风能总量大约是生物能的50 100倍 第一章风能开发的意义 全球风能总量有多大 全球的风能约为2 74 109MW 其中可利用的风能2 710MW 比地球上可开发利用的水能总
3、量还要大10倍 我国风能总量有多少 我国10米高度层的风能资源总储量为32 26亿千瓦 其中实际可开发利用的风能资源储量为2 53亿千瓦 而据估计 中国近海风能资源约为陆地的3倍 所以 中国可开发风能资源总量约为10亿千瓦 其中青海 甘肃 新疆和内蒙可开发的风能储量分别为1143万千瓦 2421万千瓦 3433万千瓦和6178万千瓦 是中国大陆风能储备最丰富的地区 第一章风能开发的意义 第二章风能的技术原理 风的产生太阳的辐射造成地球表面受热不均 引起大气层中压力分布不均 空气沿水平方向运动形成风 所以 风就是水平运动的空气 空气产生运动主要是由于地球上各纬度所接受的太阳辐射强度不同而形成的
4、在赤道和低纬度地区 太阳高度角大 日照时间长 太阳辐射强度强 地面和大气接受的热量多 温度较高 在高纬度地区太阳高度角小 日照时间短 地面和大气接受的热量小 温度低 这种高纬度与低纬度之间的温度差异 形成了南北之间的气压梯度 使空气作水平运动 地球在自转 使空气水平运动发生偏向的力 所以地球大气运动除受气压梯度力外 还要受地转偏向力的影响 大气真实运动是这两种力综合影响的结果 第二章风能的技术原理 地形对风有什么影响 山谷和海峡能改变气流运动的方向 还能使风速增大 而丘陵 山地会因为摩擦而使风速减小 孤立的山峰会因海拔高而使风速增大 风的基本参数风速 风的大小常用风的速度来衡量 风速是单位时间
5、内空气在水平方向上所移动的距离 是计算在单位时间内风的行程 常以m s km h mile h等来表示风向 风吹过来的方向 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度为一个方位 第二章风能的技术原理 风功率如何计算 风的能量指的是风的动能 特定质量的空气的动能可以用下列公式计算 能量 1 2 M V 2吹过特定面积的风的功率可以用下列公式计算 功率 1 2 空气密度 面积 速度 3在海平面高度和摄氏15度的条件下 干空气密度为1 225千克 立方米 空气密度随气压和温度而变 随著高度的升高 空气密度也会下降 于上述公式中可以
6、看出 风功率与速度的三次方 立方 成正比 并与风轮扫掠面积成正比 不过实际上 风轮只能提取风的能量中的一部分 而非全部 第二章风能的技术原理 风力发电机的工作原理 现代风力发电机采用空气动力学原理 就像飞机的机翼一样 风并非 推 动叶轮叶片 而是吹过叶片形成叶片正反面的压差 这种压差会产生升力 令叶轮旋转并不断横切风流 风力发电机的叶轮并不能提取风的所有功率 根据Betz定律 理论上风电机能够提取的最大功率 是风的功率的59 6 大多数风电机只能提取风的功率的40 或者更少 叶片的空气动力学知识 安装角桨叶剖面上的翼弦线与叶片旋转平面的夹角 又称桨距角 风能最大利用系数通过贝茨理论可以得出 风
7、能的最大利用系数是59 3 P 空气密度V 风速Ad 叶轮扫掠面积CP 功率系数 Betz极限为0 593 第二章风能的技术原理 风力发电机的功率曲线在风速很低的时候 风电机风轮会保持不动 当到达切入风速时 通常每秒3到4米 风轮开始旋转并牵引发电机开始发电 随著风力越来越强 输出功率会增加 当风速达到额定风速时 风电机会输出其额定功率 之后输出功率会保留大致不变 当风速进一步增加 达到切出风速的时候 风电机会剎车 不再输出功率 为免受损 第二章风能的技术原理 风力发电机的性能可以用功率曲线来表达 功率曲线是用作显示在不同风速下 切入风速到切出风速 风电机的输出功率 为特定地点选取合适的风力发
8、电机 一般方法是采用风电机的功率曲线和该地点的风力资料以进行产电量估算 第三章风力发电机组 风力发电机组的分类及各自特点 风力发电机组主要由两大部分组成 风力机部分 它将风能转换为机械能 发电机部分 它将机械能转换为电能 第三章风力发电机组 根据风机这两大部分采用的不同结构类型 以及它们分别采用的技术方案的不同特征 再加上它们的不同组合 风力发电机组可以有多种多样的分类 1 如依风机旋转主轴的方向 即主轴与地面相对位置 分类 可分为 水平轴式风机 转动轴与地面平行 叶轮需随风向变化而调整位置 垂直轴式风机 转动轴与地面垂直 设计较简单 叶轮不必随风向改变而调整方向 第三章风力发电机组 水平轴式
9、风机 垂直轴式风机 第三章风力发电机组 按照桨叶数量分类可分为 单叶片 双叶片 三叶片 和 多叶片 型风机 叶片的数目由很多因素决定 其中包括空气动力效率 复杂度 成本 噪音 美学要求等等 大型风力发电机可由1 2或者3片叶片构成 第三章风力发电机组 按照风机接受风的方向分类 则有 上风型 叶轮正面迎着风向 即在塔架的前面迎风旋转 和 下风向型 叶轮背顺着风向 两种类型 上风向风机一般需要有某种调向装置来保持叶轮迎风 而下风向风机则能够自动对准风向 从而免除了调向装置 但对于下风向风机 由于一部分空气通过塔架后再吹向叶轮 这样 塔架就干扰了流过叶片的气流而形成所谓塔影效应 使性能有所降低 第三
10、章风力发电机组 按照功率传递的机械连接方式的不同 可分为 有齿轮箱型风机 和无齿轮箱的 直驱型风机 有齿轮箱型风机的桨叶通过齿轮箱及其高速轴及万能弹性联轴节将转矩传递到发电机的传动轴 联轴节具有很好的吸收阻尼和震动的特性 可吸收适量的径向 轴向和一定角度的偏移 并且联轴器可阻止机械装置的过载 第三章风力发电机组 而直驱型风机则另辟蹊径 配合采用了多项先进技术 桨叶的转矩可以不通过齿轮箱增速而直接传递到发电机的传动轴 使风机发出的电能同样能并网输出 这样的设计简化了装置的结构 减少了故障几率 优点很多 现多用于大型机组上 第三章风力发电机组 根据按桨叶接受风能的功率调节方式可分为 定桨距 失速型
11、 机组 桨叶与轮毂的连接是固定的 当风速变化时 桨叶的迎风角度不能随之变化 由于定桨距 失速型 机组结构简单 性能可靠 在20年来的风能开发利用中一直占据主导地位 变桨距机组 叶片可以绕叶片中心轴旋转 使叶片攻角可在一定范围内 一般 度 调节变化 其性能比定桨距型提高许多 但结构也趋于复杂 现多用于大型机组上 第三章风力发电机组 根据风力发电机组的发电机类型分类 可分为两大类 异步发电机型 同步发电机型 异步发电机按其转子结构不同又可分为 1 笼型异步发电机 转子为笼型 由于结构简单可靠 廉价 易于接入电网 而在小 中型机组中得到大量的使用 2 绕线式双馈异步发电机 转子为线绕型 定子与电网直
12、接连接输送电能 同时绕线式转子也经过变频器控制向电网输送有功或无功功率 同步发电机型按其产生旋转磁场的磁极的类型又可分为 1 电励磁同步发电机 转子为线绕凸极式磁极 由外接直流电流激磁来产生磁场 2 永磁同步发电机 转子为铁氧体材料制造的永磁体磁极 通常为低速多极式 不用外界激磁 简化了发电机结构 因而具有多种优势 第三章风力发电机组 如根据风机的额定功率化分 一般可分为 微型机 10kW以下小型机 10kW至100kW中型机 100kW至1000kW大型机 1000kW以上 MW级风机 第三章风力发电机组 风力机的组成风机是将风能转化为电能的机构 通常是有风轮 变桨系统 主轴 齿轮箱 发电机
13、 液压系统 主控系统 偏航系统 底座 机舱和塔架组成 第三章风力发电机组 风力机组的逻辑关系 风力机的工作原理风机是通过叶轮捕获风能 把风能转化为机械能 再通过齿轮箱的增速 最后由发电机把机械能转化为电能 风电机组的结构和部件风轮风轮是获取风中能量的关键部件 由叶片和轮毂组成 变桨系统介绍作用 叶片在不同的风速时 通过改变叶片的桨距角 使叶片处于最佳的吸收风能的状态 当风速超过切出风速时 使叶片顺桨刹车 主轴每个风力发电机组都有一个主轴 有时称低速轴或者叶轮轴 主轴是连接叶轮和齿轮箱的联动轴 它从叶轮传递扭矩到其他部件上 同时还支撑着叶轮 它通常由钢材组成 齿轮箱功能 增速通常风轮的转速很低
14、远达不到发电机发电所要求的转速 必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现 故也将齿轮箱称之为增速箱 齿轮箱是通常是机组中最贵和最重要的部件之一 通常由专业厂商制造 主要的两种分类 平行轴式行星式 齿轮箱体采用球铁铸造而成 齿轮箱的负荷及压力通过齿轮箱两侧的支撑传到塔架和基础 该支撑为强力橡胶结构 可以降低风电机组的噪音和震动 在齿轮箱后部的高速轴上安装有刹车盘 其连接方式是采用胀紧式联轴器 液压制动器通过螺栓紧固在齿轮箱体上 齿轮箱高速轴通过柔性连接与发电机轴连接 液压系统主要组成部分 液压系统主要由液压泵站 电磁元件 储能元件 连结管路线组成 用于偏航刹车系统及转子刹车提供动力源 功能介绍 通过
15、提供工作压力和释放压力控制偏航制动器的制动和释放通过提供工作压力和释放压力控制转子制动器的制动和释放 偏航系统采用主动对风齿轮驱动形式 与控制系统相配合 使叶轮始终处于迎风状态 充分利用风能 提高发电效率 提供必要的紧锁力矩 以保障机组安全运行 偏航主要零部件偏航电机及减速机构偏航大齿圈及轴承接近开关风速风向仪 偏航系统 为了让叶轮能自然地对准风向 通常风机都会采用调向装置 对大型风力发电机组而言 一般采用的是电动机驱动的风向跟踪系统 偏航系统 整个偏航系统由电动机及减速机构 偏航调节系统和扭缆保护装置等部分组成 偏航调节系统包括风向标和偏航系统调节软件 偏航系统 风向标对应每一个风向都有一个
16、相应的脉冲输出信号 通过偏航系统软件确定其偏航方向和偏航角度 然后将偏航信号放大传送给电动机 通过减速机构转动风力机平台 直到对准风向为止 联轴器连接齿轮箱和发电机转子的在弯曲方向柔性 旋转方向刚性的连接 发电机发电机将风轮的机械能转换为电能 分为异步发电机和同步发电机两种 当风速增加使齿轮箱高速输出轴转速达到异步发电机同步转速时 机组并人电网 向电网送电 风速继续增加 发电机转速也略为升高 增加输出功率 达到额定风速后 由于风轮的调节 稳定在额定功率不再增加 反之风速减小 发电机转速低于同步转速时 则从电网吸收电能 处于电动机状态 经过适当延时后应脱开电网 控制和安全系统控制系统包括控制和监测两部分 控制部分又分为手动和自动 运行维护人员可在现场根据需要进行手动控制 自动控制应该在无人值守的条件下实施运行人员设置的控制策略 保证机组正常安全运行 监测部分将各种传感器采集到的数据送到控制器 经过处理作为控制参数或作为原始记录储存起来 在机组控制器的显示屏上可以查询 也要送到风电场中央控制室的电脑系统 通过网络或电信系统现场数据还能传输到业主所在城市的办公室 安全系统要保证机组在发生非常
