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第一章 绪论 《风力发电原理》课件

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风力发电机工作原理通用课件

风力发电机工作原理通用课件


应用领域的拓展
分布式发电
利用小型风力发电机组在家庭、工业和商业领域进行 分布式发电，降低对传统能源的依赖。
海上风电
随着技术的进步和规模化发展，海上风电将成为未来 风能发展的重要方向。
融合其他可再生能源
风能与其他可再生能源（如太阳能、地热能等）的综 合利用，实现多能互补和协同发展。
政策支持与市场前景
02
风力发电机的工作原理
风能转换原理
风能转换原理
风力发电机利用风能转换为机械能，再通过机械 能转换为电能。
风能捕获
风力发电机叶片捕获风能，将风能转换为旋转机 械能。
机械能转换
旋转机械能通过发电机转换为电能。
风能转换过程
风力发电机组
风力发电机组包括风力发电机、传动系统、发电机、控制系统等 部件。
齿轮箱
齿轮箱是风力发电机中的重要传 动部件，其主要功能是将主轴的 低速旋转转化为高速旋转，以驱
动发电机运转。
齿轮箱通常采用行星齿轮结构， 具有高传动效率和可靠性。
齿轮箱内部设有润滑系统，确保 其长期稳定运行。
发电机
01
发电机是风力发电机中的核心部件，其主要功能是 将机械能转化为电能。
02
发电机采用电磁感应原理，通过磁场和导线的相对 运动产生电流。
技术创新
技术创新是提高风能转换效率的 重要途径，如采用新型材料、改 进发电机技术等。
03
风力发电机的主要部件
叶片
叶片是风力发电机的重要组成部件， 其主要功能是捕捉风能并将其转换为 机械能。
叶片通过轮毂与主机轴连接，当风吹 过叶片时，叶片的旋转带动主机轴转 动。
叶片的长度和形状决定了风能转换的 效率，通常采用复合材料制成，具有 轻质、高强度和耐腐蚀的特性。
风力发电原理PPT教学课件

风力发电原理PPT教学课件

风力发电原理
1
风力发电的原理：是利 用风力带动风车叶片旋 转，再透过增速机将旋 转的速度提升，来促使 发电机发电。简单的说 风力发电就是将风能转 换为机械能进而将机械 能再转换为电能的过程。
现代风力发电机采用空 气动力学原 理 ，就像 飞机的机翼一样。
2
风并非 " 推 " 动风轮叶片，而是吹过叶片形成叶 片正反面的压差，这种压差会产生升力，令风轮旋转 并不断横切风流 。
发电机有基本类型： 普通异步风力发电机组 双馈异步风力发电机组 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） 混合式风力发电机组
25
1、普通异步风力发电机组
技术特点：
1、叶轮转速较低，一般为每分钟十几转，需要齿轮 箱增速， 转子绕组短路，结构一般为鼠笼结构； 2、转子转速固定，风能利用率低，其转速由齿轮箱 传动比和发电机极对数决定； 3、转子电流产生的旋转磁场的转速高于同步速运行； 4、发电机定子直接与电网连接，启动时产生很大启 动电流，其配置启动装置。 5、从系统吸收大量无功，需配置无功补偿装置。 结构简单，控制方便。
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。
7
2、水平轴力风机
特点：风组成：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：
依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺 的微风速度（微风的程度），便可以开始 发电。 风力发电正在世界上形成一股热潮， 为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐 射或空气污染。
3
（一）风力发电设备
风力发电原理 第1章 绪论

风力发电原理 第1章 绪论


6.7
• 每个地方的风特性可用风玫瑰图表示，如图1.7所示。图 1.7所示，每根直线的长度表示在一年内这个方向的风的时 间百分数(风向指向圆心)，每个圆或圆弧表示的时间为总 时间的5%。在每根直线的端点的数字表示这个方向风速的 平均值。
• 1.3.1.4 平均风速随高度变化 • 在大气边界层中，平均风速随高度发生变化，其变化规律
的、对环境无污染、对生态无破坏的清洁能源。风能密度 低是风
• 1.2.2 中国风能资源分布特点 • 研究各个地区风能资源的潜力和特征，一般都用有效风能
密度和可利用的年累积小时数两个指标来表示。能的弱点 之一。
• 1.2.2.1 风能丰富区 • 1.2.2.2 风能较丰富区 • 1.2.2.3 风能可利用区 • 1.2.2.4 风能欠缺地区
称风剪切或风速廓线，风速廓线可采用对数律分布或指数 律分布。
地面高度 （m）
大都市中心地带 有森林覆盖的乡镇、 平原、沿海地带 城市郊区
图1.9 地表上高度与风速的关系
• 1.3.2风能公式 • 1 .空气密度 • 2. 风速的统计特性 • 3. 风能公式 • 空气运动具有动能，风能是指风所具有的动能。
• 2）山谷风
• 1.1.3 风力等级
• 风力等级是风速的数值等级，它是表示风强度的一种方法， 风越强，数响而 引起的各种现象，按风力的强度等级来估计风力的大小， 国际上采用的是英国人蒲福（Francis Beaufort）于1805年 所拟定的，故又称“蒲福风级”。他是从静风到飓风分为 13级。自1946年以来风力等级又作了一些修订，由13级变 为17级，
• 1.3.3 平均风能密度和有效风能密度
• 表征一个地点的风能资源潜力，要视该地常年平均风能密 度的大小。风能密度是单位面积上的风能，对于风力发电 机来说，风能密度是指叶轮扫过单位面积的风能
风力发电 ppt课件

风力发电 ppt课件

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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%。
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风力发电技术
风速的特性
风速是指空气的移动速度，即单位时间内空气微团移 动的距离。
瞬时风速称为有效风速，即实际发生作用的风速，通 常指很短时间间隔内的风速。
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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。
风力发电的优点
风能是可再生能源形式，有利于可持续发展。 有利于环境保护。 随着风电技术的日趋成熟，风电成本越来越低，
可以和其他能源形式相竞争。
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风力发电技术
风力发电的负面影响
间接的不可再生能源利用和污染物排放。机组生产过 程中造成的污染物的排放是风电的间接污染物排放。
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风力发电技术
德国一直引领着世界风电市场的发展。德国2006年底发电 装机容量2194MW，是目前世界上发电装机容量最多和风 力发电机组技术最先进的国家。
德国风力发电的制造技术和生产规模都处于世界领先水平， 目前世界上在运行的最大的商用风力发电机组就产自德国。
风力发电原理(控制)教学课件

风力发电原理(控制)教学课件


机舱
包含发电机和齿轮箱， 用于将风轮的机械能转
换为电能。
塔筒
支撑整个风力发电机组 ，提供所需的高度以捕
获更多风能。
控制系统
监控风力发电机组的运 行状态，确保其安全、
高效地运行。
风力发电机的工作原理
01
02
03
04
风能捕获
当风吹过风轮叶片时，叶片的 翼型剖面产生升力，使叶片旋
转。
机械能转换
风轮通过主轴和齿轮箱将旋转 的机械能传递给发电机。
生命周期成本
包括初始投资、运营和维护成 本在内的总成本。
03
CATALOGUE
控制系统的基本原理与技术
控制系统的基本概念与组成
控制系统定义
控制系统是一种通过输入、处理和输出等环节，实现某一特定目 标的闭环系统。
控制系统组成
控制系统通常由传感器、控制器、执行器和被控对象等部分组成。
控制系统的基本功能
风力发电机组的维护与检修
日常维护
定期检查风电机组及相关设备的运行状态，及时 发现并处理潜在故障。
定期检修
根据设备运行状况和维修周期，进行全面的检查 、测试和维修，确保设备正常运行。
备件管理
建立完善的备件管理体系，确保备件供应及时、 充足，降低设备维修成本。
风力发电与其他可再生能源的互补利用
风光互补
利用风能和太阳能的互补性，合理配置风光发电机组，提高能源 利用效率和可靠性。
多能互补
结合风能、太阳能、水能等多种可再生能源，构建多能互补发电 系统，实现能源的多元化和稳定性。
区域能源互联
加强区域内的能源互联互通，优化能源资源配置，提高可再生能 源的消纳能力和能源利用效率。
06
风力发电教程PPT课件

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3、叶素上的受力分析 • 在W的作用下，叶素受到一个气动合力元dR，可分解为平行于W的阻力元dD和垂直于
W的升力元dL。 • 另一方面，dR还可分解为推力元dF和扭矩元dT，由几何关系可得：
dF＝dLcos + dDsin dT＝r(dLsin - dD cos )
• 由于可利用阻力系数CD和升力系数Cl 分别求得dD和dL: 2 dL = 1/2 CLW C dr 2 dD = 1/2 CD W C dr 故dF和dT可求。
• 安装角：桨叶剖面上的翼 弦线与旋转平面的夹角， 又称桨距角，记为。
• 半径r处叶片截面的几何桨距：在r处几何螺旋线的螺距。 可以从几个方面来理解：
—几何螺旋线的描述：半径r，螺旋升角。 —此处的螺旋升角为该半径处的安装角r。 —该几何螺旋线
与r处翼剖面 的弦线相切。 —桨距值： H=2r tg r
—气动力矩：合力R对（除自己的作用点外）其它点的力矩，记为M。又称扭转力矩。
• 为方便使用，通常用无量刚数值表示翼剖面的气动特性，故定义几个气动力系数： 2 升力系数： CL=L / (1/2 V C) 2 阻力系数： CD=D / (1/2 V C) 22 气动力矩系数： CM=M / (1/2 V C )
—厚度分布：沿着翼弦方向的厚度变化。 • 弯度：翼型中弧线与翼弦间的距离。
—弯度分布：沿着翼弦方向的弯度变化。
2、作用在翼型上的气动力
重要概念：攻角 气流速度与翼弦间所夹的角度，记做，又称迎角。 M
V C
L
R
• 由于机翼上下表面所受的压力差，实际上存在着一个指向上翼面的合力，记为R。
—阻力与升力：R在风速方向的投影称为阻力，记为D；而在垂直于风速方向上的投影称 为升力，记为L。
风力机原理课件

风力机原理课件

在高气压区以顺时针方向流转，在低气压区以逆时针方向流转。
但在近地面，由于受到摩擦力的影响，在高气压区气流一边以 顺时针的方向的旋转，一边向外扩散；相反在低气压区，气流 一边以逆时针的方向旋转，一边向内汇集。两者均表现为螺旋 状的流动。
2.2 风的种类
风的种类很多：有海陆风、山谷风、焚风、 季风、干热风、旋风、龙卷风和台风。
季风
• 随着季节的不同，陆地和海洋的太阳辐射产生了海洋与陆地之间的温度差异。 • 冬季，大陆比海洋温度低，大陆的气压比海洋的高。底层气流由大陆吹向海洋，
高层气流由海洋流向大陆，形成了冬季的季风环流。 • 夏季，大陆比海洋升温快，大陆地表的气压比海洋的高。底层气流由海洋吹向
陆地，高层气流由陆地流向海洋，形成了夏季的季风环流。
风能利用技术 赵振宙
22
海陆风
• 白天陆地上的温度比海洋升温快，空气受膨胀变 轻上升；比较冷，密度大的空气从海面吹来，形 成海风；夜间则相反，风从陆地吹向海面，形成 海陆风。
• 陆风和海风的概念。
海陆风
• 一般海风比陆风的风速要高。海风最高风速达 5~6m/s，陆风则仅有1~2m/s.
• 滨海一带温差大，陆海风强度也大；但在远离海岸， 海陆风则逐渐减弱。
风能利用技术 赵振宙
7
• 变速恒频风力发电机组
目前，感应发电机与电网直接连接，发电机的频率受电 网频率的影响，发电机以固定转速运行方式是风力发电机组 的主流。
对此，利用整流器系统来控制电网和发电机之间的频率 关系，为采用变速运行方式。这样当风速在较大的范围内， 风力能保持高效率，尽可能从风中吸取多的能量。
• 焚风的害处很多，造成果木和农作物的干枯，形成森林 大火。局部焚风可能会造成局部风灾。
风力发电原理-第一章

风力发电原理-第一章

P56-24
能源动力与机械工程学院
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。
P56-23
能源动力与机械工程学院
§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。
P56-4
能源动力与机械工程学院
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
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。
P56-22
能源动力与机械工程学院
• 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。
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华北电力大学控制与计算机工程学院
风力发电原理
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：
机械能：动能：
EV
1 2
mV 2
重力势能： EP mgh
弹性势能：
热能：Eq
m
T2 T1
CdT
EK
1 K表X 2 面能：
2
ES S
13
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
1.2.3 风电发展概况
装机容量 / MW
世界风电装机容量发展（2001年-2010年）
250000 200000
150000 100000
50000 24322 31181 39295
203500
74122 47693 59024
159213 120903 93930
1114
1117
897
26010 25777 19149 10925 4850
4521
4092
16.3% 16.2% 11.5% 6.8%
3.0%
2.8%
2.6%
2009年世界风电装机最多的十个国家（MW）
葡萄牙 673 3535 2.2%
丹麦 334 3497 2.2%
14
据国家电网公司统计2011年并网风电装机容量5258万千瓦。
• 2 ）垂直轴风力发电机组：分为阻力型和升力型 两大类。
电能：Ee UI
以及化学能、辐射能、核能。
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：
– 一次能源：自然存在，可直接利用。 – 二次能源：经转换或加工生产的。
我国全年风速大于 3m/s的小时数的分布图
12
1.2.2 我国风能资源（续）
中 国 有 效 风 能 分 布 图
区别
平均风速（米/每秒）
分布地区
丰富区 较丰富区 可利用区 贫乏区
＞6.5 5.5～6.5 3.0～5.5
＜3.0
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
0 2001
2002
2003
2004
2005 2006 年度
2007
2008
2009
2010
世界风电装机容量（来源：世界风能协会（WWEA）2009世界风能报告）
国家 当年装机 累计装机
比例
美国 9922 35159 22.1%
中国
德国 西班牙 印度 意大利 法国
英国
13800 1880
2460
1338
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
流风力发电机，用来给家里的蓄电池充电。 – 1891——丹麦物理学家Poul La Cour建造了一台30KW左右的具
有现代意义的风力发电机组，发出直流电，用于制氢。 – 1926——德国科学家Albert Betz对风轮空气动力学进行了深入研
99KW。 • 3）中型风力发电机组：额定功率100KW～
600KW。 • 4）大型风力发电机组：额定功率大于600KW。
18
离网型风电机组和并网型风电机组
• 按照风电机组与电网的关系，分为离网型风力 发电机组和并网型风力发电机组。
• 1）离网型风力发电机组：一般指单台独立运 行，所发出的电能不接入电网的风力发电机组。 这种机组一般容量较小(常为微小型机和中型 机)，专为家庭或村落等小的用电单位使用，常 需要与其他发电或储电装置联合运行。
• 2）并网型风力发电机组：一般指以机群布阵 成风力发电场，并与电网联接运行的大、中型 风力发电机组。
19
水平轴风电机组、垂直轴风电机组
• 按照风轮旋转主轴与地面相对位置的关系，风电 机组分为水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电 机组。
• 1）水平轴风力发电机组：风轮旋转轴与地面平 行，叶片数量视用途而定。水平轴风电机组又可 分为升力型和阻力型。
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～
• 我国风力发电始于20世纪70年代，80年代后研制并网机组7。
1.1 风能利用及风力发电历史（续）
a) Brush的风电机组 b) Poul la Cour的风电机组 c) Smith-Putnam的风电机组
早期的风电机组
8
1.1 风能利用及风力发电历史（续）
a) 德国人Huetter建造的风电机组W-34 b) 丹麦人Johannes Juul建造风电机组Gedser 现代风电机组的先驱
•源 – 非可再生能源
• 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
究，提出了“贝茨理论”，指出风能的最大利用率为59.3%，为现 代风电机组空气动力学设计奠定了基础。 – 1940——美国工程师Palmer Cosslett Putnam与S.Morgan Smith公司合作，制造出风电发展历史上第一个1250kW超大型的 Smith-Putnam风电机组。 – 1942——德国人Ulrich Huetter提出“叶素动量理论”。
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）