风能与风力发电技术

大气环流：地球表面受热不均匀，引起大气层中空气压力不均衡形成
自动测风系统：传感器、主机、数据存储装置、电源、安全与保护装置
风速计：旋转式/散热式、压力式风速仪
风能特点：可再生的、对环境无污染的、对生态无破坏的清洁能源弱点：密度低
湍流强度：10min时距地脉动风速均方根值与平均风速地比值，风速随时间和空间变化的程度，风的脉动强度确定结构所受风载荷的关键参数。

阵风因子：阵风持续期tg内平均风速的最大值与10min时距地平均风速之比，亦表风的脉动强度。

风速廓线：对数/指数律分布
风速频率分布：平均风速、频率离差系数、偏差系数
风力发电机：一种能截获流动的空气所具有的动能并将风轮叶片迎风扫掠面积内地一部分动能转化为有用机械能地装置
俗称：风动机、风力发动机或风车。

工作原理：风轮在风力的作用下旋转，把风的动能转化为风轮轴地机械能，发电机的转轴在风轮轴地带动下旋转发电
组成：发电机头、转体、尾、叶片
风力机的分类：1.按风轮轴所在空间位置，水平轴/垂直轴2.按功率：微/小/中/大/巨型3.风轮正常情况下转速：高/低速4.风轮上叶片数目：多/少叶片5.按叶片工作原理：升力/阻力型6.按叶片升力翼型形状：螺旋桨式达里厄式
风力发电机组分类：1风力机轴位置：水平/垂直轴2风轮迎风方式：上/下风水平轴3风轮与发电机之间连接方式：直驱/变速式4叶片能否围绕其纵向轴线转动：定/变桨距式5发电机组负载形式：并/离网型6发电机类型：直流/同步交流/异步交流/交流永磁（发电机式风力发发电机组）
风力发电机组构成：风轮、机舱及齿轮传动系统、发电机、调速装置、调向装置、刹车制动装置、塔架、避雷系统
调速装置：离心飞球、定桨距叶尖失速控制、可变桨距、空气动力、扭头仰头、调向装置：尾翼调向、下风向调向、侧向风轮调向、调向电机或伺服电机调向
启动风速：风力机风轮由静止开始转动并能连续转动地最小风速。

切入风速：风力机队额定负载开始有功率输出时的最小风速
切出风速：由于调节器的作用使风力机对额定负载停止功率输出时地风速
工作风速范围：风力机对额定负载有佛你功率输出地风速范围
额定风速：有设计和制造部门给出的，使机组达到规定输出功率的最低风速
风速频率：描述不同风速德频率分布，一年内发生同一风速小时数与全年小时数的百分比
额定功率：空气在对应于机组额定风速时地输出功率值
最大功率：风力机在工作风速范围内能输出的最大功率值
叶片实度：叶片在风轮旋转平面投影面积的总和与风轮扫掠面积的比值
安装角：风轮旋转平面与叶片弦线所成的角
攻角：翼弦与相对风速所成的角
叶片：1单/双三/多叶片2变/等截面3材料：木制/钢梁玻璃纤维蒙皮/铝合金挤压成型/玻璃钢/碳纤维复合/纳米
齿轮箱形式：1轴线：定轴线/行星齿轮2布置形式：传动/展开/分流/同轴/混合式设计要求：1优先选择符合增速比体积小重量轻的行星齿轮增速器2增速器尽量采用斜齿以提高传动平稳性，减少噪声3合理的材料科学的工艺以延长寿命4保证齿轮箱平稳工作，防止震动和冲击，保证充分润滑条件使用要求：1安装连接必须紧固可靠2空载试运行3正常运行监控4定期更换润滑油5预防齿轮箱故障
齿轮箱常见故障：1齿轮损伤2轮齿折断3齿面疲劳4齿面胶合5轴承损坏6断轴7油温过高
调向装置（偏航系统）：主动（电机调向）/被动（尾翼/侧轮/下风向）
定桨距叶片失速调节优点：无需额外添加功率调节构件，和功率调节系统地维护，结构简单，性能可靠，造价低，缺点：启动性差，且要有可靠的刹车装置过分依赖叶片独特的翼型结构设计，叶片本身结构比较复杂成型工艺难度较大。

电机调向系统组成：电动机、减速器、调向齿轮、偏航调节系统（风向标/偏航系统调节软件）、偏航制动器、偏航计数器、偏航液压回路和扭缆保护装置
发电机常见故障：1发电机过热、震动、震荡失步2发电机中性线对地有异常电压、3电流/压过大4功率不足定子绕组绝缘击穿短路铁芯片间短路
避雷系统三要素：接闪器/引下导线/接地装置
整流器（与整流器功能相反）主要功能：1将交流变成直流经滤波后供给负载或逆变器2给蓄电池提供充电电压3调幅无线电信号的检波分类：机械/电子管/半导体式整流方法：半波/全波（桥式/中心抽头式）变频器定义：把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可以变的交流电的装置
充电控制器：对系统、蓄电池、负载等实施有效保护、管理、控制、功能的装置功能：1充电2电压、流显示3高、低、欠电压断开恢复4保护5温度补偿6提供通信接口
变桨距风力发电机组三种状态：启动、欠功率、额定功率
普通的独立小型风力发电系统组成：风力发电机、变桨距控制系统、整流逆变器、蓄电池充放电控制电路、蓄电池及其用电设备
并联电网5个条件：波形、幅值、频率、相序、相位相同
风电机组安全运行地保护要求：主电路/过压过流/热继电/接地保护、防雷设施及保险丝
建设风电场地最基本条件：要有能量丰富、风向稳定地风能资源
衡量风电机组噪声水平指标：声源的声强水平lw、接受声音处的声压水平lp单位dB
我国最大风能资源区：东南沿海及其岛屿我国次最大风能资源区：内蒙古和甘肃北部。

我国较大风能资源区：青藏高原、三北地区的北部和沿海。

根据第一级区划指标第二级区划指标和第三级区划指标原则，可将全国风能资源划分为 4 个大区30个小区。

“风能资源丰富区”标定为：年平均风速在6m/s以上，年平均有效风能功率密度大于300 W/m, 风速3～25m/s的小时数在5000小时以上的地区。

反映风能资源丰富与否的主要指标有年平均风速、有效风能功率密度、有效风能利用小时数、容量系数等，这些要素愈大，则风能愈丰富
1、风电场场址直接关系到风力机的设计及风力机型选择？世界风能总量大约是世界总能耗的三倍。

风能在时间和空间分布上有很强的地域性，要选择品位高的风电场址，除了利用已有的气象资料外还要利用流体力学原理，研究大气流动的规律。

因此风电场场址直接关系到风力机的设计或风力机型选择
2、何为风能？风能可用什么来描述？答：空气流动具有的动能称为风能。

风能可用“风能密度”来描述。

空气在一秒钟时间里以速度V流过单位面积产生的动能称为“风能密度”，风能密度与平均风速 V 的三次方成正比。

3、什么是风的特性参数？答：风向和风速是描述风的特性参数。

风向是指风吹来的方向，风速是表示风移动的速度，即单位时间空气流动所经过的距离
4、风电场选址基本步骤有哪两个？
答：选址一般分预选和定点两个步骤。

预选是从10万km 的大面积上进行分析，筛选出 1 万km 较合适的中尺度区域，再进行考察选出 100km 的小尺度区域，该区满足在经验上看是可以利用的，且有一定的可用面积。

然后收集气象资料，并设几个点观测风速；定点是在风速资料观测的基础上，进行风能潜力的估计，作出可行性的评价，最后确定风力机的最佳布局。

5、风电场选址技术标准有哪些？
答：（1) 风能资源丰富区（2) 容量系数较大地区（3) 风向稳定地区（4) 风速年变
化较小地区5) 气象灾害较少地区（6) 湍流度小地区风力发电设备决策的原则是性能价格比原则。

6、风力发电有何特点？
答：风力发电有以下特点：第一，风机的输出受风力发电场的风速分布影响；第二，风力发电虽然运行费用较低、建设工期短，但建风场的一次性投资大，明显表现出风力发电项目需要相对较长的资本回收期，风险较大。

因此，在风机选型时，可按发电成本最小原则作为指标，因为它考虑了风力发电的投入和效益。

同时，在某些特殊情况下，如果风力发电间的相差不大，则风力机选型时发电成本最小原则就可转化为容量系数最大原则。

7、风力发电机组选型和布置有哪些要求？答：（1 ）、风力发电机布置要综合考虑地形、地质、运输、安装和联网等条件。

应根据风电场风向玫瑰图和风能密度玫瑰图显示的盛行风向，年平均风速等条件，确定主导风向，风力机排列应与主导风向垂直。

对平坦、开阔的场地，风力机可布置成单列型、双列型和多列型。

多列布置时呈“梅花型”，以尽量减少风力机之间尾流的影响。

（2）、多种布置方案计算表明；当风电场平均风速为 6.0～7.0m/s 时，单列型风力机的列距约为 3D(D 为风轮直径)；双列型布置的行距约为 6D，列距约为 4.5D；多列型布置的行列距约为7D。

风电场平均风速越大，布置风力机的间距可以越小。

（3）前后排风力发电机之间应有 5D 以上的间隔。

8、
8、风力发电场选址应综合考虑那些因素？答： (1) 年平均风速较大(2) 风电场场地开阔，地质条件好，四面临风（3) 交通运输方便4) 并网条件良好，要求风电场离电网近，一般应小于 20km。

（5) 不利气象和环境条件影响小(6) 土地征用和环境保护
9、水平轴式风力发电装置由哪几部分组成？答：风轮、风力发电机、塔架、机舱、调向装置、调速装置、刹车制动装置、增速器及联轴器10、风力机风轮是如何构成的？各部分的作用是什么？答：一般由2～3 个叶片和轮毂组成。

风轮叶片的功能是将风的动能转换为机械能并带动发电机发电。

轮毂实现叶片桨距角控制。

保持发电机输出频率恒定的方法有两种: ①__恒转速/恒频系统_，采取失速调节或者混合调节的风力发电机, 以恒转速运行时, 主要采用__异步感应发电机_；②_____变转速/恒频系统，用“电力电子变频器”将发电机发出的频率变化的电能转化成频率恒定的电能。

为保证风轮机稳定工作，必须有一个迎风装置跟踪风向变化，使风轮随风向变化自动相应转动，保持风轮与风向始终垂直。

风力发电系统模型具有很强的非线性、不确定性和多干扰等特点。

11、风力发电机组功率调节的作用是什么？答：功率调节是风力发电机组的关键技术之一。

风力发电机组在超过额定风速(一般为 12～16m/ s) 以后, 由于机械强度和发电机、电力电子容量等物理性能的限制, 必须降低风轮的能量捕获, 使功率输出仍保持在额定值附近。

这样也同时限制了叶片承受的负荷和整个风力机受到的冲击, 从而保证风力机安全不受损害。

12、风力发电机组功率调节的方式主要有哪几种？
答：功率调节主要有定桨距失速调节、变桨距角控制和变速恒频调节（四种控制方案：鼠笼式异步发电机/交流励磁双馈发电机/直驱式/混合式变速恒频风力发电系统）
13、并网运行的风力发电机组, 要求发电机的输出频率与电网频率一致恒定方法有哪几种？答：并网运行的风力发电机组,保持发电机输出频率与电网频率一致恒定的方法有两种: （1）恒转速/恒频系统。

采取失速调节或者混合调节的风力发电机, 以恒转速运行时, 主要采用异步感应发电机。

2）变转速/恒频系统。

用“电力电子变频器”将发电机发出的频率变化的电能转化成频率恒定的电能。

14、影响风力发电机组的输出功率主要因素是什么？
答：:风力发电机组的输出功率主要受三个因素的影响，即：
（1）、风速：V （2）、桨距角：β
（3）、高速特性数：λ。

15、风力发电机组变转速运行（相对于恒
转速运行）有哪些优点？
答：①具有较好的效率, 可使桨距角调节简单化.低风速时, 桨距角固定, 高风速时, 调节桨距角限制最大输出功率。

②能吸收阵风能量。

把阵风风能余量存储在风轮机转动惯量中, 减少阵风对风力发电机组带来的疲劳损坏, 减少机械应力和转矩脉动, 延长机组寿命。

当风速下降时, 高速运转的风轮动能便释放出来变为电能送给电网。

③系统效率高。

变转速运行风力机可以在最佳速比、最大功率点运行, 年发电量一般可提高10 ％以上。

④改善功率品质。

由于风轮系统的柔性，从而减少了输出功率的波动⑤减小运行噪声。

低风速时, 风轮处于低转速运行状态, 使噪声降低。

16、风轮机进行优化设计的内容和步骤是什么？答：○1核算高速特性数。

○2优化设计：根据最佳λopt 设计改进风轮转速。

○3计算改进后的风力机功率○4分析同样风速下，比原设计方案的功率增大了多少倍。

17、风力发电机装置中刹车机构的作用是什么？一般常采用哪几种形式？
答：刹车机构常用于安全系统，用在静止或正常运行时。

一般常采用机械的、电器的或空气动力式刹车。

形式不同，必须有很高的可靠性，使风轮快速回到静止位置。

18、如何根据风轮机的额定功率、设计风速、高速特性曲线、风场风能密度设计风轮机的转速和风轮直径？
答：按最佳风能利用系数设计，取相应的叶片。

（1）由图查得对应λopt 的风能利用系数Cp
○2计算风轮半径
:
○3计算风轮直径 :D = 2r
○4计算风轮机转速：
19、风力发电机组为什么要在风轮与发电机之间设置一个增速齿轮箱？
答：为使发电机不太重，且极对数少，发电机转速就相当高（1500～3000 r/min）。

那么就必须要在风轮与发电机之间设置一个增速齿轮箱，把转速提高，达到发电机的转速。

20、用于风力发电的风力机上的叶片应如何设计选型？答：用于发电的风力机，风力机要能得到很大的输出扭矩，就需要较大的叶片实度（较多的叶片数），即使在低风时仍有较高的扭矩输出。

风轮带动的是高转速的发电机，为避免齿轮箱过大，就希望风轮有尽可能高的转速，叶片宽度、叶片数与转速成反比。

两方面都应合理选择，使叶片几何型式和转速都能合理。

21、风力机、风场设计软件包，应包括：风轮外形设计子包，风力机气动载荷分析子包，风力机结构动力分析子包和风力机场址选择分析子包。

22、风力机、风场设计软件包可完成风力机_气动设计、性能计算、动力学分析风电场选址和经济性分析。

23、风轮机设计软件的作用有哪些？
答：提出了一套风轮机叶轮气动设计的数值方法，并建立了一套有工程应用价值、考虑流动三维效应的风轮机气动数值模型。

24、风力机对发电机及发电系统的一般要求有哪些？（1)将不断变化的风能，转换为频率、电压恒定的交流电，或电压恒定的直流电。

(2)高效率地实现上述两种能量转换，以降低每度电的成本。

(3)稳定可靠地同电网、柴油发电机及其他发电装置或储能系统联合运行，为用户提供稳定的电能。

26、并网运行的风力发电机组, 要求发电机的输出频率与电网频率一致恒定方法有哪几种？答：并网运行的风力发电机组,保持发电机输出频率与电网频率一致恒定的方法有两种: （1）恒转速/恒频系统。

采取失速调节或者混合调节的风力发电机, 以恒转速运行时，主要采用异步感应发电机。

（2）变转速/恒频系统。

用“电力电子变频器”将发电机发出的频率变化的电能转化成频率恒定的电能。

27、目前我国开发利用风能资源，建大型风电场的有利条件有哪些？
答：（1）、我国的交通条件得到极大的改善；（2）、电网覆盖程度有了很大的提高；（3）、许多风资源丰富地区己置于电网覆盖之下，为我们建设大型风电场提供了更有利的条件。

（4）、为了促进我国风电产业发展，国家一直在研究和制定新的可再生能源政策，一些政策已经开始出台并进行实施,这些必将有力推进我国风电事业的发展。