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第5章风轮机和风电场数值计算

风轮机和风电场数值计算学习要点

1、了解风力机及风场流场的控制方程组及解法；

2、了解数值软件的计算功能；

3、理解数值设计风力机、风场开发设计软件包的作用；

4、了解数值设计软件包的功能。

一、填空题：

1、风力机、风场设计软件包，应包括：

设计子包，气动载荷____分析子包，_____风力机结构动力_____分析子包和____风力机场址选择分析子包。

2、风力机、风场设计软件包可完成风力机_____气动设计__、______性能计算___、__。

3、控制方程可通过对两种“控制体”应用基本物理规律导出，一种控制体被固定在流动空间中___不动______，运动流体不断通过此固定空间；另一种控制体随流体一起，

4、给定_边界条件和初始条件（初值）就确定了控制方程有特解。

5、风轮机气动设计软件（WTD1.0）提出了一套风轮机叶轮气动设计的数值方法，并建立了一套有_工程应用_价值、考虑流动三维效应的风轮机气动数值模型。

6、利用风力机模型风洞试验，可为风力机的风轮片外形设计及其参数选择，实际性能预测，风轮的载荷计算和强度设计等提供科学依据。

二、判断题

1、使用WTD1.0软件，对风轮机进行了功率计算，从启动风速到额定风速，WTD软件的计算结果与测试功率非常吻合。

（√）

2、当风速很低（3～6m/s）时，弦长对功率的影响不明显。

（√）

3、使用WRD软件计算的额定功率与测试结果相差则不大。

（×）

4、风轮机叶片间的气动干扰，随风速提高而增强。

（×）

5、使用WRD软件计算的额定功率与测试结果相差则较大。

（√）

6、风轮机叶片间的气动干扰，随风速提高而下降。

（√）

7、使用WTD1.0软件，对风轮机进行了功率计算，从启动风速到额定风速，WTD软件的计算结果与测试功率相差则较大。

（×）

8、WTD软件的数值计算结果与叶轮的气动特征定性不一致。

（×）

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9、风速从接近失速风速到高于失速风速时，弦长对功率的影响就变得很明显。

（√）

10、WTD软件的数值计算结果与叶轮的气动特征定性一致。

（√）

11、WTD软件设计了分析计算风力机叶轮的起动力矩的功能。

（√）

12、WRD软件没有分析计算风力机叶轮的起动力矩的功能。

（√）

三、选择题

1、风力机、风场设计软件包，应包括（C）个子包。

A、2B、3C、4D、5

2、风力机设计软件包可完成（D）风力机气动设计、性能计算、动力学分析、风电场选址和经济性分析。

A、风力机气动设计B、风力机性能计算和动力学分析

C、风电场选址和经济性分析D、以上都是。

3、一般风场在大部分时间C）范围B、3～14m/sC、4～10m/sD、5～14m/s

4、WTD1.0软件的数值计算结果（A）风轮机叶片数目的选取。

A、能够优化B、可简化C、不能优化D、不一定能优化

四、简答题

1、风轮机设计软件的作用有哪些？

答：

提出了一套风轮机叶轮气动设计的数值方法，并建立了一套有工程应用价值、考虑流动三维效应的风轮机气动数值模型。

2、为什么风速较低时，弦长对功率的影响不明显呢？

答：

当风速很低（3～6m/s）时，弦长对功率的影响不明显。

两倍弦长（叶片的弦长加宽为是原叶片弦长的两倍）叶轮的功率，反而略小于原弦长叶轮的功率，这是因为当风速较低时，两倍弦长叶片间的气动干扰较大。

风速从接近失速风速到高于失速风速时，弦长对功率的影响就变得很明显。

两倍弦长叶轮功率近似于原弦长叶轮功率的两倍；而原弦长叶轮功率又近似于半倍弦长叶轮功率的两倍。

这表明风轮机叶片间的气动干扰，随风速提高而下降。

五、计算题

1、下图给出安装角从-2.5～10°的叶轮轴功率变化图。

试分析安装角与风轮功率之间有何关系？

为什么？

安装角为7.5°和10°的叶轮是不是理想的风轮呢？

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解：

图中可知：

安装角愈大最大功率愈高，7.5°和10°的叶轮最大功率要比0°和2.5°时要高。

但在中低风速（4～10m/s）区，大安装角风轮的功率比小安装角风轮的功率略低。

这是因为大安装角叶片风轮在低风速时就发生了气动分离，而小安装角风轮在高风速时才发生气动分离。

显然,安装角为7.5°和10°的叶轮并不是理想的风轮，因一般风场在大部分时间范围内。

2、用WTD软件分别计算了3、6、12片风轮机的功率，计算结果如下图所示。

试比较12片和3片风轮机的轴功率计算结果可以发现：

（1）、当风速低于多少m/s时，12片风轮机的轴功率低于3片风轮的轴功率？

（2）、只有当风速高于多少m/s时，12片风轮的轴功率才会大大地高于3片风轮？

解：

比较12片和3片风轮机的轴功率计算结果可以发现：

（1）当风速低于11m/s时，12片风轮机的轴功率低于3片风轮的轴功率；

（2）只有当风速较高（如高于14m/s）时，12片风轮的轴功率才会大大地高于3片

风轮。

第6章典型风轮机设计数据

风典型风轮机设计数据学习要点

1、了解德国Repower公司和Nordex公司的典型风力机设计数据；

2、掌握风力机特性核算方法；

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3、熟练掌握风电设备的优化设计的方法；

4、了解国B、5000kWC、750kWD、1500kW

2、新疆金风科技S62-1200风力机设计风速为（A）m/s。

A、12B、14C、15D、15.4

3、德国NORDEX公司的S70/S77风力机用行星齿轮增速，（A）电机。

A、双回路异步B、单回路异步C、双回路同步D、单回路同步

4、用行星齿轮增速，双回路异步电机的风力机是（D）。

A、德国NORDEX公司的S70/S77风力机

B、德国Repwor公司的5M风力机

C、德国NORDEX公司N80/2500kW、N90/2300kW风力机

D、以上都是

四、简答题

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1、S70/1500kW、S77/1500kW风力机的风能利用系数都偏低，风能没有被高效利用的原

因是什么？

答：

风能没有被高效利用原因是：

高速特性数λ设计偏小，设计转速偏低，设计点较大偏离最佳高速特性数。

2、试简述新疆金风科技S62-1200风力机典型设计数据？

答：

1200kW风力机典型设计数据为：

转子直径62m；

设计转速15.5r/min；

设计功率1200kW。

设计转速12m/s

3、风力发电机的转速与传动比之间有何关系？

答：

关系是：

风力发电机电机转速=转速范围×传动比i。

4、风力发电场选址应综合考虑那些因素？

五、计算题

1、已知5M风力机额定功率5000kW，设计额定风速13m/s，转子直径126m，设计转速9.5rpm，三片叶片，叶片长61.5m，重17.7吨。

用行星齿轮增速，双回路异步电机，6级。

（1）试对5M典型M风力机特性进行核算；

（2）说明5M风轮的能量利用系数的高或低的原因，并对其优化设计。

解：

（1）

1）核算能量利用系数Cp：

风轮机功率与叶片长、风速、能量利用系数有下列关系：

2）核算叶顶周速/风速比λ=4.82

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（2）

1）可见：

5M风轮机的能量利用系数Cp偏低，风能没有被高效利用。

原因是高速特性数λ设计偏小，设计转速偏低，设计点较大偏离最佳高速特性数λP。

2）优化设计：

λP=7。

5设计改进风轮转速：

2、已知：

新疆金风科技S62-1200风力机典型设计数据为r=31m,P=1200KW=1200000W,n=15.5rp/mim;1200kW风力机高速特性数如下图所示，试对1200风力机进行优化设计。

解：

1）核算能量利用系数Cp和设计风速Vw：

风轮机功率与转子半径、风速、能量利用系数有下列关系：

能量利用系数和风速

2）核算叶顶周速/风速比λ：

可见：

核算的1200kW风力机的风能利用系数Cp=0.38，设计风速Vw=12m/s风能利用系数稍低，风能利用较好。

如果高速特性数λ设计再高点，设计转速再高点（见图18.5r/min），设计功率可达1360kW。

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第7章风力机发电系统

风力机发电系统学习要点

1、了解恒速/恒频发电机系统；

2、了解变速/恒频发电机系统；

3、理解风力机对发电机及发电系统的一般要求；

4、了解小型离网型风力机的直流发电系统。

。

一、填空题：

1、风力发电包含了由__到机械能，和由机械能到_

2、恒速/恒频发电机系统是较简单的一种，采用的发电机有两种：

______同步______发电机和______鼠笼型感应______发电机。

3、变速/恒频发电机系统，可以在很宽的风速范围内，保持近乎恒定的最佳叶尖速比，从而提高了风力机的运行效率。

4、同步发电机的主要优点是，可以向电网或负载提供_____无功功率_____。

5、并网运行的风力发电机组,要求发电机的________输出频率_______必须与_______电网频率_______一致。

6、保持发电机输出频率恒定的方法有两种:

①_____恒转速/恒频系统_____，采取失速调节或者混合调节的风力发电机,以恒转速运行时,主要采用__异步感应发电机用将发电机发出的频率变化的电能转化成频率恒定的电能。

7、感应发电机也称为________异步_______发电机，有鼠笼型和绕线型两种。

在恒速/恒频系统中，一般采用_______鼠笼型异步_______电机。

8、感应发电机可以有_____并网运行_____和_____单独运行_____两种运行方式。

9、直流发电系统大都用于____10____千瓦以下的微、小型风力发电装置，与____蓄电池储能器____配合使用。

10、直流发电系统所用的发电机主要是________交流永磁发电机________和________无刷自励发电机________，经________整流器________整流后输出直流电。

二、判断题

1、变速/恒频发电机系统与恒速/恒频系统相比，可提高了风力机的运行效率。

（√）

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2、鼠笼型感应发电机稍高于同步速的转速运行。

（√）

3、与恒速/恒频系统相比，变速/恒频发电机系统的风/电转换装置的电气部分变得较为复杂和昂贵。

。

（√）

4、三相电机比相同额定功率的单相电机，一般体积较小、效率较高、。

（√）

5、同步发电机的同步转速由电机极对数和频率所决定（√）

6、同步发电机的缺点是，它的结构以及控制系统比较复杂，成本比感应发电机高。

（√）

7、三相电机比相同额定功率的单相电机，一般体积较大、效率较高。

（×）

三、选择题

1、变转速运行的风力发电机有（C）两大类。

A、双绕组双速感应发电机和双定子感应发电机

B、高滑差感应发电机和双定子感应发电机

C、不连续变速和连续变速

D、无刷双馈发电机和鼠笼型感应发电机

2、、小型直流发电系统的发电主要有（A）种。

A、2B、3C、4D、5

3、（A）发电机非常适合用于千瓦级的微、小型风力发电装置。

。

A、无刷爪极自励B、交流永磁C、直流

4、并网运行的风力发电机组,要求发电机的输出频率和电网频率（A）。

A、一致B、恒定

5、当电网中并入的风力电量达到一定程度,会引起电压不稳定，一般建议不大于（B）。

A、5%B、10％C、15%D、25%

四、简答题

1、风力机对发电机及发电系统的一般要求有哪些？

答：

（1）将不断变化的风能，转换为频率、电压恒定的交流电，或电压恒定的直流电。

（2）高效率地实现上述两种能量转换，以降低每度电的成本。

（3）稳定可靠地同电网、柴油发电机及其他发电装置或储能系统联合运行，为用户提供稳定的电能。

2、感应发电机单独运行时，自励建压的条件是什么？

答：

在单独运行时，感应发电机电压的建立需要有一个自励过程。

自励的条件，一个是电机本身存在一定的剩磁；另一个是在发电机的定子输出端与负载并联一

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组适当容量的电容器，使发电机的磁化曲线与电容特性曲线交于正常的运行点，产生所需的额定电压。

3、并网运行的风力发电机组,要求发电机的输出频率与电网频率一致恒定方法有哪几种？

答：

并网运行的风力发电机组,保持发电机输出频率与电网频率一致恒定的方法有两种:

（1）恒转速/恒频系统。

采取失速调节或者混合调节的风力发电机,以恒转速运行时,

主要采用异步感应发电机。

（2）变转速/恒频系统。

用“电力电子变频器”将发电机发出的频率变化的电能转化

成频率恒定的电能。

4、试画出感应发电机单独运行的自励磁电路。

答：

第8章国外风电场及发展

国外风电场及发展学习要点

1、了解世界典型的风电场；

2、了解最知名的一些风电设备制造商；

一、填空题：

1、最早开始研究风力发电技术。

2、随着科技的发展，现在已经逐步发展从_______陆地____到____海上____风能的全方位的风能利用。

3、世界风能利用排在前四位的是______德国____、____美国_______、____西班牙____和____丹麦_____。

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4、一个国家若其风电跨过_____10万_____千瓦这一门槛，则风电发展速度就会显著加快。

5、风电的发展方向是：

____“变频/恒速”____发电系统、____大型化____风力机和____近海____风力机。

6、风力机正由1MW等级向2.5MW、5～6MW____大型化____的方向发展，商品化的风力机已达____2____MW以上。

7、风电技术的不断进步和风轮机的____大型____化、____高效____化和____规模____化，无疑将____降低____风电价格并推进其发展。

8、___德国___风力发电全球领先，目前是世界上风电装机最多，风电技术最先进的国家。

9、风能发电发展最快的地区是_____欧洲_____。

10、美国风电发展证实风能发电最重要的在于政府的_____政策支持_____。

11、美国GE公司为世界主要的风力发电机供应商之一，并且制造高质量的_____风力机叶片_____，提供先进的机组制造、维护方案等服务。

目前的产品容量在1.5MW至3.6MW，都具有_____变速变桨距_____运行的特征，且配置了独特的“WindVAR”_____电子控制装置，可用于海上风电场或内陆电场，其中的风力机是全球销售量最好的机型之一。

二、判断题_____

1、德国Nordex基于创新的技术，制造的风电机可安装于陆上或海上，风大处或风小处等多种地理位置，最大容量达5MW。

（√）

2、美国风电发展证实风能发电最重要的在于政府的政策支持。

（√）

3、丹麦NEGMicon提供的风力机容量范围自600kW至2MW，每个机组都确保操作简易，使用效率高，性能最优化。

（√）

4、美国风电发展证实风能发电最重要的在于政府的投支。

（×）

5、德国Nordex采用了变桨距的方式获取最大能源，减小噪声。

（√）

6、德国Nordex采用控制系统时刻记录、评估和控制风力机内外部信息，完整控制和调整风力机系统及风电场，并能在线观察所记录的运行数据。

（√）

7、风轮机“风能利用系数C”与叶尖速比λ无关。

（×）

8、风力机的功率大小和风速、风轮直径有关。

（√）

9、风力机的叶片宽度、叶片数与转速成正比。

（×）

10、风力发电机的塔架高度增加，风速增加，功率也增加，则提高风力机的塔架高度可提高发电量。

（√）

三、选择题

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1、已可生产MW级或更大型的风力机的国家有（D）。

A、丹麦、德国B、印度、意大利

C、日本、西班牙和美国D、以上都是

2、商品化的风力机已达（A）MW以上。

A、2B、2.5C、5D、6

3、欧盟国家风电装机总容量位居首位的国家为（C）。

A、丹麦B、西班牙C、德国D、荷兰

4、俄罗斯研制出（A）千瓦小型移动风力发电机可满足无电地区、偏远村镇和野外工作需求。

A、30B、40C、20D、10

5、发展风力发电的关键环节是（B）。

A、政府的政策支持B、新技术和新材料C、政府投资D、核算改进设计转速

四、简答题

1、德国风力发电全球领先，风电技术先进的根本原因是什么？

答：

德国十分重视风电发展，德国制定了《可再生能源促进法》，规定

（1）拥有电网

的电力供应公司必须无条件接受风能、太阳能等各类可再生能源发电设备所生产的电力；

（2）根据电力生产设备的技术条件、生产成本，政府规定各种类型再生能源发电电价，并每三到四年调整一次；（3）从法律上规定的可再生能源发电电价，保证经营者可得到一定的利润，从而激发了人们开发可再生能源的热情。

2、当前世界上风能利用激增的原因是什么？

答：

（1）、风力发电随着科技进步，技术相对成熟；

（2）、人们重视风电发展，政府政策支持；

（3）、发展风力发电的关键环节是新技术和新材料，风力发电的技术和材料已有

很大改进。

3、美国GE公司制造的风力发电机在市场上有哪些竟争优势？

答：

美国GE公司制造的风力发电机在市场上有哪些竟争优势就在于：

美国GE公司为世界主要的风力发电机供应商之一，风力机的设计和生产位于德国、西班牙和美国Florida州，并且制造高质量的风力机叶片，提供先进的机组制造、维护方案等服务。

目前的产品容量在1.5MW至3.6MW，都具有变速变桨距运行的特征，且配置了独特的“WindVAR”电子控制装置，可用于海上风电场或内陆电场，其中的

1.5MW风力机是全球销售量最好的机型之一。

第9章国内风电场及发展

国内风电场及发展学习要点

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1、了解我国的风电资源、风电场；

2、了解主要的风电设备供货商；

3、了解国（√）

2、风力发电由于具有较好的经济效益和社会效益,已受到世界各国政府的高度重视。

（√）

3、如果国家出台多种优惠政策，则风电会在电力市场上开始具有很强的竞争力。

（√）

4、碳纤维叶片一定比玻纤叶片贵。

现在国外新的5MW级风力机叶片的整个横梁都采用碳

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纤维。

（×）

5、广东将率先建海上风电场，在海上发展风电，前景更好。

（√）

6、尽管我国近几年风力发电每年都在增长，但装备制造水平与装机总容量与发达国家还有很大差距。

（√）

7、没有政府的政策支持，风力发电在电力市场上也具有很强的竞争力。

（×）

8、列入特许经营权项目，就意味着列入了国家风电发展计划。

（√）

9、我国装备制造水平与装机总容量与发达国家还有很大差距，故我国风力发电潜力不大。

（×）

10、我国的风力发电装置大都由欧美引进，而且都是17～22m长的玻璃钢叶片，由于规模小，风电成本较高。

（√）

三、选择题

1、（D）目前是风电行业全国最大的复合材料供应商。

生产风力机叶片、机舱罩及其他复合材料制品，同时开发具有自主知识产权的大型风力机叶片。

A、天津塘沽海洋科技工业园B、中美供应公司

C、天津升华国际贸易有限公司D、以上都是

2、目前新疆乌鲁木齐达坂城风力发电装机总台数和总装机容量居全国第一，其中以

（B）为最大。

A、新疆达坂城风电一厂B、新疆达坂城风电二厂C、新疆达坂城风电三厂

D、新疆达坂城风电厂

3、国B、弶港镇以东C、距如东风力电场25公里

D、以上都是

5、我国首台兆瓦级风力发电机在（B）研制成功。

A、上海市B、兰州市C、新疆吐鲁番D、四川德阳东方汽轮机厂

四、简答题

1、目前我国开发利用风能资源，建大型风电场的有利条件有哪些？

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答：

（1）、我国的交通条件得到极大的改善；

（2）、电网覆盖程度有了很大的提高；

（3）、许多风资源丰富地区己置于电网覆盖之下，为我们建设大型风电场提供了更

有利的条件。

（4）、为了促进我国风电产业发展，国家一直在研究和制定新的可再生能源政策，

一些政策已经开始出台并进行实施,这些必将有力推进我国风电事业的发展。

2、建设江西首个风力发电厂“大岭风电场”的意义和作用是什么？

答：

（1）、大岭风电场位于九江市星子县东北部大岭山一带，整个场区海拔高度在150

米以内，在大多数情况下，风场的风能资源处于可利用的区域内，具有可开发利用的前景；

（2）、建设江西首个风力发电厂“大岭风电场”，不仅可以有效利用当地的风资源，还

可对电网末端起到电源补充作用，对环境保护具有积极作用。

3、为什么说内蒙古是我国北部地区极具有风能发电开发价值的区域？

答：

内蒙古是我国北部地区的风能富集区，可开发的风能储量为1.01亿千瓦，占全国风能储量的40％，居全国之首。

内蒙古的风能分布范围广、面积大、稳定性高、连续性好、无破坏性风速等优良品位。

经测定，10米高度年平均风速在6米／秒以上，年可利用4400～7800小时，开发条件十分优越。

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