风电基础培训.ppt
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1、风电基础知识培训风电装备研究所 于淼2009年02月11日,风电基础知识培训,1、风与风资源2、风机的发展史3、风机的分类4、风机主要部件简介5、1.5MW风机的主要构成6、风机的制造、安装,一、风与风资源,1、风资源简介(1)风的产生与特性(2)风的能量与测量(3)中国的风资源(4)风能的利用2、风力发电前景,1、风资源简介,1.1风的产生与特性产生:风是地球外表大气层由于太阳的热辐射而引起的空气流动;大气压差是风产生的根本原因。特性:周期性、多样性、复杂性,地球上的风能主要来源于太阳的辐射,地球每小时接受的太阳辐射的能量约为1.74x1017瓦,其中2%的辐射能量转化为风能。全球的风能总容
2、量中,可用于开发的风能约为2x107MW,比全球可供开发的水能总量的10倍还要大。,1.2风的能量与测量1、产生能量的基本要素:风具有一定的质量和速度。2、风能的一些主要特性参数:如风能、风能密度、风速与风级、风向与风频以及风的测量等。1)风能:空气运动产生的动能称为“风能”。2)风能密度:单位时间内通过单位截面积的风能。3)风速与风级:风速就是空气在单位时间内移动的距离,国际上的单位是米秒(m/s)或千米小时(kmh)。分13级4)风向与风频:通常把风吹来的地平方向定为风的方向,即风向。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,5)风的测量:风的测量仪器主
3、要有风向器、杯形风速器和三杯轻便风向风速表等。,中国风能资源十分丰富,全国风能储量约4.8 310 9MW,可开发利用的风能资源总量达2.53亿kw。在中国,风能资源主要分布在新疆、内蒙古等北部地区和东部至南部沿海地带及岛屿。1、风能最佳区:(1)东南沿海、山东半岛、辽东半岛以及海上岛屿。(2)内蒙古、甘肃北部。(3)黑龙江南部、吉林东部。2、风能较佳区:(1)西藏高原中北部。(2)三北北部。(3)东南沿海(离海岸线2050kM)3、风能可利用区:(1)两广沿海。(2)大小兴安岭山区。(3)东从辽河平原向西,过华北太平原经西北到最西端,左侧绕西藏高原边缘部分,右侧从华北向南面淮讨、长江到南岭。
4、,1.3 中国的风资源,中国风资源分布,1.4风能的利用按照不同的需要,风能可以被转化成其他不同形式的能量,如机械能、电能、热能等,以实现提水灌溉、发电、供热、风帆助航等功能。21世纪风能利用的主要领域是风力发电。,风能资源,全球储量为水能资源储量的10倍,高达53万亿千瓦时/年,理论上只要开发风能资源的50%即可满足全球电力能源需求海上风能资源的储量远远高于陆上风能资源风能资源具有可再生、永不枯竭、无污染的特点,风能资源开发的综合社会效益高风电技术是目前开发最成熟、成本最低廉、商业化运作最成功的新能源技术,2.风力发电前景,二、风机的发展史,风力发电的历史,大体可以分为三个阶段:,第一阶段:
5、从19世纪末至20世纪30年代初,小容量风力发电机组技术基本成熟。第二阶段:从20世纪30年代初至80年代末,是中小型风力发电机组发展鼎盛时期,大型风力发电机组处于试验阶段。第三阶段:20世纪90年代至今。大型风力发电技术成熟、产业化发展阶段。,1891年第一台风力发电机诞生于丹麦20世纪80-90年代,在欧洲快速发展,风电技术开始成熟20世纪80年代初期,单机容量55KW机型为主,20世纪90年代初期发展到100-450KW为主,90年代中期为500-1MW为主21世纪初,MW级机组走向商业化。2002年全球兆瓦级大型风电机组所占比例,已由1997年的9.7%扩大到62.1%目前2MW以下技
6、术已经成熟,海上风电场兴起,3-5MW风电机组正在大规模开发,德国Repower公司已经能够生产5MW海上风机,用一组图片展现风机发展史,3.1 如依风机旋转主轴的方向(即主轴与地面相对位置)分类,可分为:“水平轴式风机”转动轴与地面平行,叶轮需随风向变化而调整位置;“垂直轴式风机”转动轴与地面垂直,设计较简单,叶轮不必随风向改变而调整方向。,三、风机的分类,3.2 按照桨叶受力方式可分成“升力型风机”或“阻力型风机”。(一般全为升力型),3.3 按照桨叶数量分类可分为“单叶片”“双叶片”“三叶片”和“多叶片”型风机;叶片的数目由很多因素决定,其中包括空气动力效率、复杂度、成本、噪音、美学要求
7、等等。大型风力发电机可由 1、2 或者3 片叶片构成。叶片较少的风力发电机通常需要更高的转速以提取风中的能量,因此噪音比较大。而如果叶片太多,它们之间会相互作用而降低系统效率。目前 3 叶片风电机是主流。从美学角度上看,3 叶片的风电机看上去较为平衡和美观。,大多数风机采用3叶片结构,它的优点是惯性中心力矩恒定,与叶片方位角变化无关,偏航动作稳定。2叶片结构的风机,叶片垂直时惯性力矩低,水平时惯性力矩高,这种不平衡现象也就是2叶片风机通常采用铰链机构的原因。2叶片机组转速高,必然噪声大,正常情况下,叶尖速应限制在65m/s内,避免气动噪声太大,如海上机组,可以放宽到74m/s内。单叶片风机在2
8、0世纪末期也有应用,优点是减少了叶片数量,降低成本,有相对较高的叶尖速比,缺点是由于叶片不平衡需要配重,并且美观性差。,3.4.按照风机接受风的方向分类:有“上风向型”叶轮正面迎着风向(即在塔架的前面迎风旋转)和“下风向型”叶轮背顺着风向,两种类型。上风向风机一般需要有某种调向装置来保持叶轮迎风。而下风向风机则能够自动对准风向,从而免除了调向装置。但对于下风向风机,由于一部分空气通过塔架后再吹向叶轮,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。,3.5 按照功率传递的机械连接方式的不同,可分为“有齿轮箱型风机”和无齿轮箱的“直驱型风机”。*有齿轮箱型风机的桨叶通过齿轮箱
9、及其高速轴及万能弹性联轴节将转矩传递到发电机的传动轴,联轴节具有很好的吸收阻尼和震动的特性,可吸收适量的径向、轴向和一定角度的偏移,并且联轴器可阻止机械装置的过载。*而直驱型风机则另辟蹊径,配合采用了多项先进技术,桨叶的转矩可以不通过齿轮箱增速而直接传递到发电机的传动轴,使风机发出的电能同样能并网输出。这样的设计简化了装置的结构,减少了故障几率,优点很多,现多用于大型机组上。,功率传递的机械连接方式分类实际是按齿轮箱形式不同进行分类的,“传统”型风机(主流机型:双馈式风力机组)半直驱型风机直驱型风机,有齿轮箱型,直驱型风机,半直驱型风机,半直驱风力发电机组核心是采用一个以及行星增速器与一个永磁
10、同步低速发电机相集成,构成一个发电单元,发电单元的主轴承与轮毂直接相连接,发电单元经过大功率电力电子变换器,将频率不定的交流电整流成直流电,再逆变成与电网同频率的交流电输出。,半直驱型,一级行星齿轮箱 9:1发电机转速:190rpm极数:72级,Enercon-112,Repower-M5,Multbrid-M5000,3.6根据按桨叶接受风能的功率调节方式可分为:“定桨距(失速型)机组”桨叶与轮毂的连接是固定的。当风速变化时,桨叶的迎风角度不能随之变化。由于定桨距(失速型)机组结构简单、性能可靠,在 20 年来的风能开发利用中一直占据主导地位。“变桨距机组”叶片可以绕叶片中心轴旋转,使叶片攻
11、角可在一定范围内(一般度)调节变化,其性能比定桨距型提高许多,但结构也趋于复杂,现多用于大型机组上。,定桨距机组的特点,早期的定桨距风电机组风轮并不具备制动能力,脱网时完全依靠安装在低速轴或高速轴上的机械刹车制动,对数十千瓦级机组还是可行的,20世纪80年代叶尖扰流器的使用解决了在突甩负载情况下的安全停机问题,起动力矩小与桨叶的安装角度有关,定桨距风力发电机组的结构简单、性能可靠的优点,缺点是风能利用率低。,37,定桨距失速型机组是利用桨叶的自动失速特性来限制发电机组的功率输出;是最简单的一种功率控制方式,叶片翼型不用改变,不用变距,依靠额定风速之上升力系数减少,阻力系数增加的方法使叶片达到失
12、速,限制超功率,缺点是失速后的气动特性不确定,不能精确预测失速后功率和叶片负载。,38,失速原理,由于风轮转速恒定,风速增加叶片上的冲角随之增加,直到最后气流在翼型上表面分离而产生脱落,这种现象称为失速。,失速控制型风轮的优缺点:优点:-叶片和轮毂之间无运动部件,轮毂结构简单,费用低;-没有功率调节系统的维护费;-在失速后功率的波动相对小。缺点:-气动刹车系统可靠性设计和制造要求高;-叶片、机舱和塔架上的动态载荷高;-由于常需要刹车过程,在叶片和传动系统中产生很高的机械载荷;-启动性差-机组承受的风载荷大;-在低空气密度地区难于达到额定功率。,变距原理,变距型风力机则是根据风速的变化相应的改变
13、桨叶的节距角,在额定风速以下,风力机的风能利用系数达到最高;而在额定风速以上,则使风力机的输出功率恒定,保证发电机组不超负荷,同事减少风力机的载荷。,变桨距机组的特点 变桨距风力发电机组具有在额定功率点以上输出功率平稳的特点。变桨距风力发电机组低风速时容易起动。当风力发电机组需要脱离电网时,变桨距系统可以先转动叶片使之减少功率,在发电机与电网断开之前,功率减小至0,这意味着当发电机与电网脱开时,没有转矩作用于风力发电机组,避免了在定桨距发电机组上每次脱网时所要经历的突甩负载的过程。额定功率以下维持最佳叶尖速比运行具有较高的风能利用系数,额定功率以上维持恒功率输出。,变桨距控制是通过叶片和轮毂之
14、间的轴承机构传动叶片来减小迎角,由此来减小翼型的升力,以达到减小作用在风轮叶片上的扭矩和功率的目的。变桨调节时叶片迎角可相对气流连续的变化,以便得到风轮功率输出达到希望的范围。,变桨距控制型风轮的优缺点:,优点:起动性好;刹车机构简单,叶片顺桨后风轮转速可以逐渐下降;额定点以前的功率输出饱满;额定点以后的输出功率平滑;风轮叶根承受的静、动载荷小。缺点:由于有叶片变距机构、轮毂较复杂,可靠性设计要求高,维护费用高;功率调节系统复杂,费用高。,3.7按照叶轮转速是否恒定可分为:“恒速风力发电机组”设计简单可靠,造价低,维护量少,直接并网;缺点是:气动效率低,结构载荷高,给电网造成电网波动,从电网吸
15、收无功功率。“变速风力发电机组”气动效率高,机械应力小,功率波动小,成本效率高,支撑结构轻。缺点是:功率对电压降敏感,电气设备的价格较高,维护量大。现常用于大容量的主力机型。,3.8根据风力发电机组的发电机类型分类,可分为两大类:“异步发电机型”“同步发电机型”只要选用适当的变流装置,它们都可以用于变速运行风机。异步发电机按其转子结构不同又可分为:(1)笼型异步发电机转子为笼型。由于结构简单可靠、廉价、易于接入电网,而在小、中型机组中得到大量的使用;(2)绕线式双馈异步发电机转子为线绕型。定子与电网直接连接输送电能,同时绕线式转子也经过变频器控制向电网输送有功或无功功率。同步发电机型按其产生旋
16、转磁场的磁极的类型又可分为:(1)电励磁同步发电机转子为线绕凸极式磁极,由外接直流电流激磁来产生磁场。(2)永磁同步发电机转子为铁氧体材料制造的永磁体磁极,通常为低速多极式,不用外界激磁,简化了发电机结构,因而具有多种优势。(存在退磁可能),双馈式风力机组就是采用双馈风电机,转子采用变流器并网的一种变速恒频机组。目前国外这种机型的主要生产厂家有:VESTAS(丹麦)、GE(美国)、GAMESA(西班牙)、REPOWER(德国)、NORDEX(德国)等。变速双馈风力发电机组的工作原理就是通过叶轮将风能转变为机械转矩(风轮转动量),通过主轴传动链,经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后,通过励磁变流器
17、励磁而将发电机的定子电能并入电网。如果超过发电机同步转速,转子也处于发电状态,通过变流器向电网馈电。,变速恒频双馈发电机组有如下优点:,(1)允许原动机在一定范围内变速运行,可以在同步速上下30%转速范围内运行;简化了调整装置,减少了调速时的机械应力。同时使机组控制更加灵活、方便,提高了机组运行效率。(2)需要变频控制的功率仅是电机额定容量的一部分,使变频装置体积减小,成本降低,投资减少。(3)调节励磁电流幅值,可调节发出的无功功率;调节励磁电流相位,可调节发出的有功功率。可实现有、无功功率的独立调节。,缺点如下:(1)双馈风力发电机组低风速下的风轮机转速也很低,直接用风轮机带动双馈电机转子将
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