风力发电机组方案设计

第四章风力发电机组方案设计

内容

1. 叶轮直径

2. 额定风速

3. 叶轮转速

4. 叶片数

5. 功率控制

6. 制动系统

7. 定速与变速运行8. 发电机类型9. 传动系

10. 塔架的刚度

11. 人身安全与通道

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主要取决于两个因素：

风轮直径D 的确定

除此之外，风轮直径选择时还应考虑：•最小能量成本（费用/kWh/年）。

如某1.3MW机型对应的风轮直径为54～62m。•根据调查资料显示，额定功率值/单位风轮扫掠面积的比值（W/m 2）。

如某1.3MW机型约为405W/m 2，由此可算得D≈64m

另外，可参照国外同类机型。

其它参数的确定

1）叶轮中心离地面高度H

取决于安装地点（山谷、丘陵等），垂直风梯度，安装条件，单机容量等因素。2）叶轮锥角γ—叶片和旋转平面的夹角。

—减少气动力引起的叶根弯曲应力（对下风式风力机）；

—防止叶片梢部与塔架碰撞（对上风式）。3）叶轮倾角δ—叶轮转轴与水平面的夹角。

减少叶片梢部与塔架碰撞的机会。

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Vr=15m/s

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z Vr 太高，机组将很少达到额定功率，传动系和发电机的成本偏高，提高了能量成本；

z Vr 过低，叶轮及其支撑的成本相对于发电量过高。

z

统计数据表明，从成本最低的角度出发，优化的额定风速与年平均风速的比值关系Vro/Vave 大致为1.5～2 ，其中

——变桨距机组：1.67～1.77——失速型机组：≥2

额定风速Vr

考虑因素：

•尺寸控制：叶片弦长（实度）与转速的平方成反比。•重量控制：风轮转速增加后，叶片的重量（成本）将增加，但传动系统、机舱和塔架的费用降低，因此在考虑风轮转速时要进行优化，兼顾两者的费用。•噪声限制：风轮叶片所产生的气动噪音与叶尖线速度的五次方成正比，通常限制叶尖线速度小于65m/s。•视觉影响：从环保角度考虑，风轮转速增加对人的视觉会产生一种冲击。

4.3. 叶轮额定转速

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4.4、叶片数

1）、尖速比λ

叶轮的叶尖线速度与风速之比。是一个重要设计参数。与叶片数及实度有关。

用于风力发电的高速风力机，常取较大的尖速比。尖速比在5-15 时，具有较高的风能利用系数Cp 。通常可取6-8 。

Cp —λ曲线

Cp 0.50.40.30.2

0.1

3 6 9 12

λ

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由于叶片数少的风力机在高尖速比运行的具有较高的风能利用系数，适合于发电。

4）三叶片和两叶片：

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叶片数3Æ2：叶片弦长增加50%或转速增加22.5%。

z

在相同尖速比时，两叶片的Cp 约是三叶片的1/3。两者的最大Cp 接近，但两叶片发生在较大尖速比时。

z 两叶片提高转速后增加了的噪声。z 三叶片转动的视觉效果好于两叶片。

z

三叶片的风力机运行和功率输出较平稳，两叶片的可降低成本。

叶片数

源于风剪切的稳定载荷（以叶根挥舞弯矩Mo 表示）

随机载荷

弯曲载荷

三叶片机组

两叶片机组

两叶片机组增加的百分比％

主轴弯矩 1.5Mo 2Mo 22%机舱俯仰力矩 1.5Mo Mo(1-cos2ψ)22%机舱偏航力矩

Mosin2ψ

22%

叶片数对载荷的影响：

叶片数

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4.5. 功率控制方式

1）（被动）失速控制

z

最简单的控制方式，利用高风速时升力系数的降低和阻力系数的增加，限制功率输出的增加，在高风速时保持近似恒定。

dF ＝dLcos φ+dDsin φdT ＝r(dLsin φ-dD cos φ)

dL = 1/2 ρC L W 2

C dr

dD = 1/2 ρC D W 2

C dr 作用在叶轮上的扭矩：T= ∫dT

Aerofoil Dataset 63421

Cl Cd Cm

C o e f f i c i e n t s

Angle of Attack (deg)

-0.5

-1.0

-1.5

0.0

0.5

1.0

1.5

-10

-20

-30

-40

-50

-60

10

20

30

40

50

60

主动失速工作区

变桨距工作区

翼型的升力特性和阻力特性曲线

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