风力发电讲义 第二章

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,风力发电,广东水利电力职业技术学院 宋海辉,第二章 风力机的基本理论与结构,第一节 风力机的工作原理,风力发电机组,由两大部分组成：,其一是,风力机,它的功能是将风能转换为机械能,;,其二是,发电机,它的功能是将机械能转换为电能。,首先介绍风力机的类型和原理。,一、风力机的种类,风力机将风能转变为机械能的主要部件是受风力作用而旋转的风轮,因此,风力机依风轮的结构及其在气流中的位置大体上可分为两大类,:,一类为,水平轴风力机,如图,2,1,（,a,）示,一类为,垂直轴风力机,，如图,2,1,（,b,）示。,第二章 风力机的基本理论与结构,第一节 风力机的工作原理,（一）水平轴风力机,水平轴风力机的风轮围绕一个水平轴旋转,工作时,风轮的旋转平面与风向垂直,如图所示,。,风轮上的叶片,是径向安置的,与旋转轴相垂直,并与风轮的旋转平面成一角度,(,安装角,),。,风轮叶片数目,的多少,视风力机的用途而定。用于风力发电的风力机一般叶片数取,1,4(,大多为,2,片或,3,片,) ,而用于风力提水的风力机一般取叶片数,12,24,。,叶片数多的风力机通常称为,低速风力机,它在低速运行时,有较高的风能利用系数和较大的转矩。它的起动力矩大,起动风速低,因而适用于提水。,叶片数少的风力机通常称为,高速风力机,它在高速运行时有较高的风能利用系数,但起动风速较高。由于其叶片数很少,在输出同样功率的条件下比低速风轮要轻得多,因此适用于发电。,水平轴风力机,a),高速风力机,b),低速风力机,第二章 风力机的基本理论与结构,第一节 风力机的工作原理,水平轴风力机又有,上风向与下风向之分,。,风轮在塔架的前面迎风旋转,叫做,上风向风力机,。,风轮在塔架的下风位置的,则称为,下风向风力机,。,上风向风力机,必须有某种调向装置来保持风轮迎风。对小型风力机，这种对风装置采用尾舵，而对于大型的风力机，则利用风向传感元件及伺服电动机组成的传动机构,而,下风向风力机,则能够自动对准风向,从而免除了调向装置。但对于下风向风力机,由于一部分空气通过塔架后再吹向风轮,这样,塔架就干扰了流过叶片的气流而形成所谓塔影效应,使性能有所降低。,水平轴风力机可分为,升力型和阻力型,两类,升力型旋转速度快，阻力型旋转速度慢。对于风力发电，多采用升力型水平轴风力机,下风向风力机,第二章 风力机的基本理论与结构,第一节 风力机的工作原理,（二）垂直轴风力机,垂直轴风力机在风向改变时无需对风,如图所示,。,优点：,（,1,）可以接受来自任何方向的风,因而当风向改变时,无需对风。由于不需要调向装置,使它们的结构设计简化。,（,2,）齿轮箱和发电机可以安装在地面上,检修维护方便。,垂直轴风力机可分为两个主要类别：,一类是利用空气动力的阻力作功,典型的结构是,S,型风轮,。其优点是起动转矩较大,缺点是由于围绕着风轮产生不对称气流,从而对它产生侧向推力。对于较大型的风力机,因为受偏转与安全极限应力的限制,采用这种结构形式是比较困难的。,另一类是利用翼型的升力作功,最典型的是,达里厄型风力机,。,是水平轴风力机的主要竞争者。,垂直轴风力机,a) S,型风轮,b),达里厄型风力机,风力机的类型,1,、根据风力机旋转主轴的布置方向（即主轴与地面相对位置）分类，可分为,水平轴风力机和垂直轴式风力机,。,2,、根据桨叶受力方式不同，可分为,升力型风力机和阻力型风力机。,3,、根据桨叶数量不同，可分为,单叶片,双叶片,三叶片和多叶片型风力机；,4,、根据风轮设置位置不同，可分为,上风向风力机和下风向风力机,5,、根据机械传动方式不同，可分为有,齿轮箱型风力机和无齿轮箱的直驱型风力机,6,、根据桨叶是否可调节，可分为,定桨距（失速型）风力机和变桨距风力机,风力机的类型,7,、根据风轮转速是否恒定，可分为：,恒速风力发电机组和变速风力发电机组,8,、根据风力发电机组的发电机类型不同，可分为,异步发电机型和同步发电机型,9,、根据风力发电机的输出端电压高低不同，可分为,高压风力发电机和低压风力发电机,10,、根据风力机的额定功率不同，可分为：,大型、中型、小型、微型风力机,10kW,以下风力机为微型风力机，,10kW,至,100kW,的为小型风力机，,100kW,至,1000kW,功率的为中型风力机，,1000kW,以上的,MW,级风力机为大型风力机。,1,、风力机空气动力学的几何定义,风力机空气动力学主要研究空气流过风力机时的运动规律。,（,1,）风轮的几何参数,有关风轮的几何参数定义如下：,第二章 风力机的基本理论与结构,第二节风力机的空气动力学概念,1,）风轮轴线：,风轮旋转运动的轴线。,2,）旋转平面：,与风轮轴垂直，叶片在旋转时的平面。,3,）风轮直径,：风轮在旋转平面上的投影圆的直径。,4,）风轮中心高,：风轮旋转中心到基础平面的垂直距离。,5,）风轮扫掠面积,：风轮在旋转平面上的投影圆面积。,6,）风轮锥角,：叶片相对于和旋转轴垂直的平面的倾斜度。,7,）风轮仰角,：风轮的旋转轴线和水平面的夹角。,8,）叶片轴线,：叶片纵向轴线，绕其可以改变叶片相对于旋转平面的偏转角（安装角）。,9,）风轮翼型,（在半径,r,处的叶片截面）：叶片与半径为,r,并以风轮轴为轴线的圆柱相交的截面。,10,）安装角或桨距角,：在叶片径向位置（通常为,100,叶片半径,R,处）叶片翼型弦线与风轮旋转面间的夹角,，如图所示。,（,2,）有关翼型几何形状定义如下：,1,）前缘与后缘,：翼型的尖尾点,B,称为后缘，圆头上,O,点为前缘,2,）翼弦,：连接前、后缘的直线,OB,，称为翼弦。,OB,的长度称为弦长，记为,C,。弦长是翼型的基本长度，也称几何弦。此外，翼型上还有气动弦，又称零升力线。,3,）翼型上表面（上翼面）,：凸出的翼型表面,OMB,。,（,2,）有关翼型几何形状定义如下：,4,）翼型下表面（下翼面）,：平缓的翼型表面,ONB,。,5,）翼型的中弧线,：翼型内切圆圆心的连线，对称翼型的中弧线与翼弦重合。,6,）厚度,：翼弦垂直方向上上下翼面间的距离。,7,）弯度,：翼型中弧线与翼弦间的距离。,8,）攻角,：气流速度与翼弦间所夹的角度，记做,，又称迎角。,2,、流线概念,流线：,在某一瞬时沿着流场中各气体质点的速度方向连成的一条平滑曲线。流线描述了该时刻各气体质点的运动方向（切线方向）。一般，各流线彼此不会相交。,流线簇：,流场中众多流线的集合称为流线簇。,3,、阻力与升力,（,1,）升力和阻力试验,放风筝的体验,帆船的体验,（,2,）升力和阻力产生机理,翼型压力分布与受力,CL,和,Cd,分别是翼型的升力系数和阻力系数,（,2,）翼型剖面的升力和阻力特性,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：,升力系数：,阻力系数：,翼型剖面的升力特性用升力系数,CL,随攻角,变化的曲线（升力特性曲线）来描述。,如图。,当,=0,时，,CL0,，气流为层流。,在,0,CT,（,15,左右）之间，,CL,与,呈近似的线性关系，即随着,的增加，升力,FL,逐渐加大。气流仍为层流。,当,=,CT,时，,CL,达到最大值,CLmax,。,CT,称为,临界攻角或失速攻角。,当,CT,时，,CL,将下降,气流也变为紊流。,当,=,0(,CDmin,时，,CD,随,的增加而逐渐加大。,在,CDmin,时，,CD,随,的增加而逐渐减小。,在,=,CDmin,时，,CD,达最小值,CDmin,。,第二章 风力机的基本理论与结构,第三节风力机的主要部件,水平轴风力发电机组组成：,水平轴风力机部分：,主要由风轮、风轮轴、低速联轴器、塔架及对风装置（调向装置）组成。,发电机部分：,主要由增速器、高速轴联轴器、发电机、调速装置、制动器等组成。 本节主要介绍,风力机,部分。,一、风轮,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。,1,、叶片：,叶片的构造如图所示,。,小型风力机,的常用整块优质木材加工制成,表面涂上保护漆,其根部与轮毂相接处使用良好的金属接头并用螺栓拧紧。有的采用玻璃纤维或其它复合材料蒙皮则效果更好。,第二章 风力机的基本理论与结构,第三节风力机的主要部件,第二章 风力机的基本理论与结构,第三节风力机的主要部件,风力机的叶片构造,叶片是用加强玻璃塑料（,GRP,）、木头和木板、碳纤维强化塑料（,CFRP,）、钢和铝构成的。,小型的风力发电机,:,如叶轮直径小于米，选择材料通常关心的是效率而不是重量、硬度和叶片的其它特性，常用整块优质木材加工制成,表面涂上保护漆,其根部与轮毂相接处使用良好的金属接头并用螺栓拧紧。,大型风机,:,叶片特性通常较难满足，所以对材料的选择更为重要。,目前叶片多为玻璃纤维增强复合材料（,GRP),，基体材料为聚酯树脂或环氧树脂。,环氧树脂,比聚酯树脂强度高，材料疲劳特性好，且收缩变形小。,聚酯材料,较便宜，它在固化时收缩大，在叶片的联接处可能存在潜在的危险，即由于收缩变形在金属材料与玻璃钢之间可能许生裂纹。,大、中型风力机使用木制叶片时,：,（,1,）一般用很多纵向木条胶接在一起,(,图,a,) ,以便于选用优质木料,保证质量。,（,2,）有些木料叶片的翼型后缘部分可填塞质地很轻的泡沫塑料,表面再包以玻璃纤维形成整体,(,图,b,),。,第二章 风力机的基本理论与结构,第三节风力机的主要部件,不仅可以减轻重量,而且能使翼型重心前移,(,重心移至靠前缘四分之一弦长处最佳,),。以减少叶片转动时所产生的不良振动,对于大、中型风力机叶片尤为重要。,（,3,）为了减轻叶片重量,有的叶片用一根金属管作为受力梁,以蜂窝结构、泡沫塑料或轻木作中间填充物,外面再包上一层玻璃纤维,(,图,c,),。,（,4,）为了降低成本,有些中型风力机的叶片采用金属挤压件,或者利用玻璃纤维或环氧树脂抽压成型,(,图,d,),。但整个叶片无法挤压成渐缩形状,即宽度、厚度等不能变化,难以达到高效率。,第二章 风力机的基本理论与结构,第三节风力机的主要部件,有些小型风力机叶片：,为了达到更经济的效果,叶片用管梁和具有气动外形的较厚的玻璃纤维蒙皮做成,(,图,e,),。或者用铁皮或铝皮预先做成翼型形状,加上铁管或铝管,用铆钉装配而成,(,图,f,),。,今后的趋势,：,除小型风力机的叶片部分采用木质材料外,中、大型风力机的叶片今后的趋势都倾向于采用玻璃纤维或高强度复合材料。,第二章 风力机的基本理论与结构,第三节风力机的主要部件,2,、轮毂,轮毂是风轮的枢纽,也是叶片根部与主轴的连接件。,所有从叶片传来的力,都通过轮毂传递到传动系统,再传到风力机驱动的对象。同时轮毂也是控制叶片桨距,(,使叶片作俯仰转动,),的所在。,在设计中应保证足够的强度,并力求结构简单,在可能条件下,(,如采用叶片失速控制,) ,叶片采用定桨距结构,即将叶片固定在轮毂上,(,无俯仰转动,) ,这样不但能简化结构设计,提高寿命,而且能有效地降低成本。,三通形 三角形,第二章 风力机的基本理论与结构,第三节风力机的主要部件,二、调速或限速装置,作用：,保证风力机不论风速如何变化转速总保持恒定或不超过某一限定值。,类型：,大致有三类,:,一类是,使风轮偏离主风向,另一类是,利用气动阻力,第三类是,改变叶片的桨距角。,第二章 风力机的基本理论与结构,第三节风力机的主要部件,(1),偏离主风向超速保护,（如图）,小型风力机叶片一般固定在轮毂上。为了避免在超过设计风速的强风时风轮超速甚至叶片被吹毁,常采用使风轮水平或垂直旋转的办法,以便偏离风向,达到超速保护的目的。,本装置的关键是,把风轮轴设计成偏离轴心一个水平或垂直的距离,从而产生一个偏心距。相对的一侧安装一副弹簧,一端系在与风轮构成一体的偏转体上,一端固定在机座底盘或尾杆上。预调弹簧力,使在设计风速内风轮偏转力矩小于或等于弹簧力矩。当风速超过设计风速时,风轮偏转力矩大于弹簧力矩,使风轮向偏心距一侧水平或垂直旋转,直到风轮受力力矩与弹簧力矩相平衡。在遇到强风时,可使风轮转到与风向相平行,以达到停转。,偏离主风向超速保护,改变叶片的桨距角,第二章 风力机的基本理论与结构,第三节风力机的主要部件,(2),利用气动阻力制动,将减速板铰接在叶片端部,与弹簧相连。在正常情况下,减速板保持在与风轮轴同心的位置,;,当风轮超速时,减速板因所受的离心力对铰接轴的力矩大于弹簧张力的力矩,从而绕轴转动成为扰流器,增加风轮阻力起到减速作用。风速降低后它们又回到原来位置。,叶尖扰流器,是将叶片端部,(,约为叶片总面积的十分之一,),设计成可绕径向轴转动的活动部件。正常运行时叶尖与其它部分方向一致,并对输出扭矩起重要作用。当风轮超速时,叶尖可绕控制轴转,60,或,90,从而产生空气阻力,对风轮起制动作用,叶尖的旋转可利用螺旋槽和弹簧机构来完成,也可由伺服电机驱动。,第二章 风力机的基本理论与结构,第三节风力机的主要部件,(3),变桨距调速,（如图）,采用桨距控制除可控制转速外,还可减小转子和驱动链中各部件的压力,并允许风力机在很大的风速下运行,因而应用相当广泛。,1,）离心摆式,变桨距调速,机构：,风轮转速增加时,旋转配重或桨叶的离心力随之增加并压缩弹簧,使叶片的桨距角改变,从而使受到的风力减小,以降低转速。当离心力等于弹簧张力时即达到平衡位置。,第二章 风力机的基本理论与结构,第三节风力机的主要部件,2,）液压机构来控制叶片的桨距,在大型风力机中,常采用电子控制的液压机构来控制叶片的桨距。,例如,美国,MOD20,型风力发电机利用两个装在轮毂上的液压调节器来控制转动主齿轮,带动叶片根部的斜齿轮来进行桨距调节,;,美国,MOD21,型风力发电机则采用液压调节器推动连接叶片根部的连杆来推动叶片。,特点,：改善风力机的起动特性、发电机联网前的速度调节,(,减少联网时的冲击电流,),、按发电机额定功率来限制转子气动功率以及在事故情况下,(,电网故障、转子超速、振动等,),使风力发电机组安全停车等。,第二章 风力机的基本理论与结构,第三节风力机的主要部件,三、 调向装置（对风装置）,下风向风力机的风轮能自然地对准风向,因此一般不需要进行调向控制，上风向风力机则必须采用调向装置,常用的有以下几种,:,(1),尾舵,（如图 ）,主要用于小型风力发电机,它的优点是能自然地对准风向,不需要特殊控制。,(2),侧风轮,（如图,）,在机舱的侧面安装一个小风轮,其旋转轴与风轮主轴垂直。如果主风轮没有对准风向,则侧风轮会被风吹动,产生偏向力,通过蜗轮蜗杆机构使主风轮转到对准风向为止。,尾舵调向,侧风轮调向,第二章 风力机的基本理论与结构,第三节风力机的主要部件,(3),电动机驱动的风向跟踪系统,(,偏航系统,),大型风力发电机组一般采用,电动机驱动的风向跟踪系统,偏航系统组成,：由电动机及减速机构、偏航调节系统和扭缆保护装置等部分组成。,偏航调节系统包括,风向标和偏航系统调节软件,。风向标对应每一个风向都有一个相应的脉冲输出信号,通过偏航系统软件确定其偏航方向和偏航角度,然后将偏航信号放大传送给电动机,通过减速机构转动风力机平台,直到对准风向为止。,如机舱在同一方向偏航超过,3,圈以上时,则,扭缆保护装置,动作,执行解缆；当回到中心位置时解缆停止。,第二章 风力机的基本理论与结构,第三节风力机的主要部件,四、塔架,作用,：支撑风力机的重量,承受吹向风力机和塔架的风压,承受风力机运行中的动载荷。,塔架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,管柱型塔架,可从最简单的木杆,直到大型钢管和混凝土管柱。,小型风力机塔杆为增加抗弯矩的能力,可以用拉线来加强。,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。,五、传动机构,组成：,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,(,如图,),。,但有些风力机的轮毂直接连接到齿轮箱上,不需要低速传动轴。,也有一些风力机,(,特别是小型风力机,),设计成无齿轮箱的,风轮直接连接到发电机。在整个传动系中除了齿轮箱其它部件基本上一目了然。,机械刹车机构,由安装在低速轴或高速轴上的刹车圆盘与布置在四周的液压夹钳构成，如,第二章 风力机的基本理论与结构,第三节风力机的主要部件,第二章 风力机的基本理论与结构,第四节风力机的功率,风的动能与风速的平方成正比，当一个物体使流动的空气速度变慢时，流动的空气中的动能部分转变成物体上的压力能，,整个物体上的压力就是作用在这个物体上的力,。,风力机的风轮是从空气中吸收能量的,，而不是像飞机螺旋桨那样，把能量投入空气中去,第二章 风力机的基本理论与结构,第四节风力机的功率,从风能公式（,风功率,）公式,可得，,风轮输出的功率,:,式中：,P,为风轮输出的功率, Cp,为风轮的功率系数；,A,为风轮扫掠面积；,v,为风速, R,为风轮半径。,当风速加倍时，风轮从气流中吸收的能量增加八倍。,贝兹,（,Betz,）,极限,:,风轮在理想情况下的最大功率系数,Cp,只有约,60,（图,2,21,示，,P57,）,第二章 风力机的基本理论与结构,第四节风力机的功率,叶尖速比（,简称,尖速比,）：,风轮叶片叶尖的线速度与风速之比用,表示,式中,V,叶片尖端线速度,m/s,风速，,m/s,n,风轮转速，,r/min,；,R,风轮转动半径，,m,。,尖速比与风轮效率是密切相关的，只要风力发电机没有超速，运转处于较高尖速比状态下的风力发电机，风轮就具有较高的效率。,低速风轮，,取小值；高速风轮，,取大值。,第二章 风力机的基本理论与结构,第四节风力机的功率,表,31,给出了风轮叶片数与尖速比,的的匹配值。,第二章 风力机的基本理论与结构,第四节风力机的功率,