风力发电技术
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（二）调向机构
作用：用来调整风力机的风轮叶片旋转平而与空气
流动方向相对位臵的机构。因为当风轮叶片旋转平 面与气流方向垂直时，也即是迎着风向时，风力机 从流动的空气中获取的能量最大，因而风力机的输 出功率最大，所以调向机构又称为迎风机构(国外 通称偏航系统)。
类型：小型水平轴风力机常用的调向机构有尾 舵和尾车；风电场中并网运行的中大型风力 机则采用由伺服电动机。
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(五)塔架
• 水平抽风力发电机组需要通过塔架将其臵 于空中，以捕捉更多的风能。 • 类型：即由钢板制成的锥形筒状塔架和由 角钢制成的桁架式塔架。 (六)控制系统 组成： 100kw以上的中型风力发电机组及1Mw 以上的大型风力发电机组皆配有由微机或 可编程控制器(PLC)组成的控制系统来实现 控制、自检和显示功能。
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（三）发电机
微型及容量在10kW以下的小型风力发电机组，
采用永磁式或自励式交流发电机，经整流后 向负载供电及向蓄电池充电； 容量在l00kw以上的并网运行的风力发电机组， 则应用同步发电机或异步发电机：
（四）升速齿轮箱
• 作用：是将风力机轴上的低速旋转输入转变 为高速旋转输出，以便与发电机运转所需要 的转速相匹配。
级、风向与风频以及风的测量等。
1）风能：空气运动产生的动能称为“风能”。 2）风能密度：单位时间内通过单位截面积的风能。 3）风速与风级：风速就是空气在单位时间内移动的距离，
国际上的单位是米／秒(m/s)或千米／小时(km／h)。分13级
4）风向与风频：通常把风吹来的地平方向定为风的方向，
即风向。风频是指风向的频率，即在一定时间内某风向出 现的次数占各风向出现总次数的百分比，
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世界风能资源评估
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(二)中国风力资源
• 中国风能资源十分丰富，全国风能储量约4.8 3×10 9MW ，可 开发利用的风能资源总量达2.53亿kw。
• 在中国，风能资源主要分布在新疆、内蒙古等北部 地区和东部至南部沿海地带及岛屿。 1、风能最佳区：(1)东南沿海、山东半岛、辽东半岛以及海
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水平轴中大风力发电机组基本结构
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四、大型并网型风力发电机组
类型：目前世界上比较成熟的并网型风力发电 机组多采用水平轴风力机，其形式多种多样 常见的水平轴风力机类型有： ①单叶片式；②双叶片式；②三叶片式；④ 多叶片风车式⑤车轮式多叶片风车式；⑥迎 风式；⑦背风式等。 基本组成：典型的大型风力发电机组通常主要 由叶轮、传动系统、发电机、调向机构及控 制系统等几大部分组成。
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水平轴力风机图
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2、垂直轴风力机
特点：凡风轮转轴与地面呈垂直状态的风力 机叫垂直抽风力机。 形式有：如s型、H型、Ф型等。 应用：虽然目前垂直轴风力机尚未大量商品 化，但是它有许多特点，如不需大型塔架、 发电机可安装在地面上、维修方便及叶片制 造简便等，研究日趋增多，各种形式不断出 现。各种形式的垂直轴风力机。
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(二)与其他发电形式的联合运行
• 常用的方式主要有： 1 风力——柴油发电联合运行 2 风力——大阳能电地发电联合运行 • 风力一光伏联合系统有两种不同的运行方式： （1）切换运行，即有风时由风力发电机组供电， 有太阳光时由太阳能电池方阵供电，这种方式 简单，但系统的效率较低： （2）同时运行，风力发电机组与太阳能电池方 阵同时向苦电池组充电，可以充分发挥两者的 效能，系统效率高。
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课堂作业(10月14日)
1、风有哪些特性？ 2、风能的主要特性参数有哪些？什么叫风 能密度？ 3、从能量转换角度，风力发电机组包括哪 两大部分？各部分作用是什么？
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小型风力发电机图
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风力发电连接电网系统图
式或垂直轴式。 2）从塔架位臵上，分为上风式和下风式； 3）还可以按桨叶数量，分为单叶片、双叶片、三叶片、四叶片 和多叶片式。 4）从桨叶和形式上分，有螺旋桨式、H型、S型等； 5）按桨叶的工作原理分，则有升力型和阻力型的区别。 6）以风力机的容量分，则有微型(1kW以下)、小型(1—10kW)、 中型(10—100kW)和大型(100kw以上)机。
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二、并网运行方式
作用：采用风力发电机与电网连接，由电网输送电能的方式，是克 服风的随机性而带来的蓄能问题的最稳妥易行的运行方式，同时 可达到节约矿物燃料的目的。 应用：10kw以上直至Mw级的风力发电机组皆可采用这种方式。 并网运行又可分为两种不同的方式： • ①恒速桓频方式，即风力发电机组的转速不随风速的波动而变化， 始终维持恒转速运转，从而输出恒定额定频率的交流电。这种方 式目前已普遍采用，具有简单可靠的优点，但是对风能的利用不 充分。 • ②变速恒频方式，即风力发电机组的转速随风速的波动作变速运 行，但仍输出恒定频率的交流电。这种方式可提高风能的利用率， 但将导致必须增加实现恒频输出的电力电子设备，同时还应解决 由于变速运行而在风力发电机组文撑结构上出现共振现象等问题。
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风力机的主要技术指标参数
① 风轮直径，通常风力机的功率越大，直径越大； ② 叶片数目，高速发电用风力机为2—4片，低速风力 ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ ⑨
机大干4片； 叶片材料，现代常采用高强度低密度的复合材料； 风能利用系数，一般为0.15—0.5之间； 启动风速，一般为3—5m/s; 停机风速，通常为15—35m／s; 输出功率，现代风力机一般为几百干瓦—几兆瓦； 发电机，分为直流发电机和交流发电机； 另外还有塔架高度等等。
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1-3 风力发电运行方式
• 分类：独立运行和并网运行两种运行方式。 一、独立运行方式
• 独立运行的风力发电机组，又称离网型风力发电机组， 是把风力发电机组输出的电能经蓄电池蓄能，再供应 用户使用，如需要交流电，则要加逆变器。 （一）储能系统： • 风力发电系统采用的储能系统主要有：蓄电池储能、 抽水蓄能。 • 正在研究试验的有压缩空气储能、飞轮储能、电解水 制氢储能等。
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低杨程风力提水机图
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风电系统图1
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风力机结构图
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南澳风电场
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风电场1
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中国风电历年装机图
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(二)风力发电场的选址
1、考虑因素：风电场场址选择的最主要的因 素是风能资源、环境影响、道路交通及电 网条件等许多出素。 2、主要依据： ① 风力资源 ② 风塔建设条件 ③ 气象数据 ④ 地形地貌 ⑤ 对居民影响
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(三)风力发电场的风力发电机组排布
上岛屿。(2)内蒙古、甘肃北部。(3)黑龙江南部、吉林东部。 2、风能较佳区：(1)西藏高原中北部。（2）三北北部。(3)东 南沿海(离海岸线20—50kM)
• 3、风能可利用区：(1)两广沿海。(2)大小兴安岭山区。3)
东从辽河平原向西，过华北太平原经西北到最西端，左侧绕 西藏高原边缘部分，右侧从华北向南面淮讨、长江到南岭。
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Ф型风力机图
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三、风力发电系统及装臵
(一)风力发电机组的系统 组成 • 风力发电系统是将风能转
换为电能的机械、电气及 共控制设备的组合。 • 通常包括风轮、发电机、 变速器(小、微容量及特殊 类型的也有不包括变速器 的)及有关控制器和储能装 臵。
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1-4 风电场
一、概念 • 风力发电场是日前世界上风力发电并网运行 方式的基本形式。图1、图2、图3， • 在风能资源良好的地区，将几十台、几百台 或几千台单机容量从数十kw、数百kw直至 MW级以上的风力发电机组按一定的阵列布局 方式成群安装而组成的风力发电机群体．称 为风力发电场，简称风电场。 • 风力发电场属于大规模利用风能的方式，其 发出的电能全部经变电设备送往大电网。
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风力发电特点及优势:
① 它是一种安全可靠的发电方式，随着大型机组的技术成熟 和产品商品化的进程，风力发电成本降低。 ② 风力发电不消耗资源、不污染环境，具有广阔的发展前景， ③ 建设周期一般很短，一台风机的运输安装时间不超过三个 月，万千瓦级风电场建设期不到一年，而且安装一台可投 产一台； ④ 装机规模灵活，可根据资金多少来确定，为筹集资金带来 便利； ⑤ 运行简单，可完全做到无人值守； ⑥ 实际占地少，机组与监控、变电等建筑仅占风电场约1％的 土地，其余场地仍可供农、牧、渔使用； ⑦ 对土地要求低，在山丘、海边、河堤、荒漠等地形条件下 均可建设， ⑧ 在发电方式上还有多样化的特点，既可联网运行，也可和 柴油发电机等级成互补系统或独立运行，这对于解决边远 无电地区的用电问题提供了现实可能性。
5）风的测量：风的测量仪器主要有风向器、杯形风速器和
三杯轻便风向风速表等。
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三、风力资源
• 据理论计算，太阳辐射到地球的热能中约有2％被转 变成风能，全球大气中总的风能量约为10 14MW，其 中蕴藏的可被开发利用的风能约有3.5×10 9MW，这 比世界上可利用的水能大10倍。 （一）世界风力资源分布 • 根据世界能源理事会的有关资料，地球表面有27％ 的地区年平均风速高于5m／s(距地而10m高)。如将 这些地方用作风力发电场，则每km2的风力发电能力 最大值可达8Mw，总装机容量可达24x1013w。 • 据分析，实际上陆地面积中风力大于5m／s 的地区， 其中仅4％有可能安装风力发电机组。
风力发电技术
宋先
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1-1 风与风力资源
一、风的产生与特性 • 产生：风是地球外表大气层由于太阳的热辐射 而引起的空气流动；大气压差是风产生的根本 原因。 • 特性：周期性、多样性、复杂性
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2Байду номын сангаас
二、风的能量与测量
1、产生能量的基本要素： 风具有一定的质量和速度。 2、风能的一些主要特性参数：如风能、风能密度、风速与风
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1、水平轴力风机
特点：风力机的风轮轴与地面呈水平状态，称 水平轴风力机。 组成：它一般内风轮增速器、调速器、调向装 臵、发电机和塔架等部件组成，大中型风力 机还有自动控制系统。图 应用：这种风力机的功率从几十千瓦到数兆瓦， 是日前最具有灾际开发价值的风力机： • 类型：有传统风车、低速风力机及高速风力 机等3大类型。
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• 按照不同的需要，风能可以被转化成其他不同形式的能量，如机 械能、电能、热能等，以实现提水灌溉、发电、供热、风帆助航 等功能。21世纪风能利用的主要领域是风力发电。
（三）风能的利用
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1-2 风力发电设备
一、组成：风力发电机组包括两大部分； 一部分是风力机，由它将风能转换为机械能； 另一部分是发电机，由它将机械能转换为电能。 二、分类： 1）根据它收集风能的结构形式及在空间的布臵，可分为水平轴
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控制系统主要功能：
①按预先设定的风速值(一般为3—4m／s)自动启动风 力发电机组，并通过软启动装臵将异步发电机并人 电网。 ②借助各种传感器自动检测风力发电机组的运行参数 及状态，包括风速、风向、风力机风轮转速、发电 机转速、发电机温升、发电机输出功率、功率因数、 电压、电流等以从齿轮箱轴承的油温、液压系统的 油压等。 ③当风速大干最大运行速度(一般设定为25m／s)时实 现自动停机。 ④故障保护。 ⑤通过调制解调器与电话线连接。
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（二）调向机构
作用：用来调整风力机的风轮叶片旋转平而与空气
流动方向相对位臵的机构。因为当风轮叶片旋转平 面与气流方向垂直时，也即是迎着风向时，风力机 从流动的空气中获取的能量最大，因而风力机的输 出功率最大，所以调向机构又称为迎风机构(国外 通称偏航系统)。
类型：小型水平轴风力机常用的调向机构有尾 舵和尾车；风电场中并网运行的中大型风力 机则采用由伺服电动机。
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(五)塔架
• 水平抽风力发电机组需要通过塔架将其臵 于空中，以捕捉更多的风能。 • 类型：即由钢板制成的锥形筒状塔架和由 角钢制成的桁架式塔架。 (六)控制系统 组成： 100kw以上的中型风力发电机组及1Mw 以上的大型风力发电机组皆配有由微机或 可编程控制器(PLC)组成的控制系统来实现 控制、自检和显示功能。
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（三）发电机
微型及容量在10kW以下的小型风力发电机组，
采用永磁式或自励式交流发电机，经整流后 向负载供电及向蓄电池充电； 容量在l00kw以上的并网运行的风力发电机组， 则应用同步发电机或异步发电机：
（四）升速齿轮箱
• 作用：是将风力机轴上的低速旋转输入转变 为高速旋转输出，以便与发电机运转所需要 的转速相匹配。
级、风向与风频以及风的测量等。
1）风能：空气运动产生的动能称为“风能”。 2）风能密度：单位时间内通过单位截面积的风能。 3）风速与风级：风速就是空气在单位时间内移动的距离，
国际上的单位是米／秒(m/s)或千米／小时(km／h)。分13级
4）风向与风频：通常把风吹来的地平方向定为风的方向，
即风向。风频是指风向的频率，即在一定时间内某风向出 现的次数占各风向出现总次数的百分比，
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世界风能资源评估
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(二)中国风力资源
• 中国风能资源十分丰富，全国风能储量约4.8 3×10 9MW ，可 开发利用的风能资源总量达2.53亿kw。
• 在中国，风能资源主要分布在新疆、内蒙古等北部 地区和东部至南部沿海地带及岛屿。 1、风能最佳区：(1)东南沿海、山东半岛、辽东半岛以及海
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水平轴中大风力发电机组基本结构
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四、大型并网型风力发电机组
类型：目前世界上比较成熟的并网型风力发电 机组多采用水平轴风力机，其形式多种多样 常见的水平轴风力机类型有： ①单叶片式；②双叶片式；②三叶片式；④ 多叶片风车式⑤车轮式多叶片风车式；⑥迎 风式；⑦背风式等。 基本组成：典型的大型风力发电机组通常主要 由叶轮、传动系统、发电机、调向机构及控 制系统等几大部分组成。
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水平轴力风机图
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2、垂直轴风力机
特点：凡风轮转轴与地面呈垂直状态的风力 机叫垂直抽风力机。 形式有：如s型、H型、Ф型等。 应用：虽然目前垂直轴风力机尚未大量商品 化，但是它有许多特点，如不需大型塔架、 发电机可安装在地面上、维修方便及叶片制 造简便等，研究日趋增多，各种形式不断出 现。各种形式的垂直轴风力机。
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(二)与其他发电形式的联合运行
• 常用的方式主要有： 1 风力——柴油发电联合运行 2 风力——大阳能电地发电联合运行 • 风力一光伏联合系统有两种不同的运行方式： （1）切换运行，即有风时由风力发电机组供电， 有太阳光时由太阳能电池方阵供电，这种方式 简单，但系统的效率较低： （2）同时运行，风力发电机组与太阳能电池方 阵同时向苦电池组充电，可以充分发挥两者的 效能，系统效率高。
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课堂作业(10月14日)
1、风有哪些特性？ 2、风能的主要特性参数有哪些？什么叫风 能密度？ 3、从能量转换角度，风力发电机组包括哪 两大部分？各部分作用是什么？
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小型风力发电机图
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风力发电连接电网系统图
式或垂直轴式。 2）从塔架位臵上，分为上风式和下风式； 3）还可以按桨叶数量，分为单叶片、双叶片、三叶片、四叶片 和多叶片式。 4）从桨叶和形式上分，有螺旋桨式、H型、S型等； 5）按桨叶的工作原理分，则有升力型和阻力型的区别。 6）以风力机的容量分，则有微型(1kW以下)、小型(1—10kW)、 中型(10—100kW)和大型(100kw以上)机。
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二、并网运行方式
作用：采用风力发电机与电网连接，由电网输送电能的方式，是克 服风的随机性而带来的蓄能问题的最稳妥易行的运行方式，同时 可达到节约矿物燃料的目的。 应用：10kw以上直至Mw级的风力发电机组皆可采用这种方式。 并网运行又可分为两种不同的方式： • ①恒速桓频方式，即风力发电机组的转速不随风速的波动而变化， 始终维持恒转速运转，从而输出恒定额定频率的交流电。这种方 式目前已普遍采用，具有简单可靠的优点，但是对风能的利用不 充分。 • ②变速恒频方式，即风力发电机组的转速随风速的波动作变速运 行，但仍输出恒定频率的交流电。这种方式可提高风能的利用率， 但将导致必须增加实现恒频输出的电力电子设备，同时还应解决 由于变速运行而在风力发电机组文撑结构上出现共振现象等问题。
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风力机的主要技术指标参数
① 风轮直径，通常风力机的功率越大，直径越大； ② 叶片数目，高速发电用风力机为2—4片，低速风力 ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ ⑨
机大干4片； 叶片材料，现代常采用高强度低密度的复合材料； 风能利用系数，一般为0.15—0.5之间； 启动风速，一般为3—5m/s; 停机风速，通常为15—35m／s; 输出功率，现代风力机一般为几百干瓦—几兆瓦； 发电机，分为直流发电机和交流发电机； 另外还有塔架高度等等。
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1-3 风力发电运行方式
• 分类：独立运行和并网运行两种运行方式。 一、独立运行方式
• 独立运行的风力发电机组，又称离网型风力发电机组， 是把风力发电机组输出的电能经蓄电池蓄能，再供应 用户使用，如需要交流电，则要加逆变器。 （一）储能系统： • 风力发电系统采用的储能系统主要有：蓄电池储能、 抽水蓄能。 • 正在研究试验的有压缩空气储能、飞轮储能、电解水 制氢储能等。
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低杨程风力提水机图
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风电系统图1
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风力机结构图
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南澳风电场
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风电场1
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中国风电历年装机图
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(二)风力发电场的选址
1、考虑因素：风电场场址选择的最主要的因 素是风能资源、环境影响、道路交通及电 网条件等许多出素。 2、主要依据： ① 风力资源 ② 风塔建设条件 ③ 气象数据 ④ 地形地貌 ⑤ 对居民影响
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(三)风力发电场的风力发电机组排布
上岛屿。(2)内蒙古、甘肃北部。(3)黑龙江南部、吉林东部。 2、风能较佳区：(1)西藏高原中北部。（2）三北北部。(3)东 南沿海(离海岸线20—50kM)
• 3、风能可利用区：(1)两广沿海。(2)大小兴安岭山区。3)
东从辽河平原向西，过华北太平原经西北到最西端，左侧绕 西藏高原边缘部分，右侧从华北向南面淮讨、长江到南岭。
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Ф型风力机图
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三、风力发电系统及装臵
(一)风力发电机组的系统 组成 • 风力发电系统是将风能转
换为电能的机械、电气及 共控制设备的组合。 • 通常包括风轮、发电机、 变速器(小、微容量及特殊 类型的也有不包括变速器 的)及有关控制器和储能装 臵。
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1-4 风电场
一、概念 • 风力发电场是日前世界上风力发电并网运行 方式的基本形式。图1、图2、图3， • 在风能资源良好的地区，将几十台、几百台 或几千台单机容量从数十kw、数百kw直至 MW级以上的风力发电机组按一定的阵列布局 方式成群安装而组成的风力发电机群体．称 为风力发电场，简称风电场。 • 风力发电场属于大规模利用风能的方式，其 发出的电能全部经变电设备送往大电网。
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风力发电特点及优势:
① 它是一种安全可靠的发电方式，随着大型机组的技术成熟 和产品商品化的进程，风力发电成本降低。 ② 风力发电不消耗资源、不污染环境，具有广阔的发展前景， ③ 建设周期一般很短，一台风机的运输安装时间不超过三个 月，万千瓦级风电场建设期不到一年，而且安装一台可投 产一台； ④ 装机规模灵活，可根据资金多少来确定，为筹集资金带来 便利； ⑤ 运行简单，可完全做到无人值守； ⑥ 实际占地少，机组与监控、变电等建筑仅占风电场约1％的 土地，其余场地仍可供农、牧、渔使用； ⑦ 对土地要求低，在山丘、海边、河堤、荒漠等地形条件下 均可建设， ⑧ 在发电方式上还有多样化的特点，既可联网运行，也可和 柴油发电机等级成互补系统或独立运行，这对于解决边远 无电地区的用电问题提供了现实可能性。
5）风的测量：风的测量仪器主要有风向器、杯形风速器和
三杯轻便风向风速表等。
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三、风力资源
• 据理论计算，太阳辐射到地球的热能中约有2％被转 变成风能，全球大气中总的风能量约为10 14MW，其 中蕴藏的可被开发利用的风能约有3.5×10 9MW，这 比世界上可利用的水能大10倍。 （一）世界风力资源分布 • 根据世界能源理事会的有关资料，地球表面有27％ 的地区年平均风速高于5m／s(距地而10m高)。如将 这些地方用作风力发电场，则每km2的风力发电能力 最大值可达8Mw，总装机容量可达24x1013w。 • 据分析，实际上陆地面积中风力大于5m／s 的地区， 其中仅4％有可能安装风力发电机组。
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1-1 风与风力资源
一、风的产生与特性 • 产生：风是地球外表大气层由于太阳的热辐射 而引起的空气流动；大气压差是风产生的根本 原因。 • 特性：周期性、多样性、复杂性
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二、风的能量与测量
1、产生能量的基本要素： 风具有一定的质量和速度。 2、风能的一些主要特性参数：如风能、风能密度、风速与风
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1、水平轴力风机
特点：风力机的风轮轴与地面呈水平状态，称 水平轴风力机。 组成：它一般内风轮增速器、调速器、调向装 臵、发电机和塔架等部件组成，大中型风力 机还有自动控制系统。图 应用：这种风力机的功率从几十千瓦到数兆瓦， 是日前最具有灾际开发价值的风力机： • 类型：有传统风车、低速风力机及高速风力 机等3大类型。
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• 按照不同的需要，风能可以被转化成其他不同形式的能量，如机 械能、电能、热能等，以实现提水灌溉、发电、供热、风帆助航 等功能。21世纪风能利用的主要领域是风力发电。
（三）风能的利用
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1-2 风力发电设备
一、组成：风力发电机组包括两大部分； 一部分是风力机，由它将风能转换为机械能； 另一部分是发电机，由它将机械能转换为电能。 二、分类： 1）根据它收集风能的结构形式及在空间的布臵，可分为水平轴
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控制系统主要功能：
①按预先设定的风速值(一般为3—4m／s)自动启动风 力发电机组，并通过软启动装臵将异步发电机并人 电网。 ②借助各种传感器自动检测风力发电机组的运行参数 及状态，包括风速、风向、风力机风轮转速、发电 机转速、发电机温升、发电机输出功率、功率因数、 电压、电流等以从齿轮箱轴承的油温、液压系统的 油压等。 ③当风速大干最大运行速度(一般设定为25m／s)时实 现自动停机。 ④故障保护。 ⑤通过调制解调器与电话线连接。