风力发电ppt.ppt

内蒙古科技大学,风力发电系统培训讲义,提纲内容,1.风力发电的背景,3.风能资源评估,4.风电场的开发利用,2.风能开发利用的发展状况,5.风力发电空气动力学基本原理,1.1 现有能源综合评价,煤、石油、天然气是当今世界主要能源稀缺性和不可再生性燃料型能源产生有害气体排放，危害健康、导致全球变暖。寻找新的、清洁的、无污染、可再生的替代性能源是当今人类面临的重要问题。水电、核电是现阶段低碳能源首选发电成本与火电接近稳定性优于风电、光电水电开发总量有限、影响自然环境核电有泄漏危险,中国与世界能源消费结构对比关系,我国一次商品能源消费,世界一次商品能源消费,中国与国际能源可采储比较,探明总资源量8230亿吨标准煤，探明 剩余可采总储量1390亿吨标准煤；剩余可采储量的保证程度煤炭81年、石油15年、天然气30年,铀50年；以煤为主，缺乏石油、天然气资源，水能较丰富；人均能源资源量低于世界平均水平。,1.2 风力发电开发的意义,1、提供国民经济所需能源 统计表明2020年，国内所需能源缺口约4亿吨标准煤，减轻进口依赖必须调整能源结构。2、减少温室气体排放 我国电能结构中75%的属于煤电，排放污染严重。3、提高能源利用效率 风力发电基本不存在环境、资源等社会因素。4、增加就业，减轻社会负担 相同容量的风电与煤电相比，可以增加约27%的就业机会。,1.3 风力发电的特点,风能将成为21世纪的主要能源由太阳能转化而来，地球表面温差引起空气流动，具有一定动能；是清洁的、无污染的、取之不尽用之不竭的可再 生能源；是目前可再生能源中技术最成熟、最具有规模化 开发条件和商业化发展前景的发电方式；具有间歇性，难以预测性等特点。,风能的利用方式发电、助航、提水灌溉、制热供暖等转化为电能是风能主要利用方式利用风轮收集风能，将其转变为旋转的机械能；通过发电机将风轮收集的机械能转变成电能；远距离输送电能。,1.3 风力发电的特点,1.4 风力发电机组的分类,风力发电系统的分类风轮轴向,1.4 风力发电机组的分类,风力发电系统的分类叶片数量,1.4 风力发电机组的分类,风力发电系统的分类按功率调节方式定桨距风机：桨叶与轮毂固定连接，桨叶的迎风角度不随风速而变化。依靠桨叶的气动特性自动失速，即当风速大于额定风速时依靠叶片的失速特性保持输入功率基本恒定。变桨距调节：风速低于额定风速时，保证叶片在最佳攻角状态，以获得最大风能；当风速超过额定风速后，变桨系统减小叶片攻角，保证输出功率在额定范围内。主动失速调节：风速低于额定风速时，控制系统根据风速分几级控制，控制精度低于变桨距控制；当风速超过额定风速后，变桨系统通过增加叶片攻角，使叶片“失速”，限制风轮吸收功率增加。,1.4 风力发电机组的分类,(a)固定转速的异步发电机组,(c)永磁直驱同步发电机组,(b)双馈异步发电机组,风力发电系统的分类按发电机驱动方式形式,2009年风机装机容量最多的10个国家,2009年世界前十位风电机组供应商在市场中所占份额,风能是大气运动形成的一种能源形式，其能量来自于大气所吸收的太阳能。人类对风能的利用历史久远，早在公元10世纪，波斯就出现了水平转动的风磨。,2.1 风能利用历史,公元12世纪，欧洲开始使用风车抽水、碾磨谷物，此后风车一直是主要的动力机械之一。,我国开始利用风能作为动力大约在13世纪中叶。现在所说的风能利用主要是指风力发电。采用风力涡轮机发电的设想始于1890年丹麦的一项风力发电计划，到1918年丹麦已经投入运行了120台风力发电机。,Repower 5MW，叶轮直径126米，轮毂高度100-120米，目前已经在爱尔兰和比利时海上安装运行,世界上第一个海上风电场位于丹麦南部的洛兰岛以北海域，1991年修建,发电技术发展趋势：大容量的海上风机,2.2 我国风力发电概况,我国的风电事业起步较晚，在20世纪末，风力发电机组的制造还主要在于简单的小型家用风力发电机组。进入21世纪以来，我国的风电装机容量开始快速增长，2006年底，装机容量上升到将近260万kW。我国国土面积辽阔，风能资源丰富，目前风电装机容量还相对较低。规划预计到2010年风电装机总容量达到2500万kW,2020年风电装机总容量达到10000万kW。,中国现代风电技术的开发利用始于20世纪70年代，0.115kW离网型风力发电机组开始试验、示范、应用推广。“六五”、“七五”、“八五”期间，国家和地方政府把22kW、30kW、55 kW、75kW、120kW、200kW 风电机组列入重点科技攻关项目，但由于诸多原因，都未商业化运行。“九五”期间，并网型风电机组得到快速发展。定桨距失速型200kW、250kW、300kW、600kW风电机组；变桨距双速型600 kW风电机组；,2.2 我国风力发电概况,“十五”期间，国家提出研制“兆瓦级风电机组”的攻关目标，有如下3个课题：1.3MW 定桨距失速型风电机组1MW 双馈型变速恒频风电机组1.2MW 直驱型变速恒频风电机组,风力发电机组经过二十余年的发展，容量从十千瓦级增大到兆瓦级，从90年代定桨距失速型风电机组为主导机型，向变速变距型风电机组为主流机型的方向发展，且随着电力电子技术的发展，变速恒频的风力发电技术已经成了风力发电的大势所趋。兆瓦级机组的市场份额1997年及以前还不到10%，2001年则超过一半，2002年达到62.1%。风电装机容量约以平均每年增幅30%的速度在增长，成为增长速度最快的清洁能源。,新疆达坂城是我国最早建设规模化风电场的地区，于1989年建成的达坂城风电一场是我国第一个风能发电场，所有设备全部从丹麦引进。,广东省南澳岛风电场是我国第一个海岛风电场。南澳岛是广东唯一一个岛县，东南季风长，风力资源丰富，风况属世界最佳之列。到2005年底，装机容量达到5.6万kW，是亚洲最大的海岛风电场。,2007年6月，我国最大的风电场是内蒙古的辉腾锡勒风电场，总装机容量189MW，为第29界奥运会输送绿色电力。同时还有两个风电项目在建，到2010年将建成百万千瓦级的风电场。,官厅位于北京市官厅水库南岸，是北京主要的风口之一，一期项目总装机容量49.5MW，2007年底竣工、并网发电，生产的电能直接输入北京电网，供给市民和奥运场馆使用。,2.3 我国风力发电工业的现状,我国在20世纪50年代开始风力发电机的研制。目前大功率风力发电机组还依靠进口。与国际水平相比，我国风力发电机的单机容量较小，关键部件需要进口，整机质量还有差距。我国在海上发电的资源勘察、设备制造、施工安装工艺和运行管理方面还比较落后。,2007年，国内风力发电机组生产厂家通过引进技术、合资、合作方式，可以批量生产600kW、660kW和750kW的风力发电机组，同时也研发了兆瓦级风力发电机组。2006年10月，我国首台自主研制的1.5MW变速恒频风力发电机组在沈阳华创风能有限公司正式出厂。对于我国实现大型风力发电机组的国产化具有重要意义，1.5MW变速恒频风力发电机组的研制填补了我国该项技术的空白。,截至2006年底，我国除台湾外累计安装风电机组3311台，装机容量259.9万kW,共建设91个风电场，分布在16个省。,2.4 我国风力发电设备分布图,2.5 中国风能资源丰富,陆地约有 2.53亿千瓦年电量 5000亿 千瓦时海上初步估计可开发约 7.5亿 千瓦,合计约 10亿 千瓦其中内蒙和新疆 占中国风资源的约7080。,国家气象局依据分布在中国各地10米高气象测风仪数据统计：,风能的好坏（用风能密度W评估）能的好坏（用风能密度W评估）,风能密度 700 W/m2 great,2.5 中国风能资源丰富,中国风资源分布,六个省区的七个千万千瓦级风电基地,Tibet 西藏,Northwest power grid西北电网,Central China power grid华中电网,Taiwan 台湾,South China power grid南方电网,千万千瓦风电基地,North China power grid华北电网,East China power grid华东电网,Northeast power grid东北电网,蒙东+蒙西5780吉林2200、甘肃1270、河北1200、新疆1080、江苏1000总装机容量达到12630万千瓦风电上网电量约2810亿千瓦时,中国的风能资源主要集中在两个带状地区，一条是“三北(东北、华北、西北)地区丰富带”，其风能功率密度在200瓦/平方米300瓦/平方米以上,有的可达500瓦/平方米以上,如阿拉山口、达坂城、辉腾锡勒,这些地区每年可利用风能的小时数在5000小时以上，有的可达7000小时以上。从新疆到东北，面积大、交通方便、地势平,风速随高度增加很快，三北地区风能在上百万千瓦的场地有四五个，这是欧洲没法比的。而这个地带的缺点是建网少，发出的电上不了网。一条是东部沿海风带，主要位于沿海几十公里的大陆海岸和海道，其风能资源比三北风带还好，海道煤和石油依靠大陆，电力联网困难，发展发电迫在眉睫。,2014年中国新增装机容量统计,据中国风能协会初步统计，2014年中国风电新增装机容量2335.05万千瓦，同比增长45.1%，累计装机容量1.1476339亿千瓦，同比新增25.5.%；2014年风电新增出厂吊装容量创造了新的历史记录。风电整机企业装机方面，金风科技以443.4万千瓦新增装机容量稳居行业第一，第二名联合动力新增260.05万千瓦，第三名明阳风电新增205.8万千瓦。,2004-2014年间风机容量统计,全国电网互联,东北电网,华北电网,西北电网,华东电网,南方电网,华中电网,台湾电网,西藏电网,我国电网的基本情况,华北,南方,东北,西藏,台湾,西北,华中,上海,华东,金沙江下游水电,晋陕宁蒙煤电基地,负荷中心,送电至华中华东,送电至华北华中华东,新疆煤电基地,四川水电,西藏水电,送电至华中华东,送电至华中,跨国输电,跨国输电,我国一次能源与用电需求分布极不均衡电力流主要由西北、西南煤电、水电基地流向东部受端中心，输电距离长、输送容量大多个大型受端中心已经形成未来随着能源开发西移和北移速度加快，大型能源基地与能源消费地之间的输送距离越来越远，能源输送的规模越来越大,负荷中心,2.7 风力发电的优缺点,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。,风力发电的缺点,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。风电可能对鸟类造成伤害噪声问题对无线电通信的干扰安全问题，叶片折断伤人等,3.1 风能资源概述,风是由于太阳对地球不同地方的辐射强度不一样形成的温差和压差而产生，风是太阳能的一种表现形式。另外，大范围的大气循环也在受地球自转的影响。风是空气的流动现象。气象学中指空气相对于地面的水平运动。风是一个矢量，用风向和风速表示。风向:指的来向。我国风向观测用十六个方位表示，实际测风报告中还常用0-360范围内的数字表示风向。,1、风的形成,3.1 风能资源概述,2、风速定义:单位时间内空气移动的距离。气象上对风速还作以下定义：（1）平均风速，相应于有限时段，通常指二分钟或十分钟的平均情况。（2）瞬时风速，相应于无限小的时段。（3）最大风速，指在给定的时间段或某个期间里面，平均风速中的最大值。（4）极大风速，指在给定的时间段内，瞬时风速的最大值,3、大气环流 风的形成是太阳能量的传输过程。由于地球是一个球体，太阳光辐射到地球上的能量随纬度不同而有差异，赤道的低纬度地区受热量最多，极地和高纬度地受热量少，因而造成太阳对地球表面的不均匀加热，从而导致地面上空大规模的大气运动，也即总的大气环流。假设地球不发生自转，由于极地与赤道间的温差，赤道温度高的空气将上升高向极地，极地附近大气则因冷却收缩下沉，在低空受指向低纬度的气压梯度力的作用，流向低纬，便形成了一个全球性的南北向环流。,图1 由于太阳辐射差异产生的赤道与极地之间的大气环流状况,3.1 风能资源概述,3、大气环流,实际上由于地球自转，会产生一个称为科里奥利力的地转偏向力，在北半球总是对流动的空气产生向右偏的地转偏向力，从赤道上升流向极地的气流在气压梯度力和地转偏向力的作用和综合影响下，在南北两个半球上各出现了四个气压带和三个闭合环流圈（称作“三圈环流”）。在四个气压带之间则形成了极地东风带，盛行西风带,东北(东南)信风带以及赤道无风带四大风带。,3.1 风能资源概述,3、大气环流,图2 由于地球自转产生的大气环流状况,3、季风环流,季风现象：在一个大范围地区内其盛行风向或气压系统有明显的季度变化。我国是一个典型的季风气候国家。季风环流是季风气候的主要反映。季风环流的形成要原因是由于海陆分布的热力差异及行星风带的季节转换所形成的。一般海陆差异引起的季风，大都发生在海陆相接的地区，海陆之间热力差异最大，季风现象就最明显。全球而言，在副热带地区这种差异最明显，即副热带季风最强。亚洲东部地区是全球海陆差异引起的季风最强的地区。,3.1 风能资源概述,4、局地环流,3.1 风能资源概述,图3 局地还留图,3.2 风资源描述,平均风速为风速在规定时间T内的时间平均值，即：采用合适时距T的平均风速（例如10分钟），它在一段观测期内的变化一般不明显。为了得可以相互比较的平均风速记录，气象上规定一个统一的平均时距，世界气象组织和我国规定将10分钟平均时距作为平均风速的标准时距。由于历史的原因和条件的限制（如目测），在一些报表和项目中使用的是2分钟或更多种的平均风速，使用时必须加以注意。,风是具有大小和方向的矢量，通常把风吹来的地平方向定为风的方向，即风向。空气由东向西流动叫东风，由南向北流动叫南风，以此类推。气象台预报风时，当风向在某个方向左右摆动不能确定时，则加以“偏”字，如在北风方位左右摆动，则叫偏北风。静风记“C”。,风向测量单位，陆地一般用16个方位表示，海上则多用36个方位表示。风向是风电场选址的一个重要因素。若欲从某一特定方向获得所需的风能，则必须避免此气流方向上有任意的障碍物。,3.2 风资源描述,图4 风向扇区图,风频的概念,风频是指风向的频率，即在一定时间内 某风向出现的次数占各风向出现总次数 的百分比。某风向频率=某风向出现的次数风向的总观测次数100风频玫瑰图：计算出各风向的频率数值后，用极坐标的方式将这些数值标在风向方位图上，把各点联线后形成一幅代表这一段时间内风向变化的风况图。在实际的风能利用中，总是希望某一风向的频率尽可能大些，尤其是不希望在较短的时间内出现风向频繁变化的情况。,3.2 风资源描述,图5 风频玫瑰图,3.2 风资源描述,风速玫瑰图:用同样的方法表示各方向的平均风速。风能玫瑰图:如果表示时间的百分比和风速的3次方，这有助于确定从不同方向获取的能量。,图6 风速风能玫瑰图,3.3 风力发电系统资源指标,平均风速 在给定时间内瞬时风速的平均值。由场内有代表性的测风塔（或若干测风塔）读取（取平均值）。测风高度应与风机轮毂高度相等或接近。单位：m/s 平均风速是反映风电场风资源状况的重要数据。,有效风时数（有效风时率）有效风时数是指在风电机组轮毂高度（或接近）处测得的、介于切入风速与切出风速之间的风速持续小时数的累计值。切入风速定为3米/秒，切出风速定为25米/秒。单位：小时,3.3 风力发电系统资源指标,平均空气密度 风电场所在处空气密度在统计周期内的平均值。公式为：（km）其中：表示当地统计周期内的平均大气压，P；表示气体常数；表示统计周期内的平均气温。平均空气密度反映了在相同风速下风功率密度的大小。,3.3 风力发电系统资源指标,发电量 单机发电量：是指在风力发电机出口处计量的输出电能，一般从风机监控系统读取。风电场发电量：是指每台风力发电机发电量的总和。单位：kWh,3.3 风力发电系统资源指标,上网电量 风电场与电网的关口表计计量的风电场向电网输送的电能。单位：kWh购网电量风电场与对外的关口表计计量的电网向风电场输送的电能。单位：kWh,3.3 风力发电系统资源指标,等效利用小时数 等效利用小时数也称作等效满负荷发电小时数。风机等效利用小时数是指风机统计周期内的发电量折算到其满负荷运行条件下的发电小时数。风机等效利用小时数发电量额定功率 风电场等效利用小时数风电场发电量风电场装机容量,3.3 风力发电系统资源指标,场用电量 风电场场用电量指场用变压器计量指示的正常生产和生活用电量（不包含基建、技改用电量）。单位：kWh场用电率 风电场场用电变压器计量指示的正常生产和生活用电量（不包含基建、技改用电量）占全场发电量的百分比。场用电率场用电量全场发电量100,3.3 风力发电系统资源指标,场损率 消耗在风电场内输变电系统和风机自用电的电量占全场发电量的百分比。场损率（全场发电量购网电量主变高压侧送出电量场用电量）全场发电量100,3.3 风力发电系统资源指标,3.4 送出线损率 消耗在风电场送出线的电量占全场发电量的百分比。送出线损率=（主变高压侧送出电量-上网电量）/全场发电量100,3.3 风力发电系统资源指标,主要目的：正确估计某地点可利用风能的大小，为装备风力机提供风能数据。内容：风向测量和风速测量两项。测量仪器：根据工作原理分为：旋转式风速仪（杯状风速仪和螺旋桨式风速仪）；压力类风速仪（压管风速仪、压板风速仪和球状风速仪）相移风速仪（超声波风速仪和激光多普勒风速仪）。,3.3 风的测量,风级计数仪,风级计数仪是由风杯式风速仪与电子处理装置两部分组成。风速计置于测风杆塔顶端，其高度应与欲安装的风力发电装置轮毅的高度相等，而测风杆塔则应竖在欲安装风力发电装置的地点。电子处理装置则放置在测风杆塔上人可以看到的地方。,3.3 风的测量,图7 风速测量图,作为计算风能资源基本依据的每小时风速值有3种不同的测算方法：将每小时内测量的风速值取平均值：将每小时最后10min内测量的风速值取平均值；在每小时内选几个瞬时测量风速值再取其平均值。世界气象组织推荐10min平均风速，中国目前也采用10min平均风速。即第种方法。测量点上配有自动记录仪器，对风向和风速作连续记录，从中整理出各正点前10min的平均风速和最多风向，并选取日最大风速(10min平均)和极大风速(瞬时)以及对应的风向和出现时间。,3.3 风的测量,测量风能的最常用的风速仪是杯状风速仪。由3个风杯与短轴连接，等距离地安装在垂直的旋转轴上。风杯的外形或者是半球形的，或者是圆锥状的，由轻质材料制成。杯状风速仪是一个阻力装置。当置于流场，风能会使得杯状物有阻力，该阻力用式表示，即,杯形风速计,凹面的阻力系数比凸面的高，故测风仪中朝风的凹侧风杯受到更大的阻力，阻力差驱动风杯物绕中心轴旋转。转轴下部驱动一个被包围在定子中的多极永磁体。指示器测出随风速变化的电压，显示出对应的风速值。当风速达12m/s时，风杯式风速表就可以起动。旋转的强度与进入风的风速成正比。,3.3 风的测量,图8 风杯测速仪,风速仪能适应多种恶劣的环境，但仍有一定的局限性。风速仪能随风很快加速起来，但风使其停止转动的速度很慢。风杯达到匀速转动的时间要比风速的变化来得慢（滞后性）。这种现象在风速由小变大时较为严重，如当风速较大，很快地变为0时，因为惯性作用，风杯将继续转动，不可能很快停下来。这种迟缓的反应，使得杯状风速仪测量的风速并不可靠。风速在020m/s时，利用风杯测定风速比较准确。同时这种滞后性消除了许多风速脉动现象，因而，用风杯作感应器的风速表，测定平均风速比较好，而测瞬时风速则准确度较差。试验证明，3杯比4杯好、圆锥形比半球形好，是因为阻力和密度成正比，空气密度稍有改变，都会影响测量速度的准确性。尽管有这些限制，杯状风速仪还是广泛地用于气象中风速的测量和风能的应用中。,3.3 风的测量,1.风能资源,测风塔结构和基础，应能承受30年一遇最大风力冲击表面应防盐雾腐蚀,测量设备的安装,3.3 风能资源评估,风功率密度，蕴含风速、风速分布和空气密度的影响，是风场的综合指标风向频率及风能密度方向分布风速的日变化和年变化湍流强度 0.10较小,0.100.25中等,0.25过大。极大风速（每3s采样一次的最大的风速值）低气温（气温低于-30）其他，雷电、电线结冰、沙暴、盐雾,2 风能资源评估的参考判据,3.3 风能资源评估,平均风功率密度和有效风功率密度平均风功率密度：设定时段内的逐小时风功率密度的平均值,2 风能资源评估的参考判据,第i次记录的风速(m/s),空气密度(kg/m3),有效风功率密度：风速只计切入风速到切除风速之间的,3.3 风能资源评估,风功率密度等级表,风速随高度变化 造成风速垂直变化的原因动力因素地面的摩擦效应，地面的粗糙度；热力因素近地层大气垂直稳定度的关系；当大气层结为中性时，其主要作用的是动力因素.经验公式：,3 风的特性,为高度h上的风速 卡曼系数，0.4左右摩擦速度地面剪切应力粗糙度参数,两个高度风速的关系：,3 风的特性,地表粗糙度指数，通过在不同高度上测风求得,当地面粗糙度未知时,可用指数公式确定：,值变化从1/151/4，最常用的是1/7，即=0.142,不同地形的粗糙度长度和粗糙度指数,3 风的特性,风速随高度变化系数,3.4.复杂地形对风特性的影响,平坦地形应符合下列条件在风电场四周11.5km直径范围内任一点，风电场与周围地形的高差不大于60m在风电场上风向4km和下风向0.8km内的山丘，其高宽比不大于1/50在上风向4km范围内，风机叶片下端离地的高度大于3倍最大高差h,3.4 复杂地形对风特性的影响,应拥有的信息测风数据地形信息（等高线）粗糙度信息障碍物信息风电机组功率曲线 地形的表示用1:25000 或1:50000的数字地图分12个扇区包含上述信息,3.4 复杂地形对风特性的影响,粗糙度等级的概念粗糙度描述一个区域的地表特征，用粗糙度等级或粗糙度长度来表示用粗糙度线包围一个区域粗糙度线不能交叉。一般风场需在约1020km的半径范围内定义粗糙度，取决于轮毂高度和地形条件。,粗糙度,3.4 复杂地形对风特性的影响,粗糙度和地表特征的对应关系,3.4 复杂地形对风特性的影响,障碍物 风速遇障碍物损失的百分数,4、风电场建设,建设风电场除了要考虑风速条件外，还要综合考虑场地状况、道路状况、接入电网的条件等因素。一个完整的风电场项目，一般包括以下几个步骤:风电场选址项目可行性评估项目准备风电场建设风电场运行和维护风电场退役、场地恢复,4.1、选址步骤,4.1 风电场选址一般需要考虑以下一些因素：主要考虑年平均风速；风速频率；年发电量；容量系数。容量系数：发电机组的年度电能净输出，与风电机组额定容量与全年运行8760h的乘积比值称为风电机组的容量系数。,4、风电场建设,4.1 风电场选址一般需要考虑以下一些因素：风电场场地状况；场地应该开阔，地质条件好，便于大规模开发。交通运输方便；并网条件好；距离电网越近，并网投资越少，线损和压降也越小。不利气象条件和环境的影响；这些不利因素可能影响发电机组的寿命。土地征用和环境影响；,4.2 风力发电机组选型和布置 风力发电机组的选型单机容量越大，风能利用越高。但是，单机容量增大的同时价格也随着增加，大容量的机组技术投入多而产量较小，成本偏高。所以总体来看，风力发电机组的单机容量价格随着单机容量的变化呈U字形曲线，国内目前性价比较高的仍然是兆瓦级以下的机组。但单机大容量仍然是发展趋势。,风力发电机组的布置首先根据风能玫瑰图确定主导风向，风力发电机组排列应与主导风向垂直。对于开阔、平坦的场地，上游风力发电机组会对下游风力发电机组产生干扰，风力发电机组可以布置成有利于加大风速的地形，采用单排布置或者多排差排布置方式。,4.3 风力发电机组的运行和安全性风电场中的风力发电机组在工作期间可能处于如下状态之一：正常工作状态暂停状态停机状态紧急停机状态 每种工作状态都可看作是风力发电机组的一个活动层次，运行状态处在最高层次，紧急故障状态处在最低层次。,运行控制系统是风力发电机组的常规控制系统，此外，还有一套独立于运行控制系统的安全系统。安全系统的任务是在出现严重问题或检测到潜在严重问题时保护风力发电机组，使之处于安全状态。保护动作通常是紧急刹车，使风轮机停止工作。安全系统必须独立于控制系统，而且具有高度的可靠性和自动故障免除性。为了保证安全，必须配备两套以上的刹车系统，而且各自的工作方式和动力源必须不同。,风电对电网运行的影响风速和风向总是随机变化，因此风能的特点是具有不稳定性，使得风电场的输出功率有波动性，从而影响局部的电能质量。风电容量到达一定程度后，会引起电压不稳，特别电网较大波动的时候，可能导致风力发电机组从电网解链，严重时甚至导致电网瓦解。,风力发电对电网的不利影响可以通过超导储能技术加以改善。超导储能系统是一种新的储能方式，代表着柔性交流输电技术的发展方向，也可以吸收或释放有功和无功，快速响应电网系统的需求信号。相对与一般发电厂，风电场风力发电机一般采用异步机，需要吸收电网无功来建立磁场，从而在并网后对局部电网的电压水平有明显的影响。,5 空气动力学基本理论,一、理想风轮机的能量利用1919年，德国物理学家贝兹首次提出贝兹法则：如果采用风轮机，只能把不足16/27的风的动能转化成机械能。假设风轮是理想的，且由无限多叶片组成，气流通过风轮时也没有阻力。此外，假定气流经过整个扫风面是均匀的，气流通过风轮前后的速度方向为轴向。理想的风轮的气流模型如图所示。,5 空气动力学基本理论,5.1基本概念风的动能根据牛顿第二定律，空气流动的动能为：设单位时间内空气流过截面积为S的气体体积为L,则若以 表示空气密度，该体积的空气质量为所以这时的空气动能为,5 空气动力学基本理论,可压缩流体与不可压缩流体流体黏性：是指流体抵抗剪切变形的能力。黏性剪切应力：与流体内速断梯度成比例，单位（N/m2）。为动力黏性系数（N s/m2）层流：流体微团互不混掺，运动轨迹有条不紊湍流：相互参杂，运动轨迹紊乱，不规则。,5 空气动力学基本理论,雷诺数Re:用于区分层流与湍流，表针了流体运行的惯性力与黏性力的比值，无量纲。可以表示为：,贝兹理论是风力发电中关于风能利用效率的一条基本的理论，它由德国物理学家Albert Betz于1919年提出。贝兹理论：理想情况下风能所能转换成电能的极限比值为16/27 约为59.3%。贝兹假设了一种理想的风轮，即假设1.风轮是一个平面圆盘（叶片为无穷多）；2.空气没有摩擦和粘性；3.流过风轮的气流是均匀的，且垂直于风轮旋转平面；4.空气看做是不可压缩的，速度不大，所以空气密度可看作不变。,5.2 贝兹理论,当气流通过圆盘时，因为速度下降，流线必须扩散，利用动量理论，圆盘上游和下游的压力不同，但在整个盘上是个常量。如图：,5.2 贝兹理论,上图所示的流管中，远前方（0），风轮（1），和远后方（2）的流量是相同的。所以,单位时间内，作用在圆盘上的力F可有动量变化来确定，即,式,式,5.2 贝兹理论,风轮吸收的功W可用下式表示,式（3）,在圆盘上，F力以 速度做功，所以,式（4）,由（2）（3）（4）得，,式（5）,5.2 贝兹理论,现在引进下游速度因子b，其计算公式为,式（6）,利用式（4）（3）（1），可得，,式（7）,然后利用式（4）（5），得,式（8）,功率系数定义为风轮吸收的能量W和总能量W1之比，即,式（9）,由于,式（10）,所以,式（11）,把 对b微分，,式（12）,得,式（13）,因此，当 时，取得最大值，即：,这就是贝兹极限。表示风轮可达的最大效率。,定义：空气运动产生的动能称为“风能”。,单位时间内垂直流过截面A的空气拥有的做功能力，称为风能功率(W),风能功率与风速的立方成正比，与流动空气密度和垂直流过的投影面积成正比。,1、风的动能,2、风能密度,风能密度是估计风能潜力大小的一个重要指标。定义：单位时间内通过单位截面积的风能。值的大小随气压、气温和湿度等大气条件的变化而变化。在海拔高度500m以下，取1.225kg/m3，若海拔超过500m，必须考虑空气密度的变化。,这就是著名的贝兹理论，他说明风轮从自然界中获得的能量是有限的，理论上最大值为0.593，损失部分可解释为留在尾迹中的气流旋转动能。,理想的风能利用系数Cp的最大值是0.593，即贝兹理论的极限值。Cp值越大，表示风轮机能够从自然界中获得的能量百分比越大，风轮机的效率越高，即风轮机对风能的利用率也越高。对实际有用的风轮机来说，风能利用系数主要取决与风轮叶片的气动和机构设计及制造工艺水平。如高性能螺旋桨式风力机，其Cp值一般是0.45，而阻力型风轮机只有0.15左右。,5.3叶素理论,1、叶素理论的基本概念2、桨叶翼型的空气动力特性3、旋翼的空气动力特性,叶素理论的基本概念 桨叶由连续布置的无限多个桨叶微段（即叶素）组成；分析叶素的运动、受力情况，建立叶素的几何特性、运动特性和空气动力特性之间的关系；对叶素的空气动力沿桨叶和方位角积分，得到旋翼的拉力和功率公式。,1 叶素的气动环境 叶素坐标系oxyz oz 桨叶的变距轴线 ox 旋转前进方向 oy 在翼型平面内垂直于XOZ 叶素的相对气流速度 w 垂直上升相对速度 旋转相对速度 当地诱导速度,2 角度关系 安装角 翼弦与构造旋转平面的夹角（桨距角）来流角 相对气流与构造旋转平面的夹角 迎角 相对气流与翼弦的夹角 讨论：不可只按桨距大小推测升力或功率大小，须关注上升率及下降率对迎角的影响。,3 桨叶翼型的空气动力特性旋翼桨叶的常用翼型 几何特征：由上、下弧线坐标给定 相对厚度 最大厚度位置 弯度 前缘半径 后缘角,5.4 风力发电能源转换过程,风力发电通过风力机的转子转轴变速系统发电机等，把风所具有的动能机械能电能的过程。通过作用转子叶片上的空气动力或力矩驱动转子转动。风力机空气动力学是从事风电工作的工程师们所必须具备的专业基础知识。,5.5 空气动力学,风力翼型型：风力机叶片的剖面形状称之为风力翼型型 其对风力机性能有很大影响；风力翼型型主要选自航空翼型，如NACA44系列，NACA63-2系列。,5.5 空气动力学基础 风机叶片名称,华北电力大学,风能专业课程风力机空气动力学,115,前缘：翼型中弧线的最前点称为翼型前缘。后缘：翼型中弧线的最后点称为翼型后缘。弦长：翼型前后缘之间的连线称为翼型弦线，弦线的长 度称为翼型弦长。翼弦是翼型的特征长度，单位为米。上翼面：凸出的翼型表面下翼面：平缓的翼型表面,5.5 空气动力学,厚度t：翼型周线内切圆的直径称为翼型厚度，也可将垂直于弦线度量的上、下表面间的距离称为翼型厚度。最大厚度与弦长的比值称为翼型相对厚度，又称为厚弦比。相对厚度用百分数表示。最大厚度位置：翼型的最大厚度所在的位置到前缘的距离称为最大厚度位置，通常以其与翼弦的比值来表示。弯度f：中弧线到弦线的最大垂直距离称为翼型弯度，弯度与弦长的比值称为相对弯度。相对弯度的大小表示翼型的不对称程度,5.5 空气动力学,翼型的气动特性 翼型所受的力是作用在上下表面的分布力之合力。表面力有两种，一种是法向力，即压力；另一种是切向力，即摩擦阻力。这里定义和远前方来流相垂直的合力为升力，而与远方来流方向相一致的合力为阻力，升力和阻力通常表示为量纲为一的升力系数 和阻力系数，二者的定义如下：其中的L和D分别代表升力和阻力，单位为N；来流的动压头为，单位是 C是弦长，单位是m.,Cd,5.5 空气动力学,1.作用在翼型上的气动力升力重要概念：攻角（又称迎角）,5.5 空气动力学基础,翼型攻角,迎角的大小反映了相对气流与翼型之间的相互关系。迎角不同，相对气流流过翼型时的情况就不同，产生的空气动力就不同，从而升力也不同。所以迎角是翼型产生空气动力的重要参数迎角有正负之分:气流方向指向翼型下表面的为正迎角。气流方向指向翼型上表面的为负迎角。,5.5 空气动力学基础,从空气流过翼型的流线谱中可以看到，空气流到翼型前缘，分成上下两股，分别沿翼型上、下表面向后流动，由于翼型有一定的正迎角，上表面又比较凸出，所以翼型上表面的流管必然变细，根据连续方程和伯努利方程可知其流速增大、压强下降。下表面则相反，流管变粗，流速减少，压强增大。垂直于相对气流方向压力差就是翼型的升力。,升力如何产生？,5.5 空气动力学基础,压力中心（又称气动中心）压力中心即气动合力的作用点，是合力作用线与翼弦的交点。作用在压力中心上的只有升力与阻力，而无力矩。压力中心的位置通常用距前缘的 距离表示，大多数普通翼型的气动中心位于0.25倍弦长处。,5.5 空气动力学基础,5.5 空气动力学基础,叶尖速比,风能利用系数和无因次数随叶尖速比变化的曲线构成风轮机空气动力特性曲线,5.6风轮机的设计风轮机的工程设计是根据功率要求，安装选用的叶轮形式和相应的风轮机特性曲线，计算风轮的半径和转速。,设计步骤：（1）根据风轮机特性曲线查取最优风能利用系数和叶 尖速比配合（2）由Cp确定风轮机半径（3）确定风轮机转速,谢谢大家,