可再生能源发电技术课后习题

《可再生能源发电技术课后习题》由会员分享，可在线阅读，更多相关《可再生能源发电技术课后习题（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第 2 章 风力发电课后习题2-1 简述风的形成原因和不同级别风的特点。答：风是空气流动的结果。地球表面被厚厚一层称为大气层的空气所包围，由于密度不同或气压不同造成空气对流运动，水平运动的空气就是风，空气流动形成的动能称为风能。空气流动主要受到大气环流、季风环流和局部环流的共同影响。不同风力等级的特点见 P19 页的蒲福风力等级。2-2 常用的描述风能的参数有哪些？答：风速、风向、风频、风能以及风能的利用系数等等。风速：风强度的表示方法。指单位时间内风的水平移动距离，从时间上看有瞬时风速和平均风速，用风速仪测量。风向：风吹来的方向，一般用风向仪来测风向。风频：风向出现的频率。风能：指风所具有的

2、能量、动能，常用风压风功率等来表示。风能利用系数：表示风力机所捕获的功率与风功率之比，计算公式为 Cp=P/Pair，它是一个小于 1 的系数。2-3 试计算表 2-2 所列不同风速及面积上的风功率，以 kW 表示。=1.0kg/m 3。风功率 ，已知：半径 r、速度 v3232PAvr表 2-2直径 m风速 m/s 功率kW 5 10 50 1005 1.23 4.91 122.72 490.8715 33.13 132.54 3313.4 1325425 153.4 613.59 15340 613592-4 以 10m 高度为基准，试分别计算 20m 和 50m 高度的风速增长系数，在指

3、数公式中取 =0.14。答：风速随高度变化的经验公式很多，通常采用以下指数公式， ，=0（ h/h0） ）教材 P21 式（2-4） 。V 为高度 h 处的风速，单位为 m/s；v0 为高度 h0 处的风速，单位为 m/s，一般取 10m； 为经验指数，本题中取 =0.14， （在开阔、平坦、稳定度正常的地区） 。风速增长系数为（h/h 0） 20m 高度的风速增长速度为(20/10)0.14=1.10250m 高度的风速增长速度为(50/10)0.14=1.2532-5 设风分别以 5m/s 和 15m/s 各吹 1h（1 小时） ，取空气密度 =1.0kg/m 3。试计算：(1) 2h（2

4、 小时）内的平均风速是多少？ (2) 平均风功率密度是多少?答：平均风速为： = (5+15)/2= 10m/s=1+22 平均风功率密度为： = （1 53+1153）=875w=31+322(2) 122或表示为：其中 n 为风吹的时间，平均风功率密度 = = （15 3+1153）=875w 12=13 1 222-6 根据图 2-66 所示，设风速为 20m/s，试计算下列条件下风力机的功率：（1）风力机转速为 160r/min（曲线 A） ；（2）风力机运行在最大风能利用系数曲线上（曲线 B） ；（3）风力机运行于 600Nm 的恒转矩曲线上（曲线 C） ；（4）设风力机的额定风速未

5、 12.5m/s（图中曲线A、B、C 的交点） ，试问该风力机的额定转矩、额定功率和额定转速各是多少？答：首先求（1） （2） （3）问题的风力机功率，然后求（4）问题（额定工况点）的转矩、功率、转速，称为额定转矩、额定功率、额定转速。转速与角速度关系 ， （n 的单位 r/min，除以 60 为每秒单位） ，有 ，=2/60功率 2/60PT(1) 风力机转速为 160r/min（曲线 A） ，点（1）由图中插值：风力机转速约为160r/min，转矩约为 1500Nm，功率：=23.14161500160/60=25133w/n(2) 风力机运行在最大风能利用系数（曲线 B） ，点（2）由图

6、中插值：风力机转速约为 240r/min 时，转矩约为 1400Nm，功率：=23.14161400240/60=35186w/60PT(3) 风力机运行于 600Nm 的恒转矩曲线上（曲线 C） ，点（ 3）由图中插值：风力机转速约为 375r/min 时，转矩约为 600Nm，功率：=23.1416600375/60=23562w2/n(4) 风力机运行于额定工况点（4） ，由图中插值：额定转矩为 600Nm，额定转速为160r/min ，额定功率由下式求得：=23.1416600160/60=10053w 。/60PT2-7 什么是贝兹极限？其值是多少？答：贝兹理论是风力发电中关于风能利

7、用效率的一条基本的理论。贝兹理论：理想情况下风能所能转换成电能的极限比值为 16/27 约为 59.3%。它由德国物理学家 Albert Betz 于1919 年提出。2-8 什么是风力机的失速？答：对于定速定桨距风力机，桨叶的桨距角 是固定不变的。它利用叶片的气动特性，使其在高风速时产生失速来限制风力机功率。当风速增大时，桨距角 不变，攻角 增大。一旦攻角大于临界值，则叶片上侧气流分离，形成阻力，对应的阻力系数 CD 增大，而升力系数 CL 有所减小。升力 FL 和阻力 FD 的改变，导致作用在叶片上的轴向推力 FT 增加，切向旋转力 FR 略有减小，结果是气动力矩和功率减小，称之为失速。

8、（P30、图 2-20） 、或用（P27、图 2-15 升力系数 CL、阻力系数 CD 突然下降，失速时，升阻比 CL/CD 突然下降。 ）2-9 风力机分别运行在恒叶尖速比和恒转速，试说明其性能有何不同？答：叶尖速比 ，式中 为角速度、 R 为风机半径。风力机运行在 =/ 为风 速、恒叶尖速比时，即 恒为常数，当风机风速变化的时候，风力机转速需随之变化，保证两者比值恒定，一般适用于风速小于额定风速的时候。风力机运行在恒转速时，不管风速怎么变化，在到达额定功率以前，风力发电机组的转速要保持恒定。风速大于额定风速时，通过主动失速或者变桨距调节，限制风轮从风中吸收风能，而使发电机保持恒定的输出功率

9、。2-10 设风力机的叶尖速比 =7 时有最大风能利用系数 Cpmax，试计算直径分别为5m、10m 、50m 和 100m 的风力机在风速为 10m/s、20m/s 和 25m/s 时的转子转速应为多少？答：叶尖速比 ， ， 故转子转速为 n= /2R 。注意这里 R 为半径。 =/ 2n 直径风速 转速5m 10m 50m 100m10 m/s 4.46 2.22 0.44 0.2220 m/s 8.92 4.46 0.90 0.4425 m/s 11.14 5.58 1.12 0.562-11 设某风力机具有以下参数：额定功率为 1000KW，额定风速为 13m/s，塔高为 60m，轮毂

10、半径为 1.5m，转子半径为 30m，叶尖速比 =6.3。试计算：（1 ）在额定风速下叶尖和叶根的运动速度分别是多少？（2 ）额定转矩是多少？答：(1)由 =R/V，得到旋转角速度 =V/R=2.73，则叶尖运动速度为 R=81.9m/s ，叶根运动速度为 R=2.73*1.5=4.1m/s。（2）由 P=T，得到额定转矩 T=P/=366300Nm。2-12 根据功率调节方式不同，风力机有哪几种主要类别？主动失速型风力机与变浆风力机有何异同？（P30-31）答：风力机有三种调节方式：失速、主动失速和变桨距控制。失速：桨距角 不变，风速增大攻角 增大，叶片上侧气流分离，阻力系数增大，轴向推力

11、FT 增大，切向旋转力 FR 减小，气动力矩减小和功率减小，称之为失速控制。主动失速：就是在风速达到额定风速及以上时，通过人为地减小桨距角 ，攻角 快速增加，使风力机加深失速，达到快速调节风力机功率的目的。优点是：功率调节性能好，控制简单（相对于后面的变桨距控制） ；缺点是：作用在转子水平面上的轴向推力 FT 增大，风力机气动载荷加重。变桨距：当风速大于额定风速后，可通过变桨距机构使叶片绕其轴线旋转，增大叶素弦线与旋转平面的夹角也就是桨距角 ，减小攻角 ，使风力机功率不变，此时升力系数减小，而阻力系数仍然维持在较小数值。因此可以认为，控制器通过调节升力FT，使旋转切向力 FR 维持不变，从而保

12、持了风力机的功率不变。并由图 2-22，作用在转子平面上的轴向推力 FT 减小。因此，变桨控制不仅可控制风力机的功率恒定，而且可减小风力机的气动载荷。优点：功率调节性能好，气动载荷小；缺点：需要复杂的控制机构，增加了风力发电系统的复杂性。两者的差异：调节方向不同；调节频率不同；轴向推力变化规律不同。 （P32 的 1）2）3） ）2-13 频率为 50Hz 的 4 极（2 对）笼型异步电机，其运行转速范围是多少？而对于双馈异步电机，则其运行转速范围又是多少？为什么会不同？答: 鼠笼异步发电机旋转磁场：n1=60f1/p=50 60/2=1500 （P33 式 2-18 及 2-19）取转差率最

13、大为 5% ， 即 ，15%s由 ，得到 ，化简得：1n1sn11ns1500sm得到最大的 n=1575 最小 n=1425 双馈异步发电机：n1=60f1/p=5060/2=1500 转差率最大为 30% 双馈异步发电机（P37 最大转差率约为 0.3）1503%ns由 ，得到 ，化简得：1ns1sn11ns1503%50m得到最大的 n=1950 最小 n=10502-14 什么叫风力发电机变速恒频运行？那些发电机属于变速恒频风力发电机？答：风力发电机运行时，由于风速的变化是随机的，因此要求发电机在风速变化时，保持恒定的输出频率。双馈异步发电机、低速永磁同步发电机、无刷双馈发电机都属于变

14、速恒频的发电机。2-15 试比较双馈异步发电机和永磁同步风力发电机各有什么特点？答：双馈异步发电机：能连续变速运行；功率变换器容量较小，成本低；输出功率平滑，功率因数较高，电能质量较好，并网简单，无冲击电流；有电刷与集电环，存在机械磨损，可靠性较低；转子绕组中的功率双向流动，功率变换器结构及控制较为复杂；需要齿轮箱增速，可靠性较低。永磁同步发电机：没有增速齿轮箱或者采用一级增速齿轮箱，提高了可靠性；发电机与电网完全解耦；外形呈扁平的盘形；采用分数槽绕组；体积大。2-16 变速风力发电机组什么优点？什么是变速风力发电机组的最大功率点跟踪控制？答：优点：变速风力发电机能够根据风速的变化，在低风速时

15、，保持最佳叶尖速比，实现最大功率点跟踪；当风速大于额定风速时，利用变桨技术可将输出功率稳定地控制在额定功率。最大功率点跟踪：就是在风速小于额定风速时，采用适当的控制方法，使风力发电机保持有最佳的叶尖速比，有最大的风能利用系数。2-17 根据风速不同，变速风力发电机组有哪几个运行区间？最大功率跟踪控制适用于哪个区间？答：启动状态：发电机转速从静止上升到切入风速。此时，发电机没有工作，不需要控制Cp 恒定区：也称变速运行区。风力发电机组切入电网后运行在额定风速以下的区域。在此区间，随着风速的变化，调整风力机转速，使叶尖速比保持最佳值，对应的风能利用系数等于最大值。此区间适合用最大功率点跟踪控制。转速恒定区：由于受到旋转部件机械强度的限制，风力发电机组的转速有一个极限，在达到额定功率以前，风力发电机组的转速保持恒定。功率恒定区：风速高于额定风速时，风力发电机组受到机械和电气极限的制约，转速和功率维持在额定值，因此，该状态运行区域称为功率恒定区。切出区：当风速大于切出风速时，为保证风力发电机组的安全，需对机组进行制动减速，直至切出。2-18 当风速大于额定风速时，如何控制风力发电机组的功率？此时风能利用系数 Cp 随着风速的增大如何变化。答：风速大于额定风速时，可通过增大桨距角使 Cp 减小，降低转速，使叶尖速比减小，达到降低 Cp 的目的。此时 Cp