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风力发电 朱永强， zyq@ncepu.edu.cn 华北电力大学 电气与电子工程学院 §3.4.2 水平轴风力机的原理 容积比 也叫实度，表示“实体”在扫掠面积中所占的百分数。 多叶片风力机具有很高的容积比，被称为高容积比风力机；具有少数几个窄叶片的风力机，则被称为低容积比风力机。 多个叶片会互相干扰，因此总体上高容积比的风力机效率低。不过，空气动力学噪声一般较小。 低容积比风力机，如果叶尖速比太低，有些风会直接吹过转子的扫掠面积；如果叶尖速比太高，一些气流将绕开风力机流过。 §3.4.2 水平轴风力机的原理 力矩和转速 风力机机械能等于叶片角速度与风作用于风轮的力矩的乘积。 获取风能相同，角速度小，则力矩大；角速度大，则力矩小。 低速风力机的输出功率小，扭矩系数大，用于磨面和提水的风力机，常采用多叶片风力机。 高速风力机效率高、输出功率大，因此风力发电常用2～3叶片。 §3.4.2 水平轴风力机的原理 取自风能的功率 风力机捕获风能转变为机械功率： 一般不易对空气密度、风速、叶片半径等进行实时控制，为了实现风能捕获最大化，唯一的控制参数就是风能利用系数Cp 。 主要是控制叶尖速比和桨距等。 §3.4.2 水平轴风力机的原理 工作风速 风力机并不是在所有风速下都能正常工作。 起动风速——“切入风速” ； “额定风速” ； 停机风速——“切出风速” 。 §3.4.3 风力机的功率调节方式 定桨距风力机功率调节 风轮叶片的桨距角固定不变，利用叶片的失速特性调节风力机的输出功率。 在额定风速以下，吸收的能量随流速上升而增加； 当超过额定风速后，叶片翼型发生变化，叶片后侧的气流分离产生湍流，叶片效率急剧下降，输出功率不随风速上升而增加。 失速型叶片存在扭角，失速从叶片的局部开始，随风速的上升而逐步向叶片全长发展，起到功率调节作用。 定桨距风力机的风功率捕获控制完全依靠叶片的气动性能，优点是结构简单、造价低、同时具有较好的安全系数。缺点是难以对风功率的捕获进行精确的控制。 §3.4.3 风力机的功率调节方式 变桨距风力机功率调节 通过调节桨距角改变叶片攻角，以改变叶片的风能捕获能力。 启动时，调节桨距角，限制风能捕获以维持风力机转速恒定。 低于额定风速时，保持桨距角恒定，通过调速控制使风力机运行于最佳叶尖速，维持风力机组在最佳风能捕获效率下运行。 高于额定风速时，调节风力机桨距角，使风轮叶片的失速效应加深，从而限制风能的捕获。 变桨距功率调节可在高于额定风速时保持稳定的功率输出，并且机组结构受力相对较小。 但是需要桨距调节装置，控制系统复杂，价格较高，风速跟踪有延时，可能导致风力机瞬间超载。同时，风速的不断变化会导致变桨机构频繁动作，损坏后维修费用昂贵。 §3.5 风力发电机组 §3.5.1 风电机组及其构成 §3.5.2 风力发电机 常见的风力发电机类型 （1）恒速恒频的鼠笼式感应发电机 （2）变速恒频的双馈感应式发电机 （3）变速变频的直驱式永磁同步发电机 §3.5.3 传动和控制机构 包括传动结构（例如齿轮箱）、对风系统（偏航系统）、限速和制动装置。详见教材 §3.5.4 塔架和机舱 塔架的高度视地面障碍物对风速影响的情况及风轮直径大小而定（详见教材） §3.6 风电场 3.6.1 风电场的概念 在风力资源丰富的地区，将数十台至数千台单机容量较大的风力发电机组集中安装在特定场地，按照地形和主风向排成阵列，组成发电机群，产生数量较大的电力并送入电网，这种风力发电的场所就是风电场。 风电场单机容量小、机组数目多。 §3.6 风电场 更多类型的风电场照片，详见教材3.6节。 §3.6 风电场 3.6.2 风力发电的特点 优点： （1）没有直接污染排放； （2）不需要水参与发电过程； （3）经济性好。 对环境的负面影响： （1）风力机的噪声； （2）风力机的电磁干扰； （3）视觉影响；等等。 * 新能源与分布式发电技术 风力发电 新能源与分布式发电技术 制作：朱永强，许 郁，丁泽俊 第3讲 风能与风力发电 华北电力大学 第3讲 风力发电 关注的问题 风是最常见的自然现象之一。风是怎样形成的？ 人类何时开始懂得对风能的利用？又是如何利用的？ 风力发电的原理是怎样的？风力发电的设备什么样？ 风力发电能达到什么样的规模？发展状况如何？ 教学目标 了解风资源情况和风能利用的发展历史， 掌握风力发电的基本原理和主要设备， 理解风力发电的重要意义和发展前景。 §3.1 风能利用的历史 人类利用风能的历史，至少可以追溯到5000多年以前。 埃及可能是最先利用风能的国家。 趣闻：风能与金字塔（见教材） 2000多年以前，人类开始利用风的力量进行生产，例如靠风力带动简易装置来碾米磨面、引水灌溉。 公元前几百年，亚洲的巴比伦人、波斯人也开始