《清洁能源概论》风力发电技术教学教材.ppt

风力发电技术;风能的利用;风力发电设备;叶轮：叶片和轮毂，获取风能并转化为机械能。 机舱 偏航系统 传动链 主轴：将风轮力矩传递给齿轮箱或发电机。 齿轮箱：将风轮转速在高速轴侧提高到满足发电机需要的转速。 发电机：异步发电机、双馈发电机、永磁同步发电机 制动系统、桨距调节装置 塔架 电控系统：风力发电机组的运行与管理。;1、水平轴力风机;风力机的主要技术指标参数;风机叶片;2、垂直轴风力机;风力发电系统的分类——风轮轴向;风力发电系统及装置;（二）调向机构;（三）发电机;(五)塔架;控制系统主要功能：;水平轴中大风力发电机组基本结构;风轮机的设计思想是尽可能便宜地生产电能。风轮机的设计基于目标风场的风速条件，因此风轮机一般被设计成在风速为8～15m／s时具有最佳的性能，即有最大的电能产出。人们不会花大力气把风机设计在强风时有最多电能产出，因为强风天气不多见。 因此，在强风天气时必须浪费部分多余风能，以避免损坏风机。所以所有的风机都设计有某种能量控制装置，在现代风机上有两种不同的安全实现方式。;(1)可调楔角控制风轮机。在可调楔角控制(pitch)的风力发电机上，风力发电机的电子控制器每秒钟检查几次风力发电机的电能输出。当能量输出过高时，它就会向桨叶调节装置发出一个指令，后者将立即把桨叶轻微地转动一个角度，减小冲角使之偏离最佳值；反之，当风速再次降低时，桨叶就会回复原来的最佳冲角。因此，安装在轮毂上的桨叶必须能够绕风轮的径向纵轴转动。;在实际运行中，桨叶的角度调节是在转子旋转的同时完成的，叶片一次会转动一个微小的角度。 采用可调楔角控制的风轮机要求精确的工程设计来保证叶片恰好转动所需的角度。可调楔角控制用计算机来实现，使风轮机在所有风速时桨叶都能保持最佳角度，以产出最多电能。 可调楔角控制装置通常都是液压驱动的。;(2)被动失速控制风轮机。被动失速控制(stall)风轮机的桨叶以一个固定的角度(即安装角或楔角)用螺栓固定在轮毂上，因此其楔角是固定不变的。;桨叶的几何轮廓是根据空气动力学原理设计的，类似于飞机的机翼。前??讲过，对于翼型，攻角过大时会产生失速。对于飞机，自然要避免出现失速的状况。但对于风轮机，则可以利用失速的现象来实现控制。当风速过高时，能够在叶型的背风侧(吸力面)会产生涡流形成失速，从而减小作用于转子的扭矩。 ; 被动失速控制风轮机的桨叶是经过适当设计的，当实际风速增大到某一特定的数值时，桨叶的冲角就会达到失速边界，开始出现失速。 被动失速控制风轮机的转子叶片沿纵向是微螺旋形(也称为弯扭叶片)的，即楔角随着半径的增大而减小。除了前面介绍的原因外，这样做的另一方面原因是确保当风速达到失速临界值时叶轮能够平稳失速而不要突然全面爆发。或者说，失速是自叶根部位开始的，随着风速的增加逐步向叶尖的方向发展。;被动失速控制的主要优点是避免了扭动叶轮转子本身的部分，而且不用复杂的控制系统。而另一方面则出现了复杂的气体动力学设计难题，还有相关的风力发电机整体结构动力学设计的挑战，比如说怎样避免诱发失速的振动等。现在，世界上安装的风力发电机组大约有2／3采用的是被动失速控制方式。 ;(3)主动失速控制风机。越来越多的大型风机(1MW及以上)在发展主动失速控制装置。 主动失速控制风轮机技术上与可调楔角控制的风轮机有些相像，因为它们都可以扭转桨叶。为了在低风速时能够有足够大的力矩，这种风轮机通常设计在低风速时像可调楔角控制风轮机那样转动桨叶，从而获得最佳的冲角(不过通常只是根据风速情况采取几个固定角度)。;然而，当风速增大，风力发电机的出力达到额定功率时，就会体现出它与可调楔角控制风轮机的重要差别：当发电机将要超负荷时，它转动桨叶的方向与可调楔角控制风轮机的方向恰恰相反。可调楔角控制风轮机是通过减小冲角来使之小于最佳值，而主动失速控制的方法是继续增加冲角，使桨叶失速来浪费多余的风能。;主动失速控制的一个优点是能够比被动失速控制更精确地控制能量输出，以避免刚起大风时风力发电机出现超负荷。另一个优点是几乎在所有强风天气都能保持额定功率运行，而一般被动失速控制的风力发电机在高风速时通常会因为叶轮失速而使电能输出降低。;主动失速控制装置通常通过液压装置或步进电动机来驱动。 但是，与被动失速控制相比，主动失速控制有一个经济问题：加装动叶转动装置显然会增加风力发电机的投资，同时也会增加风力发电机的维护费用。;另一种在理论上十分可行的办法是使风轮机偏离迎风方向，这样就减小了实际的迎风截面积，减少了风能输入。从速度上看，风速分解为垂直于叶轮平面的轴向分量和平行于叶轮平面的侧向分量，轴向风速比实际风速小。但偏离控制技术实际只应用在小型机组(1Mw以下)上，而且应用得不广泛，因为当叶轮偏离时会使转子受