风力发电机组结构原理及技术

浙江风电公司 吴金城
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基本原理
动能: 风能: 风电机吸收的能量:
E 1 mv2 1 Adsv2
2
2
Pw
1 2
Av3
Pw
1 2
A1v13
A2v23
Max Pw ?
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将风能转化为机械能
升力型和阻力型风力机
风会对切割它移动方向上的任意面积A 形成一个力，这个力就是阻力。 阻力型机器利用阻力产生动力。
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Drag-type turbines
Ref: www.ifb.uni-stuttgart.de/~doerner/edesignphil.html
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古波斯的风力机
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阻力型风力机
1922年，芬兰工程 师 S. J. Savonius发 明了 Savonious风机
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2
能量和功率
空气的质量
空气密度随着空气压力的增大而增大，随着温度的升高而减小：
• 冷空气比热空气密度大（热气球升空就是利用的这个原理）。在普通大气压力和20°C 温度的条件下每立方米空气的质量是 1.204 kg ；在 -10°C 的温度下，每立方米空气重 1.342 kg，比常温下重了11%。 也就是说，同样的风速同样的风电机，-10 °C冷风比 20 °C热风能够多产生11%的电能。
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Savonius风力机
A small irrigation pump could be driven by a savonius windmill at a wind velocity of 3 m/s or more. Energy conversion efficiency is a maximum of 0.05 at a tip speed ratio of 0.25. Torque coefficient decreases at a tip speed ratio of 0.25 or over.
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阻力型风力机
阻力与下面的参数成比例关系：
风速 U 的平方 切割面积 A 该面积的阻力系数 CD 空气密度 ρ
FD
1 CD [ 2
(U
r)2
A]
•阻力系数CD (D是英语里“阻力”的第一个字母) 。这个值是用来表 示某个物体对空气形成阻力的大小的，可以在风洞里进行测定。 •CD值越小，空气阻力也就越小。比如一个圆盘横向对风的 CD值大 约是1.11，而方盘大约是1.10，球体大约是0.45。 •在汽车工业中，工程师们都在研究如何将汽车的CD值变的更小，这 样汽车在行进时的阻力就会最小化。比如丰田的Prius的 CD值是0.26 ，而大众的Golf CD是0.325
•单位体积的空气，密度大的比密度小的要重，也含有更多的能量。高压地区（ 1020hPa）的空气密度比低压地区（980hPa）的空气密度大，单位体积重量也大。
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风力发电机原理
一台2MW的风电机叶片半径在40米左右。在普通空气密度下，温度 10°C，风速6米/秒（= 21 km/h）的情况下，风电机的功率是780KW 。在这个风速下，每秒流经风电机的空气是43吨。其中所蕴含的能量 相当于一辆小型货车（2.5吨重）开90公里/小时的时候，或者一台小 轿车（700公斤）开170公里/小时的时候的能量。
A small irrigation pump could be driven by a savonius windmill at a wind velocity of 3 m/s or more. Energy conversion efficiency is a maximum of 0.05 at a tip speed ratio of 0.25. Torque coefficient decreases at a tip speed ratio of 0.25 or over.
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阻力型风力机
风杯风速仪也是利用阻力原理来实现的。风杯风速计上风杯的CD-值 分别是1.33和0.33（迎风时和背风时）。风杯迎风时的阻力要比背风 时的阻力大很多，所以风杯风速计才会迎风旋转。 通过阻力定律来运动的转子无法转动的比风速更快（增速值小于1）， 属于亚风速转子。这种转子能量损失较大，功率系数（流体动力学上 的作用参数）非常小。（波斯风车大概0.17，风杯风速计大概0.08）
当风速达到18米/秒（= 65 公里/小时）的时候，每秒流经风电机的空 气大约是110吨。风速增长到3倍，但风的功率却要增长到3的3次方倍 ，也就是27倍。这个时候风的功率大约是21兆瓦。
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基本原理
Pmech v v1
空气是不可压缩的，高速气流 减慢后必然扩散。
v2
A1 A
A2
风力发电机组技术
风电场中，高级工程技术及管理人员培训班 2008年9月12日
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吴金城：浙江风电公司副总经理
1992：Bonus合作生产120千瓦风电机 1993：参加200千瓦风力发电机研制 1994：浙江风电公司
NTK550千瓦、Micon600千瓦、V42、D4、V52－V80 250千瓦、750千瓦风电机
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时间安排
12日
08:30 – 09:30
介绍
风力发电机原理、发展
空气动力学原理
风力发电机发展历史
09:30 – 10:00
休息
10:00 – 11:30
风力发电机分类
各类风力发电机的特点
14:00 – 15:00
风力发电机结构及主要部件
15:00 – 15:30
休息
15:30 – 17:00
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两天课程的最低目标：
了解风力发电基本原理、风电机的主要结构和 几个基本概念。
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风力发电机原理
风中蕴含的能量
风电机将风的动能转化为机械能并进而转化为电能。从动能到机械能的转化是通过叶片 来实现的，而从机械能到电能则是通过发电机实现的。
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动能
E 1 mv2 1 Adsv2
风力发电机齿轮箱
齿轮箱结构特点、发展趋势和常见故障
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时间安排
13日 08:30 – 09:30 09:30 – 10:00 10:00 – 11:30
14:00 – 15:00
15:00 – 15:30 15:30 – 17:00
风力发电机偏航系统 休息 风力发电机液压系统和刹车结构 风力发电机的控制和安全系统 风力发电机的塔架和基础 塔架种类、基础设计特点 休息 风电机特性及环境影响 功率特性、噪声特性、风电机对环境影响