风力发电能量转换的一般过程分解

三、风力发电特点及优势:
⑤ 运行简单，可完全做到无人值守； ⑥ 实际占地少，机组与监控、变电等建筑仅 占风电场约1％的土地，其余场地仍可供 农、牧、渔使用； ⑦ 对土地要求低，在山丘、海边、河堤、荒 漠等地形条件下均可建设， ⑧ 在发电方式上还有多样化的特点，既可联 网运行，也可和柴油发电机等级成互补系 统或独立运行，这对于解决边远无电地区 的用电问题提供了现实可能性。
瓦—几兆瓦； ⑧ 发电机，分为直流发电机和交流发电 机； ⑨ 另外还有塔架高度等等。
1、水平轴力风机
特点：风力机的风轮轴与地面呈水平状态，称 水平轴风力机。 组成：它一般内风轮增速器、调速器、调向装 置、发电机和塔架等部件组成，大中型风力 机还有自动控制系统。 应用：这种风力机的功率从几十千瓦到数兆瓦， 是日前最具有实际开发价值的风力机： • 类型：有传统风车、低速风力机及高速风力 机等3大类型。
风力发电及能量转换
1-1 风与风力资源
一、风的产生与特性 • 产生：风是地球外表大气 层由于太阳的热辐射而引 起的空气流动；大气压差 是风产生的根本原因。 • 特性：周期性、多样性、 复杂性
二、风的能量与测量
1、产生能量的基本要素： 风具有一
定的质量和速度。
2、风能的一些主要特性参数：如风能、
风能密度、风速与风级、风向与风频以及风 的测量等。
5、风机的实际输出功率 P=0.5×ρ×A× Cp×V3×Ng×Nb
其中 P为风机输出功率 ρ为空气比重 A为扫掠面积 Cp为功率系数 V为风速 Ng为发电机效率 Nb为齿轮箱效率
1400
1200
1000
800
600
400
200
0 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
风力机的主要技术指标参数
① 风轮直径，通常风力机的功率越大，直径越
大； ② 叶片数目，高速发电用风力机为2—4片，低 速风力机大干4片； ③ 叶片材料，现代常采用高强度低密度的复合 材料； ④ 风能利用系数，一般为0.15—0.5之间；
⑤ 启动风速，一般为3—5m/s; ⑥ 停机风速，通常为15—35m／s; ⑦ 输出功率，现代风力机一般为几百干
水平轴力风机图
2、垂直轴风力机
特点：凡风轮转轴与地面呈垂直状态的风力 机叫垂直抽风力机。 形式有：如s型、H型、Ф 型等。 应用：虽然目前垂直轴风力机尚未大量商品 化，但是它有许多特点，如不需大型塔架、 发电机可安装在地面上、维修方便及叶片制 造简便等，研究日趋增多，各种形式不断出 现。各种形式的垂直轴风力机。
1）风能：空气运动产生的动能称为“风
能”。
2）风能密度：单位时间内通过单位截面积
的风能。
3）风速与风级：风速就是空气在单位时间
内移动的距离，国际上的单位是米／秒(m/s) 或千米／小时(km／h)。分13级
4）风向与风频：通常把风吹来的地平方向
定为风的方向，即风向。风频是指风向的频 率，即在一定时间内某风向出现的次数占各 风向出现总次数的百分比，
Ф 型风力机图
3、风力发电机组可分为定桨距机组与变 桨距机组。 定桨距风力发电机组的功率调节完全 依靠叶片的气动特性。这种机组的输出 功率随风速的变化而变化，当风速超过 额定风速时，通过叶片的失速或偏航控 制降低风能转换系数Cp，从而维持功率 恒定。
变桨距机组为了尽可能提高风力机风能转 换效率和保证风力机输出功率平稳，风力 机可由轮毂舱内叶片根部的液压装置或电 动机构进行桨距调整。变桨距风力发电机 组的功率调节不完全依靠叶片的气动特性， 它要依靠与叶片相匹配的叶片攻角改变来 进行调节。
①它是一种安全可靠的发电方式，随着大 型机组的技术成熟和产品商品化的进程， 风力发电成本降低。 ②风力发电不消耗资源、不污染环境，具 有广阔的发展前景， ③建设周期一般很短，一台风机的运输安 装时间不超过三个月，万千瓦级风电场 建设期不到一年，而且安装一台可投产 一台； ④装机规模灵活，可根据资金多少来确定， 为筹集资金带来便利；
1-5 风力发电系统及装置
(一)风力发电机组的系统 组成 • 风力发电系统是将风能转
换为电能的机械、电气及 共控制设备的组合。 • 通常包括风轮、发电机、 变速器(小、微容量及特殊 类型的也有不包括变速器 的)及有关控制器和储能装 置。
（二）大型并网型风力发电机组
类型：目前世界上比较成熟的并网型风力发电 机组多采用水平轴风力机，其形式多种多样 常见的水平轴风力机类型有： ①单叶片式；②双叶片式；②三叶片式；④ 多叶片风车式⑤车轮式多叶片风车式；⑥迎 风式；⑦背风式等。 基本组成：典型的大型风力发电机组通常主要 由叶轮、传动系统、发电机、调向机构及控 制系统等几大部分组成。
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5）风的测量：风的测量仪器主要有风向器、
杯形风速器和三杯轻便风向风速表等。
3、风中的能量
风中蕴含的能量是动能，故
P=1/2ρAV3
• 可用风能与风速的立方成正比，风速的轻微增加 会导致功率的显著增加 • 风力与海平面1.225kg/m3处的空气比重成正比 • 风能还受气压及温度的影响（大约10-15%） • 风能还与叶轮扫略面积成正比
4、功率系数
功率系数（Cp）描述风机将风能转换为机 械能的效率
可能提取的风能 Cp 输入的风能
风中的能量无法全部被风机转换，其理论最 高限度Cp（max）=0.593，通常被称为贝茨因
数。
风力机特性曲线通常由一簇风能 利用系数Cp曲线来表示
C p f (, )
R / V
式中λ表示叶尖速比； ω表示风轮转速；R： 表示风轮半径；V表示 风速；β表示桨叶节距 角
1-2 风力发电设备
一、组成：风力发电机组包括两大部分； 一部分是风力机，由它将风能转换为机械能； 另一部分是发电机，由它将机械能转换为电 能。 二、分类： 1）根据它收集风能的结构形式及在空间的布置， 可分为水平轴式或垂直轴式。 2）从塔架位置上，分为上风式和下风式；
3）还可以按桨叶数量，分为单叶片、双叶片、 三叶片、四叶片和多叶片式。 4）从桨叶和形式上分，有螺旋桨式、H型、 S型等； 5）按桨叶的工作原理分，则有升力型和阻力 型的区别。 6）以风力机的容量分，则有微型(1kW以下)、 小型(1—10kW)、中型(10—100kW)和大型 (100kw以上)机。