可再生能源发电技术课后习题

第2章 风力发电课后习题2-1 简述风的形成原因和不同级别风的特点。答：风是空气流动的结果。地球表面被厚厚一层称为大气层的空气所包围，由于密度不同或气压不同造成空气对流运动，水平运动的空气就是风，空气流动形成的动能称为风能。空气流动主要受到大气环流、季风环流和局部环流的共同影响。不同风力等级的特点见P19页的蒲福风力等级。2-2常用的描述风能的参数有哪些？答：风速、风向、风频、风能以及风能的利用系数等等。风速：风强度的表示方法。指单位时间内风的水平移动距离，从时间上看有瞬时风速和平均风速，用风速仪测量。风向：风吹来的方向，一般用风向仪来测风向。风频：风向出现的频率。风能：指风所具有的能量、动能，常用风压风功率等来表示。风能利用系数：表示风力机所捕获的功率与风功率之比，计算公式为Cp=P/Pair，它是一个小于1的系数。2-3试计算表2-2所列不同风速及面积上的风功率，以kW表示。=1.0kg/m3。风功率，已知：半径r、速度v表2-2直径m风速m/s 功率kW 5105010051.234.91122.72490.871533.13132.543313.41325425153.4613.5915340613592-4 以10m高度为基准，试分别计算20m和50m高度的风速增长系数，在指数公式中取=0.14。答：风速随高度变化的经验公式很多，通常采用以下指数公式，v=v0（h/h0），教材P21式（2-4）。V为高度h处的风速，单位为m/s；v0为高度h0处的风速，单位为m/s，一般取10m；为经验指数，本题中取=0.14，（在开阔、平坦、稳定度正常的地区）。风速增长系数为（h/h0）20m高度的风速增长速度为(20/10)0.14=1.10250m高度的风速增长速度为(50/10)0.14=1.2532-5设风分别以5m/s和15m/s各吹1h（1小时），取空气密度=1.0kg/m3。试计算：(1) 2h（2小时）内的平均风速是多少？(2) 平均风功率密度是多少?答：平均风速为：v=v1+v22 = (5+15)/2= 10m/s平均风功率密度为：P=v13+v2322h = 12×2（1×53+1×153）=875w或表示为：其中n为风吹的时间，平均风功率密度P= 12ni=1nvi3 = 1 2×2（1×53+1×153）=875w2-6 根据图2-66所示，设风速为20m/s，试计算下列条件下风力机的功率：（1）风力机转速为160r/min（曲线A）；（2）风力机运行在最大风能利用系数曲线上（曲线B）；（3）风力机运行于600N·m的恒转矩曲线上（曲线C）；（4）设风力机的额定风速未12.5m/s（图中曲线A、B、C的交点），试问该风力机的额定转矩、额定功率和额定转速各是多少？答：首先求（1）（2）（3）问题的风力机功率，然后求（4）问题（额定工况点）的转矩、功率、转速，称为额定转矩、额定功率、额定转速。转速与角速度关系，（n的单位r/min，除以 60为每秒单位），有=2n/60，功率 (1) 风力机转速为160r/min（曲线A），点（1）由图中插值：风力机转速约为160r/min，转矩约为1500N·m，功率：=2×3.1416×1500×160/60=25133w(2) 风力机运行在最大风能利用系数（曲线B），点（2）由图中插值：风力机转速约为240r/min时，转矩约为1400N·m，功率：=2×3.1416×1400×240/60=35186w(3) 风力机运行于600N·m的恒转矩曲线上（曲线C），点（3）由图中插值：风力机转速约为375r/min时，转矩约为600N·m，功率： =2×3.1416×600×375/60=23562w(4) 风力机运行于额定工况点（4），由图中插值：额定转矩为 600Nm，额定转速为160r/min ，额定功率由下式求得： =2×3.1416×600×160/60=10053w 。2-7 什么是贝兹极限？其值是多少？答：贝兹理论是风力发电中关于风能利用效率的一条基本的理论。贝兹理论：理想情况下风能所能转换成电能的极限比值为16/27 约为59.3%。它由德国物理学家Albert Betz于1919年提出。2-8什么是风力机的失速？答：对于定速定桨距风力机，桨叶的桨距角是固定不变的。它利用叶片的气动特性，使其在高风速时产生失速来限制风力机功率。当风速增大时，桨距角不变，攻角增大。一旦攻角大于临界值，则叶片上侧气流分离，形成阻力，对应的阻力系数CD增大，而升力系数CL有所减小。升力FL和阻力FD的改变，导致作用在叶片上的轴向推力FT增加，切向旋转力FR略有减小，结果是气动力矩和功率减小，称之为失速。（P30、图2-20）、或用（P27、图2-15升力系数CL、阻力系数CD突然下降，失速时，升阻比CL/CD突然下降。） 2-9 风力机分别运行在恒叶尖速比和恒转速，试说明其性能有何不同？答：叶尖速比=R/v，式中为角速度、v为风速、R为风机半径。风力机运行在恒叶尖速比时，即恒为常数，当风机风速变化的时候，风力机转速需随之变化，保证两者比值恒定，一般适用于风速小于额定风速的时候。风力机运行在恒转速时，不管风速怎么变化，在到达额定功率以前，风力发电机组的转速要保持恒定。风速大于额定风速时，通过主动失速或者变桨距调节，限制风轮从风中吸收风能，而使发电机保持恒定的输出功率。2-10 设风力机的叶尖速比=7时有最大风能利用系数Cpmax，试计算直径分别为5m、10m、50m和100m的风力机在风速为10m/s、20m/s和25m/s时的转子转速应为多少？答：叶尖速比=R/v，故转子转速为n=v /2R。注意这里R为半径。直径风速 转速5m10m 50m100m10 m/s4.46 2.220.440.2220 m/s8.924.460.900.4425 m/s11.145.581.120.562-11设某风力机具有以下参数：额定功率为1000KW，额定风速为13m/s，塔高为60m，轮毂半径为1.5m，转子半径为30m，叶尖速比=6.3。试计算：（1）在额定风速下叶尖和叶根的运动速度分别是多少？（2）额定转矩是多少？答：(1)由=R/V，得到旋转角速度=V/R=2.73，则叶尖运动速度为R=81.9m/s ，叶根运动速度为R=2.73*1.5=4.1m/s。（2）由P=T，得到额定转矩T=P/=366300Nm。2-12 根据功率调节方式不同，风力机有哪几种主要类别？主动失速型风力机与变浆风力机有何异同？（P30-31）答：风力机有三种调节方式：失速、主动失速和变桨距控制。失速：桨距角不变，风速增大攻角增大，叶片上侧气流分离，阻力系数增大，轴向推力FT增大，切向旋转力FR减小，气动力矩减小和功率减小，称之为失速控制。主动失速：就是在风速达到额定风速及以上时，通过人为地减小桨距角，攻角快速增加，使风力机加深失速，达到快速调节风力机功率的目的。优点是：功率调节性能好，控制简单（相对于后面的变桨距控制）；缺点是：作用在转子水平面上的轴向推力FT增大，风力机气动载荷加重。变桨距：当风速大于额定风速后，可通过变桨距机构使叶片绕其轴线旋转，增大叶素弦线与旋转平面的夹角也就是桨距角，减小攻角，使风力机功率不变，此时升力系数减小，而阻力系数仍然维持在较小数值。因此可以认为，控制器通过调节升力FT，使旋转切向力FR维持不变，从而保持了风力机的功率不变。并由图2-22，作用在转子平面上的轴向推力FT减小。因此，变桨控制不仅可控制风力机的功率恒定，而且可减小风力机的气动载荷。优点：功率调节性能好，气动载荷小；缺点：需要复杂的控制机构，增加了风力发电系统的复杂性。两者的差异：调节方向不同；调节频率不同；轴向推力变化规律不同。（P32的1）2）3）2-13 频率为50Hz的4极（2对）笼型异步电机，其运行转速范围是多少？而对于双馈异步电机，则其运行转速范围又是多少？为什么会不同？答:鼠笼异步发电机旋转磁场：n1=60f1/p=50×60/2=1500 （P33式2-18及2-19）取转差率最大为±5% ， 即，由，得到，化简得：得到最大的n=1575 最小n=1425 双馈异步发电机：n1=60f1/p=50×60/2=1500 转差率最大为30% 双馈异步发电机（P37最大转差率约为0.3）由，得到，化简得：得到最大的n=1950 最小n=10502-14什么叫风力发电机变速恒频运行？那些发电机属于变速恒频风力发电机？答：风力发电机运行时，由于风速的变化是随机的，因此要求发电机在风速变化时，保持恒定的输出频率。双馈异步发电机、低速永磁同步发电机、无刷双馈发电机都属于变速恒频的发电机。2-15 试比较双馈异步发电机和永磁同步风力发电机各有什么特点？答：双馈异步发电机：能连续变速运行；功率变换器容量较小，成本低；输出功率平滑，功率因数较高，电能质量较好，并网简单，无冲击电流；有电刷与集电环，存在机械磨损，可靠性较低；转子绕组中的功率双向流动，功率变换器结构及控制较为复杂；需要齿轮箱增速，可靠性较低。永磁同步发电机：没有增速齿轮箱或者采用一级增速齿轮箱，提高了可靠性；发电机与电网完全解耦；外形呈扁平的盘形；采用分数槽绕组；体积大。2-16 变速风力发电机组什么优点？什么是变速风力发电机组的最大功率点跟踪控制？答：优点：变速风力发电机能够根据风速的变化，在低风速时，保持最佳叶尖速比，实现最大功率点跟踪；当风速大于额定风速时，利用变桨技术可将输出功率稳定地控制在额定功率。最大功率点跟踪：就是在风速小于额定风速时，采用适当的控制方法，使风力发电机保持有最佳的叶尖速比，有最大的风能利用系数。2-17 根据风速不同，变速风力发电机组有哪几个运行区间？最大功率跟踪控制适用于哪个区间？答：启动状态：发电机转速从静止上升到切入风速。此时，发电机没有工作，不需要控制Cp恒定区：也称变速运行区。风力发电机组切入电网后运行在额定风速以下的区域。在此区间，随着风速的变化，调整风力机转速，使叶尖速比保持最佳值，对应的风能利用系数等于最大值。此区间适合用最大功率点跟踪控制。转速恒定区：由于受到旋转部件机械强度的限制，风力发电机组的转速有一个极限，在达到额定功率以前，风力发电机组的转速保持恒定。功率恒定区：风速高于额定风速时，风力发电机组受到机械和电气极限的制约，转速和功率维持在额定值，因此，该状态运行区域称为功率恒定区。切出区：当风速大于切出风速时，为保证风力发电机组的安全，需对机组进行制动减速，直至切出。2-18 当风速大于额定风速时，如何控制风力发电机组的功率？此时风能利用系数Cp随着风速的增大如何变化。答：风速大于额定风速时，可通过增大桨距角使Cp减小，降低转速，使叶尖速比减小，达到降低Cp的目的。此时Cp随着风速的增大而减小。2-19 什么是风力发电机的偏航？偏航系统主要有哪些类型？答：风速的大小和风的方向随着时间不断变化，为保证风力机稳定工作，必须有一种装置使风力机随风向变化自动绕塔架中心线旋转，保持风力机与风向始终垂直，这桩装置叫做偏航系统，也叫迎