风力发电技术基础[1]

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1、1风力发电技术基础风力发电技术基础崔新维 国家风力发电工程技术中心 2005.5.崔新维 国家风力发电工程技术中心 2005.5.授课内容授课内容内容学时数内容学时数1、风力发电机组概论（、风力发电机组概论（2） 2、风资源概述（、风资源概述（2） 3、空气动力学基础（、空气动力学基础（4） 4、风力发电机方案设计（、风力发电机方案设计（4） 5、机组零部件（、机组零部件（4）21、 概论1、 概论1.1. 风力发电机简介风力发电机简介 1.2. 风力发电机设计总论风力发电机设计总论 1.2.1. 设计过程设计过程 1.2.2. 风力发动机组结构形式风力发动机组结构形式 1.2.3. 机组载荷

2、机组载荷1.1. 风力发电机简介风力发电机简介1) 风力发电机 能量转换装置：风能?电能风力发电机 能量转换装置：风能?电能风力 发电机组风力 发电机组风电机组3几点说明：几点说明：1.风力发电机和风车风力发电机和风车电能电能风力发电机（风力发电机（Wind turbine)风能 ? 机械能风能 ? 机械能风车风车(windmill)2.风力发电机和电网风力发电机和电网风力发电机总是连接着某种电网：风力发电机总是连接着某种电网： 蓄电池电路蓄电池电路 民用电网民用电网 独立电网独立电网 大型公用电网：现代大型风力发电机并入大型公用电网：现代大型风力发电机并入3.风力发电机与风风力发电机与风（叶

3、轮）（发电机）（叶轮）（发电机） 风能 ?机械能 ?电能风能 ?机械能 ?电能二次转换二次转换 不能储存风不能储存风 风电的波动性和断续（不可调度）风电的波动性和断续（不可调度） 风不能被传送，风电只能就地产生。几点说明：风不能被传送，风电只能就地产生。几点说明：4叶轮传动系统发电机机舱偏航系统塔架基础控制系统2）、风力发电机的组成2）、风力发电机的组成5动画演示动画演示?叶轮叶轮机舱机舱塔架塔架?机舱内部机舱内部?整机整机风力发电机的组成（续）风力发电机的组成（续）?风力发电机组的主要组成部分：风力发电机组的主要组成部分： 叶轮：将风能转变为机械能。叶轮：将风能转变为机械能。 传动系统：将叶

4、轮的转速提升到发电机的额 定转速传动系统：将叶轮的转速提升到发电机的额 定转速 发电机：将叶轮获得的机械能再转变为电能。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。偏航系统：使叶轮可靠地迎风转动并解缆。 其它部件：如塔架、机舱等其它部件：如塔架、机舱等 控制系统：使风力机在各种自然条件与工况 下正常运行的保障机制，包括调速、调向和安 全控制。控制系统：使风力机在各种自然条件与工况 下正常运行的保障机制，包括调速、调向和安 全控制。63）、风力发电机组的分类）、风力发电机组的分类?根据额定功率分为小、中、大型机组。但由于各个国家和 地区经济技术发展水平不同 ，

5、界限不尽相同 。欧洲美国中国微型机根据额定功率分为小、中、大型机组。但由于各个国家和 地区经济技术发展水平不同 ，界限不尽相同 。欧洲美国中国微型机1 k W以下小型机小于以下小型机小于 1 0 0 k W 1至至 1 0 k W中型机中型机1 0 0 k W 1 0 0 k W 1 0 k W 50 0 k W 1 0 0 0 k W 1 0 0 k W 大型机大于大型机大于50 0 k W 大于大于1 0 0 0 k W 大于大于1 0 0 k W机组的容量、叶轮直径和塔架高度机组的容量、叶轮直径和塔架高度74）、风力发电机的主要机型）、风力发电机的主要机型按叶轮转速是否恒定分：按叶轮转速

6、是否恒定分：定速风力机定速风力机 变速风力机变速风力机按功率调节方式分：按功率调节方式分： 定桨距（失速型）机组定桨距（失速型）机组 变桨距机组变桨距机组其它机型其它机型 主动失速型主动失速型 无齿轮箱型无齿轮箱型 海上机组海上机组组合成多 种机型组合成多 种机型海上机组海上机组8风力发电机功率曲线?基本技术特征基本技术特征 水平轴 、上风式、三叶片水平轴 、上风式、三叶片?机型的发展趋势机型的发展趋势 定桨距?变桨距 定速型?变速型定桨距?变桨距 定速型?变速型 Kw级?级?MW级 有齿轮箱式 ?直接驱动式级 有齿轮箱式 ?直接驱动式5）基本技术特征及发展趋势5）基本技术特征及发展趋势9叶轮

7、叶轮?由叶片和轮毂组成由叶片和轮毂组成?是机组中最重要的部件：决定性能和成本是机组中最重要的部件：决定性能和成本?目前多数是上风式，三叶片；也有下风式，两 叶片。目前多数是上风式，三叶片；也有下风式，两 叶片。?叶片与轮毂的连接：固定式，可动式叶片与轮毂的连接：固定式，可动式。?叶片多由复合材料（玻璃钢）构成。叶片多由复合材料（玻璃钢）构成。6）主要零部件简介）主要零部件简介?由由风力发电机中的旋转部件组成。主要包括低 速轴，齿轮箱和高速轴，以及支撑轴承、联轴 器和机械刹车。风力发电机中的旋转部件组成。主要包括低 速轴，齿轮箱和高速轴，以及支撑轴承、联轴 器和机械刹车。?齿轮箱有两种：平行轴式

8、和行星式。大型机组 中多用行星式（重量和尺寸优势）。齿轮箱有两种：平行轴式和行星式。大型机组 中多用行星式（重量和尺寸优势）。?有些机组无齿轮箱。有些机组无齿轮箱。?传动系的设计按传统的机械工程方法，主要考 虑特殊的受载荷情况。传动系的设计按传统的机械工程方法，主要考 虑特殊的受载荷情况。传动系传动系10?包括机舱盖，底板和偏航系统。包括机舱盖，底板和偏航系统。?机舱盖起防护作用，底板支撑着传动系部件。机舱盖起防护作用，底板支撑着传动系部件。?偏航系统的主要部件是一个连接底板和塔架的 大齿轮。偏航系统的主要部件是一个连接底板和塔架的 大齿轮。?上风式采用主动偏航，由偏航电机驱动，由偏 航控制系

9、统控制。上风式采用主动偏航，由偏航电机驱动，由偏 航控制系统控制。?偏航刹车用来固定机舱位置。偏航刹车用来固定机舱位置。?自由偏航通常用于下风式机组。自由偏航通常用于下风式机组。机舱与偏航系统机舱与偏航系统主要有感应电机和同步电机两种，两者都 能在并网时定速或近似定速运行。主要有感应电机和同步电机两种，两者都 能在并网时定速或近似定速运行。?感应电机由于可靠、廉价、易于接入电网 而得到更多的使用。感应电机由于可靠、廉价、易于接入电网 而得到更多的使用。?变速运行时，电气系统的将更复杂和昂贵。变速运行时，电气系统的将更复杂和昂贵。?选用适当的变流装置，感应电机和同步电 机都可以用于变速运行。选用

10、适当的变流装置，感应电机和同步电 机都可以用于变速运行。发电机发电机11?塔架有钢管、桁架和混凝土三种。塔架有钢管、桁架和混凝土三种。?塔架高度通常为叶轮直径的塔架高度通常为叶轮直径的11.5倍。倍。?塔架的刚度在风力机动力学中是主要因素。塔架的刚度在风力机动力学中是主要因素。?对于下风式机型，必须要考虑塔影效应、功率波动和 噪声问题。塔架与基础对于下风式机型，必须要考虑塔影效应、功率波动和 噪声问题。塔架与基础钢制筒形塔架混凝土式塔架桁架式塔架三脚式塔架拉索桅杆式塔架钢制筒形塔架混凝土式塔架桁架式塔架三脚式塔架拉索桅杆式塔架?控制系统主要控制机组的运行和功率的产生。控制系统主要控制机组的运行

11、和功率的产生。?控制系统主要包括：控制系统主要包括： 传感器：转速、位置、气流、温度、电流、电压 等；传感器：转速、位置、气流、温度、电流、电压 等； 控制器：机构、电路和计算机。控制器：机构、电路和计算机。 功率放大器：开关、电气放大器、液压泵和阀。功率放大器：开关、电气放大器、液压泵和阀。 致动器：电机、液压缸、磁铁、电磁线圈。致动器：电机、液压缸、磁铁、电磁线圈。?控制系统的设计可采用控制工程的方法。主要包含：控制系统的设计可采用控制工程的方法。主要包含： 限定扭矩和功率；限定扭矩和功率； 使疲劳寿命最大化；使疲劳寿命最大化； 使能量产生最大化。控制使能量产生最大化。控制121.2. 风

12、力发电机设计总论1.2. 风力发电机设计总论叶轮传动系统发电机偏航系统塔架机舱控制系统基础 风力发电机组的主要部件风力发电机组的主要部件Major Components13风力发电机的主要部件风力发电机的主要部件?典型的水平轴风力发电机：典型的水平轴风力发电机： 叶轮 包括叶片和轮毂叶轮 包括叶片和轮毂 传动系 除叶轮之外的旋转部件，主要有： 主轴、齿轮箱、联轴器、机械刹车和发电机传动系 除叶轮之外的旋转部件，主要有： 主轴、齿轮箱、联轴器、机械刹车和发电机 机舱 包括机舱罩、底板和偏航系统机舱 包括机舱罩、底板和偏航系统 塔架和基础塔架和基础 控制系统控制系统 电气系统 包括电缆、开关装置、

13、变压器，以及变 流器电气系统 包括电缆、开关装置、变压器，以及变 流器风力发电机设计的主要内容风力发电机设计的主要内容叶片数目（叶片数目（2或或3个）个） 叶轮的方位：上风式或下风式叶轮的方位：上风式或下风式 叶片材料、结构和外形叶片材料、结构和外形 轮毂设计：刚性或铰接轮毂设计：刚性或铰接 功率控制：失速或变桨距功率控制：失速或变桨距 定速或变速运行定速或变速运行 主动偏航或自由偏航主动偏航或自由偏航 同步电机或异步电机同步电机或异步电机 有齿轮箱或直接驱动有齿轮箱或直接驱动141.2.1. 设计要求与过程设计要求与过程?经济性是风力发电机设计要考虑的基本问题。 设计的基本目标的使机组的能量

14、成本最低。经济性是风力发电机设计要考虑的基本问题。 设计的基本目标的使机组的能量成本最低。?能量成本受许多因素影响，但主要有两个：能量成本受许多因素影响，但主要有两个： 机组本身的成本（机器、安装、运行、维护等）；机组本身的成本（机器、安装、运行、维护等）； 年发电量（设计和风资源）。年发电量（设计和风资源）。?设计的基本要求：设计的基本要求： 单个零部件的成本最低，重量尽可能轻；单个零部件的成本最低，重量尽可能轻； 足够的强度承受可能的极限载荷；足够的强度承受可能的极限载荷； 运行可靠，最低的维护费用；运行可靠，最低的维护费用； 足够的疲劳寿命。足够的疲劳寿命。设计过程设计过程确定应用确定应

15、用选择构型选择构型初估载荷初估载荷初步设计初步设计预测性能预测性能设计评价设计评价成本估计成本估计详细设计详细设计建造样机建造样机样机测试样机测试产品设计产品设计151.2.2. 风力发电机总体布局风力发电机总体布局?风力机总体布局中的选项：风力机总体布局中的选项： 叶轮轴线的方位：水平或垂直；叶轮轴线的方位：水平或垂直； 功率控制：失速，变桨距；功率控制：失速，变桨距； 叶轮的方位：上风式或下风式；叶轮的方位：上风式或下风式； 偏航控制：主动偏航，自由偏航或固定偏航；偏航控制：主动偏航，自由偏航或固定偏航； 叶轮转速：定速或变速；叶轮转速：定速或变速； 轮毂类型：固定式或可动式；轮毂类型：固

16、定式或可动式； 叶片的数量。叶片的数量。?大多数现代机是水平轴（平行或近似平行于到 面）大多数现代机是水平轴（平行或近似平行于到 面）HAWT。?水平轴机组有两个主要优势：水平轴机组有两个主要优势：实度较低，进而能量成本低于垂直轴机组。实度较低，进而能量成本低于垂直轴机组。 叶轮扫略面的平均高度可以更高，利于增加发电 量。叶轮扫略面的平均高度可以更高，利于增加发电 量。?垂直轴机组的优势：垂直轴机组的优势： 无需偏航。无需偏航。 叶片定弦长，无扭曲。叶片定弦长，无扭曲。 传动系位置可降低。传动系位置可降低。1）、叶轮轴线的方位：水平或垂直）、叶轮轴线的方位：水平或垂直16各种水平 轴机组各种水平 轴机