风力发电技术基础教程

风力发电技术基础教程风力发电技术基础教程崔崔 新新 维维 2002.7.11.目目 录录v风力发电技术概述风力发电技术概述v风力机的理论基础风力机的理论基础v机组的机械零部件机组的机械零部件v机组电气系统机组电气系统v风资源概述风资源概述第一章第一章 风力发电技术概述风力发电技术概述v风力发电机组的总体构成风力发电机组的总体构成v风力发电机组的主要机型风力发电机组的主要机型v风力发电机组中的关键技术风力发电机组中的关键技术一、风力发电机组的总体构成一、风力发电机组的总体构成风 电 机组 v风力发电机组的主要组成部分：风力发电机组的主要组成部分：叶轮：叶轮：将风能转变为机械能将风能转变为机械能传动系统：传动系统：将叶轮的转速提升到发电机的额将叶轮的转速提升到发电机的额 定转速定转速 发电机：发电机：将叶轮获得的机械能再转变为电能将叶轮获得的机械能再转变为电能偏航系统：使叶轮可靠地迎风转动并解缆偏航系统：使叶轮可靠地迎风转动并解缆其它部件：如塔架、机舱等其它部件：如塔架、机舱等 控制系统：控制系统：使风力机在各种自然条件与工况使风力机在各种自然条件与工况下正常运行的保障机制，包括调速、调向和安下正常运行的保障机制，包括调速、调向和安全控制。

全控制v风力发电机组（以下简称风力发电机组（以下简称风力机风力机）是一种）是一种能量能量转换装置转换装置将将风能风能转换为转换为电能电能的二、风力发电机组的主要机型二、风力发电机组的主要机型v按叶轮转速是否恒按叶轮转速是否恒定分：定分：定速风力机定速风力机 变速风力机变速风力机 按叶片与轮毂的联接方式分：定桨距（失速型）机组 变桨距机组其它机型 主动失速型 无齿轮箱型 海上机组v基本特征基本特征 水平轴水平轴 三叶片三叶片 上风式上风式 双速发电机双速发电机v机型的发展趋势机型的发展趋势 定桨距定桨距 变桨距变桨距 定速型定速型 变速型变速型 Kw级级 MW级级 有齿轮箱式有齿轮箱式 直接驱动式直接驱动式三、风力发电机组中的关键技术三、风力发电机组中的关键技术v机组的设计方法与技术机组的设计方法与技术v叶片的设计与制造技术叶片的设计与制造技术 气动设计气动设计 结构设计结构设计 制造工艺制造工艺v机组控制技术机组控制技术 功率控制技术功率控制技术 载荷控制技术载荷控制技术 并网技术并网技术 远程监控技术远程监控技术第二章第二章 风力机基础理论风力机基础理论v叶片的空气动力特性叶片的空气动力特性v叶轮的空气动力模型叶轮的空气动力模型2.1 空气动力学的基本概念一、流线一、流线v气体质点：体积无限小的具有质量和速度的气体质点：体积无限小的具有质量和速度的流流体微团体微团。

v流线：流线：在某一瞬时沿着流场中各气体质点的速度在某一瞬时沿着流场中各气体质点的速度方向连成的一条平滑曲线方向连成的一条平滑曲线描述了该时刻各气体质点的运动方向：切描述了该时刻各气体质点的运动方向：切线方向流场中众多流线的集合称为流场中众多流线的集合称为流线簇流线簇一般情况下，各流线彼此不会相交如图所示情况下，各流线彼此不会相交如图所示绕过物体的流线簇v绕过障碍物的流线绕过障碍物的流线:当流体绕过障碍物时，流线形状会改变，当流体绕过障碍物时，流线形状会改变，其形状取决于所绕过的障碍物的形状其形状取决于所绕过的障碍物的形状v不同的物体对气流的阻碍效果也各不相同不同的物体对气流的阻碍效果也各不相同 考虑几种形状的物体，它们的截面尺寸相考虑几种形状的物体，它们的截面尺寸相同，但同，但侧面形状侧面形状各异，对气流的阻碍作用（用各异，对气流的阻碍作用（用阻力系数阻力系数度量）不同度量）不同0.470.0441.330.341.11侧面形状不同的几种物体二、阻力与升力v阻力：阻力：当气流与物体有相对运动时，气流对物体当气流与物体有相对运动时，气流对物体的平行于气流方向的作用力的平行于气流方向的作用力。

v升力：升力：先定性地考察一番飞机机翼附近的流线先定性地考察一番飞机机翼附近的流线当机翼相对气流保持图示的方向与方位时，在当机翼相对气流保持图示的方向与方位时，在机翼上下面流线簇的疏密程度是不尽相同的机翼上下面流线簇的疏密程度是不尽相同的1 2 1 1 3 1根据流体运动的质量守恒定律，有根据流体运动的质量守恒定律，有连续性方程连续性方程 A1V1=A2V2+A3V3 其中：其中：A、V分别表示截面积和速度分别表示截面积和速度下标下标1、2、3分别代表前方或后方、上分别代表前方或后方、上表面表面 和下表面处和下表面处根据根据伯努利方程伯努利方程：P=Pi+1/2*Vi2 即：气体总压力即：气体总压力=静压力静压力+动压力动压力=恒定值恒定值 考察翼型剖面气体流动的情况：考察翼型剖面气体流动的情况：上翼面突出上翼面突出，流场横截面面积减小，空气流速，流场横截面面积减小，空气流速大，大，即即V2V1而由伯努利方程，而由伯努利方程，必使：必使：P2 CTCT时，时，C CL L下降v当当=0 0(0)(0)时，时，C CL L=0=0，表明无升力表明无升力0 0称为称为零升力角，对应零升力线。

零升力角，对应零升力线用阻力特性曲线来描述CD CDmin CDmin 两个特征参数：最小阻力系数C CDminDmin及对应攻角 CDminCDmin4、翼剖面的阻力特性2.2 叶轮空气动力学基础叶轮的作用叶轮的作用：将风能转换为机械能将风能转换为机械能一、叶轮的几何描述一、叶轮的几何描述v叶轮轴线：叶轮旋转的轴线叶轮轴线：叶轮旋转的轴线v旋转平面：桨叶扫过的垂直于叶轮轴线的平面旋转平面：桨叶扫过的垂直于叶轮轴线的平面v叶片轴线：叶片绕其旋转以改变相对于旋转平叶片轴线：叶片绕其旋转以改变相对于旋转平面的偏转角面的偏转角安装角（重要概念）安装角（重要概念）v半径半径r r处的桨叶剖面：距叶轮轴线处的桨叶剖面：距叶轮轴线r r处用垂直于处用垂直于叶片轴线的平面切出的叶片截面叶片轴线的平面切出的叶片截面v安装角：桨叶安装角：桨叶剖面上的翼弦剖面上的翼弦线与旋转平面线与旋转平面的夹角，又称的夹角，又称桨距角，记为桨距角，记为v半径半径r处叶片截面的处叶片截面的几何桨距几何桨距：在：在r处几何螺旋处几何螺旋线的螺距线的螺距可以从几个方面来理解：可以从几个方面来理解：几何螺旋线的描述：半径几何螺旋线的描述：半径r，螺旋升角，螺旋升角。

此处的螺旋升角为该半径处的安装角此处的螺旋升角为该半径处的安装角 r该几何螺旋线该几何螺旋线 与与r处翼剖面处翼剖面 的弦线相切的弦线相切桨距值：桨距值：H=2 r tg r二、贝兹理论v贝兹理论中的假设贝兹理论中的假设 叶轮是理想的；叶轮是理想的；气流在整个叶轮扫略面上是均匀的；气流在整个叶轮扫略面上是均匀的；气流始终沿着叶轮轴线；气流始终沿着叶轮轴线；叶轮处在单元流管模型中，如图叶轮处在单元流管模型中，如图流体连续性条件：流体连续性条件：S1V1=SV=S2V22.对叶轮应用气流冲量原理v叶轮所受的轴向推力：叶轮所受的轴向推力：F=m(V1-V2 )式中式中m=SV，为单位时间内的流量质量，为单位时间内的流量质量v叶轮单位时间内吸收的风能叶轮单位时间内吸收的风能叶轮吸收的功率叶轮吸收的功率为：为：P=FV=SV2(V1-V2)3、动能定理的应用v基本公式：基本公式：E=1/2 mV2 （m同上）同上）单位时间内气流所做的功单位时间内气流所做的功功率：功率：P=1/2 mV2=1/2 SV V2v在在 叶轮前后，单位时间内气流动能的改变量：叶轮前后，单位时间内气流动能的改变量：P=1/2 SV(V21_ V22)此既气流穿越叶轮时，被叶轮吸收的功率此既气流穿越叶轮时，被叶轮吸收的功率。

因此：因此：SV2(V1-V2)=1/2 SV(V21_ V22)整理得：整理得：V=1/2(V1+V2)即穿越叶轮的风速为叶轮远前方与远后方即穿越叶轮的风速为叶轮远前方与远后方风风 速的均值速的均值4.4.贝兹极限贝兹极限v引入引入轴向干扰因子轴向干扰因子进一步讨论进一步讨论令：令：V=V1(1-a)=V1 U 则有：则有：V2=V1(1-2a)其中：其中：a轴向干扰因子，又称入流因子轴向干扰因子，又称入流因子U=V1a轴向诱导速度轴向诱导速度v讨论：讨论：当当a1/2时，时，V20，因此，因此a1/2又又V 0，有，有1a0a的范围：的范围：a 0 由于叶轮吸收的功率为由于叶轮吸收的功率为 P=P=1/2 SV(V21_ V22)=2 S V13a(1-a)2 令令dP/da=0，可得吸收功率最大时的入流，可得吸收功率最大时的入流因子解得：解得：a=1和和a=1/3取a=1/3，得，得 Pmax=16/27 (1/2 SV13 )注意到注意到1/2 SV13 是远前方单位时间内是远前方单位时间内气流的动能气流的动能功率，并定义功率，并定义风能利用系数风能利用系数Cp为：为：Cp=P/(1/2 SV13)于是于是最大风能利用系数最大风能利用系数Cpmax为：为：Cpmax=Pmax/(1/2 SV13)=16/27 0.593 此乃贝兹极限。

此乃贝兹极限三、三、叶素理论叶素理论1、基本思想、基本思想v将叶片沿展向分成若干微段将叶片沿展向分成若干微段叶片元素叶片元素叶素叶素；v视叶素为二元翼型，即不考虑展向的变化；视叶素为二元翼型，即不考虑展向的变化；v作用在每个叶素上的力互不干扰；作用在每个叶素上的力互不干扰；v将作用在叶素上的气动力元沿展向积分，求得将作用在叶素上的气动力元沿展向积分，求得作用在叶轮上的气动扭矩与轴向推力作用在叶轮上的气动扭矩与轴向推力2、叶素模型、叶素模型v端面：端面：桨叶的径向距离桨叶的径向距离r处取微段，展向长度处取微段，展向长度dr在旋转平面内的线速度：在旋转平面内的线速度：U=rv翼型剖面：翼型剖面：弦长弦长 C，安装角，安装角设设V为来流的风速，由于有线速度为来流的风速，由于有线速度U，气流相，气流相对于桨叶的速度应是两者的合成，记为对于桨叶的速度应是两者的合成，记为WW V U dF dR dL旋转平面定义定义W与叶轮旋转平面的夹角为与叶轮旋转平面的夹角为入流角入流角，记为，记为，则有叶片翼型的攻角为：，则有叶片翼型的攻角为：=-3、叶素上的受力分析、叶素上的受力分析v在在W的作用下，叶素受到一个气动合力元的作用下，叶素受到一个气动合力元dR，可分解为平行于，可分解为平行于W的阻力元的阻力元dD和垂直于和垂直于W的升力元的升力元dL。

v另一方面，另一方面，dR还可分解为推力元还可分解为推力元dF和扭矩元和扭矩元dT，由几何关系可得：，由几何关系可得：dFdLcos +dDsin dTr(dLsin -dD cos )v由于可利用阻力系数由于可利用阻力系数CD和升力系数和升力系数Cl 分别求分别求得得dD和和dL:dL =1/2 CLW 2C dr dD=1/2 CD W 2C dr 故故dF和和dT可求v将叶素上的力元沿展向积分，得：将叶素上的力元沿展向积分，得：作用在叶轮上的推力：作用在叶轮上的推力：F=dF 作用在叶轮上的扭矩：作用在叶轮上的扭矩：T=dT 叶轮的输出功率：叶轮的输出功率：P=dT=T第三章第三章 机组机械零部件机组机械零部件主要机械零部件：主要机械零部件：v叶轮：叶轮：叶片、轮毂及其联接叶片、轮毂及其联接v变桨距机构：变桨距机构：原动装置、传动部件、执行部件等原动装置、传动部件、执行部件等v传动系：传动系：主轴、主轴轴承、齿轮箱、机械刹车、主轴、主轴轴承、齿轮箱、机械刹车、联轴器、发电机等联轴器、发电机等v偏航系统：偏航系统：偏航轴承、偏航齿轮、偏航电机及减偏航轴承、偏航齿轮、偏航电机及减速器及其控制子系统速器及其控制子系统v其它机件：机舱、塔架、提升装置其它机件：机舱、塔架、提升装置3.1 叶轮叶轮v一台设计良好的风力机必须具有良好的空气动一台设计良好的风力机必须具有良好的空气动力性能。

力性能v风力机的空气动能主要表现为叶轮的空气动力风力机的空气动能主要表现为叶轮的空气动力性能v叶轮的空气动力性能主要取决于它的气动设计叶轮的空气动力性能主要取决于它的气动设计v气动设计时，必须先确定总体参数这也是进气动设计时，必须先确定总体参数这也是进行方案设计所必需的行方案设计所必需的一、叶轮的主要参数一、叶轮的主要参数1、尖速比、尖速比 v叶轮的叶尖线速度与额定风速之比是一个重要叶轮的叶尖线速度与额定风速之比是一个重要设计参数与叶片数及实度有关设计参数与叶片数及实度有关v用于风力发电的高速用于风力发电的高速 Cp 风力机，常取较大的风力机，常取较大的 0.5 尖速比尖速比在尖速比尖速比在5-0.4 15 时，具有较高的时，具有较高的 0.3 风能利用系数通常风能利用系数通常 0.2 可取可取 6-80.1 3 6 9 12 2、叶片数、叶片数v取决于叶轮的尖速比取决于叶轮的尖速比，具体对应关系如下表，具体对应关系如下表：v由于叶片数少的风力机在高尖速比运行的具有由于叶片数少的风力机在高尖速比运行的具有较高的风能利用系数，适合于发电较高的风能利用系数，适合于发电v三叶片的风力机运行和功率输出较平稳，两叶三叶片的风力机运行和功率输出较平稳，两叶片的可降低成本。

片的可降低成本3、风轮直径风轮直径 Dv风轮直径风轮直径D D 主要取决于两个因素：主要取决于两个因素：风力机输出功率风力机输出功率P 额定风速额定风速V rv计算公式的推导：计算公式的推导：叶轮输出功率：叶轮输出功率：P1=1/2 Cp SVr3=P/(1 2)于是于是：P=1/2 Cp Vr3 1 2 D 2 /4 直径直径D D 的简化计算公式：的简化计算公式：D 2=8P/(Cp 1 2 Vr3)5P/Vr3其中，取其中，取 Cp 0.45，1.25，1 2 0.94、实度、实度v定义：定义：叶轮的叶片面积之和与风轮扫面积之比它叶轮的叶片面积之和与风轮扫面积之比它是和尖速比密切相关的一个重要参数是和尖速比密切相关的一个重要参数v取值：取值：对于风力发电机而言，由于尖速比较高，对于风力发电机而言，由于尖速比较高，要求有较高的转速，起动风速高，因此，可取要求有较高的转速，起动风速高，因此，可取较小的实度通常大致在较小的实度通常大致在520%之间示意之间v作用：作用：决定叶轮的力矩特性，尤其是起动力矩；决定叶轮的力矩特性，尤其是起动力矩；决定叶轮的重量与材料成本决定叶轮的重量与材料成本5、其它参数、其它参数1、叶轮中心离地面高度、叶轮中心离地面高度H 取决于安装地点（山谷、丘陵等），垂直取决于安装地点（山谷、丘陵等），垂直风梯度，安装条件，单机容量等因素。

风梯度，安装条件，单机容量等因素2、叶轮锥角、叶轮锥角 叶片和旋转平面的夹角叶片和旋转平面的夹角减少气动力引起的叶根弯曲应力（对下风减少气动力引起的叶根弯曲应力（对下风式风力机）；式风力机）；防止叶片梢部与塔架碰撞（对上风式）防止叶片梢部与塔架碰撞（对上风式）3、叶轮倾角、叶轮倾角 叶轮转轴与水平面的夹角叶轮转轴与水平面的夹角减少叶片梢部与塔架碰撞的机会减少叶片梢部与塔架碰撞的机会二、叶片二、叶片v一个叶片大致分成四部分：叶根、厚翼型段、一个叶片大致分成四部分：叶根、厚翼型段、正常翼型段、叶尖段正常翼型段、叶尖段v大型风力机几乎都采用强化玻璃钢（大型风力机几乎都采用强化玻璃钢（GRP）制成的v叶片的外表面光滑且从叶根到叶尖呈扭曲状叶片的外表面光滑且从叶根到叶尖呈扭曲状v叶片的中间结构需要考虑叶片的强度、刚度、叶片的中间结构需要考虑叶片的强度、刚度、惯性、重量等因素惯性、重量等因素1、叶片的载荷、叶片的载荷v对叶片运行载荷分析与计算，不仅是叶片的结对叶片运行载荷分析与计算，不仅是叶片的结构设计所必须的，而且更为重要的是分析整个构设计所必须的，而且更为重要的是分析整个风力机各部件受载的基础。

风力机各部件受载的基础v风力机在运行情况下，作用在其上的载荷就比风力机在运行情况下，作用在其上的载荷就比较复杂，主要有气动载荷，重力和惯性载荷较复杂，主要有气动载荷，重力和惯性载荷它们都随时间而变化，特别是气动载荷受阵风它们都随时间而变化，特别是气动载荷受阵风和风向变化的影响是随机的，要准确计算是困和风向变化的影响是随机的，要准确计算是困难的v作用在叶片上的力作用在叶片上的力 简化为三种力：空气动力、离心力和重力简化为三种力：空气动力、离心力和重力v各作用力的影响各作用力的影响2、叶片的附加载荷、叶片的附加载荷v阵风期间，风速在一秒内可变化阵风期间，风速在一秒内可变化1520m/s甚至更多，风向在一秒内可改变几十度此时甚至更多，风向在一秒内可改变几十度此时，叶片处在不利的攻角下，导致所受弯矩的增，叶片处在不利的攻角下，导致所受弯矩的增加加阵风效应阵风效应U W V13、锥角效应 对下风式风力机，叶片与转轴的夹角小于对下风式风力机，叶片与转轴的夹角小于90度，将使正常运行时叶片受到的弯曲应力度，将使正常运行时叶片受到的弯曲应力大大减小，甚至可为零大大减小，甚至可为零锥角效应锥角效应对于上风式风力机，要注意对于上风式风力机，要注意负锥角效应负锥角效应4、陀螺效应、陀螺效应 叶轮偏航时，桨叶除受到气动力的作叶轮偏航时，桨叶除受到气动力的作用外，还受有离心力和旋转惯性力，在桨用外，还受有离心力和旋转惯性力，在桨叶中产生附加力矩叶中产生附加力矩陀螺效应陀螺效应，附加力，附加力矩的大小为：矩的大小为：M =2 I 1三、轮毂三、轮毂v两种形式的轮毂：球形和叉形。

一般采用球墨两种形式的轮毂：球形和叉形一般采用球墨铸铁铸造而成铸铁铸造而成v轮毂是机组中受力最复杂的零件之一，因此需轮毂是机组中受力最复杂的零件之一，因此需要进行详细的结构设计与疲劳强度分析要进行详细的结构设计与疲劳强度分析v轮毂与叶片之间的联接有：固定式、铰链式、轮毂与叶片之间的联接有：固定式、铰链式、跷跷板式等形式跷跷板式等形式第四章第四章 机组电气系统机组电气系统v发电机发电机v并网运行并网运行v控制系统控制系统v基本运行过程基本运行过程4.1 发电机发电机一、常用的发电机种类一、常用的发电机种类 1、同步发电机、同步发电机 基本构成基本构成 定子定子 定子铁心定子铁心 定子绕组（定子线圈）定子绕组（定子线圈）转子转子 转子铁心（磁极）转子铁心（磁极）励磁绕组（转子绕组）励磁绕组（转子绕组）发电原理v 励磁绕组中通过直流电后，转子磁极磁化，产生磁场励磁绕组中通过直流电后，转子磁极磁化，产生磁场；v 原动机带动转子转动，转子磁场同时转动，与定子绕原动机带动转子转动，转子磁场同时转动，与定子绕组相对运动，使其感应出交流电动势组相对运动，使其感应出交流电动势发电机发出发电机发出交流电交流电。

v 该交流电的频率取决于转子极对数该交流电的频率取决于转子极对数 p及转子的转速及转子的转速n：f=pn/60(Hz)，当，当n改变时，改变时，f也改变v 定子绕组中感应出的电动势，在外电路接通后产生交定子绕组中感应出的电动势，在外电路接通后产生交流电流该电流也要在电机中产生旋转磁场，其转速流电流该电流也要在电机中产生旋转磁场，其转速称为称为同步转速同步转速，它由交流电频率，它由交流电频率f 和定子绕组旋转磁和定子绕组旋转磁场的极对数场的极对数p1决定决定：n1=60 f/p1（r/min）v 由于在这种发电机中，使得由于在这种发电机中，使得p1=p，则则n1=n故故称为称为同步发电机同步发电机2、异步发电机、异步发电机基本构造基本构造与同步发电机相似与同步发电机相似异步电动机异步电动机工作原理工作原理v定子绕组接到交流电源上，定子在电机中产生定子绕组接到交流电源上，定子在电机中产生旋转交变磁场旋转交变磁场 ，转速为同步转速转速为同步转速n n1 1,n n1 1=60f/p60f/p1 1v旋转磁场在转子绕组中产生感应电流，使转子旋转磁场在转子绕组中产生感应电流，使转子绕组成为载流导体。

它在旋转磁场中又受到电绕组成为载流导体它在旋转磁场中又受到电磁力的作用，于是就按照旋转磁场的方向转动磁力的作用，于是就按照旋转磁场的方向转动起来v由于转子导体中的电流是靠电磁感应产生的，由于转子导体中的电流是靠电磁感应产生的，故又称为感应（式）电动机故又称为感应（式）电动机v由于转子绕组中的感应电流产生于转子相对于由于转子绕组中的感应电流产生于转子相对于磁场的运动，而该感应电流又产生转子转动的磁场的运动，而该感应电流又产生转子转动的电磁力因此，转子转速电磁力因此，转子转速n不能等于同步转速不能等于同步转速n1异步电动机异步电动机滑差率滑差率v定义：定义：n1-n为为转速差（滑差）转速差（滑差）；s=(n1-n)/n1 100%为为滑滑差率差率v异步电动机的滑差率一般为异步电动机的滑差率一般为1.56%v用作发电机时，必须使转子转速用作发电机时，必须使转子转速n大于同步大于同步转速转速n1，此时，此时，s小于小于0二、双速发电机二、双速发电机1、问题：、问题：v定桨距机组在低风速运行时的效率较低定桨距机组在低风速运行时的效率较低 由于转速恒定，而风速变化（如运行风速范由于转速恒定，而风速变化（如运行风速范围为围为325m/s）；）；如果设计低风速时效率过高，叶片会过早失如果设计低风速时效率过高，叶片会过早失速。

速v发电机本身在低负荷时的效率问题发电机本身在低负荷时的效率问题 当当P30%的额定功率时，效率的额定功率时，效率90%；但但P3m/s，但不足以将机组拖动到切入转速时，但不足以将机组拖动到切入转速时的的自由转动状态自由转动状态v 发电机未并入电网，但机组已处于工作状态，控制系发电机未并入电网，但机组已处于工作状态，控制系统已经做好切入电网的一切准备：统已经做好切入电网的一切准备：机械刹车松开；机械刹车松开；叶尖阻尼板收回；叶尖阻尼板收回；叶轮处于迎风位置；叶轮处于迎风位置；液压系统的压力保持在设定值上；液压系统的压力保持在设定值上；风况、电网和机组的所有状态参数均在控制系统检风况、电网和机组的所有状态参数均在控制系统检测之中，一旦风速增大，转速升高，发电机即可并网测之中，一旦风速增大，转速升高，发电机即可并网二、机组的自起动二、机组的自起动v早期的定桨距机组的利用发电机起动早期的定桨距机组的利用发电机起动Motor starv由于叶片气动性能的改进，叶轮在自然风速的由于叶片气动性能的改进，叶轮在自然风速的作用下，不依靠其它外力的协助，将发电机拖作用下，不依靠其它外力的协助，将发电机拖动到额定转速动到额定转速自起动。

自起动v现在绝大多数定桨距机组均有良好的自起动性现在绝大多数定桨距机组均有良好的自起动性，一般在，一般在4m/s的风速条件下，即可自起动的风速条件下，即可自起动到发电机的额定转速到发电机的额定转速三、叶轮对风三、叶轮对风v当风速传感器测得当风速传感器测得10min平均风速平均风速3m/s时，控制器允许叶轮对风时，控制器允许叶轮对风v偏航角度通过风向仪测定同时延迟偏航角度通过风向仪测定同时延迟10s执行执行偏航，以免在风向扰动情况下的频繁动作偏航，以免在风向扰动情况下的频繁动作v释放偏航刹车释放偏航刹车1s后，偏航电机根据指令执行后，偏航电机根据指令执行偏航；偏航停止时，偏航刹车投入偏航；偏航停止时，偏航刹车投入四、制动解除四、制动解除v当自起动条件满足时，控制叶尖扰流器的电磁当自起动条件满足时，控制叶尖扰流器的电磁阀打开，压力油进入叶片液压缸，扰流器被收阀打开，压力油进入叶片液压缸，扰流器被收回与叶片主体合为一体回与叶片主体合为一体v控制器收到反馈信号后，控制盘式制动器（机控制器收到反馈信号后，控制盘式制动器（机械刹车）松开械刹车）松开第五章第五章 风资源概述风资源概述v风的一般知识风的一般知识 风的形成风的形成 风向与风速风向与风速v风的统计学风的统计学 风向频率风向频率 风速频率风速频率v风的能量风的能量5.1 风的一般知识风的一般知识一、风的形成一、风的形成v地球表面上，受太阳加热的空气较轻，上升到高地球表面上，受太阳加热的空气较轻，上升到高空；冷却的空气较重，倾向于去补充上升的空气空；冷却的空气较重，倾向于去补充上升的空气。

这就导致了这就导致了空气的空气的 流动流动风风v全球性气流全球性气流、海风与陆风海风与陆风、山谷风山谷风的形成大致都的形成大致都如此v风能风能是是太阳能太阳能的一种表现形式的一种表现形式局部加热与冷却形成风二、风向与风速二、风向与风速风向风向：风向来风的方向来风的方向通常说的西西北风北风、南风南风等即表明的就是风向陆地上的风向一般用16个方位观测即以正北为零度，顺时针每转过22.5为一个方位风向的方位图图示如下N NNW NNE NW NE WNW ENE W E WSW ESE SW SE SSW SSE S 风速：风速：风速空气流动的速度用空气在单位时间内流经的距离表示；单位：m/s或km/h；是表示风能的一个重要物理量；风速和风向都是不断变化的瞬时风速任意时刻风的速度具有随机性因而不可控制测量时选用极短的采样间隔，如1s平均风速某一时间段内各瞬时风速的平均值如日平均风速、月平均风速等1、风速的周期性变化风速的日变化：一天之中，风速的大小是不同的地面（或海拔较低处）一般是白天风速高，夜间风速较低高空（或海拔较高处）则相反，夜间风强，白天风弱其逆转的临界高度约为100150m风速的季节变化：一年之中，风的速度也有变化。

在我国，大部分地区风的季节性变化规律是：春季最强，冬季次之，夏季最弱2 2、影响风速的主要因素、影响风速的主要因素v垂直高度：垂直高度：由于风与地表面摩擦的结果，越往高处风由于风与地表面摩擦的结果，越往高处风速越高定量关系常用实验式表示：速越高定量关系常用实验式表示：V(z)=Vr(z/zr)V 高度高度z处的风速处的风速Vr参考参考高度高度zr处的风速，测得处的风速，测得地表摩擦系数，或地表面粗糙度地表摩擦系数，或地表面粗糙度取值范围：取值范围：0.1（光滑）（光滑）0.4（粗糙）（粗糙）v地形地貌地形地貌不同地形与平坦地面的风速比值不同地形与平坦地面的风速比值 不同地形不同地形 平坦地面的平均风速（平坦地面的平均风速（35 m/s）山涧盆地山涧盆地 0.950.85 山背风坡山背风坡 0.90.8 山迎风坡山迎风坡 1.101.20 峡谷口或山口峡谷口或山口 1.301.40v地理位置地理位置 海面上的风比海岸大，沿海的风比内陆大海面上的风比海岸大，沿海的风比内陆大得多v障碍物障碍物 风流经障碍物后，将产生不规则的涡流，风流经障碍物后，将产生不规则的涡流，使风速降低但随着远离物体，这种涡流逐渐使风速降低。

但随着远离物体，这种涡流逐渐消失当距离大于消失当距离大于10倍物体高度时，涡流可倍物体高度时，涡流可完全消失完全消失启示：在障碍物附近设置风力机或多排设置风启示：在障碍物附近设置风力机或多排设置风力机时的位置力机时的位置5.2 风的统计理论风的统计理论一、风向频率一、风向频率v任意点处的风向时刻都在改变但在一定时间任意点处的风向时刻都在改变但在一定时间内（月、季、年）多次测量，可以得到内（月、季、年）多次测量，可以得到每一种每一种风向风向出现的频率出现的频率v风向频率的计算方法风向频率的计算方法 选择观测的时间段，如月、季、年；选择观测的时间段，如月、季、年；记录每个风向出现的次数记录每个风向出现的次数ni，及总观测次，及总观测次数数n；某风向的风向频率某风向的风向频率=ni/n 100二、风速频率对于风力机的安置处，有两个重要的描述风对于风力机的安置处，有两个重要的描述风资源的参数：资源的参数：风速频率风速频率和和年平均风速年平均风速v风速在某一时间段内平均，如风速在某一时间段内平均，如10分钟；分钟；v在计算风速频率时，通常把风速改变的间隔定在计算风速频率时，通常把风速改变的间隔定为为1m/s，如，如4.55.5m/s，5.56.5m/s；v按风速的大小，落到哪个区间，哪个区间的累按风速的大小，落到哪个区间，哪个区间的累加值加加值加1。

v把各个区间出现的次数除以总次数即得风速频把各个区间出现的次数除以总次数即得风速频率风频（风频（%）12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 风速（风速（m/s）v风况曲线风况曲线 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 时间（时间（h）根据风况曲线通常可以看出：根据风况曲线通常可以看出：v一年之中有多少时间低于一年之中有多少时间低于启动风速启动风速而无法起而无法起动？动？v取多大的取多大的切出风速切出风速较合适？较合适？v有多少小时可以达到额定出力？有多少小时可以达到额定出力？v全年的全年的有效风速有效风速的有多少小时？的有多少小时？可见，风频特性和风况曲线是开可见，风频特性和风况曲线是开发发风能的重要原始资料和依据风能的重要原始资料和依据v风速的风速的Weibull(威布尔威布尔)分布分布 由于实测风速数据极为繁杂，且统计整理的工作由于实测风速数据极为繁杂，且统计整理的工作量又很大，人们便用数学方式来描述风速分布情况。

量又很大，人们便用数学方式来描述风速分布情况目前目前Weibull分布函数用得最广分布函数用得最广Weibull分布函数有两特征参数：形状参数分布函数有两特征参数：形状参数K和尺度参数和尺度参数C对风频曲线用对风频曲线用概率密度函数概率密度函数描述：描述：上述的风况曲线用上述的风况曲线用累计分布函数累计分布函数表达：表达：三、风能与风能密度v风能风能风的动能风的动能基本公式：基本公式：E=1/2 mV2 式中式中m=AV，为单位时间内的流量质量为单位时间内的流量质量v单位时间内的能量单位时间内的能量功率功率:W=1/2 A V3v计算一年中风能的大小，要考虑风速的分布情计算一年中风能的大小，要考虑风速的分布情况，而不能简单使用年平均风速况，而不能简单使用年平均风速v年有效风能年有效风能起动风速到切出风速之间的风起动风速到切出风速之间的风能v有效风能密度有效风能密度年有效风能除以年有效风速年有效风能除以年有效风速的持续时间的持续时间。