风力发电机组结构原理及技术.ppt

浙江风电公司吴金城风力发电机组技术风力发电机组技术风电场中，高级工程技术及管理人员培训班风电场中，高级工程技术及管理人员培训班2008年9月12日浙江风电公司吴金城n吴金城：浙江吴金城：浙江风电公司副公司副总经理理n1992：Bonus合作生合作生产120千瓦千瓦风电机机n1993：参加：参加200千瓦千瓦风力力发电机研制机研制n1994：浙江：浙江风电公司公司n NTK550千瓦、千瓦、Micon600千瓦、千瓦、V42、D4、V52V80n 250千瓦、千瓦、750千瓦千瓦风电机机浙江风电公司吴金城时间安排时间安排n12日日n08:30 09:30 介介绍n风力力发电机原理、机原理、发展展n空气动力学原理n风力发电机发展历史n09:30 10:00 休息休息n10:00 11:30 风力力发电机分机分类n各类风力发电机的特点n14:00 15:00 风力力发电机机结构及主要构及主要部件部件n15:00 15:30 休息休息n15:30 17:00 风力力发电机机齿轮箱箱n齿轮箱结构特点、发展趋势和常见故障浙江风电公司吴金城时间安排时间安排n13日日n08:30 09:30 风力力发电机偏航系机偏航系统n09:30 10:00 休息休息n10:00 11:30 风力力发电机液机液压系系统和和刹刹车结构构n风力力发电机的控制和安机的控制和安全系全系统n14:00 15:00 风力力发电机的塔架和基机的塔架和基础n塔架种类、基础设计特点n15:00 15:30 休息休息n15:30 17:00 风电机特性及机特性及环境影响境影响n功率特性、噪声特性、风电机对环境影响浙江风电公司吴金城n 两天两天课程的最低目程的最低目标：n了解风力发电基本原理、风电机的主要结构和几个基本概念。浙江风电公司吴金城风风力力发电发电机原理机原理n风中中蕴含的能量含的能量n风电机将风的动能转化为机械能并进而转化为电能。从动能到机械能的转化是通过叶片来实现的，而从机械能到电能则是通过发电机实现的。n动能能n能量和功率能量和功率n空气的空气的质量量n空气密度随着空气压力的增大而增大，随着温度的升高而减小：n冷空气比热空气密度大（热气球升空就是利用的这个原理）。在普通大气压力和20C温度的条件下每立方米空气的质量是1.204kg；在-10C的温度下，每立方米空气重1.342kg，比常温下重了11%。也就是说，同样的风速同样的风电机，-10C冷风比20C热风能够多产生11%的电能。n单位体积的空气，密度大的比密度小的要重，也含有更多的能量。高压地区（1020hPa）的空气密度比低压地区（980hPa）的空气密度大，单位体积重量也大。浙江风电公司吴金城风风力力发电发电机原理机原理n一台2MW的风电机叶片半径在40米左右。在普通空气密度下，温度10C，风速6米/秒（=21km/h）的情况下，风电机的功率是780KW。在这个风速下，每秒流经风电机的空气是43吨。其中所蕴含的能量相当于一辆小型货车（2.5吨重）开90公里/小时的时候，或者一台小轿车（700公斤）开170公里/小时的时候的能量。n当风速达到18米/秒（=65公里/小时）的时候，每秒流经风电机的空气大约是110吨。风速增长到3倍，但风的功率却要增长到3的3次方倍，也就是27倍。这个时候风的功率大约是21兆瓦。浙江风电公司吴金城基本原理基本原理A1AA2v1v2vPmech空气是不可压缩的，高速气流减慢后必然扩散。浙江风电公司吴金城基本原理基本原理n动能:n风能:n风电机吸收的能量:MaxDPw?浙江风电公司吴金城将将风风能能转转化化为为机械能机械能n升力型和阻力型升力型和阻力型风力机力机n风会会对切割它移切割它移动方向上的任意面方向上的任意面积A 形成一个力，形成一个力，这个力就是阻力。个力就是阻力。阻力型机器利用阻力阻力型机器利用阻力产生生动力。力。浙江风电公司吴金城阻力型阻力型风风力机力机n阻力与下面的参数成比例关系：n风速U的平方n切割面积An该面积的阻力系数CDn空气密度阻力系数CD(D是英语里“阻力”的第一个字母)。这个值是用来表示某个物体对空气形成阻力的大小的，可以在风洞里进行测定。CD值越小，空气阻力也就越小。比如一个圆盘横向对风的CD值大约是1.11，而方盘大约是1.10，球体大约是0.45。在汽车工业中，工程师们都在研究如何将汽车的CD值变的更小，这样汽车在行进时的阻力就会最小化。比如丰田的Prius的CD值是0.26，而大众的GolfCD是0.325浙江风电公司吴金城Drag-type turbinesDrag-type turbinesRef:www.ifb.uni-stuttgart.de/doerner/edesignphil.html浙江风电公司吴金城古波斯的古波斯的风风力机力机浙江风电公司吴金城阻力型阻力型风风力机力机1922年，芬兰工程师S.J.Savonius发明了Savonious风机浙江风电公司吴金城SavoniusSavonius风风力机力机nAsmallirrigationpumpcouldbedrivenbyasavoniuswindmillatawindvelocityof3m/sormore.Energyconversionefficiencyisamaximumof0.05atatipspeedratioof0.25.Torquecoefficientdecreasesatatipspeedratioof0.25orover.nAsmallirrigationpumpcouldbedrivenbyasavoniuswindmillatawindvelocityof3m/sormore.Energyconversionefficiencyisamaximumof0.05atatipspeedratioof0.25.Torquecoefficientdecreasesatatipspeedratioof0.25orover.浙江风电公司吴金城阻力型阻力型风风力机力机n风杯风速仪也是利用阻力原理来实现的。风杯风速计上风杯的CD-值分别是1.33和0.33（迎风时和背风时）。风杯迎风时的阻力要比背风时的阻力大很多，所以风杯风速计才会迎风旋转。n通过阻力定律来运动的转子无法转动的比风速更快（增速值小于1），属于亚风速转子。这种转子能量损失较大，功率系数（流体动力学上的作用参数）非常小。（波斯风车大概0.17，风杯风速计大概0.08）浙江风电公司吴金城升力型升力型风风力机力机水平水平轴轴HAWT,HAWT,丹麦理念丹麦理念n上风向恒转速风轮、n失速功率控制、n叶尖气动刹车机械刹车浙江风电公司吴金城升力型升力型风风力机力机 垂直垂直轴风轴风力机力机VAWT,VAWT,达里厄达里厄DarrieusDarrieus浙江风电公司吴金城升力型升力型风风力机力机水平水平轴轴HAWT,HAWT,美国多叶片美国多叶片浙江风电公司吴金城Ref:www.ifb.uni-stuttgart.de/doerner/edesignphil.html浙江风电公司吴金城升力型升力型风风力机力机n根据伯努利方程，在同一高度上，叶片的底面或者顶面的动态压力和静态压力和平衡。由于顶端的空气流动比底端的快，从而使顶端产生低压，而底部产生高压：这就是飞机飞行的原理，也是风电机叶片转动的原理。n浮力的大小跟风速的平方、作用面积、空气密度以及升力参数成正比。浙江风电公司吴金城升力型升力型风风力机力机n风轮前后前后风速和速和压力的力的变化化过程程n在到达在到达风电机附近之前，机附近之前，该气流最外气流最外层为 v1，压力力为大气大气压 Po。风电机在机在风接接触到叶片之前就开始触到叶片之前就开始对风影响：在叶片之影响：在叶片之前，前，压力迅速上升，速度稍微减弱。在接力迅速上升，速度稍微减弱。在接触到叶片的那一刻，气流的触到叶片的那一刻，气流的压力力值达到最达到最大大值，然后迅速降低到最小，然后迅速降低到最小压力力值：其中其中所所蕴含的含的动能由叶片能由叶片转化成了机械能。在化成了机械能。在这个个时刻，刻，风速速值v2只有只有v1的大的大约三分之三分之二二n经过叶片之后，气流的叶片之后，气流的压力力值很快上升，很快上升，速度速度继续下降到下降到v3。v3 大大约等于等于v1的三的三分之一。分之一。换句句话说，风电机将机将风速减少了速减少了67%。该气流气流经过叶片后形成紊流和所叶片后形成紊流和所谓的的涡流效流效应。n所有的所有的这些影响在些影响在经过叶片之后逐叶片之后逐渐减减弱，在距离叶片直径弱，在距离叶片直径9倍的距离上，气流倍的距离上，气流基本上恢复到原来的基本上恢复到原来的90%。浙江风电公司吴金城失去部分动能的气流流过风轮后速度降低，由于假定空气是不可压缩的，速度减慢的气流截面必然增大。浙江风电公司吴金城贝贝茨茨n风电机叶片无法将风能量的100%转化为机械能。风电机的转化效率是有极限的。n德国物理学家阿尔伯特贝茨(1885-1968)在1920年计算了风电机转化效率的最大可能值，并在1926年公开发表。根据贝茨定律，风速v1和v3存在着一个最优化的关系：如果风速经过叶片后v3变成0，那么风无法经过风电机；如果风速经过叶片后速度不变，那么风电机就没有捕获能量。浙江风电公司吴金城贝贝茨的假定条件茨的假定条件n理想风轮：无轮毂、无限多叶片、气流流过风轮无阻力；n气流流过风轮是均匀的，在风轮前后的速度为轴向。空气是不可压缩的。失去部分动能的气流流过风轮后速度降低，由于假定空气是不可压缩的，速度减慢的气流截面必然增大。浙江风电公司吴金城基本原理基本原理nTheoreticalMaximumofcp:(A.Betz,1926)浙江风电公司吴金城基本原理基本原理nContinuitynPower:n1式3式得:浙江风电公司吴金城基本原理基本原理nContinuitynPower:nPowercoefficient:浙江风电公司吴金城基本原理基本原理n风电机功率:ncp依赖以下因素:n尖速比:n叶片数量n叶片角度n翼型设计浙江风电公司吴金城基本原理基本原理理想理想BetzBetz效率效率浙江风电公司吴金城The CThe CP P performance curve performance curven浙江风电公司吴金城基本原理基本原理：实际实际各种各种风风机效率机效率理想值OnebladeTwobladesThreebladesDarrieusDutch-TypeAmerican浙江风电公司吴金城风风机的尖速比机的尖速比n尖速比是用来表述风电机特性的一个十分重要的参数。它等于叶片顶端的速度除以风接触叶片之前很远距离上的速度；叶片越长，或者叶片转速越快，同风速下的尖速比就越大。浙江风电公司吴金城尖速比尖速比n慢速比风电机的尖速比最大为2.5。所有以阻力原理作用的风电机的尖速比都小于1，属于慢速比风电机。n以升力原理作用的风电机，如果其尖速比在1到2.5之间，也被称为慢速比风电机。Westernmills和某些风力泵的尖速比大概是1，而Bock风车以及荷兰风车的尖速比大概是2。n快速比风电机是指按照升力原理作用的风电机，并且其尖速比在2.5到15之间。几乎所有的现代风电机（叶片数一到三）都属于此类。n快速比风机由于产生的涡流损失要比慢速比风机低很多，所以其作用系数要明显比慢速比的风机高。一般慢速比风机的转化效率系数cP在0.3到0.35之间，而快速比的风机能够达到0.45到0.55。浙江风电公司吴金城什么使风轮转动？Lift浙江风电公司吴金城n吹到叶片上的气流是风轮前方气流和n相对叶片运动的气流合并而成。n自行车5m/s向前，正右方吹来5m/s，n吹到骑车人身上的风速和风向是？浙江风电公司吴金城VR=RelativeWindVRrV=angleofattack=anglebetweenthechordlineandthedirectionoftherelativewind,VR.VR=windspeedseenbytheairfoilvectorsumofV(freestreamwind)andR(tipspeed).合成风速和攻角浙江风电公司吴金城浙江风电公司吴金城叶片的受力分析叶片的受力分析为相对速度W与局部线速度U（旋转平面）的夹角，称为倾斜角；为弦线和相对速度W的夹角，称为攻角。为弦线和局部线速度U（旋转平面）的夹角，称为节距角；（叶片的安装角？）浙江风电公司吴金城n速度W在叶片局部剖面上产生升力dL和阻力dD，通过把dL和dD分解到平行和垂直风轮旋转平面上，即为风轮的轴向推力dFn和旋转切向力dFt。轴向推力作用在风力发电机组塔架上，旋转切向力产生有用的旋转力矩，驱动风轮转动。nn=+ndFn=dDsin+dLcosndFt=dLsin-dDcosndM=rdFt=r(dLsin-dDcos)浙江风电公司吴金城风风力机的功率力机的功率调节调节n失速n变桨n主动失速浙江风电公司吴金城失速特点失速特点n主要优点：简单n缺点：失速后的风机输出变化不稳，难以预测。失速叶片振动阻尼性差，易产生较大振动，引起的弯曲和应力造成疲劳损坏。在大风中停机时，定桨叶片产生很大气动负荷。所以，定桨失速风电机承受的叶片和塔架负载比变桨风电机大。.浙江风电公司吴金城浙江风电公司吴金城失速失速浙江风电公司吴金城n黄带在离轮毂1/4处，红带的线速度是黄带的4倍，黄带更向后。为保持攻角恒定，叶片需扭转。浙江风电公司吴金城nThewindinthelandscapeblowsbetween,say8m/sand16m/sIfthewindbecomespowerfulenoughtomakethebladestall it will start stalling at the root of the blade.letuscuttherotorbladeatthepointwiththeyellowline.Inthenextpicturethegreyarrowshowsthedirectionoftheliftatthispoint.Theliftisperpendiculartothedirectionofthewind.Asyoucansee,theliftpullsthebladepartlyinthedirectionwewant,left.浙江风电公司吴金城叶片扭转和锥度n距轮毂不同距离处的合成风速不同。n相应的尖速比不同。n为了保证最佳攻角，叶片需要扭转一定的角度。浙江风电公司吴金城叶片扭叶片扭转转n叶片扭转是为攻角a相同。浙江风电公司吴金城失速失速thiscreationofminuteturbulencepreventstheaircraftwingfromstallingatlowwindspeeds.浙江风电公司吴金城变桨变桨uavwvrvt=wRFl浙江风电公司吴金城浙江风电公司吴金城浙江风电公司吴金城n变桨叶片：桨距角增加减小气流攻角。n桨距角减小增大气流攻角。浙江风电公司吴金城变桨变桨特点特点n造价，可靠性。n变桨启动。n气动刹车。浙江风电公司吴金城浙江风电公司吴金城定定桨桨、变桨变桨、变变速速PPratedP=Pratedconst.PnnratedVariablespeedFixedspeed,pitchcontrolledPverticalaxis,DarrieusRotornAllconceptssufferedfromlackofreliability.Seenasfailure,but:nWelldocumentedprototypesofmodernwindgenerators浙江风电公司吴金城一台特殊的一台特殊的风电风电机机nOneimportantmachinesTvind 2 MW machine,afairlyrevolutionarymachine,(havingbeenbuiltbyidealistvolunteers,practisinggenderquotasandotherpoliticallycorrectactivities,includingwavingChairmanMaoslittleredbook.)Themachineisadownwindmachinewith54mrotordiameterrunningatvariablespeedwithasynchronousgeneratorandindirectgridconnectionusingpowerelectronics.浙江风电公司吴金城丹麦丹麦风电风电机机产业产业nBonus 30 kWTheBonus30kWmanufacturedfrom1980isanexampleofoneoftheearlymodelsfrompresentdaymanufacturers.LikemostotherDanishmanufacturers,thecompanywasoriginallyamanufacturerofagriculturalmachinery.Thebasicdesigninthesemachineswasdevelopedmuchfurtherinsubsequentgenerationsofwindturbines.浙江风电公司吴金城nThe55kWgenerationofwindturbineswhichweredevelopedin1980-1981becametheindustrialandtechnologicalbreakthroughformodernwindturbines.Thecostperkilowatthour(kWh)ofelectricitydroppedbyabout50percentwiththeappearanceofthisgenerationofwindturbines.浙江风电公司吴金城风电场风电场nCalifornia,midoftheeightiesnWindfarmswithsmallunits(upto100kW)nBeginningof1987:Around15000units,1400MWintotal(40%ofDanishproduction)浙江风电公司吴金城nCaliforniaintheearlyeighties，abouthalfofthewindturbinesplacedinCaliforniaareofDanishorigin.ThemarketforwindenergyintheUnitedStatesdisappearedovernightwiththedisappearanceoftheCaliforniansupportschemesaround1985.浙江风电公司吴金城当今的当今的风电风电技技术术nTheprototypeoftheVestas1500kWwascommissionedin1996.Theoriginalmodelhada63metrerotordiameteranda1,500kWgenerator.Themostrecentversionhasa68metrerotordiameterandadual1650/300kWgenerator.浙江风电公司吴金城nCommissionedinAugust1999.Ithasa72m(236ft.)rotordiameter.Inthiscase(Hagesholm,Denmark)itismountedona68mtower.浙江风电公司吴金城当今的当今的风电风电技技术术 nNM92(Neg-Micon)nRatedCapacity:2,7MWnRotorDiameter:92mnWind-speed:4.25m/snDoubly-fedinductiongeneratorSource:http:/浙江风电公司吴金城当今的当今的风电风电技技术术nVestasV90nRatedPower:3MWnRotorDiameter:90mnHubHight:80/105mnRotor-speed:9-19rpmnWind-speed:4.25m/snDoubly-fedinductiongenerator(1kV)Source:http:/www.vestas.dk浙江风电公司吴金城当今的当今的风电风电技技术术nGE3.6MWnRatedCapacity:3,6MWnRotorDiameter:104mnHubHight:site-dependentnRotor-speed8.5.15.3rpmnWind-speed:3.5.25m/snDoubly-fedinductiongeneratorSource:http:/浙江风电公司吴金城当今的当今的风电风电技技术术nEnerconE112nRatedPower:4.5MWnRotorDiameter:114mnHubHight:124mnRotor-speed:8-13rpmnwind-speed:2.5.28-34m/snDirectdrivesynchronousgenerator(440V)Source:http:/www.enercon.de浙江风电公司吴金城当今的当今的风电风电技技术术nMultibridM5000nRatedPower:5MWnRotorDiameter:116mnHubHight:variablenRotor-speed:5.9-14.8rpmnwind-speed:4.25-35m/snPermanentmagnetsynchronousgeneratornLowgear-boxrationSpecialprovisionforoffshore-installationSource:http:/www.enercon.de浙江风电公司吴金城当今的当今的风电风电技技术术海上海上风电风电nExample:HornsRev(Denmark)n160MW(80 x2MW),doubly-fedinductionmachines(Vestas)nInoperationsincesummer2002浙江风电公司吴金城浙江风电公司吴金城2.32.3风风力力发电过发电过程程星形环形中央连接浙江风电公司吴金城n海上风电场一般将风力发电机组安装在离海岸5km、水深5-20m的浅海区，升压变电站置于塔筒内，通过海底电缆与大陆并网。建设海上风电场风资源的基本条件为年平均风速应大于6m/s(10m高度)。n我国海上风能资源丰富，10m高度可利用的风能资源约7亿多kW。海上风速高，很少有静风期，可以有效利用风电机组发电容量。海水表面粗糙度低，风速随高度的变化小，可以降低塔架高度。海上风的湍流强度低，可减少风电机组的疲劳载荷，延长使用寿命。一般估计海上风速比平原沿岸高20%，发电量增加70%，在陆上设计寿命20年的风电机组在海上可达25年到30年。随着海上风电场技术的发展成熟，经济上可行，将来必然会成为重要的可持续能源。n欧洲是目前世界上唯一有海上风电场的地区，到目前欧洲的海上风电装机容量达587MW，欧洲风能协会预计到2006年，将达到3.23.4GW，2010年为10GW，2020年为70GW浙江风电公司吴金城n1.混凝土基础n海上风电机基础用的较多的是混凝土基础和单桩基础，丹麦对海上风电机基础的设计和投资进行了研究，提出对于较大海上风电场的风电机基础，钢结构的单桩基础比混凝土结构更加适合。丹麦早期的Vindeby和TunoeKnob海上风电场450500千瓦风电机用的是混凝土基础。首先，在这两个风场附近的码头用钢筋混凝土将沉箱基础建起来，然后使其漂到安装位置，并用沙砾装满以获得必要的重量，继而将其沉人海底。n两个风场的基础呈圆锥形，可以起到拦截海上浮冰的作用，因为在寒冷的冬天，在波罗的海和卡特加特海峡海面冰块很多。n在混凝土基础技术中，整个基础的投资大约与水深的平方成比例。Vindeby和TunoeKnob的水深变化范围在2.57.5米之间，每个混凝土基础的平均重量为1050吨。根据二次方规则，在水深10米以上的这些混凝土平台，因受其重量和投资的限制，混凝土基础往往不再适用。海上风电机基础浙江风电公司吴金城混凝土基混凝土基础础浙江风电公司吴金城n2.重力钢筋混凝土基础n现有的大多数海上风电场采用重力基础，这是一种类似于钢筋混凝土重力沉箱的方法。该方法用圆柱钢管取代钢筋混凝土，将其嵌入到海床的扁钢箱里。浙江风电公司吴金城基基础础完成完成浙江风电公司吴金城基基础础安放安放浙江风电公司吴金城基基础础就就绪绪浙江风电公司吴金城风电风电机安装机安装浙江风电公司吴金城n3.单桩基础n单桩是一种简单的结构，由一个直径在3.5米到4.5米之间的钢桩构成。钢桩被打到在海床下10米到20米的地方，其深度由海床地面的类型决定。单桩基础有力地将风塔伸到水下及海床内。这种基础一个重要的优点是不需整理海床。但是，它需要重型打桩设备，而且对于海床内有很多大漂石的位置采用这种基础类型不太适合。如果在打桩过程中遇到一块大漂石，一般可能在石头上钻孔，然后用爆破物将之炸开浙江风电公司吴金城单桩单桩基基础础浙江风电公司吴金城制造、运制造、运输输和施工和施工浙江风电公司吴金城n4.三脚架基础n三脚架基础根据了海上石油工业的一些使用经验设计，采用了重量轻价格合算的三脚钢套管。风塔下面的钢桩分布着一些钢架，这些框架分掉了塔架对于三个钢桩的压力。由于土壤条件和冰冻负荷，这三个钢桩被埋置于海床下1020米的地方。这种基础使用较少。浙江风电公司吴金城海上海上风电风电机安装机安装n以下是两种吊装设备示意图和在英国NorthHoyle海上风电场进行的风电机吊装。浙江风电公司吴金城浙江风电公司吴金城海上海上测风测风塔和塔和风电风电机机维护维护人人员员的交通的交通 浙江风电公司吴金城海上升海上升压压站站n欧洲大型海上风电场的风电机大多是以3033千伏的电压等级相联，每个风电场中，会有一个30150千伏变电站的平台和许多维修设备，与大陆的联结采用150千伏电压。