風力發電相關基礎知識第一頁，共32頁。能量轉換風能電能更進一步風能電能機械能第二頁，共32頁。風力發電基本原理：

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,來促使發電。主要優點：

第一，費用低廉，建設周期短；第二，不需原料即可產生電力，除常規保養外，沒有其他消耗；第三，風力是一種潔凈的自然能源，沒有環境污染問題。

第三頁，共32頁。風能發電的主要形式1、小型獨立風力發電系統單臺裝機容量約為100瓦-5千瓦，通常不超過10千瓦。風力發電機＋充電器＋數字逆變器。因風量不穩定，須經充電器整流，再對蓄電瓶充電。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，才能保證穩定使用。

2、并網風力發電系統變槳距控制、失速控制變極、變滑差、變速恒頻及低速永磁等新型發電機風力發電機單機裝機容量可以達到600千瓦以上。不少國家建立了眾多的中型及大型風力發電場，并實現了與大電網的對接。第四頁，共32頁。風機結構轉子葉片：捉獲風，并將風力傳送到轉子軸心。低速軸：風電機的低速軸將轉子軸心與齒輪箱連接在一起。轉子轉速相當慢，大約為19至30轉每分鐘。齒輪箱：齒輪箱左邊是低速軸，它可以將高速軸的轉速提高至低速軸的50倍。高速軸：高速軸以1500轉每分鐘運轉，并驅動發電機。發電機：感應電機或異步發電機。在現代風電機上，最大電力輸出通常為500至1500千瓦。

偏航裝置：借助電動機轉動機艙，以使轉子正對著風。風力發動機本體和附件把風能轉化為機械能的裝置發電機及電氣裝置把機械能轉化為電能第五頁，共32頁。第六頁，共32頁。貝茲理論中的假設

——葉輪是理想的；——氣流在整個葉輪掃略面上是均勻的；——氣流始終沿著葉輪軸線；——葉輪處在單元流管模型中，如圖。貝茲理論第七頁，共32頁。流體連續性條件：S1V1=SV=S2V2第八頁，共32頁。應用氣流沖量原理葉輪所受的軸向推力：F=m(V1-V2)式中m=SV，為單位時間內的流量質量。葉輪單位時間內吸收的風能——葉輪吸收的功率為：P=FV=SV2(V1-V2)第九頁，共32頁。2.動能定理的應用基本公式：E=1/2mV2（m同上）單位時間內氣流所做的功——功率：P’=1/2mV2==1/2SVV2在

葉輪前后，單位時間內氣流動能的改變量：

P’=1/2SV(V21_V22)此既氣流穿越葉輪時，被葉輪吸收的功率。因此：SV2(V1-V2)=1/2SV(V21_V22)整理得：V=1/2(V1+V2)即穿越葉輪的風速為葉輪遠前方與遠后方風速的均值。第十頁，共32頁。3.貝茲極限引入軸向干擾因子進一步討論。令：V=V1(1-a)=V1–U則有：V2=V1(1-2a)其中：a——軸向干擾因子，又稱入流因子。U=V1a——軸向誘導速度。當a=1/2時，V2=0，因此a<1/2。又V<V1，有1>a>0。a的范圍：?>a>0第十一頁，共32頁?！捎谌~輪吸收的功率為P=P’=1/2SV(V21_V22)=2SV13a(1-a)2

令dP/da=0，可得吸收功率最大時的入流因子。解得：a=1和a=1/3。取a=1/3，得Pmax=16/27(1/2SV13)注意到1/2SV13是遠前方單位時間內氣流的動能——功率第十二頁，共32頁。由空氣動力學特性可知,通過葉輪旋轉面的風能不能全部被葉輪吸收利用,可以定義出一個風能利用系數CP。于是最大風能利用系數Cpmax為：Cpmax=Pmax/(1/2SV13)=16/270.593此乃貝茲極限。第十三頁，共32頁。葉素理論第十四頁，共32頁。第十五頁，共32頁。第十六頁，共32頁。第十七頁，共32頁。基本思想將葉片沿展向分成若干微段——葉片元素——葉素；視葉素為二元翼型，即不考慮展向的變化；作用在每個葉素上的力互不干擾；將作用在葉素上的氣動力元沿展向積分，求得作用在葉輪上的氣動扭矩與軸向推力。第十八頁，共32頁。還有另一個重要的參數葉尖速比λ,即葉輪的尖速度與風速之比:風輪與發電機匹配問題第十九頁，共32頁。第二十頁，共32頁。風能利用系數Cp不是一個常數,它隨著風輪轉速以及風輪葉片(攻角、槳距角等)變化不同風速下的風輪輸出機械功率隨風輪轉速而變化。對于每一風速總存在一個最大輸出功率點第二十一頁，共32頁。第二十二頁，共32頁。第二十三頁，共32頁。永磁同步發電機性能數學模型稀土永磁直流發電機功率和轉矩可寫為:第二十四頁，共32頁。第二十五頁，共32頁。第二十六頁，共32頁。從理論上講,要想使風力機達到最佳的匹配,就應使配套發電機功率-轉速曲線與曲線A重合,使轉矩-轉速曲線與曲線B重合。通過對發電機的結構和參數做出調整，使得兩組曲線盡量匹配。調整方法：1、調整繞組：繞組匝數、線徑等2、調節磁場：磁通量等第二十七頁，共32頁。風輪輸出功率控制方式失速控制在轉速不變的條件下，風速超過額定植后，葉片發生失速，將輸出功率限制在一定范圍內。失速定義由于氣流沖角過大而造成壓氣機葉片背弧上附面層嚴重分離，以致壓氣機性能嚴重下降甚至喪失功能的現象。第二十八頁，共32頁。變槳距調節變速風機中，風輪轉速可變，即葉尖速度可變。低于額定風速時保持槳距不變，和風速保持比例關系，即保持在最佳葉尖速比，數值在6~8之間，以獲得最佳功率系數。高風速時，對葉片的槳距角控制以限制風輪的氣動效率。最佳槳距角在額定風速以下為零，額定風速以上槳距角對風速增大而增大。第二十九頁，共32頁。并網發電機工作方式恒速恒頻發電系統——失速控制變速恒頻發電系統——變槳距調節從風力機的運行原理可知，這就要求風力機的轉速正比于風速并保持一個恒定的最佳葉尖速比，從而使風力機的風能利用系數保持最