水平軸風力發電組設計基礎及工作原理

—風力發電機組方案設計20241葉輪直徑2額定風速3葉輪轉速4葉片數5功率控制6定速與變速運行目錄機組設計等級：IECⅠ級?機組容量：1.3MW?風輪直徑：62m?葉片數量：3?額定風速參數：14m/s?風輪額定轉速：19rpm?主軸-齒輪箱支撐形式：三點支撐?風輪布置形式：上風向?輪轂高度：60m/70m風電機組總體參數1葉輪直徑除此之外，風輪直徑選擇時還應考慮：?最小能量成本（費用/kWh/年）。如某1.3MW機型對應的風輪直徑為54～62m。?根據調查資料顯示，額定功率值/單位風輪掃掠面積的比值（W/m2）。如某1.3MW機型約為405W/m2，由此可算得D≈64m1葉輪直徑

1）葉輪中心離地面高度H取決于安裝地點（山谷、丘陵等），垂直風梯度，安裝條件，單機容量等因素。2）葉輪錐角γ—葉片和旋轉平面的夾角?！獪p少氣動力引起的葉根彎曲應力（對下風式風力機）；—防止葉片梢部與塔架碰撞（對上風式）。3）葉輪傾角δ—葉輪轉軸與水平面的夾角。減少葉片梢部與塔架碰撞的機會。其他參數的確定額定風速Vr：機組達到額定功率時的風速。2額定風速

2額定風速額定風速與部件成本的關系2額定風速Vr太高，機組將很少達到額定功率，傳動系和發電機的成本偏高，提高了能量成本；Vr過低，葉輪及其支撐的成本相對于發電量過高。統計數據表明，從成本最低的角度出發，優化的額定風速與年平均風速的比值關系Vro/Vave大致為1.5～2，其中——變槳距機組：1.67～1.77——失速型機組：≥23葉輪額定轉速考慮因素：尺寸控制：葉片弦長（實度）與轉速的平方成反比。重量控制：風輪轉速增加后，葉片的重量（成本）將增加，但傳動系統、機艙和塔架的費用降低，因此在考慮風輪轉速時要進行優化，兼顧兩者的費用。噪聲限制：風輪葉片所產生的氣動噪音與葉尖線速度的五次方成正比，通常限制葉尖線速度小于90m/s。視覺影響：從環保角度考慮，風輪轉速增加對人的視覺會產生一種沖擊。4葉片數1）尖速比λ葉輪的葉尖線速度與風速之比。是一個重要設計參數。與葉片數及實度有關。用于風力發電的高速風力機，常取較大的尖速比。尖速比在5-15時，具有較高的風能利用系數Cp。通?？扇?-8。4葉片數

4葉片數

2）實度λ定義：葉輪的葉片面積之和與風輪掃面積之比。它是和尖速比密切相關的一個重要參數。取值：對于風力發電機而言，由于尖速比較高，要求有較高的轉速和起動風速，因此，可取較小的實度。通常大致在5~20%之間。作用：—決定葉輪的力矩特性，尤其是起動力矩；—決定葉輪的重量與材料成本4葉片數3）葉片數和尖速比的對應關系：由于葉片數少的風力機在高尖速比運行的具有較高的風能利用系數，適合于發電。4葉片數4）三葉片和兩葉片：葉片數3變成2：葉片弦長增加50%或轉速增加22.5%。在相同尖速比時，兩葉片的Cp約是三葉片的1/3。兩者的最大Cp接近，但兩葉片發生在較大尖速比時。兩葉片提高轉速后增加了的噪聲。三葉片轉動的視覺效果好于兩葉片。三葉片的風力機運行和功率輸出較平穩，兩葉片的可降低成本。4葉片數葉片數對載荷的影響：5功率控制方式—（被動）失速控制

1）（被動）失速控制最簡單的控制方式，利用高風速時升力系數的降低和阻力系數的增加，限制功率輸出的增加，在高風速時保持近似恒定。作用在葉輪上的扭矩：T=∫dT5功率控制方式—（被動）失速控制

1）（被動）失速控制失速：葉輪上的動力來源于氣流流過翼型產生的升力。由于葉輪轉速恒定，風速增加，葉片上的攻角隨之增加。直到在背狐尾部從產生脫落，這一現象稱為失速。5功率控制方式—（被動）失速控制

5功率控制方式—（被動）失速控制5功率控制方式—（被動）失速控制被動失速控制主要優點：控制簡單，百Kw級多用。主要缺點：1、功率曲線由葉片的失速特性決定，功率輸出不穩定，甚至是不確定的。2、阻尼較低，振動幅度較大，易疲勞損壞。3、高風速時，氣動載荷較大，葉片及塔架等受載較大。4、在安裝點需要試運行，優化安裝角。5、低風速段，葉輪轉速較低時的功率輸出較高。5功率控制方式—變槳距控制高風速時，通過轉動整個或部分葉片減小攻角，進而減小升力系數，達到限制功率的目的。主要優點：——更多獲取風能；——提供氣動剎車；——減少作用在機組上的極限載荷；槳距角的變化——速率：5°/s或更高；——范圍：運行時0～35°；剎車時0～90°。0°時，葉尖弦線位于轉動平面內。5功率控制方式—變槳距控制

槳距角的改變5功率控制方式—變槳距控制

5功率控制方式—變槳距控制

5功率控制方式—變槳距控制

5功率控制方式—變槳距控制

主要缺點：增加一或三套變槳距系統（電動或液壓驅動）5功率控制方式—主動失速控制—采用失速葉片保證功率調節簡單可靠；—利用槳距調節在中低風速區優化功率輸出，高風速區維持額定功率輸出；—在臨界失速點，通過槳距調節跨越失速不穩定區。主動失速的技術特點：與傳統失速功率調節相比：可以補償空氣密度、葉片粗糙度、翼型變化對功率輸出的影響,優化中低風速的出力額定點之后可維持額定功率輸出葉片可順槳，剎車平穩,沖擊小，極限載荷小5功率控制方式—主動失速控制

主動失速與被動失速的功率曲線5功率控制方式—主動失速控制

與變槳距功率調節技術相比：受陣風、湍流影響較小，功率輸出平穩，無需特殊的發電機槳距僅需微調，磨損少，疲勞載荷小6定速與變速運行定速運行：控制簡單，但不能最大限度獲得風能。主要問題：定槳距機組在低風速運行時的效率較低—由于轉速恒定，而風速變化（如運行風速范圍為3~25m/s）；—如果設計低風速時效率過高，葉片會過早失速。發電機本身在低負荷時的效率問題—當P>30%的額定功率時，效率>90%；—但P<25%的額定功率時，效率將急劇下降。解決辦法：兩速運行和變速運行。6定速與變速運行變速運行優點：在低風速段，改變葉輪轉速保持最佳尖速比；葉輪的低速運行降低了噪聲；葉輪像飛輪一樣，調節氣動扭矩的波動，使之平穩傳給傳動系；通過變流器與電網相連，電能閃爍降低，品質提