风力发电概论复习1

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风力机结构
• 一 叶片的构造 • 风力机的核心部件是风轮(风叶和轮毂),此外还有控制 机构 • 叶片具有空气动力形状,接受风能并使风轮绕其轴转 动的主要构件.
• 轮毂: • 固定式轮毂：成本低,维护少,无磨损,三叶片 大多采样固定式轮毂
• 铰链式轮毂：常用于单叶片和二叶片风轮
叶片的空气动力特性
橫軸式風力發電機↑
垂直軸式風力發電機↑
风力发电机主要包含三部分：风叶轮、机舱和塔柱。 大型与电网接驳的风力发电机的最常见的结构，是横轴 式三叶片风叶轮，并安装在直立管状塔柱上。
风力发电剖面图 ←
按功率调节方式分
• 定浆距风机 • 普通变浆距型(正变矩)风机 • 主动失速型(负变矩)风机
按传动形式分
• 高传动比齿轮箱型 • 直接驱动型 • 中传动比齿轮箱(半直驱)型
风力机贝兹极限
• 风机是吸收风中的能量，将风能转变为可利用形 式能量的机械。但是任何风机都只能吸收风能量 中的一部分，人们将风机所获取风能的百分比称 “风机效率”，有人也称之为“性能系数”或 “功率系数”。那么一台理想风机的最高效率能 有多大呢?大家都很熟悉，它等于0.593，这个数 是德国科学家阿尔伯特· 贝兹在1927年首先证得的， 人们称它为贝兹极限。
• 翼型 • 翼型本是来自航空动力学的名词，是机翼剖面的形状， 风力机的叶片都是采用机翼或类似机翼的翼型，与翼 型上表面和下表面距离相等的曲线称为中弧线。下面 是翼型的几何参数图
压力中心
• 正常工作的翼片受到下方的气流压力与上方气流的吸力， 这些力可用一个合力来表示，该力与弦线（翼片前缘与后 缘的连线）的交点即为翼片的压力中心。 • 对称翼型在不失速状态下运行时，压力中心在离叶片前缘 1/4叶片弦长位置；运行在不失速状态下的非对称翼型， 在较大攻角时压力中心在离叶片前缘1/4叶片弦长位置， 在小攻角时压力中心会沿叶片弦长向后移。(攻角，也称 迎角，为一空气动力学名词。对于翼形来说，攻角定义为 翼弦与来流速度之间的夹角，抬头为正，低头为负，常用 符号α表示。)
风向的测量
• 风向标是一种应用最广泛 的测量风向仪器的主要部 件，由水平指向杆、尾翼 和旋转轴组成。 • 在风的作用下，尾翼产生 旋转力矩使风向标转动， 并不断调整指向杆指示风 向。
ห้องสมุดไป่ตู้
风向标
• ① ② ③ ④ 外形分四部分： 风尾 指向杆 平衡重锤 旋转主轴
• 我国利用风能的历史
– 3000年前的商代：开始出现帆船 – 唐代：“乘风破浪会有时，直挂云帆济沧海” – 明代：郑和下西洋 – 明代后：宋应星《天工开物》有：“扬郡以风 帆数扇，俟风转车，风息则止” – 方以智著的《物理小识》有：“用风帆六幅， 车水灌田，淮阳海皆为之” – 中国沿海沿江地区的风帆船和用风力提水灌溉 或制盐的做法，一直延续到20世纪50年代
• 风能玫瑰图含有风速和风向信息,反映风能资源的 特性,图中每一条辐射线的方向代表风的方向,长度 表示风向频率与平均风速立方的乘积
• 主导风向：风频最大的风向。 • 风玫瑰图：在极坐标中按16个风向标出 其频率的大小。
风功率与风功率密度
• 风功率指单位时间内,以速度v垂直流过截面A的气 流所具有的动能 • 故风功率为
风频特性
• 风向频率:在一定时间内各种风向出现的次数占所观测总次数 的百分比,即
• 风速频率:反映风的重复性,指在一个月或一年的周期中发生相 同风速的时数占这段时间刮风总时数的百分比 • 风玫瑰图:根据各方向风出现的频率按相应的比例长度绘制在 图上
• 风向玫瑰图对风电机组的排列布阵很有参考价值,当某个 方位风频很小时,对此方位的障碍物和建筑可不予考虑,在 风向玫瑰图上可知: • 1.盛行风向:风向频率较大方向 • 2.风向旋转方向 • 3.最小风向频率
二 作用在叶片上的空气动力
• 假设翼型与大气存在如图的相对运动,下表面压力较上表 面大,叶片翼受到一个合力,在垂直方向的分力为升力,在水 平方向的分力为阻力,此时合力对前缘A有一合力矩,即气动 俯仰力矩.
• 翼型的升力系数,阻力系数和翼型的形状及攻角有关, 在实用范围内基本成一直线,但在较大攻角时向下弯 曲,当攻角增大到acr时,Cl达到最大值Clmax其后则突然 下降,这种现象称为失速.
按风轮轴方向分
根据叶片固定轴的方位，风力发电机可以分为横轴和垂直轴 两个种类。横轴式风力发电机工作时转轴方向与风向一致， 垂直轴式风力发电机转轴方向与风向成直角。横轴式风力发 电机通常需要不停地变向以保持与风向一致。而竖轴式风力 发电机则不必如此，因为它可以收集不同来向的风能。
• 水平轴风力机 • 垂直轴风力机
贝兹假设风轮是理想的,即:
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• 但是，长期以来由于各种风机的效率都比 贝兹极限低得多，因而贝兹的疏忽一直未 被人们发现。实验证明，一个双叶片水平 轴风机，经过认真设计，最高效率只能达 0.47;叻型达里厄竖轴风机的最高效率也只 有0.35;S型竖轴风机仅0.15
2.风速与风级的关系 风的两个基本要素： 风向：风向是指风吹来的方向。
风向和符号
风速： 单位时间内空气流动的距离。 度量单位： 米/秒、千米/时 风速常用风级表示
风力的测量
• 根据测量原理主要有以下几类：机械式、超声波式、 声振荡、压力式与热线式等，在一般场合用得较多 的是机械式与超声波式，特别是在风力发电中使用 广泛。在风力发电中也称这些仪器为风速与风向传 感器。
• 欧洲利用风能的历史
– 12世纪风车从中东传入欧洲。 – 16世纪，荷兰人利用风车排水、 与海争地，在低洼的海滩上建国 立业。 – 在蒸汽机出现之前，风力机械是 动力机械的一大支柱，但因竞争 不过蒸汽机、内燃机等而被淘汰。 – 19 世纪丹麦人首先研制了风力发 电机。 – 1891年，丹麦建成世界第一座风 力发电站。 – 20世纪70年代后，风力发电蓬勃 发展。 – 21世纪中叶，风能成为世界能源 供应的支柱之一。
• 贝兹极限的缺陷虽已被指出，国内外仍采用他的方法 来计算风机效率，这是因为工程实用的效率计算方法 • 效率计算公式中的分子是风机获得的能量，实际上它 可以用扭矩计等仪器在风轮轴上测得;分母是风轮处 的总风能:总风能二1/2x空气密度大风轮处风速三次 方x风轮扫掠面积
风力机叶片与复合材料
• 风力机叶片曾用木材和金属来制造，但随着风力机向大型 化的发展，近年来已基本用各种复合材料所代替。故风力 机叶片已成为目前复合材料极重要的应用领域之一。 • 风力机叶片用主要材料体系包括各种增强材料、基体材料、 夹层泡沫、胶粘剂和各种辅助材料等。
1.风力等级
2.风速与风级的关系
3.风的利用 4.风的测量
• 1、风力等级(wind scale) • 简称风级，是风强度(风力)的一种表示方法。风 的大小划分为不同等级， • 国际通用的风力等级是由英国人蒲福(Beaufort)于 1805年拟定的，故又称“蒲福风力等级 (Beaufort scale)”，它最初是根据风对炊烟、沙尘、地物、 渔船、渔浪等的影响大小分为0-12级, 共13个等 级。 • 后来,又在原分级的基础上,增加了相应的风速界限. 自1946年以来，风力等级又作了扩充，增加到18 个等级(0-17级)。
风力发电机组的工作原理
• 在风力发电机组中存在两种物质流,一种使能量流, 一种使信息流
能量流
• 风以一定的速度吹向风力机,在风轮上产生 的转矩 驱动风论转动,风轮输出功率(机械能),,输出功率通 过主传动系统传递(可使转矩和转速发生变化),主 传动系统将动力传给发电系统,发电机把机械能变 为电能
1.风的数学描述
• 风廓线通常用两种表示方法: • 1.自然对数描述: • 2. 指数公式表示
• V1---h1高度上的风速m/s • V2---h2高度上的风速m/s • a----值大表示风速随高度增加得快,值小表示风速随高度增加得慢 • a 的变化与地面粗糙度有关,风速随距地面高度变化的特性可能造 成风力发电机叶片的振动
叶片的结构
• 在下图中的翼型弦线与翼型前进方向有一固定的夹角β称为浆 距角，相对翼型的风速是外来风速v与翼型线速度u合成的相 对风速w，相对风速w与翼型弦线间的夹角α是翼型的攻角。 要尽量让翼型工作在失速前的攻角以获得最大的升力与较小 的阻力。对于一定的风速v与一定的线速度u选择合适的翼型 浆距角β以获得最合适的攻角α。
风力发电机的叶片
• 风力发电机叶片是一个复合材料制成的薄壳结构。结构上
分三个部分。(1)根部:材料一般为金属结构;(2)外壳:一般为 玻璃钢;(3)龙骨(加强筋或加强框):一般为玻璃纤维增强复合 材料或碳纤维增强复合材料。 叶尖类型多种多样,有尖头、平头、钩头、带襟翼的尖部等。 叶片制造工艺主要包括:阳模→翻阴模→铺层→加热固化→ 脱模→打磨表面→喷漆等。 叶片设计难点包括:(1)叶型的空气动力学设计;(2)强度、疲 劳、噪声设计;(3)复合材料铺层设计。 叶片的工艺难点主要包括:(1)阳模加工;(2)阴模翻制;(3)树脂 系统选用。
• 风的数学描述 • 风廓线 • 风频特性 • 风功率及风功率密度 • 湍流 • 空气密度 • 风能可利用区的划分
• 风廓线是表示风速随距离地面高度变化的曲线 • 横坐标是某高处的平均风速v与风力发电机轮毂中心处平 均风速v0的比值 • 纵坐标是某高度h与风力发电机轮毂中心高度h0的比值, • Z0为粗糙度长度,是衡量地面摩擦力大小的指标
1. 依照主轴与水平面的相对位置可分为水平轴与垂直 轴式，换言之，若主轴呈水平状态，即为水平轴式； 反之，若主轴呈垂直状态，即为垂直轴式。 2. 依照叶轮相对于风向的位置可分为上风式(或迎风式) 及下风式(或逆风式) 。 3. 依照叶片数量可分为多叶片及少叶片式。就双叶片 而言，由于叶片较少，故可节省叶片的成本，另外 负荷较轻，所以可以较高的转速运转，但相对地振 动及噪音较大。四叶片由于叶片数多，故叶片成本 较高，并以较低转速运转，振动及噪音较小。至于 三叶片式，综合双叶片及三叶片之优点，现在较普 遍采用。
风力发电机之分类
4.依照风力发电机组容量大小可分为小型、中型及大型。 依照风力发电机组容量大小可分为小型、中型及大型， 目前全球风机的单机容量有600kW、660kW、850kW、 1350kW、1500kW、1750kW、1800kW、2000kW、2300kW、 2500kW、2700kW、3000kW、3600kW、4500kW及5000kW 等。 5.依照叶片的工作原理可分为升力型及阻力型。 一般市场上风力发电机的起动风速 (cut-in velocity) 约介于2.5~4 m/s，于风速12~15 m/s时达到额定的输 出容量。为避免过高的风速损坏发电机，大多于风速 达 20~25 m/s 范 围 内 停 机 ， 典 型 的 停 止 运 转 风 速 (cut-out velocity)为25 m/s。
信息流
• 信息流的传递是围绕控制系统进行的,其功能是过程控制 和安全保护,过程控制包括起动,运行,暂停,停止等 • 风速,风向,风力发电机的转速,发电功率等物理量通过传感 器变成电信号传给控制系统,即控制系统的输入信息,控制 系统对输入信息进行加工和比较,及时发出控制指令即输 出信息.
风力发电机之分类
风功率密度
• 风功率密度是气流垂直通过单位面积的风功率,表征一个 地方风资源多少的指标 • 平均风功率密度:由于风速是一个随机性很大的量,必须通 过较长时间的观测来了解它的平均状态,一段时间内的平 均风功率密度为:
风能密度 通过截面积的风所含的能量，常以W/m2表示。 • 风能密度与空气密度有直接关系 • 一般，海边地势地，气压高，空气密度大，风能密度 就高。高山气压低，空气稀薄，风能密度就小些。 • 如果高山风速大、气温低仍有相当大的风能潜力。