风力发电机介绍PPT课件

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1、一、风能利用的历史 人类利用风能已有数千年历史，在蒸汽机发明以前风能曾经作为重要的动力，用于船舶航行、 提水饮用和灌溉、排水造田、磨面和锯木等。埃及被认为可能是最先利用风能的国家，约在几千年前，他们就开始用风帆来帮助行船，波斯和中国也很早开始利用风能，主要是使用垂直轴风车。第1页/共103页古代波斯和中国的垂直轴风车第2页/共103页第3页/共103页 欧洲到中世纪才开始广泛利用风能，荷兰人发展了水平轴的风车，18世纪荷兰曾利用近万座风车将海堤内的水排干，造成的良田相当于国土面积的1/3，成果著名的风车之国。 19世纪中叶以后，美国大规模开发西部，为了解决人畜饮水问题，制造了金属叶片的风轮，

2、驱动活塞泵用于提水，成为有名的美国农场风车。拥有量曾达到600万台。第4页/共103页 在蒸汽机出现之前，风力机械是动力机械的一大支柱，其后随着煤、石油、天然气的大规模开采和廉价电力的获得，各种曾经被广泛使用的风力机械，由于成本高，效率低，使用不方便等，无法与蒸汽机、内燃机和电动机等相竞争，渐渐被淘汰。 到了19世纪末，开始利用风力发电，这在解决农村电气化方面显示了重要的作用，特别是20世纪70年代以后利用风力发电更进入了一个蓬勃发展的阶段。第5页/共103页二、风力发电的发展 风力发电原理 世界风力发电的发展 国内风力发电的发展第6页/共103页风力发电原理风轮基础机舱塔架第7页/共103页

3、风能机械能电能理论上Cp90%第8页/共103页 由于风速随时在变化,因此处在野外运行的风电机组承受着十分复杂恶劣的交变载荷. 目前机组的设计寿命是20年,机组的可利用率要达到95%以上.第9页/共103页 第10页/共103页 独立运行供电系统 即在电网未通达的偏远地区,用小型风电机组为蓄电池充电,再通过逆变器转化成交流电向终端电器供电;或者采用中型风电机组与柴油发电机组成混合供电系统。第11页/共103页第12页/共103页世界风力发电的发展第13页/共103页第14页/共103页第15页/共103页第16页/共103页国内风力发电的发展第17页/共103页第18页/共103页第19页/共

4、103页第20页/共103页第21页/共103页发达国家与发展中国家发电对比第22页/共103页中国风电机组累计装机容量（MW）中国风电市场迅猛发展，2006年新增装机达1347MWNew installed capacity is 1347MW in 2006第23页/共103页三、风力发电机组基础知识第24页/共103页1、概论 1.1 风力发电机简介 1.2 风力发电机设计总论 设计过程 风力发电机组机构形式 机组载荷第25页/共103页1.1 风力发电机组简介1）风力发电机 能量转化装置：风能 电能 第26页/共103页几点说明：1、风力发电机和风车2、风力发电机和电网 风力发电机总是

5、连接着某种电网： 蓄电池电路 民用电路 独立电路 大型公用电网第27页/共103页3、风力发电机与风 （风轮） （发电机）风能 机械能 电能二次转化不能存储风风电的波动性和断续（不可调度）风不能被传送，风电只能就地产生第28页/共103页2）风力发电机的组成第29页/共103页 第30页/共103页风力发电机组的组成（续） 风力发电机组的主要组成部分： 风轮：将风能转变为机械能 传动系统：将叶轮的转速提升到发电机的额定转速 发电机；将机械能转变为电能 偏航系统：使风轮可靠的迎风转动并解缆。 其他部件：如机舱、塔架等 控制系统：使风力发电机组在各种自然条件与工况下正常运行的保障机制，包括调速、调

6、向和安全控制。第31页/共103页3）风力发电机组分类 根据额定功率分为小、中、大型机组。但由于各个国家和地区经济技术发展不平衡，界限不尽相同。欧洲欧洲美国美国中国中国微型机微型机1kW以下以下小型机小型机小于小于100kW110kW中型机中型机100500kW1001000kW10100kW大型机大型机大于大于500kW大于大于1000kW大于大于100kW第32页/共103页机组的容量、叶轮直径和塔架高度第33页/共103页德国Repower公司5MW机组第34页/共103页4）风力发电机的主要机型 按功率调节方式分： 按叶轮转速是否恒定分： 其他机型:第35页/共103页海上机组第36页

7、/共103页风力发电机组功率曲线第37页/共103页5）基本特征技术及发展趋势 基本技术特征 机型的发展趋势第38页/共103页6）主要零部件简介第39页/共103页主要零部件简介（续）第40页/共103页主要零部件简介（续）第41页/共103页1.5MW机组具有较好的防尘和密封性能;叶片、风轮罩和轮毂表面都喷涂高附着力、耐腐蚀防护层，能够保证这些零部件在机组寿命期限内不受腐蚀破坏。同时针对沙尘暴环境，防护层中添加了性能较好的耐磨剂，使机组能够很好的抵御沙尘的冲刷。第42页/共103页主要零部件简介（续）第43页/共103页主要零部件简介（续）第44页/共103页叶片形式 一般风轮叶片数取决于

8、风轮的尖速比。目前的风力发电机组一般属于高速风力机， =47，叶片数一般取3。用于风力提水的风力机一般属于低速风力机，叶片数较多。 叶片数多的风力机在低尖速比运行时，虽然风能利用系数较低，但具有较大的转矩，而且起动风速也低，因此适用于提水。而叶片数少的风力发电机组在高尖速比运行时具有较高的风能利用系数， 但起动风速较高。 另外，叶片数目确定应与实度一起考虑，既要考虑风能利用系数，也要考虑起动性能。由于三叶片的风力发电机的运行和输出功率较平稳， 目前风力发电机采用三叶片的较多。第45页/共103页塔架类型水泥塔钢制锥塔桁架结构塔第46页/共103页1.2风力发电机设计总论 风力发电机的主要部件第

9、47页/共103页风力发电机的主要部件 典型的水平轴风力发电机第48页/共103页风力发电机设计的主要内容第49页/共103页设计过程和要求第50页/共103页风力发电机总体布局第51页/共103页1）叶轮轴线的方位：水平或垂直第52页/共103页第53页/共103页第54页/共103页2）叶轮功率控制：失速、变桨距第55页/共103页2）叶轮功率控制：失速、变桨距第56页/共103页3）叶轮方位：上风向或下风向第57页/共103页叶轮方位：上风向或下风向第58页/共103页4）叶轮转速：定速或变速 定速机型发电方式简单，造价低；对电网依赖程度高。第59页/共103页叶轮转速：定速或变速 变速

10、机型电气设备价高；电能品质好。第60页/共103页机组载荷第61页/共103页载荷及其来源第62页/共103页 2、风力机空气动力学基础 叶片的空气动力特性 叶轮的空气动力模型第63页/共103页2.1 空气动力学的基本概念一、流线l 气体质点：体积无限小的具有质量和速度的流体微团。l 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。描述了该时刻个气体质点的运动方向：切线方向。流场中众多流线的集合称为流线簇。一般情况下，各流线彼此不会相交。第64页/共103页第65页/共103页第66页/共103页第67页/共103页二、阻力与升力第68页/共103页第69页/共103页第7

11、0页/共103页三、翼型的气动特性1、第71页/共103页第72页/共103页2、作用在翼型上的气动力。第73页/共103页l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在风速方向上的投影称为阻力，记为D；而在垂直于风速方向上的投影称为升力，记为L。 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。l为方便使用，通常用无量纲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： CL=L/(1/2V2C) 阻力系数： CD=D/(1/2V2C) 气动力矩系数：CM=M/(1/2V2C2) 此处，L、D、M分别为翼型沿展

12、向单位长度的升力、阻力和气动力矩。第74页/共103页3、翼剖面的升力特性第75页/共103页说明：第76页/共103页4、翼剖面的阻力特性第77页/共103页5、极曲线第78页/共103页二、贝兹理论1、贝兹理论中的假设叶轮是理想的；气流在整个叶轮扫略面上是均匀的；气流始终沿着叶轮轴线叶轮处在单元流管模型中，如图。流体连续性条件：S1V1=SV=S2V2第79页/共103页2、对叶轮应用气流冲量原理u 叶轮所受的轴向推力 F=m（V1-V2） 式中m=SV，为单位时间内的流量质量u 叶轮单位时间内吸收的风能叶轮吸收 的功率为： P=FV=SV2（V1-V2）第80页/共103页3、动能定理的

13、应用 基本公式：E=1/2mV2（m同上） 单位时间内气流所做的功功率： P=1/2mV2=1/2SVV2 在叶轮前后，单位时间内气流动能的改变量： P=1/2SV（V12-V22） 此既气流穿越叶轮时，被叶轮吸收的功率。 因此：SV2（V1-V2）=1/2SV（V12-V22） 整理得：V=1/2（V1+V2） 即穿越叶轮的风速为叶轮远前方与远后方风速的均值。第81页/共103页4、贝兹极限 引入轴向干扰因子进一步讨论。 令：V=V1(1-)=V1-U 则有：V2=V1(1-2) 其中：轴向干扰因子，又称入流因子。 U=V1轴向诱导速度。 讨论： 当1/2时，V20，因此1/2。 又VV1且

14、V0，有10。 的范围：1/20第82页/共103页由于叶轮吸收的功率为 P=P=1/2SV（V12-V22） =2SV13（1-）2令dP/d=0，可得吸收功率最大时的入流因子。解得：=1和=1/3。取a=1/3，得 Pmax=16/27（1/2SV13）注意到1/2SV13是远前方单位时间内气流的动能功率，并定义风能利用系数Cp为： Cp=P/（1/2SV13）于是最大风能利用系数Cpmax为： Cpmax=Pmax/（1/2SV13）=16/270.593此乃贝兹极限。第83页/共103页三、叶素理论第84页/共103页翼型剖面第85页/共103页第86页/共103页第87页/共103页

15、额定风速与成本的关系第88页/共103页第89页/共103页 由于风能与风速的三次方成正比，因此风况是影响风力发电经济性的一个重要因素。根据国内外大型风电场的开发建设经验，为保证风力发电机组高效稳定的运行，达到预期的目的，风电场场址必须具备丰富的风能资源。四、风电场场址的选择第90页/共103页考虑的因素 风速较大 风向基本稳定 风速变化小 湍流强度小 无灾害性天气 靠近电网 交通方便 对环境不利影响小 地形、地质情况，地理位置 温度、湿度、气压第91页/共103页第92页/共103页第93页/共103页华仪电气1.5MW机组第94页/共103页定桨机型刹车原理第95页/共103页机舱通风系统

16、采用先进的内增压设计，（机组提供一个舱内空气的增压设备，并为此设备配备盐雾和水汽的过滤网，能够阻止灰尘与水汽的进入，进入舱内的空气由发电机的冷却风扇向舱外抽出，即使在潮湿闷热的环境下也可保持舱内零部件运行时的热平衡）。由于内部气压较高，能够较好的阻止粉尘的进入。 第96页/共103页主轴和齿轮箱之间通过一个用螺栓锁紧的收缩盘刚性连接，共同组成三点支撑的弹性结构。主轴采用高强度合金材料制成，能够将风轮产生推力和弯矩通过主轴承传递至机架，并将扭矩即机械功率传递至齿轮箱。第97页/共103页风轮配备三桨叶独立变桨系统，可分别对每个叶片变换不同的角度以最大程度的利用风能和减小机组的不均匀受载。三个变桨驱动器分别配备独立后备电源，可以在任何紧急的情况下(如电网故障或通讯中断等)将三桨叶一致或独立的变换到安全角度，实现机组的安全停机。第98页/共103页类型：主动偏航驱动方式：电机驱动偏航轴承形式：单排四点接触球式回转支撑+外齿偏航速度：0.8/秒12345第99页/共103页第100页/共103页齿轮箱冷却系统齿轮箱冷却系统第101页/共103页第102页/共103页感谢您的观看！第103页/共103页