风力发电原理-第一章
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风力发电原理 作者 徐大平 风力发电原理
9
1.2 中国风能资源与开发
• 1.2.1 风能特点
– 风能蕴藏量大、分布广。 – 风能是可再生能源。 – 风能利用基本没有对环境的直接污染和影响。 – 风能的能量密度低。 – 不同地区风能差异大。 – 风能具有不稳定性。
10
1.2.2 我国风能资源
我国风能密度分布图
11
1.2.2 我国风能资源（续）
15
1.2.3 风电发展概况（续）
我国规划的大型（千万千瓦、百万千瓦级）风电基地分布图
16
1.3 风力发电技术与发展
• 1.3.1 机组类型
– 微型、小型、中型及大型风电机组 – 离网型风电机组和并网型风电机组 – 水平轴风电机组、垂直轴风电机组
17
微型、小型、中型及大型风电机组
• 按照额定功率的大小，可以将风电机组分为： • 1）微型风力发电机组：额定功率小于1KW。 • 2）小型风力发电机组：额定功率1KW～
• 就目前生产技术水平，可大规模开发利用的清洁可再生能源主要有： 风能、太阳能和生物质能。
5
1.1 风能利用及风力发电历史
• 人类利用风能有资料记载的有几千年历史。早期主要是以 风做为动力——风帆、风车。
a) 帆船
b) 风车
人类早期风能利用示例
6
1.1 风能利用及风力发电历史（续）
• 十九世纪晚期开始出现风力发电。 – 1887——美国人Charles F. Brush研制出世界上第一台12kW直
4
能源
• 能够直接或经转换提供能量的资源称为能源。 • 按被利用程度分:
– 常规能源：开发利用时间长，技术相对成熟、能大量生产利用。 – 新能源：开发和利用尚在研究和推广使用。
• 按取得方式分：
1.2 中国风能资源与开发
• 1.2.1 风能特点
– 风能蕴藏量大、分布广。 – 风能是可再生能源。 – 风能利用基本没有对环境的直接污染和影响。 – 风能的能量密度低。 – 不同地区风能差异大。 – 风能具有不稳定性。
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1.2.2 我国风能资源
我国风能密度分布图
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1.2.2 我国风能资源（续）
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1.2.3 风电发展概况（续）
我国规划的大型（千万千瓦、百万千瓦级）风电基地分布图
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1.3 风力发电技术与发展
• 1.3.1 机组类型
– 微型、小型、中型及大型风电机组 – 离网型风电机组和并网型风电机组 – 水平轴风电机组、垂直轴风电机组
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微型、小型、中型及大型风电机组
• 按照额定功率的大小，可以将风电机组分为： • 1）微型风力发电机组：额定功率小于1KW。 • 2）小型风力发电机组：额定功率1KW～
• 就目前生产技术水平，可大规模开发利用的清洁可再生能源主要有： 风能、太阳能和生物质能。
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1.1 风能利用及风力发电历史
• 人类利用风能有资料记载的有几千年历史。早期主要是以 风做为动力——风帆、风车。
a) 帆船
b) 风车
人类早期风能利用示例
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1.1 风能利用及风力发电历史（续）
• 十九世纪晚期开始出现风力发电。 – 1887——美国人Charles F. Brush研制出世界上第一台12kW直
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能源
• 能够直接或经转换提供能量的资源称为能源。 • 按被利用程度分:
– 常规能源：开发利用时间长，技术相对成熟、能大量生产利用。 – 新能源：开发和利用尚在研究和推广使用。
• 按取得方式分：
风力发电基础知识
第一章风力发电机组结构1.8 控制系统控制系统利用微处理器、逻辑程序控制器或单片机通过对运行过程中输入信号的采集传输、分析，来控制风电机组的转速和功率；如发生故障或其他异常情况能自动地检测平分析确定原因，自动调整排除故障或进入保护状态。
控控制系统的主要任务就是自动控制风机组运行，依照其特性自动检测故障并根据情况采取相应的措施。
控制系统包括控制和检测两部分。
控制部分又设置了手动和自动两种模式，运行维护人员可在现场根据需要进行手动控制，而自动控制应在无人值班的条件下预先设置控制策略，保证机组正常安全运行。
检测部分将各传感器采集到的数据送到控制器，经过处理作为控制参数或作为原始记录储存起来，在机组控制器的显示屏上可以查询。
现场数据可通过网络或电信系统送到风电场中央控制室的电脑系统，还能传输到业主所在城市的总部办公室。
安全系统要保证机组在发生非常情况时立即停机，预防或减轻故障损失。
例如定桨距风电机组的叶尖制动片在运行时利用液压系统的高压油保持与叶片外形组合成一个整体，同时保持机械制动器的制动钳处于松开状态，一旦发生液压系统失灵或电网停电，叶尖制动片和制动钳将在弹簧作用下立即使叶尖制动片旋转约90°，制动钳变为夹紧状态，风轮被制动停止旋转。
根据风电机组的结构和载荷状态、风况、变桨变速特点及其他外部条件，将风电机组的运行情况主要分为以下几类：待机状态、发电状态、大风停机方式、故障停机方式、人工停机方式和紧急停机方式。
（1）待机状态风轮自由转动，机组不发电（风速为0~3m/s），刹车释放。
（2）发电状态发电状态Ⅰ：启动后，到额定风速前，刹车释放。
发电状态Ⅱ：额定风速到切出风速（风速12~25m/s），刹车释放。
（3）故障停机方式：故障停机方式分为：可自启动故障和不可自启动故障。
停机方式为正常刹车程序：即先叶片顺桨，党当发动机转速降至设定值后，启动机械刹车。
（4）人工停机方式：这一方式下的刹车为正常刹车，即先叶片顺桨，当发电机转速降至设定值后启动机械刹车。
风力发电工作原理
风力发电工作原理风力发电是一种利用风能转化为电能的可再生能源发电方式。
它通过将风能转化为机械能，最终将机械能转化为电能。
在风力发电系统中，主要包含风力机、发电机和电网三个核心部分。
本文将详细介绍风力发电的工作原理。
一、风力机风力机是风力发电系统中最核心的部分。
它由塔筒、叶片和机舱等组成。
当风吹来时，风力机的叶片会受到风的压力而转动。
叶片的材质通常是轻质而又坚固的材料，如玻璃纤维和碳纤维复合材料，以确保其在强风中能够承受较大的力量。
风力机的叶片通常是三片或更多片的，其设计和形状可以使风通过时将其推动转动，并最大限度地捕捉风能。
风力机的转速和叶片的角度都会影响风力机的工作效率和电能输出。
二、发电机风力机的叶片转动后，机舱内的发电机开始工作。
发电机是将机械能转化为电能的重要设备。
在风力发电中，常用的发电机是同步发电机。
发电机由转子和定子两部分组成。
转子和风力机的叶片轴相连接，当叶片转动时，转子也随之旋转。
转子内部的线圈通过磁场感应原理，产生交流电。
交流电经过整流装置，转化为直流电，接着通过电网输送到用户处。
三、电网系统风力发电产生的电能需要通过电网输送并供应给用户使用。
电网系统包括变电站、输电线路和用户配电网络。
变电站是风力发电系统与电网之间的桥梁，将发电机产生的电能通过变压器升压到适合输送的电压。
然后，输电线路将电能输送到远处的用户。
在用户处，电网系统将电能调整为用户需要的电压，再进行配电供应。
四、风力发电工作原理的优势和挑战风力发电作为一种清洁、可再生的能源发电方式，具有以下优势：首先，风是一种永不断绝的能源，可以大规模利用。
其次，风力发电系统不产生二氧化碳等有害气体和污染物，对环境友好。
再次，风力发电的发电成本越来越低，已经成为竞争力较强的发电方式之一。
然而，风力发电也面临一些挑战。
首先，风力资源的分布不均匀，有些地区的风能较弱，不适合进行大规模发电。
其次，风力发电对环境的影响也需要考虑，可能会对景观、鸟类迁徙等产生一定的影响。
风力发电原理——绪论2
4
能量
能量是物质运动的一种度量，也是物质存在的一 种形态，一般指其具有的做功能力。 目前，通常认为有以下六种能量形式： 1 E 机械能：动能： E = 2 mV 重力势能： P = mgh E 弹性势能： K = 1 KX 2 表面能：ES = σ S 2 T 热能：Eq = m∫T CdT 电能：Ee = UI 以及化学能、辐射能、核能。
分布地区 东南沿海、山东半岛和辽东半岛、三北北部区、松花江下游区 东南沿海内陆和渤海沿海、三北南部区、青藏高原区 两广沿海区、大小兴安岭地区、中部地区 云贵川和南岭山地区、雅鲁藏布江和昌都区、塔里木盆地西部区
14
1.2.3 风电发展概况
世界风电装机容量发展（2001年-2010年） 250000 装机容量 / MW 200000 150000 100000 50000 0 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 24322 31181 39295 47693 59024 74122 93930 120903 159213 203500
28
表1-7 IEC有关风电机组的部分标准
标准号 IEC 61400-1 IEC 61400-2 IEC 61400-3 IEC61400-11 IEC 61400-12 IEC 61400-13 IEC 61400-14 IEC61400-21 IEC 61400-23 IEC 61400-24 标准名 风力发电系统-1:设计要求 风力发电系统-2:小型风轮机的安全要求 风力发电系统-3:海上风电机组设计要求 风力发电机组 第11部分：噪声测量技术 风力发电系统-12:风轮机动力性能试验 风力发电系统-13：机械负载的测量 风力发电机组 第14部分：声功率级和音质 风力发电机组 第21部分：电能质量测量和评估方 法 风力发电系统-23：风轮叶片的全尺寸比例结构试 验 风力发电系统-24:避雷装置 发布时间 2005-1 1996-1 2009 001-4 2002-7 29
能量
能量是物质运动的一种度量，也是物质存在的一 种形态，一般指其具有的做功能力。 目前，通常认为有以下六种能量形式： 1 E 机械能：动能： E = 2 mV 重力势能： P = mgh E 弹性势能： K = 1 KX 2 表面能：ES = σ S 2 T 热能：Eq = m∫T CdT 电能：Ee = UI 以及化学能、辐射能、核能。
分布地区 东南沿海、山东半岛和辽东半岛、三北北部区、松花江下游区 东南沿海内陆和渤海沿海、三北南部区、青藏高原区 两广沿海区、大小兴安岭地区、中部地区 云贵川和南岭山地区、雅鲁藏布江和昌都区、塔里木盆地西部区
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1.2.3 风电发展概况
世界风电装机容量发展（2001年-2010年） 250000 装机容量 / MW 200000 150000 100000 50000 0 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 24322 31181 39295 47693 59024 74122 93930 120903 159213 203500
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表1-7 IEC有关风电机组的部分标准
标准号 IEC 61400-1 IEC 61400-2 IEC 61400-3 IEC61400-11 IEC 61400-12 IEC 61400-13 IEC 61400-14 IEC61400-21 IEC 61400-23 IEC 61400-24 标准名 风力发电系统-1:设计要求 风力发电系统-2:小型风轮机的安全要求 风力发电系统-3:海上风电机组设计要求 风力发电机组 第11部分：噪声测量技术 风力发电系统-12:风轮机动力性能试验 风力发电系统-13：机械负载的测量 风力发电机组 第14部分：声功率级和音质 风力发电机组 第21部分：电能质量测量和评估方 法 风力发电系统-23：风轮叶片的全尺寸比例结构试 验 风力发电系统-24:避雷装置 发布时间 2005-1 1996-1 2009 001-4 2002-7 29
风力发电技术基础教程
—根据伯努利方程：
2
P = Pi +1/2 * Vi
即：气体总压力=静压力+动压力=恒定值
考察翼型剖面气体流动的情况：
① 上翼面突出，流场横截面面积减小，空气流速大，
即V2>V1。而由伯努利方程，必使： P2 < P1，即静压 力减小。
② 下翼面平缓， V3≈V1，使其几乎保持原来的 大气压，即： P3 ≈ P1。
• 讨论：
—当a≧1/2时，V2≦0，因此a<1/2。
又V <V1且V >0 ，有1>a>0。
a的范围： ½ > a > 0
—由于叶轮吸收的功率为
P=P’= 1/2 SV (V21_ V22) 2 = 2 S V13a( 1- a )
令dP/da=0，可得吸收功率最大时的入流因子。
解得：a=1和a=1/3。取a=1/3，得
5、其它参数
1、叶轮中心离地面高度H 取决于安装地点（山谷、丘陵等），垂直风
梯度，安装条件，单机容量等因素。
2、叶轮锥角 — 叶片和旋转平面的夹角。
—减少气动力引起的叶根弯曲应力（对下风式 风力机）； —防止叶片梢部与塔架碰撞（对上风式）。
3、叶轮倾角 —叶轮转轴与水平面的夹角。
减少叶片梢部与塔架碰撞的机会。
• 一台设计良好的风力机必须具有良好的 空气动力性能。
• 风力机的空气动能主要表现为叶轮的空 气动力性能。
• 叶轮的空气动力性能主要取决于它的气 动设计。
• 气动设计时，必须先确定总体参数。这 也是进行方案设计所必需的。
一、叶轮的主要参数
1、尖速比
• 叶轮的叶尖线速度与额定风速之比。是一个重要 设计参数。与叶片数及实度有关。
3_风力发电技术课本知识点总结
第一章风及风能资源一、风的形成及影响因素1.风的产生：是由地球外表大气层由于太阳的辐射而引起的空气流动，大气压差是风产生的根本原因2.特性：周期性、多样性、复杂性3.风的分类：季风、山谷风、海陆风、台风、龙卷风二、风的测量1.风的测量包括风向和风速两种2.风向测量：风向测量是指测量风的来向风向测量装置：1)风向标：是测量风向最通用的装置，有单翼型、双翼型、流线型2)风向杆（安装方位指向正南）、风速仪（可测风向和风速，一般安装在离地面10米的高度）3.风向表示法：风向一般用16个方位表示，静风记为C。
4.风能密度:单位截面积的风所含的能量称为风能密度，常以W/m2表示。
三、风资源分布1.我国风资分布可划分为：风能丰富区、风能较丰富区、风能可利用区、风能贫乏区1)风能丰富区:有效风能密度＞200W/m2。
2)风能较丰富区：有效风能密度为150~200W/m2，3~20m/s风速出现的全年累计时间为4000~5000h。
3)风能可利用区：有效风能密度在50~150W/m2之间，3~20m/s风速出现时数约在2000~4000h之间。
4)风能贫乏区：该区风能密度低于50W/m2，全年时间低于2000h第二章风力机的理论基础一、贝兹理论二、翼型的几何参数三、风车理论四、叶素理论气动效率五、葛劳渥漩涡理论六、葛劳渥轴线推力和扭矩计算有限长的叶片，叶片的下游存在尾迹涡，主要有两个漩涡区：一个在轮毂附近，一个在叶尖。
漩涡诱导速度可看成以下三个漩涡系叠加的合速:①中心涡，集中在转轴上②每个叶片的边界涡③每个叶片尖部形成的螺旋涡七、风力机的相似特性相似准则：所谓模型与风力机实物相似是指风轮与空气的能量传递过程以及空气在风轮内向流动过程相似，或者说它们在任一对应点的同名物理量之比保持常数。
流过风力机的气流属于不可压缩流体，理论上应满足几何相似、运动相似和雷诺数相等。
对风力机而言，后一个条件实际做不到，故一般仅以前两个条件作为模型和风力机实物的相似准则，并计及雷诺数。
风力发电工作原理
风力发电工作原理风力发电是一种利用风能转换成电能的可再生能源发电方式。
它的工作原理主要是通过风轮转动驱动发电机发电。
下面我们将详细介绍风力发电的工作原理。
首先，风力发电的核心部件是风力发电机组，它由风轮、发电机、塔架和控制系统等组成。
当风力发电机组安装在合适的地理环境中，当风速达到一定的程度时，风力发电机组就会开始工作。
风力发电机组的风轮是通过风的能量驱动旋转，而风轮的旋转则会带动发电机转子的旋转。
发电机转子的旋转产生感应电动势，最终输出交流电。
其次，风力发电的工作原理基于气流动能的转化。
当气流通过风轮时，风轮受到气流的冲击而旋转，这就是风力发电的基本原理。
风力发电机组利用风能的转化过程中，通过控制系统调整叶片的角度和风轮的转速，使得风力发电机组在不同风速下都能够稳定工作，最大限度地转化风能为电能。
另外，风力发电的工作原理还涉及到风能的捕捉与转换。
风力发电机组的叶片设计得非常精巧，能够充分捕捉风能。
在风力发电机组内部，通过传动装置将风轮的旋转运动转换成发电机的旋转运动，最终产生电能。
而风力发电机组的塔架设计得非常坚固，能够确保发电机组在恶劣天气下依然能够安全运行。
最后，风力发电的工作原理基于风能资源的利用。
风力发电机组的选择和布局需要根据当地的气候条件和地理环境来确定，以充分利用当地的风能资源。
同时，风力发电的工作原理也需要考虑到发电机组的运行效率和稳定性，以确保风力发电系统能够持续稳定地发电。
总的来说，风力发电的工作原理是基于风能的转化和利用，通过风力发电机组的设计和运行，将风能转化成电能。
风力发电作为一种清洁、可再生能源，具有广阔的发展前景，将在未来发电领域发挥重要作用。
风力发电原理(控制)
第三章 定桨距风力发电机组 一、定桨距风力发电机组的特点
1、风轮结构 主要特点：桨叶与轮毂的连接是固定的，桨叶的迎风角度不随风速变化而变化。 需解决的问题：高于额定风速时桨叶需自动将功率限制在额定功率附近（失速特性）。 脱网（突甩负荷）时桨叶自身具备制动能力。 添加了叶尖扰流器，降低机械刹车结构强度， 2、桨叶的失速调节原理 因桨叶的安装角β不变，风速增加→升力增加→升力变缓→升力下降→阻力增加→叶片失速 叶片攻角由根部向叶尖逐渐增加，根部先进入失速，随风速增大逐渐向叶尖扩展。失速部分 功率减少，未失速部分功率仍在增加，使功率保持在额定功率附近。 3、叶尖扰流器 叶尖部分可旋转的空气阻尼板，正常运行时，在液压控制下与叶片成为整体，风力机脱网时 液压控制指令将扰流器释放并旋转80o~90o，产生阻力停机，即产生空气动力刹车。 空气动力刹车是按失效思想设计，即起到液压系统故障时的机组停机保护。 4、双速发电机
v1 v 2 2
1 2 S (v12 v2 )( v1 v2 ) 4
2
经过风轮风速变化产生的功率为 P 其最大功率可令
8 1 dP Sv13 0 得 v2 v1 ，代入后得到的最大理想功率为 Pmax 3 dv2 27
Pmax 16 0.593 E 27
North China Electric Power University
1 Cl w2 dS 2 1 dD Cd w 2 dS 2 dLபைடு நூலகம்
轴向推力dFa=dLcosI+dDsinI 旋转力矩dT=r(dLsinI-dDcosI) 驱动功率dPw=ωdT
风输入的总气动功率P=vΣFa
旋转轴得到的功率Pu=Tω 风轮效率η=Pu/P
North China Electric Power University
风力发电机维护书籍
风力发电机维护书籍
前言
随着环境保护意识的增强和可再生能源行业的蓬勃发展,风力发电已成为全球主要的清洁能源来源之一。
为确保风力发电机的高效、可靠运行,制定科学、系统的维护方案和操作指南是非常必要的。
本书旨在为风力发电场运营管理人员和相关技术人员提供全面的风机维护知识和实用操作指导。
第一章风力发电机概述
1.1 风力发电机的工作原理
1.2 风机主要部件介绍
1.3 风机分类及应用领域
第二章风机日常维护
2.1 外部检查
2.2 机舱内检查
2.3 电控系统检查
2.4 常见故障排除
第三章风机定期维护
3.1 季节性维护要点
3.2 主要部件检修
3.3 备件管理
第四章风机大修
4.1 大修流程
4.2 拆卸、更换程序
4.3 安装调试
第五章安全与环保
5.1 高空作业注意事项
5.2 危险品使用规范
5.3 环境保护措施
后记
综合运维策略对于提高发电效率、延长风机使用寿命、降低运营成本至关重要。
希望本书能为风电行业的持续发展贡献力量。
《风力发电》
精选课件
风力发电技术
我国风能资源非常丰富。 2006年国家气候中 心研究结果表明，我国陆地10米高度层可开发 和利用的风能储量除青藏高原外总量约为25亿 kW，海上可开发和利用的风能储量约为7.5亿 kW，共计约32.5亿kW。
我国风电开发的空间十分巨大。目前，风力发 电只占在全国电力装机总容量的1.2%。而根据 国家发改委的长期产业规划，2020年10000万 kW，占全国电力总装机的2%。
风力发电技术
第一章 风力发电技术
精选课件
风力发电技术
一
背景介绍
二 风能和风力发电概述
三
本课程内容
精选课件
风力发电技术
第一节 概述
风能是大气运动形成的 一种能源形式，其能量 来自于大气所吸收的太 阳能。
人类对风能的利用历史 久远，早在公元10世纪， 波斯就出现了水平转动 的风磨。
精选课件
风力发电技术
精选课件
风力发电技术
风力发电快速增长的原因在于两个方面：一是 经济发展对电力需求的快速增长和可持续发展 的要求；二是风力发电技术的不断进步，促进 了发电价格不断降低。
风电价格不断降低的同时，化石燃料的价格呈 总体上升趋势，加之环保和二氧化碳减排的要 求，化石燃料发电的价格总体是上涨的。因此 风力发电将称为21世纪重要的能源形式之一。
一条是东部沿海风带，主要位于沿海几十公里的大陆海 岸和海道，其风能资源比三北风带还好，海道煤和石油 依靠大陆，电力联网困难，发展发电迫在眉睫。
精选课件
风力发电技术
精选课件
风力发电技术
❖ 中国现代风电技术的开发利用始于20世纪70年代， 0.1～15kW离网型风力发电机组开始试验、示范、 应用推广。
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我国风电开发的空间十分巨大。目前，风力发 电只占在全国电力装机总容量的1.2%。而根据 国家发改委的长期产业规划，2020年10000万 kW，占全国电力总装机的2%。
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第一章 风力发电技术
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一
背景介绍
二 风能和风力发电概述
三
本课程内容
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风力发电技术
第一节 概述
风能是大气运动形成的 一种能源形式，其能量 来自于大气所吸收的太 阳能。
人类对风能的利用历史 久远，早在公元10世纪， 波斯就出现了水平转动 的风磨。
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风力发电技术
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风力发电快速增长的原因在于两个方面：一是 经济发展对电力需求的快速增长和可持续发展 的要求；二是风力发电技术的不断进步，促进 了发电价格不断降低。
风电价格不断降低的同时，化石燃料的价格呈 总体上升趋势，加之环保和二氧化碳减排的要 求，化石燃料发电的价格总体是上涨的。因此 风力发电将称为21世纪重要的能源形式之一。
一条是东部沿海风带，主要位于沿海几十公里的大陆海 岸和海道，其风能资源比三北风带还好，海道煤和石油 依靠大陆，电力联网困难，发展发电迫在眉睫。
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风力发电技术
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❖ 中国现代风电技术的开发利用始于20世纪70年代， 0.1～15kW离网型风力发电机组开始试验、示范、 应用推广。
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P56-13
能源动力与机械工程学院
一、柱风车
最早的水平轴风车为柱风车，其特点是整个风车都 固定在一个柱轴上，并围绕其旋转。
P56-14
能源动力与机械工程学院
• 柱风车由风轮齿轮、麻袋停运、风轮轴、刹车、磨齿 轮、磨轴、漏斗、磨盘、石板、谷物粉板、磨房梁、 磨刹车、谷物粉出口、粮食仓地板、冠状轴、刹车链 、方形柱、主轴、支架和基础设备组成。 • 粮食从漏斗进入磨内，研磨后从出口流出。风轮旋转 产生的力矩驱动垂直轴，从而带动磨盘旋转，对粮食 进行研磨。整个磨房外有一个木制尾巴，作用是利用 人工来调节风轮叶片的对风位臵。因此，柱风车的另 一个特点是，整个磨房都围绕柱轴旋转，且仅用来进 行磨制谷物。风车停运时，其原理类似热气球，依靠 装满砂子的麻袋载重，通过绳索来制动转轴，通过齿 轮的力矩传递来制动风轮；当需要运行时，卸掉麻袋 则可继续运转。 • 缺点：整个磨房都围绕主轴旋转。
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二、荷兰风车
• 荷兰被誉为“风车之国” 。荷兰坐落在地球的盛行西 风带，濒临大西洋，是典型的海洋性气候的国家，海 陆风长年不息。这就给缺乏水力和动力资源的荷兰利 用风力，提供了优越条件。 • 荷兰风车：磨粉（最初） 对经济具有重要意义（16～17世纪）。各路水道 运往荷兰利用风车加工木材、大麻子和亚麻子、肉桂 和胡椒，造纸。围海造陆工程。 根据当地的湿润多雨、风向多变的气候特点，荷 兰对风车进行了改革，使荷兰风车比柱风车的功能更 强大，能够满足当时各种动力需求，如磨粉、泵水和 锯木等，并给风车配上活动的顶篷，为了能四面迎风 ，又把风车的顶篷安装在滚轮上。这种风车，被称为 荷兰式风车。
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§1-3 利用风力机发电的历史过程
一、丹麦工程师Poul La Cour
• Poul教授是第一个基于科学理论对 传统风车进行完善的研究者，利用 风能生产电力先驱，也标志着历史 风车向现代风力机转变。 • Poul风力机采用水平轴布臵，有4 个百叶窗式的叶片，通过一个长轴 和齿轮箱来带动臵于地面的发电机 ，产生直流电流，电流通过蓄电池 供离网用户使用。此风力机已经初 具现代风力机的规模。Poul还采用 电解制氢来存储风能，然后利用氢 气灯来为校园照明。
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二、中国风电的发展现状
我国风电场行业的发展经历3个阶段。 第一阶段为1986～1990年，是我国并网风电项目的探索和 示范阶段。项目规模小，单机容量小。共建立了4个风电场，安 装风电机组32台，最大单机容量为200kW，总装机容量 4.215MW，平均年新增装机容量仅为0.843MW。 第二阶段为1991～1995年，为示范项目取得成效并逐步推 广阶段。共建立5个风电场，安装风电机组131台，装机容量为 33. 285MW，最大单机容量为500kW，平均年新增装机容量为 6. 097MW。 第三阶段为1996年后的扩大建设规模阶段。特点是项目规模 和装机容量较大，发展速度较快，平均年新增装机容量为61. 8MW，最大单机容量达1300kW。2005年《中华人民共和国可 再生能源法案》颁布后，中国风能事业进入到一个新的时期。
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2005年开始，我国每年风电总装机容量比去年同期翻一番。 2008年，中国新增风电装机容量6246MW，累计总装机容量达到 12153MW，超过印度，成为继美国、德国和西班牙之后发展风力 发电第四大国。 2010年中国风电新增装机容量达到18928兆瓦， 累计装机容量达到44733兆瓦，都位居全球第一位。
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• 2004年《Wind Force 12》发表的2005～2020年世界风电和电 力需求增长的预测报告，2005～2007年期间的平均年装机容 量增长率为25%，2008～2012年期间平均装机容量降为20% ，到2015年平均装机容量降为15%，2017～2020年期间平均 装机容量降为10%。2010年风电装机容量为1.98亿kW；2020 年风电装机为12. 45亿kW，风电电量为3. 05×104亿kW· h， 占世界总消耗电量25. 58×104亿kW· h的11. 9%。 • 世界风电的飞速发展，与各国积极地采取各种激励政策是分 不开的。鼓励风能开发利用的政策有多种，如长期保护性电 价、配额制、可再生能源效益基金和招投标等政策。保护性 电价政策是一种有效刺激风电发展的措施，欧洲14个国家采 用了这一政策。20世纪90年代以来，德国、丹麦、西班牙等 国风电迅速增长，主要归功于保护性电价政策措施的实施。
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三、德国大型风力机
• 一战后，德国人Kurt Bilau认识到美国低速风车并不具 有最佳的风力机性能，他首次尝试制造具有更高叶尖速 比的4叶片风力机。 • 在德国真正引起风力机发展浪潮的是来自理论阵营。在 航空机翼空气动力学的背景下，物理学家Albert Betz 对风力机的物理和气动性能进行了严格的计算，并得出 风力机最大风能转化率为59.3%。关于风力机叶片的气 动性能理论，直到现在都依然被证明是正确的。此外， 其空气动力学理论和叶片的轻型设计在20世纪也迅速发 展，为目前大型风力机的发展奠定了基础。
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• 目前主要用于旅游观光， 除传统的木结构风车外， 又出现了不少现代的金属 结构风车，造型简单，线 条明快。 • 但是，政府的决定引起了 鸟类保护组织的不满。候 鸟在飞行中很容易被风车 产生的气流吸进去。荷兰 的风车每年都要伤害数千 只小鸟的生命。该组织认 为应该适当减少新建风车 的数量。
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• 管状柱风车：仅顶部可旋转。 • 结构特点：底座成金字塔形且固 定不旋转，其顶部固定的风轮可 以根据风向调节旋转。风车内结 构简单，取消了复杂的磨结构， 只有风轮齿轮、传动齿轮和风车 轴承等。 • 用途：泵水、磨制谷物及锯木。
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塔风车：与柱风车结构相似，主要在地中海区域广 泛使用。风车的支撑成塔状结构，由石料砌成。塔 顶用于固定风车，并可旋转。
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三、美国风车
19世纪早期，美国风 车拥有10～30片叶片和一 个尾翼。旋转速度较慢， 产生较大的力矩，通过一 个带有长长的与地面垂直 的传动轴，将力矩传到风 车底部的水泵。结构复杂 ，在恶劣天气时，无法调 整风轮风速，经常遭到破 坏。
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风力发电原理
张 磊
热能工程教研室
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主要内容 主要内容
• • • • • • • 绪论 风与风能 风力机分类和构成 风轮的基本理论 水平轴风轮的气动特性 风力机载荷分析 风力机运行与维护
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第一章
• • • • • • •
绪论
风电的发展现状 风车起源 利用风力机发电的历史过程 20世纪50年代的风力机 能源危机时期的风力机 20世纪80年代的大型风力机 风力发电机组的发展趋势
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• Smidth风轮设计了输出功率更大的 3叶片的风力机。 • 主要规格：上风式风轮，3个固定 的扭曲叶片；翼型为NACA4312；叶 片有效长度为9m，转速为30r/min ；额定功率在10m/s，额定风速时 为70kW；旋转直径为24m；安装角 在接近轮毂处为16°，叶尖处为 3°；起始风速为5m/s，停机风速 为20m/s；设计叶尖速比为5，异步 发电机为200kW，8极；水泥塔身 24m，塔架采用混凝土塔式结构； 配用直流发电机。为了减小轮毂的 弯曲应力，叶片用支撑架连接。采 用了传统风车技术的木架钢梁叶片 结构，木架上覆盖铝合金蒙皮。 • 异步发电机使转速保持几乎恒定。
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在20世纪末，世界范围内的风电装机总容量每隔3年翻一番， 发电成本降低到80年代早期的1/6左右。21世纪后，全球风电依然 一直保持着快速增长的势头。2008年全球当年风电累计装机容量为 120791MW，是2000年17400MW的7倍。世界风电成本也迅速下降，从 1983年的15.3美分／(kW·)，下降到1999年的4.9美分／(kW·)。 h h
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• 作用：主要是将风力转化为桨轮转动得来的动力。从 物理上讲，就是将风能转化为动能。 • 最大的荷兰风车有几层楼高，翼板长达20m。有的风车 由整块大柞木做成。18世纪末，荷兰全国的风车约有 12000台，每台有6000马力(1马力=746W)。这些风车用 来碾谷物、粗盐、烟叶、榨油，压滚毛呢、毛毡、造 纸以及排除沼泽地的积水。 • 20世纪以来，由于蒸汽机、内燃机、涡轮机的发展， 依靠风力的风车则变得暗淡无光。但因风车利用的自 然风力，无污染、用之不竭，所以不仅被荷兰人民一 直沿用至今，而且也成为今日新能源的一种。直到现 在，荷兰大约有2000多台各式各样的风车。
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二、Smidth风轮
• 第一台Smidth风轮的设计额定功率为50kW，风轮旋转直径为17.5m ，设计风速为11m/s，采用两片木质结构的叶片，叶尖速比为9，叶 片无扭转不可变桨，采用空气动力制动装臵控制速度，有的风力机 塔柱采用桁架结构，大部分采用混凝土塔式结构。
尾翼可活动的风车 在大风时尾翼向展向 平行于风车旋转面旋转， 从而在尾翼的作用下，将 风车移出风向，风车停止 旋转。当风速较小时，尾 翼再向展向垂直于风车旋 转面的方向偏转，风车正 对来风。
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• 美国风车的最大直径通常为5～8m，甚至制造超过15m 直径的风车。 • 特别适用于低风速状况，在2～3m/s的风速下开始转动 ，气动力矩相对较高。 • 到1930年，大约有100多家，2300个工人从事生产美国 风车，生产了将近600万台美国风车，并销往世界各地 ，利润较高。但因欧洲风车的盛行，始终未在欧洲立 足。