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1、风电基础知识,目录,风电行业特点及其相关核心知识概述风资源知识风区分类IEC、GL标准空气动力学风机分类风机基本控制概念风机设计介绍,化石与核能的使用只是人类历史长河的一瞬间,能源资源的特点和国际比较,探明总资源量8230亿吨标准煤，探明剩余可采总储量1390亿吨标准煤剩余可采储量的保证程度煤炭81年、石油15年、天然气30年,铀50年。以煤为主，缺乏石油、天然气资源，水能较丰富人均能源资源量低于世界平均水平,单位：年,能源价格对比,根据国内风电成本测算得到的包括财务成本在内的风电平均成本为0.551元/(kWh)，在使用期的总成本费用已经接近新投资的水电和火电。,为什么要发展风力发电？,（1
2、）化石能源有限，发展风电有利于提高中国能源供应的安全性（2）风能储量大、广泛，发展风电是解决中国能源供应不足的有效途径（3）风电清洁，发展风电是减排温室气体排放的有效途径.(京都议定书 签订后，CDM机制）（4）发展风电可以促进地区经济发展，并拉动机电制造业发展及解决就业。（如：丹麦）但到目前为止，风电市场仍然是政策主导的市场2003年5月27日，欧洲风能协会和绿色和平组织的环境组在布鲁塞尔发布一项报告风力12，这个战略性蓝图勾画出目前价值70亿欧元的风能工业如何能在2020年增值为750亿欧元。到2020年，风力发电将在全球电力市场中占12%。全世界风力发电装机容量将达到12.31亿千瓦（1
3、23100万千瓦），创造1.79亿个就业机会，使发电成本降低40%，并累计减排二氧化碳1092.1万吨。长达52页的风力12研究报告详细论证了如何实现风力发电的美好前景。,中国风能资源丰富,国家气象局依据分布在中国各地10米高气象测风仪数据统计：陆地约有 2.53亿千瓦年电量 5000亿 千瓦时 海上初步估计可开发约 7.5亿 千瓦 合计约 10亿 千瓦（2004年全国电力总装机 4.4亿 千瓦）其中内蒙和新疆 占中国风资源的约7080,中国风资源分布,风电项目,箱式变电,（升压）变电站,超高压输电,风机,（降压）变电站,用户,不包含升压变电站的项目,包含升压站的项目,海上变速风机的并网,Pr
4、incipal layout of offshore wind turbines,their collection and transmission(C&T)systems for interconnection to mains,i.e.,for fungible power to the AC network and trading,近海风电技术：风力发电机组Vestas 3MW,2005年Kentish Flat海上风电场安装30台vestas 3MW机组，该机组额定功率3MW，机舱（包括轮毂）重量111T。,风电项目成本构成,在中国，风电项目的固定资产投资构成比例,风电项目中风机故障构
5、成,英国的统计,风机制造业,Repower 2MW 风机,750KW风机,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）,1200KW风机,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,叶轮直径62 m扫风面积 3019 m2转速范围 10 20 RPM1叶片数量 3叶片类型 LM
6、29.1 P 或相似叶片功率控制 变速变桨刹车系统3套独立的叶片刹车,塔架类型钢制锥塔轮毂中心高 69 m,运行数据切入风速3 m/s额度风速 12 m/s 切出风速25 m/s抗最大风速59,5 m/s,电机 类型多极永磁同步发电机 结构直接驱动 额定功率 1200 kW 额定电压 Y690V 绝缘等级 F,风机主要组成,偏航系统,电机,驱动链,轮毂,叶轮,控制,变电系统,国外大型风力发电机组发展趋势,风特性,叶轮,机械,电机,并网,风力,控制,材料,制造,￥,叶片设计,部件制造,COE,风机(知识)体系结构与边界条件,Cost of Energy,频率50Hz电压 690V 或其他功率因数
7、0.98,噪音叶尖速转速,材料强度,控制能力,运输安装,部件共振耦合,结构,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 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
8、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,As the blades sweep the disk of air,the blade tip speedIs typically 6 to 10 times the wind speed.,风机如何在风
9、中工作,单位面积风中的能量，与风速的3次方成正比,Cp 吸收效率 空气密度，标准密度：1.225kg/m3A 风轮面积，pD2/4U 风速,风机吸收的能量,吸收风能，承受推力,风机如何在风中工作,风吹过风轮后会怎样,转轮旋涡气动模型,根据空气对叶轮的反作用,风机尾流,单位面积中的风能,The graph shows thatat a wind speed of 8metres per second we geta power(amount ofenergy per second)of314 Watts per squaremetre exposed to thewind(the wind is
10、coming from a directionperpendicular to the swept rotor area).At 16 m/s we get eight times as much power,i.e.2509 W/m2.The table inthe right gives you the power per square metre exposedto the wind for different wind speeds.,风资源特点风功率谱密度,与风机设计、振动疲劳荷载及电能质量有关,与气象系统有关，难预测,预测相对容易，与日发电量、日负荷电力调度有关,风的形成风资源描述
11、风能计算,风资源知识,风的形成,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
12、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。,平均风速,风资源描述,平均风速 为风速在规定时距T内的时间平均值，即：采用合适时距T的平均风速（例如10分钟），它在一段观测期内的变化一般不明显。实际平均风速是由在相应的时距中，将其瞬时风速相互抵消后所得的综合结果，采用不同的平均时距就会得到不同的平均风速，时距愈大，平均风速的变化愈小，而相应的平均风速最大值也愈小。为了得可以相互比较的平均风速记录，气象上规定一个统一的平均时距，世界气象组织和我国规定将10分钟平均时距作为平均风速的标准时距。由于历史的原因和条件的限制（如目测），在一些报表和项目中使用
13、的是2分钟或更多种的平均风速，使用时必须加以注意。,风力等级表,注：13-17级风力是当风速可以用仪器测定时使用。,在近地层稳定层结时，有“对数-线性律”：（2）式中L为莫宁一奥布霍夫长度，a1为根据实测资料确定的常数。一般情况下，近地层风速廓线可用幂次律：式中 为z1高度的平均风速，指数n随层结稳定度而变化，中性层结n=1/7不稳定层结n较小，稳定层结n较大。,风剪切,威布尔分布（Weibull）,平均风速分布1）平均风速的概率分布,C 幅度参数，k 形状参数,风速分布一般均为正偏态分布。常用的概率分布曲线有：,瑞利分布（Regleigh）（k 2 时）,平均风速分布,1）平均风速的概率分布
14、,威布尔（Weibull）概率分布曲线,风向,风向来风的方向。通常说的西北风、南风等即表明的就是风向。陆地上的风向一般用16个方位观测。即以正北为零度，顺时针每转过22.5为一个方位。风向的方位图图示如下。,(图)风向风速玫瑰图,风向统计规律的表示方法,N NNW NNE NW NE WNW ENE W E WSW ESE SW SE SSW SSE S,16个风向的风向玫瑰图,风速频率,对于风力机的安置处，有两个重要的描述风资源的参数：年平均风速和风速频率。在计算风率时，通常把风速的间隔定为1m/s；风速在某一时间段平均，如10分钟；按风速的大小，落到哪个区间，哪个区间的累加值加1。把个区间
15、出现的次数除以总次数即得风速频率。,风频（%）12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 风速（m/s）,风速统计规律的表示方法,20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000,风况曲线,根据风况曲线通常可以看出：一年之中有多少时间低于起动风速而无法起动？有多少小时可以达到额定出力？取多大的切出风速较合适？可见，风频特性和风况曲线是开发风能的重要原始资料和依据。,利用风频分布及功率曲线进行发电量的估算,功率曲线,湍流强度 在近地
16、层中，气流具有明显的湍流特征。湍流是一种不规则随机流动。其速度有快速的大幅度起伏，并随时间、空间位置而变。定义一个时段的脉动风速相对该时段的平均风速的标准偏差与该平均风速的比值。即：，称为湍流强度，它是度量相对于风速平均值而起伏的湍流量的大小。,湍流强度,均方差,湍流强度,不同设计标准中的湍流强度,风能与风能密度,风能风的动能。计算一年中风能的大小，要考虑风速的分布情况，而不能简单使用年平均风速。年有效风能起动风速到切出风速之间的风能。有效风能密度年有效风能除以年有效风速的持续时间。,风能公式 单位：瓦式中为空气密度，单位kg/m3V为风速，单位m/sF是气流通过的面积，m2评价一地风能资源潜
17、力，常用风功率密度：单位：瓦/米2,风能资源 风能资源的计算,风机（风轮）吸收的风能,Cp 吸收效率 空气密度，标准密度：1.225kg/m3V 风速A 风轮面积，pD2/4,P=(1/2)V3ACp,风特性（习性)总结,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整数时间序列(Integral time scale/length scale)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）(Wind speed probability density functions)功率谱密度(Power spectral density function)
18、短期的统计（几秒、几分）湍流强度（turbulence intensity）自相关函数(autocorrelation)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,风区分类,（用于指导风机设计和应用）,IEC标准,风区分类,GL标准,空气动力学,假设风为均匀层流假设空气不可压缩,动量叶素理论,V1,V2,A1,A,A2,v,流量,风轮尾流不旋转时的动量理论,质量守恒：A1 V1=A V=A2V2动量定理：T=A V(V1V2)能量方程：P=1/2 A V3cp=1/2 mV12 1/2 mV22,a=1/3时，
19、风能利用系数 达到贝兹极限 Cp=0.593,V轴向=aV1,a 轴向诱导因子,CT 推力系数,当考虑风轮尾流旋转时，风轮轴功率有损失，风轮功率系数要减小。,风轮尾流旋转时的动量理论,V1,V2,V,A1,A,A2,风轮物理参数,风轮转速 尖速比风能利用系数扭矩M,，,风轮物理参数,CP,按风力机风轮转轴相对地面的位置可分为垂直轴风力机和水平轴风力机。,垂直轴风力机 水平轴风力机,水平轴风力发电机组按风力机功率调节方式可分为：,水平轴风力发电机类型,定桨距失速型风力发电机组变桨距失速型风力发电机组变桨变速恒频型风力发电机组,水平风力发电机 比较,定桨定速vs.变桨变速风力发电机组输出功率的比较
20、,风机控制,(1)机组的启动和关机程序；(2)电气负载的连接和发电机的软并网控制；(3)变桨距风力机的功率调节和功率限制；(4)风轮转速；(5)偏航迎风；(6)扭缆限制；(7)电网失效或负载丢失时的关机等。,控制系统可以控制的功能和参数包括,风机控制,(1)风速和风向；(2)风轮或发电机转速；(3)电参数，包括电网电压和频率，发电机输出电流、功率和功率因数；(4)温度，包括发电机绕组和轴承温度，齿轮箱油温，控制柜温度和外部环境温度；(5)制动设备状况；(6)电缆缠绕；(7)机械零部件故障；(8)电网失效等。,对风力发电机组运行参数和状态的检测和监控,风机控制,转轮惯量,驱动链惯量,电力扭矩,刹车扭矩,主轴,空气动力扭矩,动力传递,风机控制,风机控制,控制步骤,风机设计概念及工程设计,水平轴风机 不同转轮系统 及 其主要子系统的工程设计方法,
