风力机原理.doc

风力机原理与应用
一、 中国风电行业发展的三个阶段：
1.1986-1990年，并网风电项目的探索及示范。建立4个风场，32台机组，单机最大容量200kw， 总装机容量4.215mw。
2.1991-1995年，逐步推广，建立五个风电厂131台机组，单机最大容量500kw，总装机容量33.285mw。
3.1996年以后，扩大建设规模，平均每年新增61.8mw，最大单机容量1300kw。
二、 目前我国拟建风电基地：
甘肃酒泉（1100万kw） 新疆哈密 （2000万kw）内蒙古地区（5000万kw） 河北沿海及北部（1000万kw） 江苏沿海及近海地区（1000万kw）
三、 风力发电机组的发展趋势：
1. 水平轴风力机成为技术主流
2. 巨型化
3. 控制输出系统
4. 变速恒频发电
5. 海上发电
6. 直驱式发电机组
四、 风的形成：由于太阳辐射和地球自转
五、 风电厂的特性：
1. 参考系数：风速和风向
2. 资料：30年内的气象资料和实测一年的风速风向资料
六、 风电厂的设计原则：
1. 年平均风速大的地区（山区大于5.8：滨海大于6）
2. 地域环境：场地开阔，四面临风，地质条件好
3. 交通运输方便
4. 并网条件好
5. 不利气象环境少
6. 土地征用和环境保护问题
七、 风电厂选址的具体步骤：
1. 地形分类：平坦或复杂
2. 考虑湍流和尾流效应
3. 确定风电机组最佳安装间距和台数
4. 确定风向
5. 考虑其他因素影响确定布局
八、 风电厂的布局：
1. 错列：风向不变的风电厂（前后大于五个直径，左右大于七个直径）
2. 顺列：风向不确定（间距大于七个直径）
3. 梯形排列：上下坡（高差为半个到一点五个直径，前后为五到七个直径）
九、 风力机分类：
1. 按装机容量分类：小型（小于60kw） 中型（60-600kw）
大型（600-1000kw）巨型（大于1000kw）
2. 按照风力机轴的安装形式分类：水平轴和垂直轴
3. 按照功率调节方式分类：(1)定桨距调节：依靠叶片本身失速性能（2）变桨距调节：叶片采用轴向可调结构，改变攻角（3）主动失速调节：前两种方式的结合
4. 按传动方式分类：高传动比的齿轮箱、直驱式、半直驱式
5. 按发电机转速分类：恒转速、变转速、多态定速发电机
十、 按照风轮塔架的相对位置水平轴风力机分为：上风位和下风位
十一、 水平轴风力机构造
1. 叶片：升力型翼型
（1） 材质：
①小型机：木制，整块木头加工而成：根部用金属用螺栓与轮毂固定表面涂有保护器蒙皮玻璃纤维或复合材料。
②大中型：木制，全部用多个纵向木条胶结而成，或部分用纵向木条，前后填充泡沫，再者用一根钢管作为受力梁其他部分为蜂窝状结构填充泡沫轻木屑
（2） 设计制造考虑的问题：热膨胀性不同：密封性：雷击保护
2. 轮毂：连接轴和叶片，传递风轮的力和力矩
（1） 固定式：用于三个叶片，球墨铸铁制成，抗扭矩性好
（2） 固定铰链式：两个叶片，跷跷板结构
（3） 自由铰链式：叶片间互不依赖，单独调整运动
3. 机舱：发电机、齿轮箱、制动器、调向调速装置
（1） 设计要求：重量轻，刚度大：安装检修方便：散热通风好：对流体流动的阻力要小：制作成本低
（2） 安装要求：保证各部件安装精度，各部件对中：采用弹性联轴器，减轻载荷
4. 调速器和限速装置：风向不变，风速改变
作用：在不同风速下，时风力机转速维持恒定；保证风力机不超过设计转速；维持风力机在恒定功率下运行
调速装置结构和类型：
定桨距式：（1）偏航式;（原理）在一定的风速范围之外，调节风轮与风的正对方向，减小风轮捕获面的有效面积，改变力的大小，从而改变转速；
（2）气动阻尼式；（3）叶尖可调叶片式;
变桨距式：离心调速式：电子控制液压机构式
5. 调向装置：风向改变
作用：设计风速下，保持风轮的有效面积（风轮和风向正对），从而保证转速与功率恒定
（1） 尾舵调向
（2） 侧风轮调向
（3） 风向跟踪装置
6. 传动机构：低速轴、高速轴、增速齿轮箱、联轴器、制动装置等
分类：定轴线齿轮传动和行星轮传动
7. 机械刹车装置：
作用：（1）正常停车：检修、失速、不能并网
（2）紧急停车：突发故障
驻车系统组成：空气动力学驻车和机械刹车
安装位置：低速轴和高速轴
钳式制动盘的结构：制动盘、液压缸、制动钳、油管组成
8. 塔架：承受震动载荷、静载荷、动载荷
分类：拉索式；桁架式；钢制锥筒式；钢混组合
构成：塔筒、塔门、塔梯、平台、照明、电缆梯、电缆卷筒支架、外梯、安全设施
9. 主传动链布局：
（1） 主传动链基本布局形式：
形式特征：主传动链和发电机等部件呈一线形布置在机舱内
特点：①有利于降低风力发电机组的设计要求，较易控制风力发机组的总体成本
②允许风轮的变速范围较宽，可以在发电机同步转速的30%范围内运行。
③容易实现风力发电机组部件标准化设计，设计风险较低。
④无关键技术障碍，对风力机组大型化发展趋势有利
（2） 风轮直接驱动发电机的布局
基本结构：轮毂、发电机、机舱
技术特征：采用永磁发电机系统，由风轮直接驱动，允许较低速运行。
特点：①传动系统结构简单，有利于降低风电机组故障率
②允许风轮在较大范围变速运行，有利于提高风能利用系数
③目前所需多级低速永磁同步发电机体积和重量大，发电机的设计制造、运输和运行可靠性等问题有待解决。
④发电机系统尚未形成标准，需全部采用全功率逆变装置成本较高
十二、 翼型的受力分析：压力垂直指向作用面，下表面压力高，上表面压力较低。产生压差，产生阻力和升力（公式自己找）

十三、 风轮的几何参数和定义
（1） 旋转平面：与风轮转轴垂直，由叶片上距离风轮轴线坐标原点等距的旋转切线构成的 一组相互平行的平面。
（2） 风轮直径：风轮扫略圆的直径
（3） 风轮的轮毂比：风轮轮毂直径与风轮直径之比
（4） 叶片叶素：风轮叶片在风轮任意半径处的一个基本单元，由半径处翼型剖面延伸一小段厚度而形成的
（5） 安装角：在半径处，翼型剖面的弦线与旋转切向速度间的夹角
（6） 桨距角：叶尖叶素安装角
（7） 叶素倾角：叶素表面气流与切向速度反方向之间的夹角
（8） 叶片数：风轮叶片的数量
（9） 叶片适度：叶片投影面积与风轮扫风面积的比
（10） 叶片长度：叶片的有效长度
（11） 叶尖速比：风轮外径切向速度与风轮前风速之比
十四、 影响升力和阻力的因素：
（1） 翼型的弯度：弯度越大，升力和阻力越大，一、同一个攻角下，阻力变化快导致升阻比下降
（2） 厚度的影响：同一弯度下，厚度增加升力和阻力增加，阻力变化快造成了升阻比下降
（3） 前缘：前缘抬高，负攻角阻力变化不大，前缘低垂时，负攻角时导致阻力迅速增加
（4） 表面粗糙度和雷诺数的影响：分离越前，阻力越大。
十五、 翼型的分类：航空翼型和专用翼型（每个断面都改变）
十六、 风力机载荷分类：
（1）按照载荷来源分类
空气动力载荷；重力和惯性载荷；操作载荷；其他载荷（冲击载荷 覆冰载荷）
（2） 按照结构设计要求分类：极限载荷和疲劳载荷
十七、 叶片切向载荷分布：V很小时载荷分布均匀，V增大，载荷增加，分布均匀，当V大于切出风速，根部最大，尖部最小。（图）
十八、 拍向载荷分布：V很小时，根部载荷小，尖部载荷大，随着速度增加，载荷增加，尖部比根部稍大，当大于切出风速时，尖部载荷小，根部载荷大。