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风力发电原理讲解ppt课件
来源:欧宝体育app下载地址 作者:欧宝体育nba 时间:2021-10-25 09:08:59

  风力机的类型风力机的类型 风电机组主要参数及设计级别风电机组主要参数及设计级别 水平轴风力机构造水平轴风力机构造 第三章 第三章 风力机分类和构成 风力机分类和构成 3-1 按容量划分 按容量划分 小型风力机:容量小于 小型风力机:容量小于60kW 60kW 中型风力机:容量为 中型风力机:容量为70 70~~600kW 600kW 大型风力机:容量为 大型风力机:容量为600 600~~1000kW 1000kW((1MW 1MW)) 巨型风力机:容量大于 巨型风力机:容量大于1000kW 1000kW。。 单机容量越大,桨叶越长。 单机容量越大,桨叶越长。2MW 2MW风力机叶片的直 风力机叶片的直 径已经达到 径已经达到72m 72m,最长的叶片已经做到 ,最长的叶片已经做到50m 50m,且随着机 ,且随着机 组容量的增加会更长。 组容量的增加会更长。 按照风轮结构及其在气流中的位臵: 按照风轮结构及其在气流中的位臵: 水平轴风力机 水平轴风力机::叶片围绕一个水平轴旋转,旋转平 叶片围绕一个水平轴旋转,旋转平 按风轮结构划分 面与风向垂直。 垂直轴风力机: 风轮围绕一个垂直轴进行旋转。 按功率调节方式划分 定桨距风力机 变桨距风力机 主动失速型风力机 定桨距风力机 定桨距风力机::叶片固定在轮毂上,桨距角不变,风力 叶片固定在轮毂上,桨距角不变,风力 机的功率调节完全依靠叶片的 机的功率调节完全依靠叶片的失速 失速性能。当风速超过 性能。当风速超过 额定风速时,在叶片后端将形成边界层分离 额定风速时,在叶片后端将形成边界层分离((湍流状 湍流状 态态)),使升力系数下降,阻力系数增加,从而限制了机 ,使升力系数下降,阻力系数增加,从而限制了机 组功率的进一步增加。 组功率的进一步增加。 优点 优点: :结构简单。 结构简单。 缺点 缺点: :不能保证超过额定风速区段的输出功率恒定,并 不能保证超过额定风速区段的输出功率恒定,并 且由于阻力增大 且由于阻力增大,,导致叶片和塔架等部件承受的载荷相 导致叶片和塔架等部件承受的载荷相 应增大。此外,由于桨距角不能调整,没有气动制动 应增大。此外,由于桨距角不能调整,没有气动制动 功能,因此定桨距叶片在叶尖部位需要设计专门的制 功能,因此定桨距叶片在叶尖部位需要设计专门的制 动机构。 动机构。 变桨距风力机 变桨距风力机::叶片和轮毂不是固定连接,叶片桨距角可调。 叶片和轮毂不是固定连接,叶片桨距角可调。 在超过额定风速范围时,通过增大叶片桨距角,使 在超过额定风速范围时,通过增大叶片桨距角,使攻角 攻角减小, 减小, 以改变叶片升力与阻力的比例,达到限制风率的目的, 以改变叶片升力与阻力的比例,达到限制风率的目的, 使机组能够在额定功率附近输出电能。 使机组能够在额定功率附近输出电能。 优点 优点:高于额定风速区域可以获得稳定的功率输出。 :高于额定风速区域可以获得稳定的功率输出。 缺点 缺点:需要变桨距调节机构,设备结构复杂,可靠性降低。 :需要变桨距调节机构,设备结构复杂,可靠性降低。 目前的大型兆瓦级风电机组普遍采用变桨距控制技术。 目前的大型兆瓦级风电机组普遍采用变桨距控制技术。 主动失速型风力机 主动失速型风力机:工作原理相当于以上两种形式的组合。 :工作原理相当于以上两种形式的组合。 利用叶片的失速特性实现功率调节,叶片与轮毂不是固定连 利用叶片的失速特性实现功率调节,叶片与轮毂不是固定连 接,叶片可以相对轮毂转动,实现桨距角调节。当机组达到 接,叶片可以相对轮毂转动,实现桨距角调节。当机组达到 额定功率后,使叶片向桨距角向减小的方向转过一个角度, 额定功率后,使叶片向桨距角向减小的方向转过一个角度, 增大来风攻角,使叶片主动进入失速状态,从而限制功率。 增大来风攻角,使叶片主动进入失速状态,从而限制功率。 优点 优点:改善了被动失速机组功率调节的不稳定性。 :改善了被动失速机组功率调节的不稳定性。 缺点 缺点:增加了桨距调节机构,使设备变得复杂。 :增加了桨距调节机构,使设备变得复杂。 高传动比齿轮箱型: 高传动比齿轮箱型: 优点 优点:由于极对数小,结构简单,体积小; :由于极对数小,结构简单,体积小; 缺点 缺点:传动系统结构复杂,齿轮箱设计、运行维护复 :传动系统结构复杂,齿轮箱设计、运行维护复 杂,容易出故障。 杂,容易出故障。 直接驱动型: 直接驱动型:采用多级同步风力发电机,让风轮直接 采用多级同步风力发电机,让风轮直接 带动发电机低速旋转。 带动发电机低速旋转。 优点: 优点:没有了齿轮箱所带来的噪声、故障率高和维护 没有了齿轮箱所带来的噪声、故障率高和维护 成本大等,提高了运行可靠性。 成本大等,提高了运行可靠性。 缺点 缺点:发电机极对数高,体积比较大,结构复杂。 :发电机极对数高,体积比较大,结构复杂。 半直驱型::上述两种类型的综合。中传动比型风力机上述两种类型的综合。中传动比型风力机 减少了传统齿轮箱的传动比,同时也相应减少了多极 减少了传统齿轮箱的传动比,同时也相应减少了多极 同步风力发电机的极数,从而减少了发电机的体积。 同步风力发电机的极数,从而减少了发电机的体积。 按传动形式划分 通过传动系统连接风轮和发电机,使发电机转子达 通过传动系统连接风轮和发电机,使发电机转子达 到所需要的转速。并网风电机组所用交流发电机的同步 到所需要的转速。并网风电机组所用交流发电机的同步 转速为 转速为 为发电机磁极对数;为电网频率, 为发电机磁极对数;为电网频率,50Hz 50Hz。。 风轮转速较低,约 风轮转速较低,约10~20r/min 10~20r/min,而发电机要输出 ,而发电机要输出 50Hz 50Hz的交流电功率,当发电机的磁极对数不同时,要求 的交流电功率,当发电机的磁极对数不同时,要求 转子的转速也不同。如当磁极对数为 转子的转速也不同。如当磁极对数为22时,要求发电机其 时,要求发电机其 转子转速在 转子转速在1500r/min 1500r/min左右,这时需要在风轮与发电机组 左右,这时需要在风轮与发电机组 之间用齿轮箱进行增速。如果发电机组的极对数足够大, 之间用齿轮箱进行增速。如果发电机组的极对数足够大, 使得发电机转速与风轮转速接近,就不需要增速齿轮箱。 使得发电机转速与风轮转速接近,就不需要增速齿轮箱。 60 恒速型风力机恒速型风力机::发电机转速恒定不变,不随风速 发电机转速恒定不变,不随风速 的变化而变化。 的变化而变化。 变速型风力机: 变速型风力机:发电机工作转速随风速时刻变化 发电机工作转速随风速时刻变化 而变化。主流大型风力发电机组基本都采用变速 而变化。主流大型风力发电机组基本都采用变速 恒频运行方式。 恒频运行方式。 多态定速风力机 多态定速风力机::发电机组中包含两台或多台发 发电机组中包含两台或多台发 电机,根据风速的变化,可以有不同大小和数量 电机,根据风速的变化,可以有不同大小和数量 的发电机投入运行。 的发电机投入运行。 按发电机转速变化划分 陆地风电机组 海上风电机组 海上风机沿海风场风况和环境条件与陆地风场存在差别,海上风电 沿海风场风况和环境条件与陆地风场存在差别,海上风电 机具有一些特殊性: 机具有一些特殊性: 1)适合选用大容量风电机组。适合选用大容量风电机组。海上风速通常比沿岸陆地高 海上风速通常比沿岸陆地高 ,风速比较稳定,不受地形影响,风湍流强度和风切变都比较 ,风速比较稳定,不受地形影响,风湍流强度和风切变都比较 小,并且具有稳定的主导风向。在相同容量下,海上风电机组 小,并且具有稳定的主导风向。在相同容量下,海上风电机组 的塔架高度比陆地机组低。 的塔架高度比陆地机组低。 2)风电机组安全可靠性要求更高风电机组安全可靠性要求更高。海上风电场遭遇极端 。海上风电场遭遇极端 气象条件的可能性大,强阵风、台风和巨浪等极端恶劣天 气象条件的可能性大,强阵风、台风和巨浪等极端恶劣天 气条件都会对机组造成严重破坏。海上风电场与海浪、潮 气条件都会对机组造成严重破坏。海上风电场与海浪、潮 汐具有较强的耦合作用,使得风电机组运行在海浪干扰下 汐具有较强的耦合作用,使得风电机组运行在海浪干扰下 的随机风场中,载荷条件比较复杂。海上风电机组长期处 的随机风场中,载荷条件比较复杂。海上风电机组长期处 在含盐湿热雾腐蚀环境中,加之海上风电机组安装、运行、 在含盐湿热雾腐蚀环境中,加之海上风电机组安装、运行、 操作和维护等方面都比陆地风场困难。因此,海上风电机 操作和维护等方面都比陆地风场困难。因此,海上风电机 组结构,尤其是叶片材料的耐久性问题极为重要。 组结构,尤其是叶片材料的耐久性问题极为重要。 3)基础形式与陆地风电机组有巨大差别基础形式与陆地风电机组有巨大差别。由于不同海域 。由于不同海域 的水下情况复杂、基础建造需要综合考虑海床地质结构、 的水下情况复杂、基础建造需要综合考虑海床地质结构、 离岸距离、风浪等级、海流情况等多方面影响,因此海上 离岸距离、风浪等级、海流情况等多方面影响,因此海上 风电机组复杂,用于基础的建设费用也占较大比例。 风电机组复杂,用于基础的建设费用也占较大比例。 海上风电在风资源评估、机组安装、运行维护、设备 海上风电在风资源评估、机组安装、运行维护、设备 监控、电力输送等许多方面都与陆地风电存在差异,技术 监控、电力输送等许多方面都与陆地风电存在差异,技术 难度大、建设成本高。 难度大、建设成本高。 我国海上风机发展趋势 我国海上风机发展趋势—— ——滩涂风电场 滩涂风电场 目前,我国已建或在建的滩涂风电场主要集中在潮上带及围垦区。潮 间带由于淤泥地质,风电设备运输安装都是难题。但是相比于近海风电, 业内专家认为潮间带风电场还具有一定成本优势。国内首个海上潮间带风 力发电项目——龙源江苏如东海上潮间带试验风场于09年10月并网发电成 功,首批两台1.5兆瓦风力发电机组正式并网运行。 水平轴风力机的叶片围绕一个水平轴旋转,旋转平面与 水平轴风力机的叶片围绕一个水平轴旋转,旋转平面与 风向垂直。叶片径向安臵于风轮上,与旋转轴垂直或近似 风向垂直。叶片径向安臵于风轮上,与旋转轴垂直或近似 垂直。风轮叶片数目视风力机用途而定,用于风力发电的 垂直。风轮叶片数目视风力机用途而定,用于风力发电的 风力机的叶片数一般取 风力机的叶片数一般取11~~33片,用于风力提水的风力机叶 片,用于风力提水的风力机叶 片数一般取 片数一般取12 12~~24 24片。 一、水平轴风力水平轴风力 发电机 发电机 按风轮转速的快慢划分,可分为 按风轮转速的快慢划分,可分为高速风力机 高速风力机和和低速风力 低速风力 高速风力机叶片数较少,高速风力机叶片数较少,11~~33片应用得较多,其最佳转 片应用得较多,其最佳转 速对应的风轮叶尖线速度为 速对应的风轮叶尖线倍风速。在高速运行时, 倍风速。在高速运行时, 高速风力机有较高的风能利用系数。由于叶片数较少,在 高速风力机有较高的风能利用系数。由于叶片数较少,在 输出功率相同的条件下,比低速风轮要轻得多,因此适用 输出功率相同的条件下,比低速风轮要轻得多,因此适用 于发电。 于发电。 叶片数较多的风力机的最佳转速较低,为高速风力机的 叶片数较多的风力机的最佳转速较低,为高速风力机的 一半甚至更低,风能利用率也较高速风轮的低,通常称为 一半甚至更低,风能利用率也较高速风轮的低,通常称为 低速风力机。起动力矩大,起动风速低。低速运行产生较 低速风力机。起动力矩大,起动风速低。低速运行产生较 高的转矩,因而适用于提水。 高的转矩,因而适用于提水。 按照风轮与塔架相对位臵的不同划分 逆风式风力机 顺风式风力机 风轮在塔架的下风位臵旋转的风力机。能够自动对准风向,不需要调向装臵。缺点:空气流先通过塔架然后再流向 风轮,会造成塔影效应,风力机性能降低。 以空气流向作为参考,风轮在塔架前迎风旋转的风力机为 逆风式风力机。需要调风装臵,使风轮迎风面正对风向。 定义 定义:垂直轴风力机的风轮围绕一个垂直轴进行旋转。 :垂直轴风力机的风轮围绕一个垂直轴进行旋转。 特点 特点::无需调风向装臵,可接受来自任何方向的风, 无需调风向装臵,可接受来自任何方向的风, 风向改变时无需对风。 风向改变时无需对风。齿轮箱和发电机均可安装在地 齿轮箱和发电机均可安装在地 面上或风轮下,运行维修简便,费用较低。 面上或风轮下,运行维修简便,费用较低。叶片结构 叶片结构 简单,制造方便,设计费用较低。 简单,制造方便,设计费用较低。 二、垂直轴风力垂直轴风力 发电机 发电机 分类:阻力型风力机:利用空气对叶片的阻力做功。 升力型风力机:利用翼型升力做功。 SS形风力机 形风力机由两个轴线错开的半圆柱形叶片组成,其优点可 由两个轴线错开的半圆柱形叶片组成,其优点可 在较低风速下运行,但 在较低风速下运行,但SS形风轮由于风轮周围气流不对称,从而 形风轮由于风轮周围气流不对称,从而 产生侧向推力。 产生侧向推力。 受侧向推力与安全极限应力的限制, 受侧向推力与安全极限应力的限制,SS形风力机大型化比较 形风力机大型化比较 困难。风能利用系数也远低于高速垂直轴或水平轴风力机,仅 困难。风能利用系数也远低于高速垂直轴或水平轴风力机,仅 为为0.15 0.15左右。在风轮尺寸、重量和成本相同的条件下,其功率 左右。在风轮尺寸、重量和成本相同的条件下,其功率 输出较低,因而用于发电的经济性较差。 输出较低,因而用于发电的经济性较差。 升力型:达里厄型风力机是水平轴风力机的主要竞争者。 形式:有φ形、H形、形、Y形和菱形等。根据叶片结 构形状,可简单地归纳为直叶片和弯叶片两种。 H形风轮和φ形风轮应用最为 广泛。叶片具有翼型剖面,空气绕 叶片流动而产生的合力形成转矩, 因此叶片几乎在旋转一周内的任何 角度都有升力产生。达里厄风力机 最佳转速较水平轴的慢,但比S形 风轮快很多,其风能利用系数与水 平轴风力机相当。 HH形风轮形风轮结构简单,但离心力使叶片在其连接点处产生严 结构简单,但离心力使叶片在其连接点处产生严 重的弯曲应力。直叶片借助支撑件或拉索来支撑,这些支 重的弯曲应力。直叶片借助支撑件或拉索来支撑,这些支 撑产生气动阻力,降低了风力机的效率。 撑产生气动阻力,降低了风力机的效率。 φφ形风轮形风轮所采用的弯叶片只承受张力,不承受离心力载荷, 所采用的弯叶片只承受张力,不承受离心力载荷, 使弯曲应力减至最小。由于材料可承受的张力比弯曲应力 使弯曲应力减至最小。由于材料可承受的张力比弯曲应力 要强,对于相同的总强度, 要强,对于相同的总强度,φφ形叶片比较轻,且比直叶片 形叶片比较轻,且比直叶片 可以更高的速度运行。但 可以更高的速度运行。但φφ形叶片不便采用变浆距方法来 形叶片不便采用变浆距方法来 实现自起动和控制转速。对于高度和直径相同的风轮, 实现自起动和控制转速。对于高度和直径相同的风轮,φφ 形转子比 形转子比HH形转子的扫掠面积要小一些。 形转子的扫掠面积要小一些。 3-2 风电机组的性能和技术规格可以通过一些主要参数反映。 风轮直径是风轮旋转时的外圆直径,用 风轮直径是风轮旋转时的外圆直径,用DD表示。风 表示。风 轮直径大小决定了风轮扫掠面积的大小以及叶片的长度, 轮直径大小决定了风轮扫掠面积的大小以及叶片的长度, 是影响机组容量大小和机组性价比的主要因素之一。 是影响机组容量大小和机组性价比的主要因素之一。 根据贝茨理论,风轮从自然风中获取的功率为 根据贝茨理论,风轮从自然风中获取的功率为 式中,SS为风轮的扫掠面积,为风轮的扫掠面积, DD增加,则其扫掠面积与 增加,则其扫掠面积与DD 22 成比例增加,其获取的 成比例增加,其获取的 风功率也相应增加。 风功率也相应增加。 风轮直径与扫掠面积 风轮高度是指风轮轮毂中心离地面的高度,是风电机风轮高度是指风轮轮毂中心离地面的高度,是风电机 组设计时要考虑的一个重要参数。 组设计时要考虑的一个重要参数。 由于风剪切特性,离地面越高,风速越大,具有的风 由于风剪切特性,离地面越高,风速越大,具有的风 能也越大,因此大型风电机组的发展趋势是轮毂高度越来 能也越大,因此大型风电机组的发展趋势是轮毂高度越来 越高。但是轮毂高度增加,所需要的塔架高度也相应增加, 越高。但是轮毂高度增加,所需要的塔架高度也相应增加, 当塔架高度达到一定水平时,设计、制造、运输和安装等 当塔架高度达到一定水平时,设计、制造、运输和安装等 方面都将产生新的问题,也导致风电机组成本相应增加。 方面都将产生新的问题,也导致风电机组成本相应增加。 轮毂高度 组成风轮的叶片个数,用 组成风轮的叶片个数,用BB表示。 表示。 选择风轮叶片数时要考虑风电机组的性能和载荷、风轮 选择风轮叶片数时要考虑风电机组的性能和载荷、风轮 和传动系统的成本、风力机气动噪声及景观效果等因素。 和传动系统的成本、风力机气动噪声及景观效果等因素。 叶片数 采用不同的叶片数,对风电机组的气动性能和结构设计都将 产生不同的影响。风轮的风能转换效率取决于风轮的功率系数。 多叶片风车的最佳 多叶片风车的最佳 叶尖速比较低,风轮 叶尖速比较低,风轮 转速可以很慢,因此 转速可以很慢,因此 也称为慢速风轮。当 也称为慢速风轮。当 然多叶片风轮由于功 然多叶片风轮由于功 率系数很低,因而很 率系数很低,因而很 少用于现代风电机组。 少用于现代风电机组。 现代水平轴风电机组风轮的功率系数比垂直轴风轮高,其中 三叶片风轮的功率系数最高,其最大功率系数约为0.47,对应叶尖 速比约为7;双叶片和单叶片风轮的风能转换效率略低,其最大功 率系数对应的叶尖速比也高于三叶片风轮,即在相同风速条件下 ,叶片数越少,风轮最佳转速越高,因此有时也将单叶片和双叶 片风轮称为高速风轮。 风轮的作用是将风能转换成推动风轮旋转的机械转矩。 风轮的作用是将风能转换成推动风轮旋转的机械转矩。 衡量风轮转矩性能重要参数: 衡量风轮转矩性能重要参数: 转矩系数 转矩系数:功率系数除以叶尖速比。 :功率系数除以叶尖速比。 转矩系数决定了传动系统中主轴及齿轮箱的设计。现代并网 转矩系数决定了传动系统中主轴及齿轮箱的设计。现代并网 风电机组希望转矩系数小,以降低传动系统的设计费用。 风电机组希望转矩系数小,以降低传动系统的设计费用。 叶片数越多,最大 转矩系数值也越大, 对应的叶尖速比也越 小,表明起动转矩越 三叶片风轮的性能比较好,目前,水平轴风电机组一般三叶片风轮的性能比较好,目前,水平轴风电机组一般 采用两叶片或三叶片风轮,其中以三叶片风轮为主。我国安 采用两叶片或三叶片风轮,其中以三叶片风轮为主。我国安 装投运的大型并网风电机组几乎全部采用三叶片风轮。 装投运的大型并网风电机组几乎全部采用三叶片风轮。 叶片数量减少,将使风轮制造成本降低,但也会带来很 叶片数量减少,将使风轮制造成本降低,但也会带来很 多不利的因素,在选择风轮叶片数时要综合考虑。两叶片风 多不利的因素,在选择风轮叶片数时要综合考虑。两叶片风 轮上的 轮上的脉动载荷 脉动载荷大于三叶片风轮。另外,由于两叶片风轮转 大于三叶片风轮。另外,由于两叶片风轮转 速高,在旋转时将产生较大的 速高,在旋转时将产生较大的空气动力噪声 空气动力噪声,对环境产生不 ,对环境产生不 利影响,而且风轮转速快视觉效果也不好。 利影响,而且风轮转速快视觉效果也不好。 风轮实度 风轮实度:风轮叶片总面积与风轮扫掠面积的比值,常 :风轮叶片总面积与风轮扫掠面积的比值,常 用于反映风轮的风能转换性能。 用于反映风轮的风能转换性能。 风轮的叶片数多,风轮的实度大,功率系数比较大,但 风轮的叶片数多,风轮的实度大,功率系数比较大,但 功率曲线较窄,对叶尖速比的变化敏感。叶片数减小,风轮 功率曲线较窄,对叶尖速比的变化敏感。叶片数减小,风轮 实度下降,其最大功率系数相应降低,但功率曲线也越平坦, 实度下降,其最大功率系数相应降低,但功率曲线也越平坦, 对叶尖速比变化越不敏感。 对叶尖速比变化越不敏感。 叶尖速比为风轮叶片尖端线速度与风速之比,是描述 叶尖速比为风轮叶片尖端线速度与风速之比,是描述 风电机组风轮特性的一个重要的无量纲量。 风电机组风轮特性的一个重要的无量纲量。 风轮转速、叶尖速比 对于特定的风轮形式,其功率系数与叶尖速比的关系曲线确定,形状如同一个山包。在某一叶尖速比值处,功率系 数达到最大值,此时,风轮吸收的风能最多,对应的叶尖速 比值称为最佳叶尖速比。 风电机组风轮的一个主要设计目标是尽可能多地吸收风 能,因此在低于额定风速的区域,希望使风轮尽可能工作在 最大功率系数附近,即风轮转速与风速的比值尽可能保持在 最佳叶尖速比附近。由于风速是连续不断变化的,因此需要 对风轮的转速进行控制,使之与风速变化匹配。 以表所列的 以表所列的1.5MW 1.5MW风电机组为例,三叶片风轮,直径 风电机组为例,三叶片风轮,直径 77m 77m,额定风速 ,额定风速12m/s 12m/s为例。粗略估算风轮的额定转速。 为例。粗略估算风轮的额定转速。 设三叶片风轮对应的最佳叶片速比约为 设三叶片风轮对应的最佳叶片速比约为77,风轮的额定 ,风轮的额定 转速约为 转速约为 实际风电机组的风轮转速范围的确定,还要考虑其他 实际风电机组的风轮转速范围的确定,还要考虑其他 多种因素,如所列机组的实际转速范围约在 多种因素,如所列机组的实际转速范围约在11 11~~20r/min 20r/min之之 风轮转速除了影响风能吸收特性以外,还对风轮的机风轮转速除了影响风能吸收特性以外,还对风轮的机 械转矩产生影响。当风电机组的额定功率和风轮直径确定 械转矩产生影响。当风电机组的额定功率和风轮直径确定 后,风轮转速增加,则风轮转矩减小,因而作用在传动系 后,风轮转速增加,则风轮转矩减小,因而作用在传动系 统上的载荷也相应减小,并使齿轮箱的增速比降低。 统上的载荷也相应减小,并使齿轮箱的增速比降低。 60 60 60 1220.84 风轮锥角风轮锥角::叶片与风轮旋转轴相 叶片与风轮旋转轴相 垂直的平面的夹角。 垂直的平面的夹角。 风轮仰角 风轮仰角:风轮主轴与水平面 :风轮主轴与水平面 的夹角。 的夹角。 由于叶片为细长柔性体结 由于叶片为细长柔性体结 构,在其旋转过程中,受风载 构,在其旋转过程中,受风载 荷和离心载荷的作用,叶片将 荷和离心载荷的作用,叶片将 发生弯曲变形,风轮锥角和仰 发生弯曲变形,风轮锥角和仰 角的主要作用是防止叶片在发 角的主要作用是防止叶片在发 生弯曲变形状态下,其叶尖部 生弯曲变形状态下,其叶尖部 分与塔架发生碰撞。 分与塔架发生碰撞。 风轮锥角和风轮仰角 偏航角:通过风轮主轴的铅垂面与风速在水平面上的分 偏航角:通过风轮主轴的铅垂面与风速在水平面上的分 量的夹角。 量的夹角。 风电机组在运行过程中,根据测量的风速方向,通过 风电机组在运行过程中,根据测量的风速方向,通过 偏航系统对风轮的方向进行调整,使其始终保持正面迎向 偏航系统对风轮的方向进行调整,使其始终保持正面迎向 来风方向,以获得最大风能吸收率。 来风方向,以获得最大风能吸收率。 偏航角 主要指其吸收和转化风能的 主要指其吸收和转化风能的 性能,即 性能,即风轮的气动性能 风轮的气动性能。。 功率特性 功率特性是反映风电机组基 是反映风电机组基 本性能的重要指标,用风电机组 本性能的重要指标,用风电机组 输出功率随风速的变化曲线来表 输出功率随风速的变化曲线来表 示。功率曲线直接影响风电机组 示。功率曲线直接影响风电机组 的年发电量。 的年发电量。 风电机组的基本性能 不同风速对应的理论风功率曲线、根据贝茨理论计算的理想 风轮吸收风功率曲线以及风力发电机组的实际功率曲线。其中理 论风功率与风速的三次方成正比,而根据贝茨定理,理想风轮只 能吸收部分风功率(极限状态下,只能吸收理论风功率的0.59倍 ),实际风电机组的风轮不满足理想风轮条件,并且存在各种损 失,其风能吸收数量低于贝茨极限。风电机组的发展过程,一直 追求使机组的风能利用系数接近贝茨极限。 风场条件(风况条件、地理和气候环境特点等)是风电 风场条件(风况条件、地理和气候环境特点等)是风电 机组设计和选型的主要影响因素。 机组设计和选型的主要影响因素。 在世界范围内,可用于风力发电的风场条件千差万别。国 在世界范围内,可用于风力发电的风场条件千差万别。国 际电工委员会在其颁布的风电机组相关设计标准中 际电工委员会在其颁布的风电机组相关设计标准中(IEC64000 (IEC64000-- 1),根据风速和湍流状态参数将水平轴风电机组分成若干个级,根据风速和湍流状态参数将水平轴风电机组分成若干个级 别,这样就减少了风电机组的类型,从而可以降低风电机组的 别,这样就减少了风电机组的类型,从而可以降低风电机组的 设计成本,增加风电机组的竞争力。 设计成本,增加风电机组的竞争力。 将风电机组分成四个级别,即三个标准级别 将风电机组分成四个级别,即三个标准级别( 和一个特殊级别和一个特殊级别(S) 二、风电机组设风电机组设 计级别 计级别 所列数值是风轮轮毂高度处的值。风电机组分级标准只依据 所列数值是风轮轮毂高度处的值。风电机组分级标准只依据 风场的平均风速和湍流强度两个主要参数。 风场的平均风速和湍流强度两个主要参数。 为为10min10min参考平均风速 参考平均风速,实际风场的 ,实际风场的10min 10min平均风速值计 平均风速值计 即,三个标准级别机组所适用的风场的平均风速分别为:即,三个标准级别机组所适用的风场的平均风速分别为:II级级 机组: 机组:10m/s 10m/s平均风速; 平均风速;级机组: 级机组:8.5m/s 8.5m/s平均风速; 平均风速;级机组: 级机组: 7.5m/s 7.5m/s平均风速。 平均风速。 为风速在为风速在15 时的湍流强度期望值湍流强度期望值,表中对每个标准机 ,表中对每个标准机 组级别都分为 组级别都分为AA、、BB、、CC三种不同的风湍流状态,其湍流强度期望 三种不同的风湍流状态,其湍流强度期望 值分别为 值分别为0.16 0.16、、0.14 0.14和和0.12 0.12。即标准机组共有 。即标准机组共有99个类型。 个类型。 3)为了解决一些特殊风场条件的机组设计和选用问题,标准中为了解决一些特殊风场条件的机组设计和选用问题,标准中 在三个标准级别以外,还列出一个特殊级别 在三个标准级别以外,还列出一个特殊级别SS,具体设计参数由设 ,具体设计参数由设 计者根据实际风况条件制定。 计者根据实际风况条件制定。 ref 0.2ave ref 3-3风电机组主要由 风电机组主要由风轮、机舱、塔架和基础 风轮、机舱、塔架和基础等部分组 等部分组 成。风轮和机舱臵于塔架顶端,机舱内包括风轮主轴、 成。风轮和机舱臵于塔架顶端,机舱内包括风轮主轴、 传动系统、发电机等部件。机舱内的所有部件安装在主 传动系统、发电机等部件。机舱内的所有部件安装在主 机架上,主机架通过轴承与塔架顶端相连接,可以在偏 机架上,主机架通过轴承与塔架顶端相连接,可以在偏 航系统的驱动下,相对于塔架轴线旋转,使风轮和机舱 航系统的驱动下,相对于塔架轴线旋转,使风轮和机舱 随着风向的变化调整方向。塔架固定在基础上,将作用 随着风向的变化调整方向。塔架固定在基础上,将作用 于风轮上的各种载荷传递到基础上。 于风轮上的各种载荷传递到基础上。 风轮是实现风能转换成机械能的部件,其上安装若干 风轮是实现风能转换成机械能的部件,其上安装若干 个叶片,叶片根部与轮毂相连。风以一定速度和攻角作 个叶片,叶片根部与轮毂相连。风以一定速度和攻角作 用于叶片上,使叶片产生转矩,驱动风轮主轴旋转,将 用于叶片上,使叶片产生转矩,驱动风轮主轴旋转,将 风能转换成旋转机械能。风轮主轴经传动系统带动发电 风能转换成旋转机械能。风轮主轴经传动系统带动发电 机转子旋转,进而将旋转机械能转换成电能。 机转子旋转,进而将旋转机械能转换成电能。 机组通过控制系统实现在各种条件下的运行控制。 机组通过控制系统实现在各种条件下的运行控制。 风轮 风轮 变桨机构 变桨机构 轮毂 轮毂 叶片 叶片 偏航系统 偏航系统 轴的连接与制动 轴的连接与制动 增速齿轮箱 增速齿轮箱 风轮主轴 风轮主轴 传动系统 传动系统 塔架与基础 塔架与基础 叶叶 片片 风力机叶片安装在轮毂上,轮毂与主轴相连,并将叶片力 矩传递到发电机。 风风 风轮叶片主要实现风能的吸收,其形状决定了空气风轮叶片主要实现风能的吸收,其形状决定了空气 动力学特性,设计目标是最大可能吸收风能,同时使 动力学特性,设计目标是最大可能吸收风能,同时使 重量尽可能减轻,降低制造成本。叶片应满足以下要 重量尽可能减轻,降低制造成本。叶片应满足以下要 良好的空气动力外形,能够充分利用风电场的风资源良好的空气动力外形,能够充分利用风电场的风资源 条件,获得尽可能多的风能。 条件,获得尽可能多的风能。 可靠的结构强度,具备足够的承受极限载荷和疲劳载可靠的结构强度,具备足够的承受极限载荷和疲劳载 荷能力;合理的叶片刚度、叶尖变形位移,避免叶片 荷能力;合理的叶片刚度、叶尖变形位移,避免叶片 与塔架碰撞。 与塔架碰撞。 良好的结构动力学特性和气动稳定性,避免发生共振良好的结构动力学特性和气动稳定性,避免发生共振 和颤振现象,振动和噪声小。 和颤振现象,振动和噪声小。 耐腐蚀、防雷击性能好,方便维护。耐腐蚀、防雷击性能好,方便维护。 在满足上述目标的前提下,优化设计结构,尽可能减在满足上述目标的前提下,优化设计结构,尽可能减 轻叶片重量、降低制造成本。 轻叶片重量、降低制造成本。 叶片长度很长,旋转过程中,不同部位的圆周速 叶片长度很长,旋转过程中,不同部位的圆周速 度相差很大,导致来风的攻角相差很大,因此风电机 度相差很大,导致来风的攻角相差很大,因此风电机 组叶片沿展向各段处的几何尺寸及剖面翼型都发生变 组叶片沿展向各段处的几何尺寸及剖面翼型都发生变 1.叶片几何形状及翼型叶片特征: 叶片特征: 沿展向方向上,翼型不断变化,各剖面的弦长不断变化,各剖面的前沿展向方向上,翼型不断变化,各剖面的弦长不断变化,各剖面的前 缘和后缘形状也不同。 缘和后缘形状也不同。 叶片扭角也沿展向不断变化,叶尖部位的扭角比根部小。叶片扭角也沿展向不断变化,叶尖部位的扭角比根部小。 叶片的剖面翼型应根据相应的外部条件并结合载荷分析进行选择和设 叶片的剖面翼型应根据相应的外部条件并结合载荷分析进行选择和设 计。风能的转换效率与空气流过叶片翼型产生的升力有关,因此叶片 计。风能的转换效率与空气流过叶片翼型产生的升力有关,因此叶片 的翼型性能直接影响风能转换效率。 的翼型性能直接影响风能转换效率。 应用较多的有 应用较多的有NACA NACA翼型、 翼型、SERI SERI翼型、 翼型、NREL NREL翼型和 翼型和FFA FFA--WW翼型等。 翼型等。 小型风力机叶片 小型风力机叶片常用整块木材加工而成,表面涂层保护 常用整块木材加工而成,表面涂层保护 漆,根部通过金属接头用螺栓与轮毂相连。有的采用玻璃纤 漆,根部通过金属接头用螺栓与轮毂相连。有的采用玻璃纤 维或其他复合材料作为蒙皮,使叶片具有更佳的耐磨性能。 维或其他复合材料作为蒙皮,使叶片具有更佳的耐磨性能。 大、中型风力机 大、中型风力机采用木质叶片时,不用整块木料进行制 采用木质叶片时,不用整块木料进行制 作,而是采用很多纵向木条胶接在一起,以保证选用优质木 作,而是采用很多纵向木条胶接在一起,以保证选用优质木 材,提高叶片质量。为减轻重量,在木质叶片的后缘部分填 材,提高叶片质量。为减轻重量,在木质叶片的后缘部分填 塞质地较轻的泡沫塑料,表面用玻璃纤维作蒙皮。采用泡沫 塞质地较轻的泡沫塑料,表面用玻璃纤维作蒙皮。采用泡沫 塑料的优点不仅可以减轻质量,而且能使翼型重心前移,重 塑料的优点不仅可以减轻质量,而且能使翼型重心前移,重 心设计在近前缘 心设计在近前缘1/4 1/4弦长处为最佳,可以减轻叶片的质量。 弦长处为最佳,可以减轻叶片的质量。 2.叶片的材料 为减轻叶片的质量,有的叶片用一根金属管作为受力梁, 为减轻叶片的质量,有的叶片用一根金属管作为受力梁, 以蜂窝结构、泡沫塑料或轻木材作中间填充物,外面再包上 以蜂窝结构、泡沫塑料或轻木材作中间填充物,外面再包上 玻璃纤维防腐防磨。大型风力机的叶片较长,如 玻璃纤维防腐防磨。大型风力机的叶片较长,如3MW 3MW风力机 风力机 叶片达到 叶片达到50m 50m左右,承受的风载荷较大,因此叶片设计要保 左右,承受的风载荷较大,因此叶片设计要保 证一定的强度和刚度要求。 证一定的强度和刚度要求。目前,大、中型风力机的叶片都 目前,大、中型风力机的叶片都 采用玻璃纤维或高强度复合材料进行制作 采用玻璃纤维或高强度复合材料进行制作。。 叶片蒙皮的铺层形式主要取决于叶片所受的外载荷,根 叶片蒙皮的铺层形式主要取决于叶片所受的外载荷,根 据外载荷的大小和方向,确定叶片铺层数量,以及铺层增强 据外载荷的大小和方向,确定叶片铺层数量,以及铺层增强 纤维的方向。由于叶片所受弯矩、转矩和离心力都是从叶尖 纤维的方向。由于叶片所受弯矩、转矩和离心力都是从叶尖 向叶根逐渐递增,因此 向叶根逐渐递增,因此铺层结构的厚度一般从叶尖向叶根逐 铺层结构的厚度一般从叶尖向叶根逐 渐递增 渐递增。。 叶片剖面多采用蒙皮与主梁构造形式,中间有硬质泡沫夹 层作为增强材料。叶片主梁材料一般需采用单向程度较高的玻 纤织物,叶片蒙皮主要由胶衣、表面毡和双向复合材料铺层构 叶片主梁叶片铺层 叶片上下两半部分分别在固定形状的模具中完成铺层,然后在前 后缘粘合在一起,形成整体叶片。 叶片制造 3.叶片的加工制造 由于风轮在旋转过程中,转动惯量很大,所以当风速超 由于风轮在旋转过程中,转动惯量很大,所以当风速超 过切出风速时,变桨调节的风电机组通过对桨距角的调整可 过切出风速时,变桨调节的风电机组通过对桨距角的调整可 以实现气动制动。对于失速控制的风电机组,由于叶片与轮 以实现气动制动。对于失速控制的风电机组,由于叶片与轮 毂固定连接,通常采用可旋转的叶尖实现气动制动。 毂固定连接,通常采用可旋转的叶尖实现气动制动。 图为一种具有旋转叶尖的制动结构。在风轮运行时,叶 图为一种具有旋转叶尖的制动结构。在风轮运行时,叶 尖部分和其他部分方向一致,形成一个整体。当需要制动时, 尖部分和其他部分方向一致,形成一个整体。当需要制动时, 叶尖部分绕叶片轴向旋转 叶尖部分绕叶片轴向旋转90 90,实现制动功能。 ,实现制动功能。 4.气动制动系统 叶片所受的各项载荷,无论是拉力还是弯矩、转 叶片所受的各项载荷,无论是拉力还是弯矩、转 矩、剪力都在根端达到最大值,如何把整个叶片上所 矩、剪力都在根端达到最大值,如何把整个叶片上所 承受的载荷传递到轮毂上去,关键在于叶片的根端连 承受的载荷传递到轮毂上去,关键在于叶片的根端连 接设计。 接设计。 叶片根端必须具有足够的剪切强度、挤压强度, 叶片根端必须具有足够的剪切强度、挤压强度, 与金属的胶接强度也要足够高,这些强度均低于其拉 与金属的胶接强度也要足够高,这些强度均低于其拉 弯强度,因此叶片的根端是危险的部位,设计应予以 弯强度,因此叶片的根端是危险的部位,设计应予以 重视。如果不注意根端连接设计,严重时将导致整个 重视。如果不注意根端连接设计,严重时将导致整个 叶片飞出,使整台风电机组毁坏。 叶片飞出,使整台风电机组毁坏。 5.叶根连接 法兰连接 法兰连接 这种形式的叶根像一个法兰翻边。在此法兰 这种形式的叶根像一个法兰翻边。在此法兰 上,除了有玻璃钢外,还与金属盘对拼,在金属盘上的 上,除了有玻璃钢外,还与金属盘对拼,在金属盘上的 附件与轮毂相连。 附件与轮毂相连。 预埋金属根端连接 预埋金属根端连接 在根端设计中,预埋上一个金属根 在根端设计中,预埋上一个金属根 端,此结构一端可通过螺栓与轮毂连接,另一端牢固预 端,此结构一端可通过螺栓与轮毂连接,另一端牢固预 埋在玻璃钢叶片内。这种结构形式避免了对叶片根部结 埋在玻璃钢叶片内。这种结构形式避免了对叶片根部结 构层的加工损伤,提高了根部连接的可靠性,也减小了 构层的加工损伤,提高了根部连接的可靠性,也减小了 法兰盘的重量。缺点就是每个螺纹件的定位必须准确。 法兰盘的重量。缺点就是每个螺纹件的定位必须准确。 6.叶片失效与防护措施 a)叶片表面覆冰 表面腐蚀c)裂纹 极端风破坏德国某公司对在德国安装的 德国某公司对在德国安装的20000 20000台风电机组的叶片故 台风电机组的叶片故 障统计结果,其中气动部件故障率约为 障统计结果,其中气动部件故障率约为40% 40%,导致风轮不平 ,导致风轮不平 衡问题(气动不平衡、质量不平衡、不平衡超限)的故障 衡问题(气动不平衡、质量不平衡、不平衡超限)的故障 也约占 也约占40% 40%,风轮其他故障略低于 ,风轮其他故障略低于20% 20%。。 叶片故障主要对叶片的气动性能、主轴不平衡以及振动和 叶片故障主要对叶片的气动性能、主轴不平衡以及振动和 噪声状态产生影响。图为表面干净叶片和表面脏污叶片的功 噪声状态产生影响。图为表面干净叶片和表面脏污叶片的功 率特性,脏污叶片导致叶片气动性能明显下降,输出功率减 率特性,脏污叶片导致叶片气动性能明显下降,输出功率减 叶片各类故障造成风轮旋转质量不平衡,对叶片、变桨驱叶片各类故障造成风轮旋转质量不平衡,对叶片、变桨驱 动电机、主轴,齿轮箱(裂缝、损坏)、发电机(阻尼线圈 动电机、主轴,齿轮箱(裂缝、损坏)、发电机(阻尼线圈 的磨损)、电子器件(没有紧紧固定的控制柜的振动)、偏 的磨损)、电子器件(没有紧紧固定的控制柜的振动)、偏 航驱动、偏航制动以及塔筒和地基的裂缝都将产生影响。 航驱动、偏航制动以及塔筒和地基的裂缝都将产生影响。 热膨胀性 热膨胀性:叶片结构中使用了不同的材料,所以必须 :叶片结构中使用了不同的材料,所以必须 考虑各种材料热膨胀系数的不同,以免因温度变化而 考虑各种材料热膨胀系数的不同,以免因温度变化而 产生附加应力,从而破坏叶片。 产生附加应力,从而破坏叶片。 密封性 密封性:空心叶片应有很好的密封性,一旦密封失效, :空心叶片应有很好的密封性,一旦密封失效, 其内必然形成冷凝水集聚,造成危害。可在叶尖、叶 其内必然形成冷凝水集聚,造成危害。可在叶尖、叶



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