风电基础知识(2)

15.偏航刹车

10.提升机

11.发电机弹性支撑
17.塔架

12.TB1控制器

13.液压站

14. 偏航轴承

16.偏航驱动

18..机舱底板

19. 齿轮箱弹性支撑

750KW风机
? ? ? ?

GOLDWIND

?
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金风S48/750机组总体技术参数机型：失速型、带叶尖气动刹车、上风向、三叶片额定功率：750kW 风轮直径：48.4m 轮毂中心高：50m 起动风速：4m/s 额定风速：14-15m/s（与气候条件有关）停机风速：25m/s（10分钟）
800

700

600

500

功率（KWH）

400

300

200

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

风速（m/s）

1200KW风机

GOLDWIND

?无齿轮、直驱、永磁发电机

?结构简单紧凑，可靠性高
?机械传动损耗减少 ?电机效率高运行范围宽 ?无需励磁，无碳刷滑环 ?发电品质高，无需进行无功补偿

GoldWind 62/1200 技术参数

GOLDWIND

叶轮

直径扫风面积转速范围叶片数量叶片类型

功率控制刹车系统
电机类型结构额定功率额定电压绝缘等级塔架类型轮毂中心高

62 m 3019 m2 10 ～ 20 RPM1 3 LM 29.1 P 或相似叶片变速变桨 3套独立的叶片刹车多极永磁同步发电机直接驱动 1200 kW Y690V F 钢制锥塔 69 m

运行数据

切入风速额度风速切出风速 25 m/s 抗最大风速

3 m/s 12 m/s

59,5 m/s

风机主要组成

驱动链

控制
电机偏航系统轮毂
变电系统

叶轮

风力机组成的逻辑关系
风向风速仪
电压、频率值

刹车盘

电网

偏航装置

国外大型风力发电机组发展趋势
失速调节

主动失速
定速
变速控制

齿轮箱

变桨距调节
变速调节无齿轮箱

国际大型风机的发展趋势 ——技术水平不断提高
风力发电单机容量由 1980年的30千瓦上升到 2005年的5兆瓦

风机(知识)体系结构与边界条件
控制能力

风特性

叶片设计

控制

频率50Hz 电压 690V 或其他功率因数>0.98

风力

叶轮

机械

电机
部件共振耦合

并网

COE

结构

极限

振动

疲劳

部件制造
噪音－叶尖速－转速

￥
运输安装

材料
材料强度

制造

Cost of Energy

频率与电机转速、齿轮箱增速比、风轮转速的关系
? 如：电机的输出频率
pn f ? 60
n? 60 f 3000 ? p p

电网频率50Hz，则发电机转速

? 对与常见两极对的电机，电机转速为1500RPM ? 由于噪声要求，叶尖速度有个限值，如<65m/s, ? 对于定速风机，以750KW为例，转轮直径50米，

叶轮转速约为22.25 rpm, 叶尖速则为58m/s ,因此齿轮箱的增速比就为 1500/22.25 =67.4

风机设计的边界条件
? ? ? ?

电网约束叶尖噪音约束共振耦合约束材料强度约束

? 控制能力约束 ? 制造能力约束 ? 运输安装维护能力约束

在以上约束的情况下，要驾驭风并

充分利用风能。要驾驭风，就要了解风的习性，即风的脾气和性格

风有哪些习性？
? 风是个三维的（脉动）矢量（风速、风向（、湍流）） ? 风在空间分布上的切变特性 ? 风在时间序列上的统计特性

长期的统计年平均风速、年风向玫瑰图风频分布（年）功率谱密度短期的统计（几秒）湍流强度自相关函数 ? 物理特性：可压缩流体，低速时假设为不可压缩风的密度（越冷越重，越高越轻，越湿越轻） ? 风能量特性－正比风速的三次方、风轮直径的平方

风机设计涉及的主要知识

风机设计知识的核心点
? ? ?

目标市场的风资源、风特性(如：湍流特点及模型等）分析，设计或选择适合风资源特点的高效风轮（当今先进的风轮效率Cp可达 0.5) 针对风特性、风轮及传动链的优化的安全、控制策略 ? 以减小和降低各种载荷，减少如共振问题，材料疲劳、并网等问题，提高风能吸收效率风机系统整机设计策略及布局，荷载传递函数、整机动态模拟及传动链优化设计部件的疲劳设计（这里涉及一个基础问题－－材料的疲劳特性，与一个国家的原材料工业及其研究有关）

? ?

还有对各种不利的载荷工况的认识，参阅IEC、GL等标准。最终为减轻风机的整体重量，获得最低的度电成本（COE）

风机如何在风中工作
单位面积风中的能量，与风速的3次方成正比
W ? 1 ?V 2
3

风机吸收的能量

Cp 吸收效率 ρ 空气密度，标准密度：1.225kg/m3 A 风轮面积，pD2/4 U 风速

吸收风能，承受推力

As the blades sweep the disk of air, the blade tip spe Is typically 6 to 10 times the wind speed.

风机如何在风中工作

风吹过风轮后会怎样
根据空气对叶轮的反作用

转轮旋涡气动模型

风机尾流

单位面积中的风能
The graph shows that at a wind speed of 8 metres per second we get a power (amount of energy per second) of 314 Watts per square metre exposed to the wind (the wind is coming from a direction perpendicular to the swept rotor area). At 16 m/s we get eight times as much power, i.e. 2509 W/m2. The table in the right gives you the power per square metre exposed to the wind for different wind speeds.

风能的好坏（用风能密度W评估）
? W< 100 W/m2 – poor 不好
? W 约 400W/m2 – good 好 ? W > 700 W/m2 – great 很好

风资源特点－风功率谱密度

预测相对容易，与日发电量、日负荷电力调度有关

与气象系统有关，难预测

与风机设计、振动疲劳荷载及电能质量有关

风资源数据统计精度对风机设计的影响
风随时间和空间变化，产生剧烈的随机脉动，通过3次方关系的放大，极易形成巨幅的能量变化和脉动荷载，从而引起材料的疲劳。风既是风机能量的来源，

也是风机载荷的来源。如果能得到精确的风脉动（统计规律）特点，就能更精确地得到随机载荷的特点，从而预测材料的疲劳损伤过程，能更经济的设计风机。
缺少风力材料 V, P(t) F s, e 一般 V(t), V(t+Δt) F(t), F(t+Δt) s (t), s (t+Δt) e (t), e (t+Δt) 详细 V(t) F(t) s (t), e (t)

（这里还涉及一个基础问题，材料的疲劳特性，与一个国家的原材料工业及其研究有关）

风资源知识
? 风的形成
? 风资源描述 ? 风能计算

1、风的形成
?1.1 地球上的风
风是主要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，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——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——指风的来向。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。风速——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。

风速换算
? 风速的法定单位和几种常用单位的换算。单位 1米· 秒-1 1海里· 时-1 1千米· 时-1 1英尺· 秒-1 1英里· 时-1 米· 秒-1 1 0.51444 0.278 0.3048 0.44704 海里· 时-1 1.943844 1 0.53996 0.592484 0.868976 千米· 时-1 3.600 1.852 1 1.09728 英尺· 秒-1 3.28084 英里· 时-1 2.23694

1.6878099 1.1507795 0.9113444 0.6213699 5 1 1.466667 0.681818 1

1.2 地球上的环流
? 1.2.1 大气环流
风在地表上形成的根本原因是太阳能量的传输，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层流向极地，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）

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

? 1.2.1 大气环流(续)
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。（图2）

图2 由于地球自转产生的大气环流状况

地球自转对气流的影响

How the Coriolis Force Affects Global Winds