第一章绪论能源是人类社会存在与发展的物质基础。
过去200多年,建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系,极大地推动了人类社会的发展。
然而,人们在物质生活和精神生活不断提高的同时,也越来越感悟到大规模使用化石燃料所带来的严重后果;资源日益枯竭,环境不断恶化,还诱发了不少国与国之间、地区之间的政治经济纠纷,甚至冲突和战争。
因此,人类必须寻求一种新的、清洁、安全、可靠的可持续能源系统。
风能是太阳能的一种转化形式,是一种不产生任何污染物排放的可再生的自然资源。
风能的开发利用已有数千年历史。
在蒸气机发明以前,风能就曾作为重要的动力,由于船舶航行、提水饮用和灌溉、排水造田、磨面和锯木等。
在几千年前,埃及的风帆船就在尼罗河上航行。
中国是最早使用帆船和风车的国家之一,至少在三千年前的商代就出现了帆船。
受化石能源资源日趋枯竭、能源供应安全和保护环境等的驱动,自20世纪70年代中期以来,世界主要发达国家和一些发展中国家都重视风能的开发利用。
特别是自20世纪90年代初以来,风力发电的发展十分迅速,世界风电机装机容量的年平均增长率超过了30%,从1993年的216万kW上升到20XX年的4030万kW。
我国对现代风力机的研制可以追溯到20世纪50年代,但系统的研究始于20世纪70年代。
20世纪80年代中期开始,我国从国外引进了一些大、中型风力发电机组并入电网。
1986年山东荣成市建成中国第一个风电场,年均发电量为33万kwh,以后相继在福建平潭、广东南澳岛、新疆达坂城及内蒙古朱日和等地建立了风电场。
进入20世纪90年代以来,我国风电发展势头强劲,成为我国发展速度最快的能源工业,但是,我国安装的大型风力发电机组中90%是从国外进口。
我国对现代并网型风力发电机的研究工作始于20世纪80年代,我国自行研制出的有20kw,30kw,75kw,120kw,200kw,600kw和1MW风力发电机组。
目前世界上有几十种型号的大型风力发电机组在商业化运行,大体可分为四种类型。
第一种为双绕组定桨距恒速机型,以Bounsl,BOUNS2,Nordex60和Nordex63为代表。
第二种为变滑差变速机型,主要代表VestasV63,VstasV66,VstasV80.第三种是采用双馈发电机转差励磁方案,实现变速变距运行的机型,主要代表机型有DeWind公司的DeWindD6,D9,Tacke公司的TW-1.5,TW-2.0和Nordex80。
第四种是采用直接驱动的永磁发电机,直接采用交-直-交功率变换系统送电,如德国Enercon E66、意大利Gamma60型等。
当前国外大型风力发电机组的发展趋势是单机容量越来越大,机组运行越来越可靠,而维护量越来越小。
从国内外近几年风电产业发展看,随着风电产业的不断发展,风力发电机组控制技术也在不断发展,以满足其自身对风速变化、成本、环境及稳定运行等方面的要求,其主要发展趋势为:(1)变桨距调节方式迅速取代失速调节方式。
从目前市场看,变桨距调节方式能充分克服失速调节不能充分利用风能的缺陷,因此,得到了迅速的应用。
(2)变速运行方式迅速取代恒速运行方式。
由于变速运行方式能够最大限度地利用风能,提高风力机的运行效率,因而被广泛采用。
第二章风力机的基本理论风力机是一种叶片式机械,风机的桨叶与机翼类似,可用机翼升力理论描述。
本章介绍了风力机的结构及分类、风力机空气动力学基础、桨叶受力分析以及风轮气动功率的调节等内容。
第一节风力机的结构及分类风力发电是将风的动能转换为机械能,再带动发电机发电,转换成电能。
本节主要介绍风力机组的基本结构及分类。
一、风力机的结构风力机的样式虽然很多,但其原理和结构总的来说还是大同小异的。
这里以水平轴风力机为例作介绍。
它主要由以下几部分组成:风轮、传动机构(增速箱)、发电机、机座、塔架、调速器(限速器)、调向器、停车制动器等,如图2-1所示。
(1)轮毂。
风力机叶片都要装在轮毂上。
轮毂是风轮的枢纽,也是叶片根部与主轴的连接件。
所有从叶片传来的力,都通过轮毂传递到传动系统,再传到风力机驱动的对象。
同时轮毂也是控制叶片桨距(使叶片作俯仰转动)的所在,在设计中应保持足够的强度。
(2)调速或限速装置。
在很多情况下,要求风力机不论风俗如何变化,转速总保持恒定或不超过某一限定值,为此,采用了调速或限速装置。
当风速过高时,这些装置还用来限制功率,并减小作用在叶片上的力。
调速或限速装置有各种各样的类型,但从原理上来看大致有三类:第一类是使风轮偏离主风向;第二类是利用气动阻力;第三类是改变叶片的桨距角。
图2-1 风力机的结构和组成(3)塔架。
风力机塔载有机舱及转子。
通常高的塔架具有优势,因为离地面越高,风速越大。
它可以为管状的塔架,也可以是格子状的塔架。
管状的塔架对于维修人员更为安全,因为他们可以通过内部的梯子达到塔顶。
格状塔架的优点在于它比较便宜。
风力机的塔架除了要支撑风力机的重量,还要承受吹向风力机和塔架的风压,以及风力机运行中的动载荷。
它的刚度和风力机的振动有密切联系,如果说塔架对小型风力机影响还不太大的话,对大、中型风力机的影响就不容忽视了。
(4)机舱。
机舱包含着风力机的关键设备,包括齿轮箱、发电机。
维护人员可以通过风力机塔架进入机舱。
(5)叶片。
捕获风能并将风力传送到转子轴心。
现代600kw风机上每个叶片的测量长度大约为20m,而且被设计得很像飞机的机翼。
(6)低速轴。
风力机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。
在现代600kw风电机上,转子转速相当慢,大约为19—30r/min。
轴中有用于液压系统的导管来激发空气动力闸的运行。
(7)齿轮箱。
风力机转子旋转产生的能量,通过主轴、齿轮箱及高速轴传动到发电机。
使用齿轮箱,可以将风力机转子上的较低速转、较高转矩转换为用于发电机上的较高转速、较低转矩。
风力机上的齿轮箱通常在转子及发电机转速之间具有单一的齿轮比。
对于600kw或750kw机组的齿轮比大约为1:50。
(8)高速轴及其机械闸,用于空气动力闸失效或风力机被维修时使用。
(9)发电机。
通常被称为感应电机或异步发电机。
在现代风机上,最大电力输出通常为500—1500kw或者更大(海上风力机电力输出功率已到达5000kw)。
(10)偏航装置。
借助电动机转动机舱,以使转子正对着风。
偏航装置由电子控制器操作,电子控制器可以通过风向标来感觉风向。
(11)电子控制器。
包含一台不断监控风力机状态的计算机,并控制偏航装置。
为防止任何故障(及齿轮箱或发电机的过热),该控制器可以自动停止风力机的转动,并通过电话调制解调器来呼叫风力机操作员。
(12)液压系统。
用于重置风力机的空气动力闸。
(13)风速计及风向标。
用于测量风速及风向。
(14)冷却系统。
发电机在运转时需要冷却。
在大部分风力机上,使用大型风扇来空冷,还有一部分制造商采用水冷。
水冷发电机更加小巧,而且电效高,但这种方式需要在机舱内设置散热器,来消除液体冷却系统产生的热量。
二、风力发电机组的分类按照不同的分类方式,风力发电机组可分为以下几种类型:1.按风轮桨叶分类(1)失速型。
高风速时,因桨叶形状或因叶尖的扰流器动作,限制峰立即的输出转矩与功率。
(2)变桨型。
高风速时通过调整桨距角,限制输出转矩与功率。
2.按风轮转速分类(1)定速型。
风轮保持一定转速运行,风能转换率较低,与恒速发电机对应。
(2)变速型。
1)双速型。
可在两个设定转速之间运行,改善风能转换率,与双速发电机对应;2)连续变速型。
在一段转速范围内连续可调,可捕捉最大风能功率,与变速发电机对应。
3.按传动机构分类(1)齿轮箱升速型。
用齿轮箱连接低速风力机和高速发电机(减小发电机体积重量,降低电气系统成本)。
(2)直驱型。
直接连接低速风力机和低速发电机(避免齿轮箱故障)4.按发电机分类(1)异步型。
1)笼型单速异步发电机;2)笼型双速变极异步发电机;3)绕线式双馈异步发电机。
(2)同步型。
1)电励磁同步发电机;2)永磁同步发电机。
5.按并网方式分类(1)并网型。
并入电网,可省却储能环节。
(2)离网型。
一般需配置电池等直流储能环节,可带交、直流负载或与柴油发电机、光伏电池并联运行。
第二节风力机的空气动力学基础一、风力机基础理论1.风速风场的风速资料是设计风力机最基本的资料。
风场的实际风速是随时间不断变化的量,因此风速一般用瞬时风速和平均风速来描述。
瞬时风速是短时间发生的实际风速,也称有效风速。
平均风速是一段较长时间内瞬时风速的平均值。
某地一年内发生同一风速的小时数与全年小时数(8760h)的比值称为该风速的风速频率,如图2-2(a)所示,它是风能资源和风能电站可研报告的基本数据。
风速与地形、地势、高度、建筑物等密切相关,风能桨叶高度处的风速才是风力机设计风速,因此,设计风电场还要有风速沿高度的变化资料,如图2-2(b)所示。
图2-2 平均风速频率图(a)风速频率曲线 (b)不同高度风速变化曲线风的变化是随机的,任意地点的风向、风速和持续的时间都是变的,为定量的衡量风力资源,通常用风能玫瑰图来表示,如图2-3所示。
图上涉嫌长度是某一方向上风速频率和平均风速三次方的乘积,用以评估各方向的风能优势。
2.风能的计算有流体力学可知,气流的动能为: 图2-3 风能玫瑰图 212E mv = (2-1) 式中,m —气体的质量;v —气体的速度(可视为距离风力机一定距离的上游风速)。
设单位时间内气流流过截面积为S 的气体的体积为V ,则V Sv = (2-2) 如果以ρ表示空气密度,该体积的空气质量为:m v Sv ρρ== (2-3) 这时气流所具有的动能为: 312E Sv ρ= (2-4) 式中,ρ—空气密度,kg/m 3;V —气体体积,m 3 ;v — 风速,m/s ;E —风能,J 。
式(2-4)即为风能的表达式。
从风能共识可以看出,风能的大小与气流密度和通过的面积成正比,与气流速度的立方成正比。
其中ρ和v 随地理位置、海拔、地形等因素而变化。
3.风力机气动理论风轮的作用是将风能转换为机械能。
由于流经风轮后的风速不可能为零,因此风所拥有的能量不可能完全被利用,也就是说只有风的一部分能量可以被吸收,成为桨叶的机械能。
那么风轮究竟能吸收多少风能呢?作为风力机的气动理论—贝兹理论讨论了这个问题。
贝兹理论是由德国的贝兹(Betz )于1926年建立的。
他假定风轮是理想的,既没有轮毂,又具有无限多的叶片,气流通过风轮时没有阻力,并假定经过整个风轮扫及面全是均匀的,而且通过风轮前后的速度都为轴向方向。
现研究理想风轮在流动的大气中的情况,如图2-4所示,并规定:1v —距离风力机一定距离的上游风速;v —通过风轮时的实际风速;2v —离风轮远处的下游风速。