第9講 風(fēng)能的利用

第九講風(fēng)能的利用風(fēng)能的基本理論：風(fēng)的形成、風(fēng)的基本特征、升力和阻力、風(fēng)能資源風(fēng)能利用技術(shù)：風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)、風(fēng)輪的基本理論、風(fēng)力發(fā)電及其他應(yīng)用1.風(fēng)是怎么形成的？風(fēng)能是大氣運(yùn)動(dòng)形成的一種能源形式，其能量來(lái)自于大氣所吸收的太陽(yáng)能。梯度風(fēng)——由壓力梯度產(chǎn)生的風(fēng)地轉(zhuǎn)風(fēng)——在氣壓梯度力和科里奧利力平衡時(shí)，沿等壓線(xiàn)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的風(fēng)氣轉(zhuǎn)風(fēng)——受到氣壓梯度力、科里奧利力和離心力作用，空氣沿彎曲的等壓線(xiàn)運(yùn)動(dòng)形成的風(fēng)科里奧利力——由于地球的自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的作用于氣流的偏向力科氏力Coriolisforce離心力Centrifugalforce大氣環(huán)流區(qū)域風(fēng)：海陸風(fēng)、山谷風(fēng)夜間”山風(fēng)”白天”谷風(fēng)”２.風(fēng)的基本特征（１）風(fēng)向：風(fēng)吹來(lái)的方向風(fēng)向頻率（風(fēng)頻）：在一定的時(shí)間范圍內(nèi)，某風(fēng)向出現(xiàn)的次數(shù)占各風(fēng)向出現(xiàn)的總次數(shù)的百分比工業(yè)布局時(shí)注意風(fēng)向?qū)こ涛恢玫挠绊懀?風(fēng)的基本特征瞬時(shí)風(fēng)速、平均風(fēng)速計(jì)算風(fēng)資源時(shí)，都用10min的平均風(fēng)速風(fēng)速變幅：在測(cè)量平均風(fēng)速的限定時(shí)間內(nèi)，最大風(fēng)速與最小風(fēng)速之差起動(dòng)風(fēng)速（切入風(fēng)速）：可使風(fēng)力機(jī)起動(dòng)運(yùn)行的風(fēng)速；切除風(fēng)速（切出風(fēng)速）：限制風(fēng)力機(jī)超速運(yùn)行的上限風(fēng)速有效風(fēng)速：起動(dòng)風(fēng)速和切除風(fēng)速之間的風(fēng)速?lài)?guó)內(nèi)風(fēng)力機(jī)的起動(dòng)風(fēng)速一般為3m/s，切除風(fēng)速為20m/s，有效風(fēng)速范圍為3～20m/s。（２）風(fēng)速：風(fēng)在單位時(shí)間內(nèi)吹過(guò)的距離風(fēng)速頻率：在一定時(shí)間內(nèi)，相同風(fēng)速出現(xiàn)的時(shí)間長(zhǎng)度占測(cè)量總時(shí)間的百分比風(fēng)級(jí)：根據(jù)風(fēng)力強(qiáng)度劃分的等級(jí)２.風(fēng)的基本特征影響風(fēng)速的主要因素垂直高度在離地100ｍ范圍內(nèi)近地的風(fēng)速邊界層越厚，n值越小，通常為0.1～0.4，常用0.142風(fēng)速隨高度的變化也不是一成不變的風(fēng)能的時(shí)空不穩(wěn)定性是其重要特性影響風(fēng)速的主要因素地形地貌影響風(fēng)速的主要因素地理位置障礙物風(fēng)機(jī)安裝的位置距離障礙物的距離至少是障礙物高度的20倍，而且葉片下緣的高度至少是障礙物高度的3倍3.風(fēng)的能量風(fēng)能：空氣流動(dòng)的動(dòng)能風(fēng)的功率Nv：1s通過(guò)面積為A的空氣所具有的動(dòng)能風(fēng)能密度E0：1s流過(guò)1m2面積的風(fēng)所具有的動(dòng)能風(fēng)能玫瑰圖風(fēng)向從各方向指向原點(diǎn)，每條射線(xiàn)的長(zhǎng)度代表各方位風(fēng)向頻率的百分?jǐn)?shù)與相應(yīng)風(fēng)向平均風(fēng)速立方數(shù)的乘積。從風(fēng)能玫瑰圖可以看出哪個(gè)方向的風(fēng)具有能量的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)選址非常重要。4.我國(guó)風(fēng)能資源分布

我國(guó)風(fēng)能資源可分為四大區(qū)域：東部沿海及島嶼地區(qū)、三北（東北、華北、西北）地區(qū)、內(nèi)陸局部地區(qū)和海上風(fēng)能區(qū)。我國(guó)的風(fēng)能資源分布

4.我國(guó)風(fēng)能資源分布省區(qū)風(fēng)能儲(chǔ)量省區(qū)風(fēng)能儲(chǔ)量省區(qū)風(fēng)能儲(chǔ)量?jī)?nèi)蒙6,177.5山東393.6湖北192.7西藏3,993.0山西387.1廣西168.1新疆3,433.0河南367.5浙江163.5青海2,421.4云南366.6寧夏148.4黑龍江1,722.8江西292.9福建137.2甘肅1,143.0安徽250.5貴州100.6吉林637.5湖南246.5臺(tái)灣104.8河北611.9江蘇237.6海南64.0遼寧605.8陜西234.2四川435.8廣東195.0全國(guó)合計(jì)25,300.0陸上約有2.53億千瓦(年電量5000億千瓦時(shí))海上約有7.5億千瓦合計(jì)約10億千瓦

據(jù)中國(guó)氣象科學(xué)院預(yù)測(cè)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)可開(kāi)發(fā)風(fēng)能資源為：5.風(fēng)能轉(zhuǎn)換與利用的主要方式6.風(fēng)力機(jī)的類(lèi)型按風(fēng)輪軸與地面的相對(duì)位置，分為水平軸型和豎軸（立軸）型按葉片工作原理，分為升力型和阻力型按風(fēng)力機(jī)的用途分類(lèi)，有風(fēng)力發(fā)電機(jī)、風(fēng)力提水機(jī)、風(fēng)力鍘草機(jī)、風(fēng)力脫谷機(jī)等按風(fēng)輪葉片的葉尖線(xiàn)速度與吹來(lái)的風(fēng)速之比的大小來(lái)分，有高速風(fēng)力機(jī)（比值大于3）和低速風(fēng)力機(jī)（比值小于3）；也有把該比值2～5者稱(chēng)為中速風(fēng)力機(jī)按風(fēng)機(jī)容量大小分類(lèi)：國(guó)際上通常分為小型（100kW以下）、中型（100～1000kW）和大型（1000kW以上）3種；我國(guó)則分成微型（1kW以下）、小型（1～10kW）、中型（10～100kW）和大型（100kW以上）4種；也有的將1000kW以上的風(fēng)機(jī)稱(chēng)為巨型風(fēng)力機(jī)按風(fēng)輪相對(duì)于塔架的位置，分為上風(fēng)式（前置式）和下風(fēng)式（后置式）按風(fēng)輪的葉片數(shù)量，分單葉片、雙葉片、三葉片、四葉片及多葉片式按葉片的形狀，可分為螺旋槳式、十字形、H形、O形、S形等按葉片與輪轂的連接分為定槳型和變槳型風(fēng)力發(fā)電所采用的風(fēng)力機(jī)，水平軸型的占絕大多數(shù)，達(dá)98％以上。水平軸型風(fēng)力機(jī)豎軸型風(fēng)力機(jī)特殊型風(fēng)力機(jī)升力型風(fēng)力機(jī)升力型風(fēng)機(jī)依靠葉片產(chǎn)生的升力作為旋轉(zhuǎn)動(dòng)力以氣流中的獲取能量阻力型風(fēng)力機(jī)阻力型風(fēng)機(jī)依靠葉片在氣流流動(dòng)方向上的阻擋作用產(chǎn)生的反作用力作為旋轉(zhuǎn)動(dòng)力以獲取氣流中的能量7.風(fēng)輪的基本理論攻角（迎角）槳距角升力、阻力風(fēng)輪功率風(fēng)能利用系數(shù)（風(fēng)輪功率系數(shù)）尖速比失速風(fēng)輪面積葉素掃掠出的平面葉素——葉片半徑r處長(zhǎng)度為r的微元升力和阻力葉片弦線(xiàn)與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面之間的夾角稱(chēng)為槳距角。氣流流過(guò)翼型時(shí)，受到與氣流平行的阻力FD，翼型受到向上的合力FL為升力。阻力是風(fēng)對(duì)風(fēng)輪的正面壓力，由風(fēng)力機(jī)的塔架承受；升力是推動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力。升力系數(shù)CL與阻力系數(shù)CD之比稱(chēng)為升阻比。合成風(fēng)速矢量（相對(duì)風(fēng)速）與葉片翼弦之間的夾角稱(chēng)為攻角（迎角）。A點(diǎn)稱(chēng)為前緣，B點(diǎn)稱(chēng)為后緣，連接AB的直線(xiàn)段稱(chēng)為翼弦（弦線(xiàn)）。翼弦的長(zhǎng)度為L(zhǎng)。翼弦上、下方的弧形表面分別稱(chēng)為上表面和下表面。典型升力和阻力系數(shù)與攻角之間的關(guān)系曲線(xiàn)尖速比

風(fēng)輪葉片的葉尖線(xiàn)速度與風(fēng)速之比——風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度R——風(fēng)力機(jī)葉尖半徑v——風(fēng)速對(duì)于葉片數(shù)為n的風(fēng)力機(jī)，其最優(yōu)尖速比可估算為從物理本質(zhì)上看，尖速比反映了風(fēng)輪葉片“捕捉并轉(zhuǎn)換”風(fēng)能的能力。尖速比的大小一方面會(huì)影響到葉片前緣氣流入口的相對(duì)速度，另一方面也影響到實(shí)際擾流過(guò)葉片的氣流質(zhì)量流量。風(fēng)輪功率理論上，風(fēng)輪最多能將59.3%的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，這稱(chēng)為貝茲極限，實(shí)際的風(fēng)輪效率總是小于此值，一般為0.15～0.46Cp也稱(chēng)為風(fēng)能利用系數(shù)，為風(fēng)輪功率與風(fēng)能功率之比一臺(tái)2MW的風(fēng)電機(jī)葉片半徑在40m左右。在普通空氣密度下，溫度10℃，風(fēng)速6m/s（=21km/h）的情況下，風(fēng)電機(jī)的功率是780kW。在這個(gè)風(fēng)速下，每秒流經(jīng)風(fēng)電機(jī)的空氣是43噸。其中所蘊(yùn)含的能量相當(dāng)于一輛小型貨車(chē)（2.5噸重）開(kāi)90km/h的時(shí)候，或者一臺(tái)小轎車(chē)（700公斤）開(kāi)170km/h的時(shí)候的能量。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到18m/s（=65km/h）的時(shí)候，每秒流經(jīng)風(fēng)電機(jī)的空氣大約是110噸。風(fēng)速增長(zhǎng)到3倍，但風(fēng)的功率卻要增長(zhǎng)到3的3次方倍，也就是27倍。這個(gè)時(shí)候風(fēng)的功率大約是21MW。風(fēng)輪功率與風(fēng)速的三次方成正比風(fēng)速風(fēng)能利用系數(shù)是尖速比和槳距角的函數(shù)尖速比與風(fēng)能利用系數(shù)的關(guān)系三葉風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)曲線(xiàn)是相對(duì)最優(yōu)的，既有較大的峰值曲線(xiàn)又較平坦。這是三葉風(fēng)力機(jī)應(yīng)用最廣泛的原因具有不同葉片數(shù)的風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)的對(duì)比風(fēng)力機(jī)葉片數(shù)對(duì)風(fēng)能利用系數(shù)的影響風(fēng)輪機(jī)的失速當(dāng)風(fēng)速由v0增大到v1時(shí)，因轉(zhuǎn)速恒定，則u恒定，故角增大，攻角增大。一旦攻角增大到超過(guò)臨界值，則葉片上側(cè)的氣流分離，形成阻力，對(duì)應(yīng)的阻力系數(shù)增大，而升力系數(shù)有所減小，最終導(dǎo)致氣動(dòng)力矩和功率減小，稱(chēng)之為失速。風(fēng)輪面積設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)之前，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀?、地理?xiàng)l件確定風(fēng)力機(jī)的額定風(fēng)速。對(duì)于小型風(fēng)力機(jī)，可取當(dāng)?shù)啬昶骄L(fēng)速的1.6倍。根據(jù)需要的風(fēng)力機(jī)有效輸出功率Ne，即可算出風(fēng)輪直徑。8.風(fēng)力機(jī)的組成風(fēng)力機(jī)一般由風(fēng)輪、傳動(dòng)裝置、做功裝置、蓄能裝置、控制系統(tǒng)、塔架、附屬部件等組成“風(fēng)力致熱”是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成熱能。目前有三種轉(zhuǎn)換方法：一是風(fēng)力機(jī)發(fā)電，再將電能通過(guò)電阻絲發(fā)熱，變成熱能；二是由風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成空氣壓縮能，再轉(zhuǎn)換成熱能；三是將風(fēng)力機(jī)直接轉(zhuǎn)換成熱能。第三種方法致熱效率最高。風(fēng)輪是風(fēng)力機(jī)最重要的部件，其作用是捕捉和吸收風(fēng)能，并將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，由風(fēng)輪軸將能量送至傳動(dòng)裝置。控制系統(tǒng)包括調(diào)速（限速）機(jī)構(gòu)和調(diào)向機(jī)構(gòu)（偏航系統(tǒng)）。傳動(dòng)裝置是將風(fēng)輪軸的機(jī)械能送至做功裝置的機(jī)構(gòu)，如增速機(jī)構(gòu)、齒輪、皮帶等做功裝置根據(jù)既定意圖不同有發(fā)電機(jī)、水泵、粉碎機(jī)、鍘草機(jī)等蓄能裝置為了把有風(fēng)或大風(fēng)時(shí)捕捉的能量多余的部分儲(chǔ)存起來(lái)，供無(wú)風(fēng)時(shí)使用，如風(fēng)力發(fā)電機(jī)的蓄電池、風(fēng)力提水機(jī)的蓄水罐等塔架用來(lái)支撐風(fēng)輪、控制系統(tǒng)和機(jī)艙等機(jī)頭部件附屬裝置，根據(jù)風(fēng)力機(jī)用途還有一些附屬裝置，如機(jī)艙、機(jī)座、回轉(zhuǎn)體、停車(chē)機(jī)構(gòu)等，它們主要配合主要部件工作，保證風(fēng)力機(jī)的正常運(yùn)行。9.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的構(gòu)成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是由風(fēng)輪、傳動(dòng)系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、控制與安全系統(tǒng)、機(jī)艙、塔架和基礎(chǔ)等組成。9.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的構(gòu)成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是由風(fēng)輪、傳動(dòng)系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、控制與安全系統(tǒng)、機(jī)艙、塔架和基礎(chǔ)等組成。1輪轂2變槳系統(tǒng)3主軸承4永磁同步發(fā)電機(jī)組5測(cè)風(fēng)系統(tǒng)6偏航系統(tǒng)7機(jī)艙8機(jī)艙控制柜9塔架123456798結(jié)構(gòu)組成9.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的構(gòu)成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是由風(fēng)輪、傳動(dòng)系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、控制與安全系統(tǒng)、機(jī)艙、塔架和基礎(chǔ)等組成。9.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的構(gòu)成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是由風(fēng)輪、傳動(dòng)系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、控制與安全系統(tǒng)、機(jī)艙、塔架和基礎(chǔ)等組成。9.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的構(gòu)成葉片是吸收風(fēng)能的單元，用于將空氣的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能。輪轂的作用是將葉片固定在一起，并且承受葉片上傳遞的各種載荷，然后傳遞到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸上。變漿系統(tǒng)通過(guò)改變?nèi)~片的槳距角，使葉片在不同風(fēng)速時(shí)處于最佳的吸收風(fēng)能的狀態(tài)，當(dāng)風(fēng)速超過(guò)切出風(fēng)速時(shí)，使葉片順槳?jiǎng)x車(chē)。風(fēng)輪由葉片、葉柄、輪轂、風(fēng)輪軸、變槳系統(tǒng)等組成，獲取風(fēng)能并轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。（1）—風(fēng)輪軸；（2）—旋轉(zhuǎn)平面；（3）—風(fēng)輪直徑；（4）—葉片軸；（5）—安裝角或槳距角風(fēng)輪葉片數(shù)量常為2或3，材料為GFRP或CFP葉片的設(shè)計(jì)需要滿(mǎn)足幾項(xiàng)要求：對(duì)特定的風(fēng)速具有最大的轉(zhuǎn)換效率；最大功率輸出在限制范圍內(nèi)，以保護(hù)發(fā)電機(jī)；可承受最大風(fēng)荷和長(zhǎng)期疲勞負(fù)荷；避免出現(xiàn)共振；質(zhì)量小，價(jià)格低。風(fēng)輪輪轂隨葉片數(shù)量性狀有所不同材質(zhì)通常為球墨鑄鐵設(shè)計(jì)計(jì)算采用有限元方法風(fēng)輪風(fēng)輪設(shè)計(jì)步驟：（1）根據(jù)風(fēng)輪機(jī)特性曲線(xiàn)查取最優(yōu)風(fēng)能利用系數(shù)和尖速比配合（2）由Cp確定風(fēng)輪機(jī)半徑（3）確定風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速風(fēng)輪主軸主要作用是將風(fēng)輪力矩傳遞給齒輪箱或發(fā)電機(jī)需要承受大扭矩和疲勞載荷,材質(zhì)一般為35CrMo,40CrNiMo或37SiMn2Mo通常有配套的主軸軸承座某些方案將主軸集成到齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)一般包括低速軸（主軸）、高速軸、齒輪箱、聯(lián)軸節(jié)和剎車(chē)裝置。齒輪箱增速比一般為60～80核心部件之一，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最重最昂貴的部件，設(shè)計(jì)和制造都有相當(dāng)難度。主要是材質(zhì)成分、熱處理和加工精度要求很高高速軸一般用玻璃鋼構(gòu)成，附帶高速軸剎車(chē)（剎車(chē)盤(pán)和剎車(chē)鉗）作用：是將風(fēng)力機(jī)軸上的低速旋轉(zhuǎn)輸入轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚傩D(zhuǎn)輸出，以便與發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的轉(zhuǎn)速相匹配。類(lèi)型：1級(jí)行星齒輪和兩級(jí)斜齒輪，1級(jí)行星齒輪和兩級(jí)直齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)電機(jī)典型類(lèi)型：異步式，雙饋式，同步機(jī)（永磁或電勵(lì)磁）冷卻方式：空-空冷卻，空-水冷卻，水套式冷卻微型及容量在10kW以下的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，采用永磁式或自勵(lì)式交流發(fā)電機(jī)，經(jīng)整流后向負(fù)載供電及向蓄電池充電；容量在l00kW以上的并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，則應(yīng)用同步發(fā)電機(jī)或異步發(fā)電機(jī)。為了與電網(wǎng)頻率保持一致，通常的發(fā)電機(jī)組采用：恒速恒頻系統(tǒng)，利用風(fēng)能的份額小；變速恒頻系統(tǒng)，是目前風(fēng)能發(fā)電的重要發(fā)展方向。偏航系統(tǒng)作用：用來(lái)調(diào)整風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪葉片旋轉(zhuǎn)平面與空氣流動(dòng)方向相對(duì)位置的機(jī)構(gòu)。因?yàn)楫?dāng)風(fēng)輪葉片旋轉(zhuǎn)平面與氣流方向垂直時(shí)，也即是迎著風(fēng)向時(shí)，風(fēng)力機(jī)從流動(dòng)的空氣中獲取的能量最大，因而風(fēng)力機(jī)的輸出功率最大，所以又稱(chēng)為迎風(fēng)機(jī)構(gòu)或調(diào)向機(jī)構(gòu)。類(lèi)型：

小型水平軸風(fēng)力機(jī)常用的調(diào)向機(jī)構(gòu)有尾舵和尾車(chē)；風(fēng)電場(chǎng)中并網(wǎng)運(yùn)行的中大型風(fēng)力機(jī)則采用偏航電機(jī)、風(fēng)向標(biāo)等。控制系統(tǒng)主要功能①按預(yù)先設(shè)定的風(fēng)速值(一般為3～4m/s)自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，并通過(guò)控制實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。②借助各種傳感器自動(dòng)檢測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)及狀態(tài)，包括風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)溫升、發(fā)電機(jī)輸出功率、功率因數(shù)、電壓、電流等以及齒輪箱軸承的油溫、液壓系統(tǒng)的油壓等。③各運(yùn)行工況內(nèi)的自動(dòng)發(fā)電控制④當(dāng)風(fēng)速大于最大運(yùn)行速度(一般設(shè)定為25m/s)時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停機(jī)。故障保護(hù)。⑤與主控中心通信：如通過(guò)調(diào)制解調(diào)器與電話(huà)線(xiàn)連接。控制系統(tǒng)100kW以上的中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及1MW以上的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組皆配有由微機(jī)或可編程控制器(PLC)組成的控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制、自檢和顯示功能?？刂葡到y(tǒng)主要部件主控器（核心控制模塊軟硬件）變槳控制器（變槳控制模塊、變槳電機(jī)伺服及電機(jī)，蓄電池）變頻器（雙饋機(jī)型和同步機(jī)型）通訊模塊（系統(tǒng)內(nèi)部通訊、風(fēng)場(chǎng)內(nèi)通訊）SCADA軟件（用于遠(yuǎn)程監(jiān)控）控制系統(tǒng)調(diào)試內(nèi)容靜態(tài)檢查（接線(xiàn)、參數(shù)整定）動(dòng)態(tài)部件（變槳、主控邏輯、偏航等）聯(lián)調(diào)（從切入到并并網(wǎng)）水平抽風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要通過(guò)塔架將其置于空中。風(fēng)速隨著高度的增加而增大，因此較高的塔架可以使風(fēng)輪機(jī)獲得更多的風(fēng)能。類(lèi)型：即由鋼板制成的錐形筒狀塔架和由角鋼制成的桁架式塔架。塔架風(fēng)力機(jī)的性能要素葉片長(zhǎng)度與掃風(fēng)面積相關(guān)外形（翼型、外廓和制造質(zhì)量）影響CP齒輪箱和發(fā)電機(jī)效率高低影響整機(jī)出力（即發(fā)電量）；可靠性影響整機(jī)可用率；控制系統(tǒng)變槳控制（硬件及策略）影響CP及整機(jī)載荷；影響機(jī)組的運(yùn)行安全偏航系統(tǒng)準(zhǔn)確與否影響整機(jī)出力10.風(fēng)力機(jī)的功率控制風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)思想是盡可能便宜的產(chǎn)生電能。風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)是基于目標(biāo)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速條件，因此風(fēng)力機(jī)一般被設(shè)計(jì)成在風(fēng)速為8～15m/s時(shí)具有最佳的性能，即有最大的電能產(chǎn)出。而不是花費(fèi)心思把風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)在強(qiáng)風(fēng)時(shí)有最多電能產(chǎn)出，因?yàn)閺?qiáng)風(fēng)天氣不多見(jiàn)。因此在強(qiáng)風(fēng)天氣時(shí)必須浪費(fèi)多余風(fēng)能，以免破壞風(fēng)機(jī)。所以風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)有能量控制裝置，安全控制方式有如下幾種。變槳控制被動(dòng)式速控制主動(dòng)失速控制副翼控制偏離控制變槳控制風(fēng)輪機(jī)通過(guò)監(jiān)測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電能輸出，當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速后，通過(guò)變槳機(jī)構(gòu)使槳葉繞其軸旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)槳距角，使槳葉一次輕微地轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，改變迎風(fēng)面積，實(shí)現(xiàn)能量控制。這種方式通常采用液壓驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)。被動(dòng)失速控制風(fēng)輪機(jī)被動(dòng)失速控制風(fēng)輪機(jī)的槳葉被固定，槳距角不可變。通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)風(fēng)輪機(jī)的槳葉，根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，當(dāng)實(shí)際風(fēng)速達(dá)到某一特點(diǎn)值時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)失速。該方式避免使用復(fù)雜的控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)槳葉，但同時(shí)出現(xiàn)了復(fù)雜的氣體動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)難題。主動(dòng)失速控制風(fēng)機(jī)

越來(lái)越多的大型風(fēng)機(jī)在發(fā)展主動(dòng)失速控制裝置。在低速時(shí)為了有足夠大的力矩，采用和變槳控制同樣的控制方式；當(dāng)風(fēng)速增大，發(fā)電機(jī)將要超負(fù)荷時(shí)，則與變槳控制方式相反，而是通過(guò)主動(dòng)方式達(dá)到槳葉失速，它比被動(dòng)失速方式更能精確控制能量輸出，另一方面優(yōu)點(diǎn)是它能在強(qiáng)風(fēng)天氣保持額定功率運(yùn)行，而失速型通常因?yàn)槭俣闺娔茌敵鼋档?。它同時(shí)也帶來(lái)了投資成本和維護(hù)費(fèi)用的提高。其他能量控制方法

一些老式的風(fēng)輪機(jī)用葉片上的副翼控制轉(zhuǎn)子輸出的能量。一般飛機(jī)上都裝有副翼，通過(guò)副翼的轉(zhuǎn)動(dòng)可以改變機(jī)翼的幾何形狀，從而在飛機(jī)起飛時(shí)提供更多的升力。多翼式風(fēng)力機(jī)偏離控制技術(shù)——使風(fēng)輪機(jī)偏離迎風(fēng)方向，減小風(fēng)能輸入。只應(yīng)用在小型機(jī)組上，因?yàn)槠x會(huì)使轉(zhuǎn)子受周期性變化的力，最終會(huì)破壞整個(gè)風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)。11.風(fēng)力機(jī)是如何運(yùn)行的？當(dāng)風(fēng)速達(dá)到啟動(dòng)風(fēng)速時(shí)，風(fēng)輪機(jī)開(kāi)始運(yùn)行，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。隨著風(fēng)速增加發(fā)電機(jī)的功率開(kāi)始增加。達(dá)到設(shè)計(jì)風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以達(dá)到額定功率。當(dāng)風(fēng)速進(jìn)一步增加時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的能量控制開(kāi)始工作，使發(fā)電機(jī)不會(huì)超負(fù)荷，而是在額定點(diǎn)附近工作。如果風(fēng)速進(jìn)一步增大超過(guò)了能量控制調(diào)節(jié)的范圍，風(fēng)力發(fā)電機(jī)就會(huì)實(shí)施停機(jī)保護(hù)。12.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)類(lèi)型獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，又稱(chēng)離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率小，風(fēng)速適應(yīng)范圍廣，生產(chǎn)技術(shù)成熟，適合家庭和邊遠(yuǎn)地區(qū)的小型用電負(fù)荷點(diǎn)?？紤]到風(fēng)能的不連續(xù)性，通常需要配置蓄電池，如需要交流電，則要加逆變器。并網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)作用：采用風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)連接，由電網(wǎng)輸送電能的方式，是克服風(fēng)的隨機(jī)性而帶來(lái)的蓄能問(wèn)題的最穩(wěn)妥易行的運(yùn)行方式，是風(fēng)力發(fā)電規(guī)?；玫闹饕绞健?yīng)用：10kW以上直至MW級(jí)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組皆可采用這種方式。我國(guó)最大的單臺(tái)容量為6MW海上風(fēng)力機(jī)組近期剛下線(xiàn)。12.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)類(lèi)型按風(fēng)力機(jī)功率調(diào)節(jié)方式定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片槳角固定的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組稱(chēng)為定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容量從數(shù)十千瓦到兆瓦級(jí)、性能可靠，但效率較低。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

葉片槳角在一定范圍（一般0o～90o)內(nèi)變化的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組稱(chēng)為變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。效率較高。兆瓦級(jí)及以上機(jī)組多采用此類(lèi)機(jī)組。按發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速恒速恒頻方式

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速不隨風(fēng)速的波動(dòng)而變化，始終維持恒轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，從而輸出恒定額定頻率的交流電。這種方式目前已普遍采用，具有簡(jiǎn)單可靠的優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)風(fēng)能的利用不充分。變速恒頻方式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的波動(dòng)作變速運(yùn)行，但仍輸出恒定頻率的交流電。這種方式可提高風(fēng)能的利用率，但將導(dǎo)致必須增加實(shí)現(xiàn)恒頻輸出的電力電子設(shè)備。并網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)類(lèi)型按驅(qū)動(dòng)鏈形式分有齒輪箱傳動(dòng)方式（一般有多級(jí)齒輪箱)

需要高速發(fā)電機(jī)，如IG，DFIG，SG半直驅(qū)方式（一般有一級(jí)齒輪箱)

需要中速發(fā)電機(jī)直驅(qū)方式（無(wú)齒輪箱)

需要低速發(fā)電機(jī)，如多極PMSG并網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)類(lèi)型變速運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)1.系統(tǒng)效率高。變轉(zhuǎn)速運(yùn)行可以最佳尖速比運(yùn)行,提高了風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行效率,與變槳恒速運(yùn)行機(jī)組相比,年發(fā)電量可提高10%以上。2.能提高供電品質(zhì)。陣風(fēng)時(shí)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速增加，把風(fēng)能余量存儲(chǔ)在風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量中,風(fēng)速下降時(shí),再將風(fēng)輪動(dòng)能緩慢釋放出來(lái)變?yōu)殡娔芩徒o電網(wǎng)?？蓽p少對(duì)電網(wǎng)的沖擊。3.使槳角調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單化。低于額定風(fēng)速時(shí),槳角固定；高風(fēng)速時(shí),調(diào)節(jié)槳角限制輸出功率。4.環(huán)保效果好。低風(fēng)速時(shí),風(fēng)輪處于低轉(zhuǎn)速運(yùn)行狀態(tài),使噪聲降低。也不易引起視覺(jué)疲勞。并網(wǎng)發(fā)電風(fēng)力機(jī)的總發(fā)電成本的影響因素投資成本成是影響風(fēng)力發(fā)電成本的主要因素，投資成本包括制造加工費(fèi)、基建費(fèi)等系統(tǒng)壽命運(yùn)行費(fèi)和維修成本風(fēng)系特性。風(fēng)能潛力與風(fēng)速的三次方成正比，平均風(fēng)速高則電站經(jīng)濟(jì)性好系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率技術(shù)利用率，即正常發(fā)電時(shí)間在一年中占的比例13.風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)

建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)除了要考慮風(fēng)速條件外，還要綜合考慮場(chǎng)地狀況、道路狀況、接入電網(wǎng)的條件等因素。一個(gè)完整的風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目，一般包括以下幾個(gè)步驟:風(fēng)電場(chǎng)選址項(xiàng)目可行性評(píng)估項(xiàng)目準(zhǔn)備風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行和維護(hù)風(fēng)電場(chǎng)退役、場(chǎng)地恢復(fù)多臺(tái)甚至成百上千臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組組成的集中并網(wǎng)發(fā)電場(chǎng)簡(jiǎn)稱(chēng)為風(fēng)電場(chǎng)

風(fēng)電場(chǎng)選址風(fēng)能資源

主要考慮年平均風(fēng)速，風(fēng)速頻率，年發(fā)電量和容量系數(shù)。

容量系數(shù)：發(fā)電機(jī)組的年度電能凈輸出，與風(fēng)電機(jī)組額定容量與全年運(yùn)行8760h的乘積比值稱(chēng)為風(fēng)電機(jī)組的容量系數(shù)。風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)地狀況

場(chǎng)地應(yīng)該開(kāi)闊，地質(zhì)條件好，便于大規(guī)模開(kāi)發(fā)。交通運(yùn)輸方便并網(wǎng)條件好

距離電網(wǎng)越近，并網(wǎng)投資越少，線(xiàn)損和壓降也越小。不利氣象條件和環(huán)境的影響

這些不利因素可能影響發(fā)電機(jī)組的壽命。土地征用和環(huán)境影響一般需要考慮以下一些因素：

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的選型

單機(jī)容量越大，風(fēng)能利用越高，但是，單機(jī)容量增大的同時(shí)價(jià)格也隨著增加，大容量的機(jī)組技術(shù)投入多而產(chǎn)量較小，成本偏高，所以總體來(lái)看，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量?jī)r(jià)格隨著單機(jī)容量的變化呈U字形曲線(xiàn)，國(guó)內(nèi)目前性?xún)r(jià)比較高的仍然是兆瓦級(jí)以下的機(jī)組。但單機(jī)大容量仍然是發(fā)展趨勢(shì)。首先根據(jù)風(fēng)能玫瑰圖確定主導(dǎo)風(fēng)向，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組排列應(yīng)與主導(dǎo)風(fēng)向垂直。對(duì)于開(kāi)闊、平坦的場(chǎng)地，上游風(fēng)力發(fā)電機(jī)組會(huì)對(duì)下游風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生干擾，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可以布置成有利于加大風(fēng)速的地形，采用單排布置或者多排差排布置方式。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的布置風(fēng)電場(chǎng)中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在工作期間可能處于如下?tīng)顟B(tài)之一：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行和安全性每種工作狀態(tài)都可看作是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的一個(gè)活動(dòng)層次，運(yùn)行狀態(tài)處在最高層次，緊急故障狀態(tài)處在最低層次。正常工作狀態(tài)暫停狀態(tài)停機(jī)狀態(tài)緊急停機(jī)狀態(tài)運(yùn)行控制系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的常規(guī)控制系統(tǒng)，此外，還有一套獨(dú)立于運(yùn)行控制系統(tǒng)的安全系統(tǒng)。安全系統(tǒng)的任務(wù)是在出現(xiàn)嚴(yán)重問(wèn)題或檢測(cè)到潛在嚴(yán)重問(wèn)題時(shí)保護(hù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，使之處于安全狀態(tài)。保護(hù)動(dòng)作通常是緊急剎車(chē)，使風(fēng)輪機(jī)停止工作。安全系統(tǒng)必須獨(dú)立于控制系統(tǒng)，而且具有高度的可靠性和自動(dòng)故障免除性。為了保證安全，必須配備兩套以上的剎車(chē)系統(tǒng)，而且各自的工作方式和動(dòng)力源必須不同。14.風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量和風(fēng)輪直徑發(fā)展風(fēng)輪直徑和發(fā)電機(jī)單機(jī)容量越來(lái)越大向海上風(fēng)電場(chǎng)發(fā)展世界上第一個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)位于丹麥南部的洛蘭島以北海域，1991年修建海上風(fēng)電的優(yōu)勢(shì)海上風(fēng)能資源比陸地大，不但風(fēng)速高，而且海上很少有靜風(fēng)期，能更有效利用風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電容量；海上表面粗糙度低，海平面摩擦力小，風(fēng)隨高度變化小，不需要很高的塔架，可降低風(fēng)電機(jī)組成本；海面與其上面的空氣溫差小，海上風(fēng)的湍流強(qiáng)度低，作用在風(fēng)電機(jī)組的疲勞載荷小，可延長(zhǎng)使用壽命。一般陸上風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)壽命20年，可在海上運(yùn)行25年。海上面積遼闊，項(xiàng)目規(guī)?？梢源?，風(fēng)電場(chǎng)距離海岸較遠(yuǎn)，不影響景觀(guān)；海上風(fēng)電的缺點(diǎn)要承受的風(fēng)載荷大，還要承受海浪帶來(lái)的負(fù)荷，抵抗海洋環(huán)境的鹽霧腐蝕運(yùn)輸和吊裝條件受限，需要自備吊裝主要部件的起重設(shè)備，避免因維修而等待大型浮吊造成的損失；海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)成本高與建筑結(jié)合2007年巴林首都世貿(mào)中心15.風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)以及負(fù)面影響

風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)風(fēng)能是可再生能源形式，有利于可持續(xù)發(fā)展。有利于環(huán)境保護(hù)。隨著風(fēng)電技術(shù)的日趨成熟，風(fēng)電成本越來(lái)越低，可以和其他能源形式相競(jìng)爭(zhēng)。

風(fēng)力發(fā)電的負(fù)面影響間接的不可再生能源利用和污染物排放。機(jī)組生產(chǎn)過(guò)程中造成的污染物的排放是風(fēng)電的間接污染物排放。風(fēng)電可能對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)造成傷害噪聲問(wèn)題對(duì)無(wú)線(xiàn)電通信的干擾安全問(wèn)題，葉片折斷傷人等16.風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響風(fēng)速和風(fēng)向總是隨機(jī)變化，因此風(fēng)能的特點(diǎn)是具有不穩(wěn)定性，使得風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率有波動(dòng)性，從而影響局部的電能質(zhì)量。風(fēng)電容量到達(dá)一定程度后，會(huì)引起電壓不穩(wěn)，特別電網(wǎng)較大波動(dòng)的時(shí)候，可能導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從電網(wǎng)解鏈，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致電網(wǎng)瓦解。風(fēng)力發(fā)