风力发电能量转换的一般过程

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。
1.3直驱式同步风力发电机组
技术特点： • 叶轮转速较低，一般为每分钟十几转，转
子绕组通过增加极对数来降低同步转速， 从而避免了齿轮箱损耗； • 同步电机励磁系统可采用直流电励磁或永 磁体励磁方式，由于转子极对数较多，电 机外尺寸较大且较重，不方便运输和吊装。
• 对于直流电励磁方式的同步电机，转子转速的调 节可以通过控制励磁电流的大小来控制电磁转矩， 从而使风力发电系统获得最大风能捕获效率；对 于永磁同步电机，可以通过调节直流电压的方式 来控制电磁转矩，从而使风力发电系统获得最大 风能捕获效率，风能利用率高；
Βιβλιοθήκη Baidu 3、机舱
齿轮箱
由于种种限制风机叶轮的转速不能太快，而并网 运行的发电机必须要求再同步转速左右才能运行， 故风力发电机组一般都在主轴与发电机之间安装有 增速传动机构。风力机的传动机构一般包括低速轴、 高速轴、齿轮箱、联轴节和制动器等。
发电机
目前国内外常见的风电机组类型主要有四种：采 用齿轮箱增速的普通异步风力发电机组，双馈异步 风力发电机组和直驱式同步风力发电机组（含永磁 发电机和直流励磁发电机）以及混合式风力发电机 组。
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。
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
1、采用齿轮箱，故障率高，维护困难； 2、风能利用率低； 3、启动电流大，需配置启动装置； 4、消耗大量无功，需要从电网输入无功； 1、采用齿轮箱，故障率高，维护困难； 2、有励磁功率损耗； 3、结构复杂，控制系统复杂；
1、电机体积大、重量大 2、采用全功率电力电子设备，价格稍贵；3、 结构复杂，控制系统复杂； 4、永磁体有消磁现象
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。
三、风力发电特点及优势:
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；
直流励磁风力发电机
外观特点：机舱臃肿 主要生产厂家： ENERCON
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、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 C p 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
1-5 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：
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
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。
• 对于直流励磁方式的同步电机，励磁损耗较小； 对于永磁同步电机，则存在永磁材料的消磁现象。
• 通过电力电子换流器与电网连接，吸收或输出功 率可调，因此可以实现风力发电机平滑并网。
• 电网侧换流器采用空间矢量控制技术，可以实现 发电机有功功率和无功功率的解藕控制，能够独 立调节发电机向系统吸收或发出无功。
1、电机体积大、重量大 2、采用全功率电力电子设备，价格稍贵；3、 有励磁功率损耗； 4、结构复杂，控制系统复杂；
双馈、永磁和直流励磁 风力发电机外观图
双馈风力发电机
外观特点：机舱细长 主要生产厂家：
Vestas，Gamesa，GE等
直驱永磁风力发电机
外观特点：机舱短粗 主要生产厂家：
金风/VENSYS，湘电 /ZEPHYROS
• 结构、控制系统复杂。
以上风电机组优缺点比较表
风电机组类型
优点
缺点
普通异步风力 发电机组
双馈异步风力 发电机组
永磁同步风力 发电机组
直流励磁同步 风力发电机组
结构简单，控制方便
1、可以实现变速运行，获得最大风 能利用率； 2、输出电流可控，无需启动装置； 3、可以吸收或发出无功； 1、可以实现变速运行，获得最大风 能利用率； 2、输出电流可控，无需启动装置； 3、可以吸收或发出无功； 4、无励磁功率损耗； 1、可以实现变速运行，获得最大风 能利用率； 2、输出电流可控，无需启动装置； 3、可以吸收或发出无功
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，
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。
风力机结构图
（三） 风力发电机主要组成部分介绍
1、叶轮
风力机区别于其他机械的最主要 特征就是风轮。风轮一般由2～3个 叶片和轮毂所组成，其功能是将风 能转换为机械能。由于风力发电机 的理论基础也是空气动力学，故其 叶片形状与机翼很相似。风经过水 平轴风力发电机的叶片时由于叶片 与风有一个夹角，风在叶片上形成 升力，风力发电机就是依靠叶片上 的升力把风能转换为旋转的机械能， 从而带动发电机进行发电的。
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 1400
1200
ρ为空气比重 1000
A为扫掠面积
800
Cp为功率系数
600
V为风速
400
Ng为发电机效率 Nb为齿轮箱效率
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
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。
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。
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
2、塔架
风力机的塔架除了要支撑风力机的重量，还 要承受吹向风力机和塔架的风压，以及风力 机运行中的动载荷。它的刚度和风力机的振 动有密切关系。水平轴风力发电机的塔架主 要可分为管柱型和桁架型两类。一般圆柱形 塔架对风的阻力较小，特别是对于下风向风 力机，产生紊流的影响要比桁架式塔架小。 桁架式塔架常用于中小型风力机上，其优点 是造价不高，运输也方便。但这种塔架会使 下风向风力机的叶片产生很大的紊流。
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。