風力發(fā)電原理內容簡介

風力發(fā)電是一種最具規(guī)模開發(fā)潛力的清潔可再生能源利用方式，作為風能與動力工程專業(yè)系列教材之一，編寫本書的目的是使學生掌握風力發(fā)電的基本原理，了解主流風力發(fā)電機組設備。 全書供分7章，內容主要包括風力發(fā)電技術的基本概況、風能資源與轉換原理、風力發(fā)電機組設備與結構、風力發(fā)電機組檢測與控制等內容。對離網風力發(fā)電系統(tǒng)及儲能技術也做了簡要介紹。 由于風力發(fā)電技術涉及多學科內容，為適應不同專業(yè)知識背景的讀者，本書力求理論聯(lián)系實際，內容通俗易懂，也可供從事風力發(fā)電領域相關工作的工程技術人員參考。

前言

第1章緒論1

1 1風能利用及風力發(fā)電歷史2

1 2中國風能資源與開發(fā)前景4

1 2 1風能特點4

1 2 2我國風能資源分布特點及

開發(fā)前景5

1 2 3風電發(fā)展概況7

1 3風力發(fā)電技術現(xiàn)狀與發(fā)展8

1 3 1風力發(fā)電機組的類型8

1 3 2大型水平軸并網風電機組的

基本結構10

1 3 3風力發(fā)電技術的發(fā)展狀況11

1 4風電機組相關設計標準14

1 4 1國際電工委員會標準14

1 4 2國外主要風電標準15

1 4 3中國主要風電標準16

思考題17

第2章風能及其轉換原理18

2 1風的種類及其特性18

2 1 1風的形成及其基本特性18

2 1 2全球性的風21

2 1 3地方性的風22

2 1 4平均風23

2 1 5脈動風27

2 1 6極端風29

2 1 7地形地貌對風的影響31

2 2風的測量與估計32

2 2 1風向的測量33

2 2 2風速的測量33

2 2 3風能估計34

2 3風能資源評估及風電場選址概述37

2 3 1風能資源評估38

2 3 2風電場選址38

2 4風能轉換基本原理40

2 4 1葉片上的氣動力40

2 4 2風能轉換基礎理論42

2 5風力機的特性46

2 5 1風輪空氣動力特性46

2 5 2風力機的運行特性47

2 5 3實度對風力機特性的影響48

思考題50

第3章風力發(fā)電機組的結構51

3 1水平軸風電機組概述51

3 1 1風電機組的基本結構、性能

和類型51

3 1 2風電機組主要參數56

3 1 3風電機組設計級別60

3 2風輪61

3 2 1葉片61

3 2 2輪轂66

3 2 3變槳機構67

3 3風電機組傳動系統(tǒng)69

3 3 1風輪主軸69

3 3 2增速齒輪箱71

3 3 3軸的連接與制動79

3 4機艙、主機架與偏航系統(tǒng)80

3 4 1機艙80

3 4 2主機架80

3 4 3偏航系統(tǒng)81

3 5塔架與基礎84

3 5 1塔架84

3 5 2陸上風電機組的基礎88

3 5 3海上風電機組的基礎90

3 6風電機組其他部件91

思考題91

第4章風力發(fā)電機92

4 1發(fā)電機的工作原理92

4 1 1發(fā)電機的基本類型92

4 1 2直流發(fā)電機的基本工作原理94

4 1 3同步交流發(fā)電機的基本工作

原理95

4 1 4異步交流發(fā)電機的基本工作

原理97

4 2風力發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)電機98

4 2 1并網風電機組使用的發(fā)電機99

4 2 2離網風電機組使用的發(fā)電機100

4 3并網風力發(fā)電機101

4 3 1同步發(fā)電機101

4 3 2異步發(fā)電機103

4 3 3雙饋異步發(fā)電機104

4 3 4直驅型發(fā)電機107

思考題110

第5章風力發(fā)電機組的控制及安全

保護111

5 1風力發(fā)電機組的控制技術111

5 1 1風力發(fā)電機組的基本控制

要求111

5 1 2風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)

結構114

5 1 3風力發(fā)電機組的運行控制

過程115

5 2風力機控制117

5 2 1風力機控制的空氣動力學

原理117

5 2 2定槳距風力機控制118

5 2 3變槳距風力機控制119

5 2 4功率控制121

5 3發(fā)電機控制123

5 3 1風力發(fā)電機控制要求123

5 3 2異步風力發(fā)電機控制124

5 3 3雙饋式發(fā)電機控制129

5 3 4直驅式發(fā)電機控制132

5 4風力發(fā)電機組信號檢測135

5 4 1風速及風向信號檢測135

5 4 2轉速信號檢測135

5 5控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構136

5 5 1制動保護系統(tǒng)137

5 5 2變槳距執(zhí)行系統(tǒng)137

5 5 3偏航系統(tǒng)139

5 6風電機組的安全保護140

5 6 1風電機組安全保護系統(tǒng)設計140

5 6 2風電機組安全鏈系統(tǒng)141

5 6 3風力發(fā)電機組防雷保護142

思考題143

第6章垂直軸風力發(fā)電機組145

6 1垂直軸風力發(fā)電機組及其發(fā)展

概況145

6 1 1垂直軸風力發(fā)電機組的發(fā)展

概況145

6 1 2垂直軸風力機的類型146

6 1 3垂直軸風力機的主要特點148

6 2垂直軸風力機基本原理149

6 2 1阻力型垂直軸風力機149

6 2 2升力型垂直軸風力機151

6 3水平軸與垂直軸風力機的對比152

思考題153

第7章離網風力發(fā)電系統(tǒng)154

7 1離網風力發(fā)電機組的應用154

7 1 1向大用戶直接供電154

7 1 2向農戶、村落、農牧場供電155

7 2微、小型風力發(fā)電機組結構156

7 2 1葉片與風輪157

7 2 2調速裝置157

7 2 3調向裝置158

7 2 4發(fā)電機159

7 2 5塔架160

7 2 6蓄電池160

7 2 7控制器和逆變器160

7 3互補發(fā)電系統(tǒng)160

7 3 1風 光互補發(fā)電系統(tǒng)160

7 3 2風力發(fā)電機與蓄電池系統(tǒng)162

7 3 3風力 柴油互補發(fā)電系統(tǒng)164

7 4儲能裝置166

7 4 1蓄電池166

7 4 2抽水蓄能170

7 4 3飛輪儲能170

7 4 4超導儲能171

7 4 5其他儲能方式171

思考題171

附錄風力發(fā)電名詞術語漢英對照172

參考文獻1782100433B

把風的動能轉變成機械動能，再把機械能轉化為電力動能，這就是風力發(fā)電。風力發(fā)電的原理，是利用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機將旋轉的速度提升，來促使發(fā)電機發(fā)電。依據風車技術，大約是每秒三米的微風速度（微風的程度），便可以開始發(fā)電。 風力發(fā)電正在世界上形成一股熱潮，因為風力發(fā)電不需要使用燃料，也不會產生輻射或空氣污染。

風力發(fā)電所需要的裝置，稱作風力發(fā)電機組。這種風力發(fā)電機組，大體上可分風輪(包括尾舵)、發(fā)電機和塔筒三部分。（大型風力發(fā)電站基本上沒有尾舵，一般只有小型（包括家用型）才會擁有尾舵）

風輪是把風的動能轉變?yōu)闄C械能的重要部件，它由若干只葉片組成。當風吹向漿葉時，槳葉上產生氣動力驅動風輪轉動。槳葉的材料要求強度高、重量輕，多用玻璃鋼或其它復合材料(如碳纖維)來制造。（還有一些垂直風輪，s型旋轉葉片等，其作用也與常規(guī)螺旋槳型葉片相同）

由于風輪的轉速比較低，而且風力的大小和方向經常變化著，這又使轉速不穩(wěn)定；所以，在帶動發(fā)電機之前，還必須附加一個把轉速提高到發(fā)電機額定轉速的齒輪變速箱，再加一個調速機構使轉速保持穩(wěn)定，然后再聯(lián)接到發(fā)電機上。為保持風輪始終對準風向以獲得最大的功率，還需在風輪的后面裝一個類似風向標的尾舵。

鐵塔是支承風輪、尾舵和發(fā)電機的構架。它一般修建得比較高，為的是獲得較大的和較均勻的風力，又要有足夠的強度。鐵塔高度視地面障礙物對風速影響的情況，以及風輪的直徑大小而定，一般在6-20米范圍內。

發(fā)電機的作用，是把由風輪得到的恒定轉速，通過升速傳遞給發(fā)電機構均勻運轉，因而把機械能轉變?yōu)殡娔堋?

風力發(fā)電在芬蘭、丹麥等國家很流行；中國也在西部地區(qū)大力提倡。小型風力發(fā)電系統(tǒng)效率很高，但它不是只由一個發(fā)電機頭組成的，而是一個有一定科技含量的小系統(tǒng)：風力發(fā)電機 充電器 數字逆變器。風力發(fā)電機由機頭、轉體、尾翼、葉片組成。每一部分都很重要，各部分功能為：葉片用來接受風力并通過機頭轉為電能；尾翼使葉片始終對著來風的方向從而獲得最大的風能；轉體能使機頭靈活地轉動以實現(xiàn)尾翼調整方向的功能；機頭的轉子是永磁體，定子繞組切割磁力線產生電能。

一般說來，三級風就有利用的價值。但從經濟合理的角度出發(fā)，風速大于每秒4米才適宜于發(fā)電。據測定，一臺55千瓦的風力發(fā)電機組，當風速為每秒9.5米時，機組的輸出功率為55千瓦；當風速每秒8米時，功率為38千瓦；風速每秒6米時，只有16千瓦；而風速每秒5米時，僅為9.5千瓦?？梢婏L力愈大，經濟效益也愈大。

在我國，已有不少成功的中、小型風力發(fā)電裝置在運轉。

我國的風力資源極為豐富，絕大多數地區(qū)的平均風速都在每秒3米以上，特別是東北、西北、西南高原和沿海島嶼，平均風速更大；有的地方，一年三分之一以上的時間都是大風天。在這些地區(qū)，發(fā)展風力發(fā)電是很有前途的。

風力發(fā)電的輸出

風力發(fā)電機因風量不穩(wěn)定，故其輸出的是13～25V變化的交流電，須經充電器整流，再對蓄電瓶充電，使風力發(fā)電機產生的電能變成化學能。然后用有保護電路的逆變電源，把電瓶里的化學能轉變成交流220V市電，才能保證穩(wěn)定使用。

通常人們認為，風力發(fā)電的功率完全由風力發(fā)電機的功率決定，總想選購大一點的風力發(fā)電機，而這是不正確的。風力發(fā)電機只是給電瓶充電，而由電瓶把電能貯存起來，人們最終使用電功率的大小與電瓶大小有更密切的關系。功率的大小更主要取決于風量的大小，而不僅是機頭功率的大小。在內地，小的風力發(fā)電機會比大的更合適。因為它更容易被小風量帶動而發(fā)電，持續(xù)不斷的小風，會比一時狂風更能供給較大的能量。當無風時人們還可以正常使用風力帶來的電能，也就是說一臺200W風力發(fā)電機也可以通過大電瓶與逆變器的配合使用，獲得500W甚至1000W乃至更大的功率輸出。

使用風力發(fā)電機，就是源源不斷地把風能變成我們家庭使用的標準市電，其節(jié)約的程度是明顯的，一個家庭一年的用電只需20元電瓶液的代價。而風力發(fā)電機比幾年前的性能有很大改進，以前只是在少數邊遠地區(qū)使用，風力發(fā)電機接一個15W的燈泡直接用電，一明一暗并會經常損壞燈泡。而由于技術進步，采用先進的充電器、逆變器，風力發(fā)電成為有一定科技含量的小系統(tǒng)，并能在一定條件下代替正常的市電。山區(qū)可以借此系統(tǒng)做一個常年不花錢的路燈；高速公路可用它做夜晚的路標燈；山區(qū)的孩子可以在日光燈下晚自習；城市小高層樓頂也可用風力電機，這不但節(jié)約而且是真正綠色電源。家庭用風力發(fā)電機，不但可以防止停電，而且還能增加生活情趣。在旅游景區(qū)、邊防、學校、部隊乃至落后的山區(qū)，風力發(fā)電機正在成為人們的采購熱點。無線電愛好者可用自己的技術在風力發(fā)電方面為山區(qū)人民服務，使人們看電視及照明用電與城市同步，也能使自己勞動致富。

分布式風力發(fā)電技術種類

風力發(fā)電從技術角度可以分為恒速恒頻和變速恒頻兩種類型。

1、恒速恒頻技術

當風力發(fā)電機與電網并聯(lián)運行時，要求風力發(fā)電機的頻率與電網頻率保持一致，即恒頻。恒速恒頻指在風力發(fā)電過程中，保持發(fā)電機的轉速不變，從而得到恒定的頻率。采用的恒速恒頻發(fā)電機存在風能利用率低、需要無功補償裝置、輸出功率不可控、葉片特性要求高等不足，成為制約并網風電場容量和規(guī)模的嚴重障礙。

2、變速恒頻技術

變速恒頻是指在風力發(fā)電過程中發(fā)電機的轉速可隨風速變化，通過其他控制方式來得到恒定的頻率。

變速恒頻發(fā)電是2O世紀70年代中后期逐漸發(fā)展起來的一種新型風力發(fā)電技術，通過調節(jié)發(fā)電機轉子電流的大小、頻率和相位，或變槳距控制，實現(xiàn)轉速的調節(jié)，可在很寬的風速范圍內保持近乎恒定的最佳葉尖速比，進而實現(xiàn)追求風能最大轉換效率；同時又可以采用一定的控制策略靈活調節(jié)系統(tǒng)的有功、無功功率，抑制諧波、減少損耗、提高系統(tǒng)效率，因此可以大大提高風電場并網的穩(wěn)定性。盡管變速系統(tǒng)與恒速系統(tǒng)相比，風電轉換裝置中的電力電子部分比較復雜和昂貴，但成本在大型風力發(fā)電機組中所占比例并不大，因而發(fā)展變速恒頻技術將是今后風力發(fā)電的必然趨勢。

分布式風力發(fā)電實際運用

變速恒頻技術因其利用風能充分、控制系統(tǒng)先進、靈活而成為風電技術的主流。在實際利用中，分布式風力發(fā)電一般與其他發(fā)電形式相互組合，例如風力發(fā)電同太陽能發(fā)電相組合形成的風光互補發(fā)電系統(tǒng)；風力發(fā)電同柴油機組發(fā)電組合形成的“風油”發(fā)電系統(tǒng)；還有三者共同組合成的“風光油”發(fā)電系統(tǒng)。

不同地區(qū)根據各自不同的特點選擇適合自身條件的組合形式，充分利用環(huán)境優(yōu)勢發(fā)展新型能源。尤其值得關注的是“風光”組合發(fā)電系統(tǒng)，使用純天然、無污染的風能和光能發(fā)電，代表著分布式發(fā)電技術的未來發(fā)展方向。從嚴格意義上來說，風能也是來自于太陽能，是太陽對地球大氣造成影響產生的氣流，無論是在時間還是在空間上，二者都有著很強的互補性，太陽能光伏發(fā)電技術和風力發(fā)電技術在環(huán)境適應性上不相上下，都適合建立分布式發(fā)電機組，二者組合擁有良好的匹配性，在未來很長一段時間里會成為引領可再生能源開發(fā)的趨勢潮流。

從風能資源的地域分布上看，越是位置偏遠、人煙稀少的地方風能資源就越豐富，而這些地方無論是交通成本還是常規(guī)電網供電成本都相當的高，由于人口稀少，用電負荷普遍不高，在這些地區(qū)周邊發(fā)展風力發(fā)電，能夠充分利用好豐富的風能資源，除供應周邊居民用電外，還可以接入大電網支持周邊城市的電網供應。

分布式風力發(fā)電風機應用

考慮到分布式發(fā)電系統(tǒng)的安全性、可靠性、經濟性與適用廣泛性的要求，需要風力發(fā)電機有較寬的工作風速范圍 (3—25m/s)，在不穩(wěn)定的自然風況中，能可靠運行并有良好的電能品質，能捕獲最大風能以提高發(fā)電效率、降低單位功率發(fā)電成本。

以上技術在大型風力發(fā)電機中得到了較好的解決，例如，為捕獲最大風能，大型風力發(fā)電機主要通過兩個階段來實現(xiàn)。在額定風速 (14m/s)以下時，通過調節(jié)發(fā)電機反力距使轉速跟隨風速變化，在高于額定風速時，通過變槳距系統(tǒng)使系統(tǒng)輸出功率穩(wěn)定。所謂變槳距指安裝在輪載上的葉片通過控制改變其 風源WP-5000A風力發(fā)電機槳距角的大小，定槳距是指槳葉與輪載的連接是固定的，槳距角固定不變，即當風速變化時，槳葉的迎風角度不能隨之變化。

在中小型風力發(fā)電機方面，面向分布式發(fā)電的高效、可靠、低成本、大功率 (5—50kW) 的并網型變槳距中小型風力發(fā)電機，輸出功率不會因風速大于額定風速而下降。從分布式電源本身入手提高電能質量。如風源WP-5000A風力發(fā)電機，額定功率：5000瓦，最大功率：6500瓦，啟動風速：0.2米/秒～0.4米/秒，額定風速：12米/秒，工作風速：1.8米/秒～25米/秒，當風速大于額定風速12米/秒時，其輸出功率仍然向上平緩上升，所獲風能并沒減少，發(fā)電效率高，非常符合分布式風能發(fā)電的要求。