风力发电基础知识

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,2010-1-28,国测诺德,技术部,*,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,2010-1-28,国测诺德,技术部,*,*,风力发电根底知识,国测诺德,技术部,2021-1-28,1,国测诺德,技术部,风能获取的根本原理和方法,现有风能装置获取风能方式,升力型风能装置，如水平轴风力机,(HAWT),和达里厄型,(Darrieus),垂直轴风机,(VAWT),。,升力型风机依靠叶片产生的升力作为旋转动力以气流中的获取能量；,阻力型装置，如垂直轴风机中风帆式,阻力型风机依靠叶片在气流流动方向上的阻挡作用产生的反作用力作为旋转动力以获取气流中的能量；,2021-1-28,2,国测诺德,技术部,风的根本特性描述1/2,风的根本特性,风速,由于风速随时变化，因此常用平均风速来衡量风携带能量的大小。极大风速和年平均风速对于风机设计而言很重要。,湍流,用于描述风速是否平稳的指标。通常定义为,I = /U，为风速值标准偏差，U为风速平均值,风切变,由于地面障碍物对风有阻挡作用，因此风速会随高度增加而增加,2021-1-28,3,国测诺德,技术部,风的根本特性描述2/2,年平均风速10分钟分布曲线和风切变曲线,2021-1-28,国测诺德,技术部,4,Webull,分布曲线,风切变指数曲线,风力发电机,分,类,按照叶轮放置方向,水平轴：叶轮轴线呈水平方向布置,垂直轴：叶轮轴线呈垂直方向布置,按照接入电网方式,根据风机正常运行时是否直接接入电网分为并网型和离网型,离网型风机常与太阳能组成风光电互补动力源。,按叶轮布置位置,假设叶轮布置在机舱前，称为上风向；否那么称为下风向；,传动链布置,根据有无齿轮箱分为非直驱和直驱机型,其他方式,如叶片数量、机型容量等级、安装地点海上或陆上,2021-1-28,国测诺德,技术部,5,叶素的受力分析,水平轴风力发电机1/3,水平轴风机工作原理,2021-1-28,6,国测诺德,技术部,Enercon E112/124,2021-1-28,国测诺德,技术部,7,水平轴风力发电机2/3,水平轴风力发电机3/3,一些视频文件,Repower 5MW,风力发电机,Vestas,宣传片,诺德风机运行录像,2021-1-28,国测诺德,技术部,8,垂直轴,风力发电机,(1/3),风帆式Savonius,2021-1-28,9,国测诺德,技术部,垂直轴,风力发电机,(2/3),达里厄型风机工作原理示意图,2021-1-28,国测诺德,技术部,10,垂直轴,风力发电机,(3/3),垂,直,轴,风,帆,式,风,机,2021-1-28,国测诺德,技术部,11,垂,直,轴,达,里,厄,型,风,机,HWAT根本原理典型结构(1/3),2021-1-28,12,国测诺德,技术部,9,6,1,3,2,4,5,10,8,1-Blade,2-Hub,3-Main shaft,4-Gearbox,5-High speed shaft & brake,6-Generator,7-Nacelle,8-Wind sensor,9-Yaw system,10-Tower,11-Control system,7,HWAT根本原理典型结构(2/3),请尝试指出各种部件并说明其功能,2021-1-28,国测诺德,技术部,13,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,13,12,HWAT根本原理典型结构(3/3),2021-1-28,国测诺德,技术部,14,5,1,3,2,4,6,1-Blade,2-Hub,3-Main shaft,4-Generator,5-Encoding disc,6-Yaw system,7-Tower,8-Control system,7,？,Why there is no mechanical brake?,HWAT根本原理部件概述(1/8),叶片,数量常为,2,或,3,，材料为,GFRP,或,CFP,2021-1-28,15,国测诺德,技术部,HWAT根本原理部件概述(2/8),轮毂,随叶片数量性状有所不同,材质通常为球墨铸铁,设计计算采用有限元方法,2021-1-28,国测诺德,技术部,16,HWAT根本原理部件概述(3/8),主轴,叶轮的扭矩直接,通过主轴进入传动链,需要承受大扭矩,和疲劳载荷,材质一般为,35CrMo,40CrNiMo,或,37SiMn2Mo,通常有配套的主轴轴承座,某些方案将主轴集成到齿轮箱,2021-1-28,国测诺德,技术部,17,HWAT根本原理部件概述(4/8),齿轮箱,增速比一般,为,6080,核心部件之一，设计和制造都有相当难度。主要是材质成分、热处理和加工精度要求很高,2021-1-28,18,国测诺德,技术部,高速轴,一般用玻璃钢构成，附带高速轴刹车刹车盘和刹车钳,发电机,典型类型：异步式，双馈式，,同步机永磁或电励磁,冷却方式：空-空冷却，,空-水冷却，水套式冷却,HWAT根本原理部件概述(5/8),2021-1-28,国测诺德,技术部,19,HWAT根本原理部件概述(6/8),偏航系统,作用：使风机中轴线始终指向来风方向；,通常以正北作为偏航角度的零点,常以电机或液压马达驱动，一些方案包含偏航刹车,2021-1-28,国测诺德,技术部,20,HWAT根本原理部件概述(7/8),控制系统主要部件,主控器核心控制模块软硬件,变桨控制器变桨控制模块、变桨电机伺服及电机，蓄电池,变频器双馈机型和同步机型,通讯模块系统内部通讯、风场内通讯,SCADA软件用于远程监控,控制系统调试内容,静态检查接线、参数整定,动态部件变桨、主控逻辑、偏航等,联调从切入到并并网,2021-1-28,国测诺德,技术部,21,HWAT根本原理部件概述(8/8),控制系统结构图WP4000,2021-1-28,国测诺德,技术部,22,HWAT根本原理根底公式,水平轴风机采集风能的根本计算公式,P=(Cpv3A)/2,其中，,Cp为风能利用系数Power Coefficient，表示风机捕获风能的能力， Cp = Pcapture / Pwind,为空气密度(kg/m3)，与海拔、水汽压即湿度,v为风速(m/s)，通常按轮毂高度处风速计算,A为叶轮扫风面积(m2)，,2021-1-28,23,国测诺德,技术部,HWAT根本原理主要指标,上风向水平轴并网型风力发电机主要指标,切入风速：机组开始并网发电的风速；,切出风速：超过此风速时机组停止发电并脱网；,额定风速：使机组额定出力产生额定功率的风速；,极限风速：超过此风速机组就会倒塌；,额定功率：机组设计的总分值功率；,功率曲线：机组在不同风速下的功率点组成的曲线；,其他：,叶轮直径,IEC类型,2021-1-28,国测诺德,技术部,24,HWAT根本原理性能要素(1/),叶片,长度与扫风面积相关,外形翼型、外廓和制造质量影响CP,齿轮箱和发电机,效率上下影响整机出力即发电量；,可靠性影响整机可用率；,控制系统,变桨控制硬件及策略影响CP及整机载荷；,影响机组的运行平安,偏航系统,准确与否影响整机出力,2021-1-28,25,国测诺德,技术部,HWAT根本原理性能要素(2/3),C,p,值随着尖速比和桨距角的变化而变化,2021-1-28,26,国测诺德,技术部,功率曲线示意图,2021-1-28,国测诺德,技术部,27,变桨距机型,定桨距机型,HWAT根本原理,GCN1000,整机结构图,2021-1-28,28,国测诺德,技术部,GCN1000,整机爆炸视图,2021-1-28,国测诺德,技术部,29,GCN1000机组技术特点1/3,柔性塔筒,2021-1-28,30,国测诺德,技术部,GCN1000机组技术特点2/3,柔性偏航系统主被动偏航结合,主动偏航即利用液压马达,产生偏航力矩使风机指向来风方；,被动偏航指风向变化速度不大,时利用风对叶轮的推动作用自然,完成对风操作；,被动偏航的作用：,使传递到塔筒上的风载荷,波动最小；,精简了偏航刹车,2021-1-28,31,国测诺德,技术部,GCN1000机组技术特点3/3,紧凑型传动链请指出部件1-6的名称,2021-1-28,32,国测诺德,技术部,1,2,3,4,5,6,进一步学习的资源,参考网站,Wikipedia (wind turbine, wind power),google (wind turbine),参考教材,Wind Energy Handbook,Wind Energy Explained,2021-1-28,国测诺德,技术部,33,