吉相华亚风电场Word格式.docx
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大气的流动也像水流一样是从压力高处往压力低处流。
太阳能正是形成大气压差的原因。
由于地球自转轴与围绕太阳的公转轴之间存在66.5°
的夹角，因此对地球上不同地点，太阳照射角度是不同的，而且对同一地点一年365天中这个角度也是变化的。
地球上某处所接受的太阳辐射能正是与该地点太阳照射角的正弦成正比。
地球南北极接受太阳辐射能少，所以温度低，气压高；
而赤道接受热量多，温度高，气压低。
另外地球又绕自转轴每24h旋转一周，温度、气压昼夜变化。
这样由于地球表面各处的温度、气压变化，气流就会从压力高处向压力低处运动，以便把热量从热带向两极输送，因此形成不同方向的风，并伴随不同的气象变化。
大洋中的海流也起着类似的作用。
从全球尺度来看，大气中的气流是巨大的能量传输介质，地球的自转以进一步促进了大气中半永久性的行星尺度环流的形成。
下图表示了地球上风的运动方向。
[1]
图1-1地球上风的运动
地球上各处的地形地貌也会影响风的形成，如海边，由于海水热容量大，接受太阳辐射能后，表面升温慢，陆地热容量小，升温比较快。
于是在白天，由于陆地空气温度高，空气上升而形成海面吹向陆地的海陆风。
反之在夜晚，海水降温慢，海面空气温度高，空气上升而形成由陆地吹向海面的陆海风（见下图）。
图1-2海陆风的形成图
（a）白昼海防风；
（b）夜间陆海风
在山区，白天太阳使山上空气温度升高，随着热空气上升，山谷冷空气随之向上运动，形成“谷风”。
相反到夜间，空气中的热量向高处散发，气体密度增加，空气沿山坡向下移动，又形成所谓“山风”（见下图）。
另外局部温度梯度等因素也会使风能分布发生变化。
图1-3山谷风形成图
（a）白天“谷风”；
（b）夜间“山风”
（2）风的变化
风向和风速是两个描述风的重要参数。
风向是指风吹来的方向，如果风是从北方吹来就称为北风。
风速是表示风移动的速度，即单位时间内空气流动所经过的距离。
显然风向和风速这两个参数都是在变化的。
a风随时间的变化
风随时间的变化，包括每日的变化和季节的变化。
通常一天之中风的强弱在某种程度上可以看作是周期性的。
如地面上夜间风弱，白天风强；
高空中正相反是夜里风强，白天风弱。
这个逆转的临界高度约为100～150m。
下图是在日本川口国际广播电台的无线电铁塔上测得的不同高度处，一天内的风速变化。
图1-4不同高度处风速的变化图
由于季节的变化，太阳和地球的相对位置也发生变化，使地球上存在季节性的温差。
因此风向和风的强度也会发生季节性变化。
我国大部分地区风的季节性变化情况是：
春季最强，冬季次之，夏季最弱。
当然也有部分地区例外，如沿海温州地区，夏季季风最强，春季季风最弱。
b风随高度的变化
从空气运动的角度，通常将不同高度的大气层分为三个区域（见下图）。
离地面2m以内的区域称为底层；
2—100m的区域称为下部摩擦层，二者总称为地面境界层；
从100—1000m的区段称为上部摩擦层，以上三区域总称为摩擦层。
摩擦层之上是自由大气。
图1-5大气层的构成图
地面境界层内空气流动受涡流、黏性和地面植物及建筑物等的影响，风向基本不变，但越往高处风速越大。
各种不同地面情况下，如城市、乡村和海边平地，其风速随高度的变化。
c风的随机性变化
如果用自动记录仪来记录风速，就会发现风速是不断变化的，一般所说的风速是指变动部位的平均风速。
通常自然风是一种平均风速与瞬间激烈变动的紊流相重合的风。
紊乱气流所产生的瞬时高峰风速也叫阵风风速。
下图表示了阵风和平均风速的关系。
图1-6阵风和平均风图速
a一阵风振幅；
b一阵风的形成时间；
C一阵风的最大偏移量；
d一阵风消失时间
d风玫瑰图
“风玫瑰图”是一个给定地点一段时间内的风向分布图。
通过它可以得知当地的主导风向。
最常见的风玫瑰图是一个圆，圆上引出16条放射线，它们代表16个不同的方向，每条直线的长度与这个方向的风的频度成正比。
静风的频度放在中间。
有些风玫瑰图上还指示出了各风向的风速范围。
图1-7风玫瑰图
（a）风向的16个方位；
（b）风玫瑰示意图
世界气象组织将风力分为13个等级。
f风况曲线
风况曲线是风能利用的基础资料。
它是将全年（8760h）风速在v（m／s）以上的时间作为横坐标，纵坐标则为风速v，从风况曲线即可知道该地区某种风速以上有多少小时，从而制定相应的风能利用计划。
（3）风能的计算
由流体力学可知，气流的动能为：
（1-1）
式中m——气体的质量
v——气体的速度。
设单位时间内气流流过的截面积S的气体体积为V，则
（1-2）
如果以p表示空气的密度，该体积的空气质量为
（1-3）
这时气流所具有的动能为
（1-4）
上式为风能的表达式，其中p——的单位是kg/m3；
V——的单位是m3；
V——的单位是m/s；
E——的单位是W。
3.2风力发电机
风力发电的原理说起来非常简单，最简单的风力发电机可由叶轮和发电机两部分构成，如图1-8所示。
空气流动的动能作用在叶轮上，将动能转换成机械能,从而推动叶轮旋转。
如果将叶轮的转轴与发电机的转轴相连，就会带动发电机发出电来。
孩童玩的纸质风车就是风力机的雏形，在它的轴上装个极微型的发电机就可发电。
风力发电的原理这么简单，为什么仅到20世纪的中后期才获得应用呢？
第一，常规发电还能满足需要，社会生产力水平不够高，还无法顾及降低环境污染和解决偏远地区的供电问题；
第二，能够并网的风力发电机的设计与制造，只有现代高技术的出现才有可能。
20世纪初期是造不出现代风力发电机的。
那么，现代风力发电机是什么样呢？
下面我们就介绍一下现代风机的结构与技术特点。
风力发电机组是将风能转化为电能的装置，按其容量分，可分为：
小型（10kw以下）、中型（10—100kw）和大型（100kw以上）风力发电机组。
按主轴与地面相对位置，又可分为：
水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组。
水平轴风力发电机是目前世界各国风力发电机最为成功的一种形式，主要优点是风轮可以架设到离地面较高的地方，从而减少了由于地面扰动对风轮动态特性的影响。
它的主要机械部件都在机舱中，如主轴、齿轮箱、发电机、液压系统及调向装置等。
而生产垂直轴风力发电机的国家很少，主要原因是垂直轴风力发电机效率低，需启动设备，同时还有些技术问题尚待解决。
在本论文中，以后不做任何说明时，所指即为大中型的水平轴风力发电机组。
图1-8风力发电的原理示意
图1-8所示的风力发电机发出的电时有时无，电压和频率不稳定，是没有实际应用价值的。
一阵狂风吹来，风轮越转越快，系统就会被吹跨。
为了解决这些问题，现代风机增加了齿轮箱、偏航系统、液压系统、刹车系统和控制系统等，现代风机的示意如图1-9所示。
图1-9现代风力发电机系统示意图
风力机又称风车，是一种将风能转换成机械能、电能或热能的能量转换装置。
风力机的类型很多，通常将其分为水平轴风力机，垂直轴风力机和特殊风力机三大类。
但应用最广的还是前两种类型的风力机。
（1）水平轴风力机
水平轴风力机是目前国内外最常见的一种风力机。
下图表示了目前应用最广的各种不同迎风式水平轴风力机的示意图。
图1-10各种不同迎风式水平轴风力机示意图
（a）单叶片；
（b）双叶片；
（c）三叶片；
（d）美国农场式多叶片风车；
（g）车轮式多叶片
（f）迎风式；
（g）背风式；
（h）空心压差式；
（i）川帆翼式；
（j）多转子；
（k）反转叶片式
（2）垂直轴风力机
垂直轴风力机叶轮的转动与风向无关，因此不需要像水平轴风力机那样采用迎风装置，但其输出功率一般比水平轴风力机小。
图1.9为各种不同的垂直轴风力机的示意图。
图1-11各种不同垂直轴风力机示意图
（a）坚轴风机（阻力型）；
（b）坚轴风机（升力型）
1－S型；
2-多叶片型；
3-开型式S型;
4-平板式；
5-中型达里厄；
6-△型达里厄；
7-旋翼型
风力机的效率主要取决于风轮效率、传动效率、贮能效率。
发电机和其他工作机具的效率。
图1.12给出了各种不同用途风力机各主要构成部分的能量转换和贮存效率。
[2]
图1-12风能利用装置中各主要部分的能量转换和贮存效率
在讨论风力机的能量转换时与控制时，以下的特性系数有着特别重要的意义。
（1）风能利用系数CP
风力机从自然风能中吸取的能量的大小程度用风能利用系数的CP表示，由式1-17可知
（1-5）
式中P——风力机实际获得的轴功率，单位为W；
p——空气密度，单位为kg/m3；
S——风轮的扫风面积，单位为m2；
V——上游风速，单位为m/s；
（2）叶尖速比λ
为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来衡量，称为叶尖速比λ
（1-6）
式中n——风轮的转速，单位为r/s；
W——风轮的角频率，单位为rad/s；
R——风轮半径，单位为m；
V——上游风速。
单位为m/s；
（3）转距系数CT和推力系数CP
为了便于把气流作用下风力机所产生的转距和推力进行比较，常以λ为变量作、为转距和推力的变化曲线。
因此，转距和推力也要无因次变化。
（1-7）
（1-8）
式中T——转距，单位为N.m；
F——推力，单位为N。
大中型风力发电机组的组成要比小型机组复杂的多，一般由叶片，轮毂，主轴，增速齿轮箱，调向机构，发电机，塔架，控制系统及附属部件（机舱，机座，回转体，制动器等）组成。
（1）风轮
叶片安装在轮毂称作风轮，它包括叶片、轮毂、主轴等。
风轮是风力发电机接受风能的部件。
现代的风力发电机的叶片数，常为1~4枚叶片，常用的是2枚或3枚叶片。
叶片是分力发电机组最关键的部件。
它一般采用非金属材料（如玻璃钢、木材等）。
叶片又可分为变浆距叶片和固定浆距叶尖可变浆距或叶尖有阻尼器两种叶片，其作用都是为了调速。
从叶片结构上又可分为木制叶片、铝合金挤压成型的等弦长叶片、钢制叶片、钢纵梁玻璃钢叶片，玻璃钢叶片等。
叶片安装在轮毂上，有些调速装置就安装在轮毂内。
轮毂是连接叶片和主轴的零部件。
轮毂一般由铸钢或钢板焊接而成。
其中不允许有夹渣，砂眼，裂纹等缺陷，并按桨叶可承受的最大离心力载荷来设计。
主轴也称低速轴。
由于承受的扭矩较大，其转速一般小于50r/min。
一般由40Cr或其他高强度合金钢制成。
当风力达到风力发电机组设计的额定风速时，在风轮上就要采取措施以保证风力发电机的输出功率不会超过允许值。
我们常用的功率调节方式有两种，即变浆距和失速调节。
（2）增速器
增速器就是齿轮箱，也是风力发电机组关键部件之一。
由于风力机工作在低转速下，而发电机工作在高转速下，为实现匹配，采用增速齿轮箱。
增速器就是一个使转速提高的变速器。
增速器的增速比I是发电机额定转数Nd与风轮转数N的比，即I=Nd/N。
它必须具有体积小，重量轻，效率高，噪声小，而且承载力大，启动力矩小，寿命长的特点。
（3）联轴器
增速器与发电机之间用联轴器连接，为了减少占地空间，往往联轴器与制动器设计在一起。
风轮轴与增速器之间也有用联轴器的，称低速联轴器
（4）制动器
制动器是使风力发电机停止转动的装置，也称刹车。
制动器有手制动器、电磁制动器和液压制动器。
当采用电磁制动器时，需有外电源；
当采用液压制动器时，除需外电源外，还需泵站、电磁阀、液压油缸及管路等。
（5）发电机
发电机是风力发电机组中最关键的零部件，是将风能最终转变成电能的设备。
发电机的性能好坏直接影响整机效率和可靠性。
可以选用同步发电机，也可以选用异步发电机。
但由于风力发电的特殊性，所以发电机与火力发电等其他方式采用的发电机性能要求有很大区别。
为充分利用风能，600kw以上大型机组多采用变极电机。
风力发电机上常用的发电机有种：
①直流发电机，常用在微、小型风力发电机上。
直流电压12、24、36V等。
中型风力发电机也有用直流发电机的。
②永磁发电机，常用在小型风力发电机上，电压一般115、127V等，有直流也有交流。
永磁交流发电机在中、大型风力发电机上尚未得到使用，主要有些技术问题还未解决。
现在我国已经发明了交流电压440/240V的高效永磁交流发电机，可以做成多极低转速，特别适合风力发电机。
③同步或异步交流发电机，它的电枢磁场与主磁场不同步旋转，其转速比同步转速略低。
当并网时转速应提高。
（6）塔架
塔架是支撑风力发电机的支架。
塔架有型钢架结构的，有圆锥型钢管和钢筋混凝土的等三种形式。
同时塔架又分为硬塔、柔塔、甚柔塔。
硬塔的固有频率大于k*n，其中k为叶片数，n为风轮转数；
柔塔的固有频率在k*n和n之间；
甚柔塔的固有频率小于n。
为防止钢制塔架生锈，往往对钢制塔架热镀锌。
（7）调速装置
风速是变化的，风轮的转速也会随风速的变化而变化。
为了使风轮运转所需要额定转速下的装称为调速装置。
当风速超过停机风速时，调速装置会使风力发电机停机。
调速装置只在额定风速以上时调速。
目前世界各国所采用的调速装置主要有以下几种：
1可变浆距调速装置；
2定浆距叶尖失速控制调速装置；
3离心飞球调速装置；
4空气动力调速装置；
5扭头、仰头调速装置。
（8）调向装置
调向装置就是使风轮正常运转时一直使风轮对准风向的装置。
风力发电机的调向有很多种形式。
总的说来有五种形式：
尾舱调向、侧风轮调向、下风向调向及调向电机调向和液压驱动调向
1尾调向。
尾调向结构简单，调向可靠，至今还用在20kw以下和微小型风力发电机的调向上。
②下风向调向。
下风向调向就是将风力发电机的风轮置于下风向，置于下风向的风轮能自动调向，不必另行设置调向装置。
③侧风轮调向。
侧风轮调向常用于大中型风力发电机调向。
现代的大中型风力发电机调向已很少采用侧风轮调向装置，而被微机控制的调向电机侍服电机所取代。
④调向电机或侍服电机调向。
（9）风力发电机微机控制系统
风力发电机的微机控制属于离散型控制，是将风向标、风速计、风轮转速、发电机电压、频率、电流、发电机温升、增速器温升、机舱振动、塔架振动、电缆过缠绕、电网电压、电流、频率等传感器的信号经A/D转换输送给单片机，单片机再按设计程序给出各种指令，实现自动启动、自动调向、自动调速、自动并网、自动解列、运行中机组故障的自动停机、自动电缆解绕、过振动停机、过大风停机等自动控制。
自我故障诊断及微机终端故障输出，需维修的故障由维修人员维修后给微机以指令，微机再执行自动控制程序。
风电场的风电机组群可以实现联网管理，互相通信，出现故障的风电机会在微机总站的微机终端和显示器上读出，调出程序和修改程序等，使现代风力发电机真正实现了现场无人职守的自动控制。
3.3风的几个基本参数
3.3.1风速
（1）将每小时内量测的瞬时风速取平均值。
（2）将每小时最后的10分钟内量测的风速取平均值，作为每小时的平均风速值。
（3）每小时内瞬间量测的风速值取平均值。
3.3.2风向
国际通用十六位风向表示方式：
3.3.3风沿高度的变化
从地球表面100米的高空层内，空气的流动受到涡流、粘性和地面摩擦等因数的影响。
靠近地面风速较小，离地面越高风速越大，这种风速沿地面的变化可用指数法则或对数法则公式计算。
工程上使用的指数法则公式：
v=v1*（h/h1）n（2-1）
式中：
h，h1——欲求和已知地面的高度。
m；
v1——已知离地面高度为h1处的风速m/s；
v——欲求离地面高度为h处的风速m/s；
n——与地面的粗糙度和空气的热稳定度有关等因数有关其值为1/2~1/8。
3.3.4风能密度
垂直穿过单位截面的流动空气所具有的动能称为风能密度。
w=1/2pv3（2-2）
w——风能密度w/m2
ρ——空气密度kg/m3。
v——风速m/s。
平均风能密度：
一定时期内风能密度的平均值。
（2-3）
——一定周期内的平均风能密度的平均值w/m2。
T——时间周期s。
v（t）——随时间变化的风速值m/s。
在风速的测量中，若能得到时间周期（T）内的不同的风速v1，v2……及其所对应的时间t1，t2……，则平均风能密度可按下式计算：
（2-4）
有效风能密度：
在实际的风能利用中，风力装置只是在一定的风速范围内运转，对比一定范围内风能密度称为：
有效风能密度。
空气密度与海拔高度的计算式为：
（2-5）
h——海拔高度m。
ρh——海拔高度为h的空气密度值kg/m3。
3.3.5风频
风频：
按风速相差为1m/s的间隔观察一定时期内不同风速出现的时数占一定时期内吹风总时数的百分比，风频的一般图形为：
图中表示两种不同的风频曲线，曲线a变化陡峭，最大的频率出现在低于风速的范围内；
曲线b变化平缓，最大频率出现在高风速的范围内，从风能的利用观点来看，曲线所代表的风况要比曲线所代表的风况要好。
3.3.6风速的持续时间
风速的持续时间分布曲线如下图:
风速的持续时间分布可以从风速频率的分布中得出。
由于风力装置都是在大于某一风速值下开始运转，因此风速的持续时间对于了解风力装置可能的工作时数是很重要的。
3.4风的基本概率分布
3.4.1威布尔分布函数
威布尔分布函数是一种单峰，两参数的分布函数，其风速的概率密度分布函数的表达式为：
（2-6）
k，c——威布尔分布函数的两个参数。
k——形状参数。
c——尺度参数。
当c=1时，威布尔分布函数的表达式为，称为标准威布尔分布：
（2-7）
当0<
k<
1威布尔风速概率密分为的减函数；
k=1时，概率密度成指数型变化；
k=3时，威布尔风速概率密度接近正态分布；
k=2时，威布尔风速概率密度分布函数表达式为：
（2-8）
当k=2时，与瑞利风速概率密度分布函数相同，瑞利分布为：
（2.9）（2-9）
3.4.2利用威布尔风速概率密度分布函数进一步确定当地的风能储量
1）威布尔有效风速范围内，风速立方的数学期望值：
（2-10）
2）威布尔风速分布的有效风能密度为：
（2-11）
3）威布尔的风能利用时间为：
（2-12）
以上三式中：
ρ——空气密度kg/m3。
E（v3）——风速v的立方风能数学期望值。
N——概率统计的时间，统计风能的可利用小时数N为全年总时间8760h。
式中的k,c要由实测风速、频率统计表的统计概率用平均风速和和最大风速估计的威布尔参数方法或平均风速和最大风速估计的威布尔分布的参数法或累计分布函数模拟威布尔分布曲线求的。
最常用的威布尔分布曲线法。
3.5风力发电的运行方式
风力发电通常有独立运行和并网运行两种运行方式。
3.5.1独立运行方式
独立运行的风力发电机组，又称离网型风力发电机组，是把风力发电机组输出的电能经蓄电池蓄能，再供应给用户使用。
如果用户需要交流电，则需要在蓄电池与用户负荷之间加装逆变器。
5KW以下的风力发电机组多采用这种方式，可供边远农村、牧区、海岛、气象台站、导航灯塔、电视差转台、边防哨所等电网覆盖不到的地区利用。
在容量较大的独立运行方式下，为了避免大量使用蓄电池，常采用由负荷控制器按负荷的优先保证次序来直接控制负荷的接通与断开，以适应风速的变化。
这种方式的缺点是在无风期不能供电，为了克服这一缺点，可配备少量蓄电池来保证不能断电的设备在无风期间从蓄电池获得电能。
3.5.2并网运行方式
采用风力发电机与电网连接，由电网输送电能的方式，是克服风的随机性而带来的蓄能问题的最稳妥易行的运行方式，同时可达到节约矿物燃料的目的。
10KW以上直至MW级的风力发电机组皆可采用这种运行方式。
并网运行又可分为两种不同的方式：
恒速恒频方式和变速
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