新能源发电技术 东南大学

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1、新能源发电技术第三讲风力机的基本原理及结构东南大学电气工程学院院长程明教授2一、风力发电系统组成一、风力发电系统组成34一、风力发电系统组成二、风力机类型水平轴风力机561二、风力机类型二、风力机类型—单叶片白城”55”型风车(1955)简易风力机(安徽滁县1959)78二、风力机类型—双叶片二、风力发电机——三叶片910二、风力发电机——顺风型二、风力机类型二、垂直轴风力机!无需对风!不需大型塔架!发电机装在地面，维修方便优点：可以不需要偏航系统；风轮转子制造更加灵活，可减轻重量缺点：由于塔影效应，风功率波动大；疲劳负荷较上风向风机大内蒙古化德首台垂直轴风力

2、机11122二、风力机类型——垂直轴三、风能转换基本原理1314三、风能转换基本原理三、风能转换基本原理F无论采用何种风轮，都不可能将风当攻角增加到某一临界值时，能全部转化成机械能！升力突然减小，而阻力急剧弦线增加，此时叶片突然丧失支FCLB后缘承力，这种现象称为失速。FDβ前缘AD风轮旋转平面节距角攻角α（度）w12VV阻力FD=CdρSV阻力风轮（传统的风车）速2风攻角α对风速12相升力F=CρSV升力风轮（现代风力机）LL2FCL/D=L=L叶片线速度u=ωrFC升力与阻力之比称为Dd13P=CρSV2升阻比L/D风轮从风中吸收的功率pS=πR15216

3、三、风能转换基本原理三、风能转换基本原理贝茨理论（贝茨极限）叶尖速比λ风轮的最大理论效率（理论风能利用系数）叶尖圆周速度2πRnλ==来流风速VP16C=max=≈0.593pmax0.5ρSV3271（风能利用系数）（叶尖速比）理想风轮的气流模型无论采用何种风轮，都不可能将风能全部转化成机械能！17183三、风能转换基本原理三、风能转换基本原理不同型式风机的风能利用系数实度及其对利用系数的影响风轮叶片面积与风轮扫风面积之比称为实度1、实度小，曲线宽而平坦；2、实度大，则曲线尖而窄，对叶尖速比敏感；垂直轴单叶3、最佳实度为三叶风达里厄双叶轮，其次为二叶风轮三叶

4、（最大Cp虽低，但峰四叶五叶值分布广，有可能捕获更大的风能）1920三、风能转换基本原理四、风力机特性叶片数的选择风功率：风速风功率13123风轮从风中吸收的功率P=CρSV=CρπRVpp222122四、风力机特性四、风力机特性风轮直径增大一倍，功率增大4倍！23244四、风力机特性五、风力机功率控制定桨距失速型风力机(Stallcontrol)风力机直径越做越大的原因：主动失速型定桨距风力机(activestallcontrol)变桨距风力机(Pitchcontrol)变速风力机组(Variablespeed)"定桨距风力机的气动特性叶尖扰流器结构!桨叶与

5、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。!叶尖扰流器——风轮制动P：功率D：风轮直径定桨距失速型风力发电机组是通过风轮叶片失速来控制风力H：塔高发电机组在大风时的功率输出，以及通过叶尖扰流器来实现极端情况下的安全停机问题。2526五、风力机功率控制五、风力机功率控制影响风力机输出功率的其他因素!海拔高度正常运行!温度气流紧贴标准状态下的空气密度：ρ=1.225kg/m3温度变化10°C，空气密度就变化±4%。而桨叶的失速性能只与风速有关，因此，海拔高度和温度会影响风机

6、输出功率。同样的风机安装在不同地点，其桨叶角度不应该相同。冬季和夏季应对桨叶的安装角各作一次调整失速2728五、风力机功率控制五、风力机功率控制主动失速型定桨距风力机定桨距失速型风力机的优点：!叶片固定，开机时将桨叶节距推进到可获最大功率位置，当风力发电机组超过额定功率后，减小节距角，相应的攻角增大，使失速效应加深，从!无复杂的变桨机构，而限制风能的捕获，将功率调整在额定值上。!结构简单，部件少，成本低主动失速缺点：1）V=3m/s，叶片与风速垂直，切入风速!因失速控制依赖于独特的翼型结构，叶片本身结构较复杂，工艺难度大2）V=8m/s3）V=12m/s!随着

7、功率增大，叶片加长，叶片的刚度减弱，失速动态特性不易控制4）V<=25m/s!在MW级风机上很少采用5)V>25m/s，叶片与风速平行，切出停机29305五、风力机功率控制五、风力机功率控制变桨距风力机!额定功率以下时，叶片节距在0°附近不作变化，等同于定桨距。功率根据叶片气动特性随风速而变化!大于额定功率时，调整叶片使节距角β增大，从而减小攻角α,使功率限制在额定功率附近!在额定点具有较高的风能利用系数对于定桨距风机，一般在低风速区有较高的风能利用系数，而在额定点附件，利用系数大幅下降，风速上升，功率上升趋缓或随风速上升而下降，使功率保持恒定。对于变桨距风机

8、，无需担心额定点后的功率控制问题，故在