风力发电实习笔记

风力发电实习笔记

毕业实习笔记

时间：201*.2.29地点：麻章镇桥仔村实习内容：

1、了解两台风力发电机及其机房的情况：

总体情况：风车式发电机、能够随风向自动调节风车方向、体型笨重、噪音较大、适合修建在野外郊区人员稀少的地方(1)20kw

基本情况：启动风速3.5m/s、叶片长度8m(2)50kw

基本情况：启动风速8-9m/s、、、、、

2、了解乙炔切割、电焊的用法和实操

(1)乙炔切割器件以及它的基本操作：1、调节火焰大小、气压大小2、切割时注意先切开器件的侧边的一个缺口然后加大气压一口气从切一段3、注意蹲的姿势和手拿工具的姿势(2)电焊的基本实操流程：1、点焊前要对准要电焊的地方2、电焊夹要和电焊条夹成45度3、焊接时焊条要轻按接触需电焊的地方不能抬起太高4、姿势正确无需怎么拉动焊条它自动下拉5、注意焊水要均匀分布为最好6、注意保护眼睛和手脚

时间：201*.3.1

地点：麻章邮政局对斜面实习内容：

1、认识了解垂直轴式风力发电机

基本情况：两台1KW风机、两台3KW风机特点：

(1)轻便、占地啊面积小。

(2)噪音小；适合修建在市区高楼顶。

(3)不会自动调节方向；对风的质量要求较高（单一方向吹、风力较大时才能转动）。2、动力学原理：

(1)受风力叶片设计呈渐厚行（由于叶片两侧厚度产生气流使其转动？）。

(2)由于叶片设计是以轴位中心垂直设计的，所以它可以接收来自各个方向的风。3、功能：实现广告牌灯等用电设备的直接供电和转换储存电能备用。

2、测量了解该风力发电机房的数据和设备

机房设备及其主要功能：

(1)两组电池（第一组：12V/个、共8个、全部串联96V；第二组：2V/个、共48个、全部串联96V）

(2)整流桥控制器（功能是：第一，实现风车产生的交变电流输入转换成直流电流输出充入干电池组；第二，担任风车的刹车功能；）(3)风光逆变器（功能是：第一，对干电池组输出的直流电进行逆变和升压，使其达到220的稳定交流输出用电；第二，智能切换市电和自发电的停止和工作）

快速充电器（功能为没电或者低压的电池组快速充电，使其能够快速达到每个10.5V以上

扩展阅读：风力发电笔记

功率调节：变桨距角调节

变桨距角型风力发电机能使风轮叶片的安装角随风速而变化。风速增大时，桨距角向迎风面积减小的方向转动一个角度，相当于增大桨距角，从而减小攻角，风力机功率相应增大。

空气动力刹车机构：

空气动力刹车机构安装在叶片上，与变距不同主要起限制功率的作用。它常用于失速机超速保护，此时机械刹车不能或不足以刹车时，它属于机械刹车的补充系统。空气动力刹车系统作为第二个安全系统，常通过超速时的离心起作用，阻流板、叶尖刹车按一定规律投入，在30m/s风速时，叶片转速提高到2倍额定转速，离心力作用下空气动力刹车投入。

电网连接条件

与电网连接的用户需要确定的条件，最高的电压偏差允许±10%，频率偏差±1%。用户很多时，频率±5%，电压-15%～+10%。

若有多台同步发电机，应将每台风力机发电变成直流连接，共同提供直流。再由逆变器用静态的（电子的）方式产生电网的频率和交流谐波电流。由于是电网提供控制信号，可能会因谐波干扰电力系统运行，应在并网前滤掉这些谐波（主要是5次和7次谐波）。

逆变器：软并网需要逆变系统，它允许转速为0.5~1.2倍发电机的额定转速。逆变器频率由电网拖动。

塔架：25m直径以上的风力机，其塔架高度与走私是11的关系，大型风力机会更高一些，风力机的安装费用也会有很大的提高。

中、小型风力机塔架多采用钢材料，大型机由于刚性原理，也有采用混凝土结构的，原因是大型机塔架运输困难，混凝土结构可在当地施工。

圆柱塔架的固有频率

圆柱塔架的固有频率受风轮及机舱质量的影响，可用下式近似计算

f12g/s式中，g是重力加速度（9.81m/s2）；s是塔架上端由于受塔架自身质量的弯矩距离。弯曲变形根据下式可计算：

mgl3s

EIx3式中，Ix是圆柱断面上的惯性矩。圆型管Ix为D4d4Ix0.05(D4d4)

64式中，D是圆筒外径；d为圆筒内径。钢的弹性模量为

E=2.1×1011N/m2

动态设计及稳定性测试

动态设计及稳定性测试包括运行转速范围、故障时最大的风轮转速、塔架的刚性、塔架的扭曲固有频率、叶片固有频率、叶片调桨的固有频率、传动力系的固有频率、部件固有频率的检测。

叶片安装角φ即翼弦与风力机转动方向的夹角，翼弦为叶片前缘与尾尖端的连线。

对于指定的风场，按最佳高速特性数λopt设计能最大利用风能发电，从而降低风电电价。由于风力机之间互相有影响，风电场中风力机不能随意布置，场中风力机之间前后左右要有足够的空间和距离，以保证风流经一台风力机后，又重新加速，达到额定值。风场一般按多排设计，避免前后之间的相互影响，左右间距不小于2.5～3倍风轮直径，前后排距离不小于8倍风轮直径。风向不稳定的风场，前后距离可仍用不小于8倍风轮直径，左右间隔要提高到不小于4倍风轮直径。

流体力学的控制方程

流体力学的控制方程包括连续方程、动量方程和能量方程，这些方程是流体力学三个基本物理定律的数学描述。这三个基本的物理定律是质量守恒定律、牛顿第二定律和能量守恒定律。

连续方程（质量守恒定律）

质量流量：假设区域A足够小，因此面上各点的速度可以认为相同。以速度V穿过面A的

流体微团，在穿过面A以后的dt时间内，运动了Vdt的距离，扫过的体积等于底面积乘以

柱体的高度Vndt，这里Vn是速度V在面A法向上的分量，即，扫过的体积=(Vndt)A

因此扫过部分的质量为：流过的体积=ρ(Vndt)A

上式就表示dt时间内流过面A的质量。定义每秒钟流过面A的质量为面A的质量流量，其

，则有单位是kg/s，记为mmVndtAdtVnA，即m定义质量能量为单位面积上的质量流量，即质量通量=

mVnA质量通量的单位是kg/(sm2)。质量通量的式子表明穿过一个面的质量通量等于密度乘以速度在这个面法向的速度分量。

在笛卡儿坐标系中，VVxiVyjVzkuivjwk，这里u、v和w分别表示速度在

x、y和z方向的分量。更一般地讲，如果V是任意方向速度的绝对值，那么V的含义就

是穿过和V方向垂直的面的质量通量。

对任意控制体运用质量守恒定律，即

净流出控制面的质量mB=控制体内质量的减少mC式1

穿过面元ds的质量流量为

VndsVds

质量流量沿整个控制面S求和就是净出整个控制面S的质量流量。如果再取极限，和演变成面积分，也就是式1等号的左边，即

BSVds式2

体元dv中饮食的质量是ρdv，因此，整个控制体内的质量是流体质量随时间的增加率是-

dv，那么控制体v内的vdv。反过来，控制体v内质量随时间的减少率就是vtdv，将其和式2代入式1得空间位置固定的有限控制体的连续方程为vtdvSVds0式3tv由于式3所用的控制体的空间位置固定，所以积分的极限形式也是固定的。于是对时间求偏导数可以放到体积分符号里面

vtdvSVds0式4由封闭曲面S封闭的空间域v及散度定理，可得矢量场A的面积分和体积分关系式为

SAdsVdv

v运用上式，式4可变为

vtdvvVdv0式5即Vdv0vt分析上式中的被积函数，如果被积函数的值是有限的，那么上式要求它在控制体的一部分

区域的积分和剩余的区域的积分大小相等，符号相反，这样在整个控制体内的积分才为零。然而有限控制体是任意的，因此对任意控制体，都要求上式的积分为零，唯一的结果就是被积函数在控制体内所有点的值都为零。因此

V0式6t式6为连续方程的微分形式。

（速度V的散度就是在运动过程中流体微团的相对体积的时间变化率，记为V，

VxVyVz）Vxyz在连续方程的推导过程中，关于流体性质的唯一假设就是连续性假设。因此，积分形式和

微分形式的连续方程对任意流体的三维非定常流动、有粘或是无粘、可压或是不可压，都成立。

非定常流动中，流场变量既是空间位置的函数，也是时间的函数。如：x,y,z,t绝大多数应用空气动力学的问题都是和定常流动有关的，即流场变量只是空间位置的函数。例如：x,y,z，这就意味对空间一个固定点，该点的密度不随时间变化。对于定常流动，/t0，因此式3和式6简化为

SVds0和V0

引入一个矢量运算式

VVV

它表示标量和矢量乘积的散度等于标量乘以矢量的散度加上矢量点乘各标量的梯度。于是式6变为

VV0t动量方程（牛顿第二定律）：

牛顿第二定律常写成：Fma，式中，F为质量为m的物体所受的合外力，a为加速度。

这个式子更一般的形式是

dFmV式7

dt其中，mV是质量为m的物体的动量。式7表示的是动量守恒定律，即

系统的动量随时间的变化率=作用在系统上的合外力

F的表达式即当流体穿过控制体时施加给控制体的力。它有两个来源：①彻体力，如重力、

电磁力等。②表面力，如控制面上的压力和剪切应力。

设f表示单位质量流体施加给控制体v的彻体力，那么体元dv所受的彻体力是fdv，施加给整个控制体v内流体的总的彻体力就是fdv在域v内的总和，即

彻体力=fdv式8

v压强在面元ds上产生的表面力是pds，这里的负号表示力的方向与ds的方向相反，也就是说由于周围流体施加的压力，控制面受到的压力指向控制体内。控制体所受的总的压力就是上述面元力pds在整个控制面上的求和，即压力=pds式9

s在粘性流中，剪切应力和法向粘性应力也会对控制体施加一个表面力。用Fviscous来表示控

制体受到的粘性力。当流体穿过空间位置固定的控制体时，受到的合外力就是式8、式9

和Fviscous的总和，即

FfdvpdsFviscous式10

vs当流体穿过空间位置固定的控制体时，动量随时间的变化率是G与H之和，G、H分别

为

单位时间流出控制面的总动量=G

控制体内流场的非定常产生的动量当地变化率=H

流体流入控制体时，总是具有一定的动量，一般来说，当它离开控制体时，其动量已发生变化。净流出控制面S的总动量就是流出控制面的动量减去流入的动量，该动量的变化用

G表示。由于流出面元ds的质量流量是Vds，因此单位时间流出面元ds的动量是

VdsV，流出控制体的总动量就是VdsV在控制面S上求和，即

GVdsV式11

S式中，Vds为正时表示质量从控制体内流出，为负时表示质量流入控制体。因此在整个

控制面上的积分就是流出动量（正值）和流入动量（负值）的总和，积分的最终结果表示的是净流出控制面的动量。

体元dv中流体的动量是dvV，因此在任意瞬间，控制体内饮食的总动量是vVdv。

由于非定常振荡，动量随时间的变化率为

HVdv式12

tv结合式11和式12可以得出流体穿过空间位置固定的控制体时，动量随时间的总的变化率的表达式，即dmVGHSVdsVtvVdvdt于是由牛顿第二定律得出

SVdsVVdvpdsfdvFviscous式13vsvt该式为积分形式的动量方程，它是一个矢量方程。下面推导微分形式的动量方程。与连续方程推导类似，运用梯度定理及因为控制体空间位置固定，对时间的导数可以移到积分符号里面，式13可变为

VtvdvSVdsVpdvfdvFviscous式14

vv在笛卡儿坐标系中，Vuivjwk，式14的x方向分量方程为

upvtdvSVdsuvxdvvfxdvFxviscous式15

将式15左边第二项的面积分运用散度定理可得

SVdsuuVdsuVdv式16

Sv把式16代入式15有

puvtuVxfx(fx)viscous0上式在流场中处处为零，因此

upuVfx(fx)viscous式17atx同理可以得出y和z方向的微分形式动量方程

vpvVfy(fy)viscous式17btywpwVfz(fz)viscous式17ctz特别地，对无彻体力（f=0）的定常（/t0）、无粘（Fviscous0）流动，式13和式

17a到17c分别可以简化为

SVdsVpdsSpuV

xpvV

ypwV

z能量方程（能量守恒定律）

系统以外的区域定义为外界环境。假设外界环境传给系统热量q，同时外界环境对系统做功w。热量和功都是能量的表现形式。所以当外界环境对系统传热或做功时，系统的内能将发生变化，内能的变化用de表示。根据能量守恒定律，有

qwde

这就是热力学第一定律的表达式

对流过空间位置固定的控制域的流体运用热力学第一定律，设B1=外界环境传递给控制域内流体热量的传热率B2=外界环境对控制域内的流体做功的功率B3=控制体内流体能量的变化率根据热力学第一定律

B1+B2=B3式18

式18称为能量方程

，q的单位是J/(skg)，有限控制体元内包含的质量是设单位质量流体热传导功率为qdv。对整个控制体求和，有dv，因此，这些物质总的热传导功率是q热传导功率=

dvqv此外，如果流动是有粘性的，那么热量可以通过热传导和质量扩散的方式穿过控制面，传

入控制体。设由于粘性作用导致控制体热量增加的功率为Qviscous，因此，总的热量增加率

为B1=

dvQqvviscous

由于力对物体做功的功率等于速度和力在速度方向分量的积，即FV，在控制面上一个面元ds。面元所受的压力为pds。当流体以速度V穿过ds，压力对穿过面元ds的流体

做功的功率为(pds)V。因此对整个控制面求和有

控制面S上的压力对控制体v内流体做功的功率=S(pds)V

此外，取控制体内的一个体元dv，设f是彻体力，那么彻体力对体元做功的功率是

fdvV。对整个控制体求和，有

彻体力对控制体v内流体做功的功率=

vfdvV

如果流动是有粘性的，当流体穿过控制面时，控制面上的剪切应力也要对其做功。用Wviscous来表示剪切应力做功的功率。于是对控制体内流体做功的总功率为

B2S(pds)VfdvVWviscous

v内能e是系统内的原子和分子的随机运动的能量，控制体内的流体不是静止的，而是以当

地速度V运动，因而单位质量的动能为V2/2。因此，单位质量运动流体的能量是其内能和

动能之和，即eV/2，这个和称为单位质量流体的总能。控制体的质量流量会带入一定量的总能，同时，流出控制体的质量流量也会带走一定量的总能。通过面元ds的质量流量

22是Vds，那么流出面元ds的总能量是VdseV/2。沿整个控制面求和，可

以得出

单位时间流出控制面的总能=

sVdseV2/2

此外，如果流动是非定常的，由于流场变量的瞬时振荡，控制体内的总能就有一个随时间

2的变化率。体元dv含有的总能是eV/2dv，因此在任何瞬时整个控制体内的总能

为

eVv2/2dv，因此

控制体v内由于流场变量的瞬时变化引起的总能随时间的变化率=所以，

2eV/2dvvt2eV/2dvVdseV2/2B3=stv根据热力学第一定律：当流体穿过控制面时，外界环境给控制体内流体传热的功率加上外

界环境对控制体内流体做功的功率等于控制体内流体总能随时间的变化率，能量是守恒的。结合B1、B2、B3，可以得出

即22eV/2dvsVdseV/2tvdvQviscousqpVdsfVdvWviscousvqdvQviscous(pds)VfdvVWviscousSvvSvtveV2/2dvseV/2Vds2式19

式19是积分形式的能量方程，其实质是流体中的热力学第一定律。

为了完整起见，如果是喷流流过控制面，那么由射流传递的功率也必须加到式19的左边。此外势能并没有出现在式19中，当彻体力包含重力时，势能的改变就包含在彻体力项里。用推导微分形式的连续方程和动量方程一样的方法，从式19积分形式的能量方程可以推导出微分形式的能量方程。对式19中的面积分运用散度定理，并把所有的项都整理到同一个体积分，令被积分函数为零，可以得到

22""eV/2eV/2VqpVfVQWviscousviscoust式20

""其中，Qviscous、Wviscous表示的是粘性项在本方程中的适当形式。式20就是微分形式的能

量方程，它可以建立流场中任意给定点的流动变量之间的关系。

0）如果流动是定常（/t0）、无粘（Q、绝热（q，并且忽viscous0、Wviscous0）

略彻体力（f0），那么式19和式20分别简化为

seV/2VdspVds

2S和

2eV/2VpV在能量方程中，引入了另外一个未知的流场变量e。现在有三个方程，即连续方程、动量方程和能量方程，但它们包含了4个独立的变量：、p、V和e。通过热力学状态关系可以获得有关e的第四个方程。如果气体是完全气体，那么

ecVT式21

式中，cV是比定容热容。式21又引入了另外一个独立变量温度T。利用完全气体状态

方程就可以使这几个方程组成系统封闭pRT

风力机的启动风速

风力机的启动风速是根据风轮机的启动力矩和发电机及齿轮箱的启动阻力矩来确定的。安装角越大，启动风速越低，风力机越容易启动。

三相同步发电机得到的感应电动势的频率决定于电机的极对数p和转子转速n，即

fpn60连续变速的发电系统

结合发电机和电力电子变换装置介绍连续变速的发电系统。

1、同步发电机交流/直流/交流系统其中同步发电机可随风轮变转速旋转，产生频率变化

的电功率，电压可通过调节电机的励磁电流进行控制。发电机发出的频率变化的交流电首先通过三相桥式整流器整流成直流电，再通过线路换向的逆变器变换为频率恒定的交流电输入电网。变换器中所用的电力电子器件可以是二极管、晶闸管（SCR）、可关断晶闸管（GTO）、功率晶体管（GTR）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。

2、磁场调制发电机系统这种变速/恒频发电系统由一台专门设计的高频交流发电机和一

套电力电子变换电路组成，图1示出磁场调制发电机单相输出系统的原理框图及各部分的输出电压波形。

触发电路fr±fm2fm+直流分量+6fr小纹波fm+6fr小纹波三相高频发电机（fr）（a）（b）并联桥式整流器（c）可控硅开关电路（d）滤波器（e）

四川东方汽轮机厂生产的FD70A风力机功率控制方式

当风机工作时，叶片桨距和风轮速度控制装置共同协调工作，以实现最大的风能利用。

低风速工况时，风机在恒定的叶片桨距和可变的转速下工作，使其在最佳风轮空气动力学范围内工作，达到最佳的风能利用效率。在额定功率风速较高的工况时，速度控制系统和变桨距控制系统将一起工作，以保持风轮在恒定的功率输出下工作。阵风开始使风轮加速，叶片变桨距的调节会重新使其减速。这种控制理念，使得风机上的负载大大降低的同时，风力机功率仍可提供给电网，不受阵风影响。

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