风电机原理及发展历史

吴金城
21
发展
19世纪中叶: u 荷兰有大约9000风车 u 德国有20000 (2002: around 13000) u 全欧洲200000 wind-mills 19世纪中叶，尽管有蒸汽机的竞争，风车仍然得到广泛应用。 20世纪初出现电力后，风车逐渐淘汰。
龙源电力集团
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
吴金城
22
美国抽水风机
19世纪初，美国西部开发出现大量风力抽水机。 要求：转速慢，抗强风。
龙源电力集团
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
吴金城
23
丹麦风电之父
Poul la Cour (1846-1908) 现代风 电的先驱。
In 1918 some 120 local utilities in Denmark had a wind turbine, typically of a size from 20 to 35 kW for a total of some 3 megawatt installed power. Poul la Cour Prize The world's first Journal of Wind Electricity was also published by Poul la Cour.
吴金城
17
风能利用历史
风能利用已有数千年的历史，蒸气机发明前，风能是船舶航行、提水灌溉 、排水造田、磨面等工作的主要动力，最早的利用是“风帆行舟”。 “乘风破浪会有时，直挂云帆济沧海”。14世纪郑和七下西洋，风帆船队功 不可没。 《天工开物》对利用风帆车水灌田就有记载。
龙源电力集团
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
风力发电机原理
2011年10月21日
龙源电力集团
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
吴金城
1
课程安排
1、风力发电机原理及发展历史 2、风电机分类及结构特点 3、风轮 4、风电机传动链 5、发电机 6、风电机液压及刹车系统 7、风电机控制系统 8、风电技术发展趋势
龙源电力集团
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
吴金城
20
追踪风向
16th 荷兰风车进行技术革新，只转动风车上部追踪风向 1750: 出现的安装边风轮自动跟风装置 (Mekle and Lee, Scotland)
龙源电力集团
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
龙源电力集团
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
吴金城
8Baidu Nhomakorabea
基本原理
计算的理论 cp:
0.7 0.6
0.5
0.4
cp
0.3 0.2 0.1 0 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1
v2/v1
16 c p max = ≈ 0.593 27
龙源电力集团
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
吴金城
2
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。
龙源电力集团
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
吴金城
3
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。
动能
1 2 1 E = mv = ρAdsv2 2 2
龙源电力集团
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
吴金城
18
历史
传说埃及、希腊和罗马人3000 多年前开始利用风力， 但没有证据 第一台风力机是 公元644阿富汗的垂直轴磨面用风力机
龙源电力集团
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
吴金城
19
有偏航系统的风车
公元1180 West-Europe, horizontal axis wind-mill, „Bockwindmühle“ u wind-direction tracking by turning the entire mill
龙源电力集团
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
吴金城
12
风机的尖速比
尖速比是用来表述风电机特性的一个十分重要的参数。它等于叶片顶端的速 度除以风接触叶片之前很远距离上的速度；叶片越长，或者叶片转速越快， 同风速下的尖速比就越大。
龙源电力集团
龙源电力集团
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
吴金城
5
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。 •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。
吴金城
4
每秒通过风轮扫略面积的空气质量
一台风轮直径为80米的2MW的风电机。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。 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。
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
吴金城
13
不同风轮的功率系数
龙源电力集团
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
吴金城
14
不同数量叶片的风电机功率系数
龙源电力集团
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
吴金城
15
小节
风电机功率:
1 3 Pw = c p ρAv1 2
ωR R λ= vw
尖速比:
龙源电力集团
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
吴金城
16
龙源电力集团
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
海拔（m）
0 1000 2000 1050.4 0.81 3000 943.2 0.73 4000 843.7 0.65 龙源电力集团
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
5000 753.2 0.58 吴金城
空气密度gm－3 1292.0 1166.7 相对空气密度 1
0.90
6
基本原理
Pmech v1 v v2
空气是不可压缩的，高速气流 减慢后必然扩散。
A1 A A2
龙源电力集团
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
吴金城
7
贝茨
风电机叶片无法将风能量的100%转化为机械能。风电机的 转化效率是有极限的。 德国物理学家阿尔伯特贝茨 (1885-1968) 在1920年计算了 风电机转化效率的最大可能值，并在1926年公开发表。 根据贝茨定律： 风力机 最多只 能将风能的 16/27 转化为 机械能。 如果风速经过叶片后 V2 变成0，那么 风 无法经 过风电机；如果风速经过叶片后速度不变，那么风电机 就没有捕获能量。
龙源电力集团
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
吴金城
24
The wind energy sector's most prestigious award, the Poul la Cour prize, was presented to Henrik Stiesdal, Chief Technology Officer at Siemens Wind Pow er, at the opening session of the EWEA Annual Event 2011. Stiesdal was one of the pioneers of modern wind energy technology and has helped guide its development ever since. 2010: Ian Mays, RES - for his unparalleled contribution to the development of wind energy on the international stage 2009: Mechtild Rothe, Vice-President of the European Parliament for her commitment to promoting renewable energy in Europe 2008: Jos Beurskens, Energy Research Centre of the Netherlands (ECN) - for his outstanding achievements and many years' service in the field of wind energy 2007: Erik Lundtang Petersen, Risø - in honour of outstanding achievements in wind energy and for his scientific integrity 2006: Andrew Garrad, Garrad Hassan - for outstanding personal achievement in wind energy 2004: Esteban Morras, EHN - for establishing EHN as one of the leading renewable energy developers in the world 2003: Wolfgang Palz, European Commission - for his work at the European Commission 2001: Ecotecnica - for their co-operative organisation structure 1999: Søren Krohn, Danish Wind Industry Association - for www.windpower.org 1995: Aloys Wobben - for the gearless ENERCON turbine 1993: Erik Grove - for pioneering blade design
1 3 Pw = c p ρAv1 2
λ=
ωR R vw
吴金城
10
CP – λ 功率系数和尖速比的关系
龙源电力集团
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
吴金城
11
尖速比
慢速比风电机的尖速比最大为2.5 。所有以阻力原理作用的风电机的 尖速比都小于1，属于慢速比风电机。 以升力原理作用的风电机，如果其尖速比在1到2.5之间，也被称为慢 速比风电机。Westernmills和某些风力泵的尖速比大概是1，而 Bock风车以及荷兰风车的尖速比大概是2。 快速比风电机是指按照升力原理作用的风电机，并且其尖速比在2.5到 15之间。几乎所有的现代风电机（叶片数一到三）都属于此类。 快速比风机由于产生的涡流损失要比慢速比风机低很多，所以其作用 系数要明显比慢速比的风机高。一般慢速比风机的转化效率系数cP 在0.3到0.35之间，而快速比的风机能够达到0.45到0.55。
v2 1 = v1 3
龙源电力集团
(A. Betz, 1926)
吴金城
9
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
基本原理
风电机功率: cp 依赖以下因素: 尖速比: 叶片数量 叶片角度 翼型设计
龙源电力集团
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn