《风力发电》作业及期末复习题

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热工及风能教研室 卫运钢

复习思考题

一、具体解释描述风的主要性能参数有哪些？

答：风速、风向以及风能等等；

风速——是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之分，用风速仪测量。

风向——是指风吹来的方向，一般常用风向仪来测定风向。

风能——是指风所具有的能量，也就是指风运动时所具有的动能，应用上常用风压风功率等来表示。影响风能的主要参数有：风速、风掠面积和风密度等等。

二、结合风电发展的历史与现状，指出影响风电发展的主要因素有哪些？

答：1、导向，这里能源供应和能源安全问题七决定性作用；

2、技术支撑，空气动力学理论、材料、机械、电气电子和计算机等领域的科学技术成果被应用于风力发电，极大的提高了风力发电的经济性和可靠性；

3、环境压力，煤、石油天然气等化石燃料的燃烧和利用存在着严重的环境污染，并影响全球气候的变化，这些一引起了人们对环境保护的重视，成为了推动风电发展的新动力；

4、社会力量，清洁能源、绿色能源等已逐渐被人们关注，越来越多的企业乃至个人投身到风电事业当中，与一道形成了风电发展的合力。

三、画出风力发电的物质流示意图(标明各部分名称)，并简要进行说明。

四、简述风电预测技术的重要性。

答：风电预测技术一般分为两部分内容，一是风资源的测量与评估，另一部分是风电场所发出电的预测与预报，由于风电的发展潜力在很大程度上是由当地的物理环境所决定的，所以提高风电场更广大范围内风力认知才是根本，我们根据风资源来建立风电场，再结合风资源和风电机组运行状况来预测电能产出，才能够实现风电场和电网的相约对接，所以风电预测技术非常重要。

五、指出大中型风电机组及小型风电机组在选址时的主要区别。

答：1、小型风电机组

一是风能资源与气象条件，风能资源是风力发电的首要条件，而气象条件是必要条件，风电机组应该选择在风能资源丰富且气象灾害较小的地域进行安装。

二是地形、地物及地质条件，地形方面包括山地、丘陵和谷底等等，地物方面如草地、森林和建筑物等等，这两个方面主要影响当地的风速、风向，地质条件则是关系到风电机组的根基，维系整个机组的安全。

三是交通条件，应该保证联络方便，不仅有利于机组安装、运输及维护而且也有利于用户接入电力，减少损耗。

2、大中型风电机组

一是测风更严格，对于大中型风电机组来说，风能资源的准确测量与评估尤为重要；

二是布局更讲究，若布置不合理将直接影响风电场的经济性与安全性，

三是考虑更周全，比如距离电网应该较近，这样有利于减少电能的损耗和方便运输电能，以及风电场送入电网的最大功率与电网总装机容量比例不能太大，风电场必须远离具名区一般在500米以上，一减少对居民的影响等等。

六、简述风力发电对环境的主要影响。

答：1、对植被，土壤等的破坏

2、对大气环境的影响

3、噪声污染

4、电磁感扰

5、公共安全影响

6、对鸟类、地面动物的影响等等

七、海上风力发电在基础施工及运输、安装方面的关键性技术有哪些？

答：1、海上风力发电在基础同时具有海洋结构工程、高耸结构工程以及动力设备工程。

2、海上风力发电在运输、安装方面，与陆地风电机组相比，海上风力发电机组由于功率较大，所以重量也较大，因此需要专门的大型设备进行运输与安装（如安装船），海上风电专门的运输及安装设备的研发与制造时我们应该着力解决的问题，同时要采取措施应对复杂的海洋环境。

八、试阐述评价风电与柴油发电互补系统优劣的主要指标。

答：1、节油率，我们采用互补运行方式的最终目的就是要节省柴油，因此节油率是判断系统是否先进的一个重要指标。

2、可靠性，为了从分利用风能节省柴油，风电机组在整个互补运行系统中的容量会超过50%，但是因为风电的不稳定性和不可靠性可能对系统造成冲击互补运行系统如何承受冲击，保持电能输出的稳定性和可靠性，是判断系统是否成功的技术关键。

3、经济性，我们单靠节油率判断经济性的好和坏实际上是不够全面的应该考察最终总的发电成本，一个大致的结论应该是节油率高了，系统运行又可靠，总的发电成本还比较低，那么这个互补系统应该是良好地系统。

九、简述垂直轴风电机组的主要优势。

答：第一、叶片优化设计及其风能利用系数

目前垂直轴风电机组由于优化了叶片设计，其风能利用系数随之提高；

第二、机组结构特点及其受力情况

垂直轴风轮机组结构决定其可以接受任何方向的来风，不存在对风损失，而且风轮受力比较均衡，除了受风载荷之外所受重力一旋转离心力方向不变，是一个较为恒定的载荷，因此风轮叶片的疲劳寿命相对长一些，此外，也为风电机组向大容量方向发展创造条件，而且垂直轴风电机组有良好的适应性以及发电机安装位置等优势。

第三、低风速启动性能

垂直轴风电机组的低风速利用潜力也较大；

第四、环境保护方面

主要体现在噪声以及对当地生态特别是对鸟类的影响，相比较而言，水平轴机组的风轮转速较大，所产生的空气流动性噪声也大，而且齿轮箱等设备的机械性噪声也较突出，从而鸟类也容易避让，所以垂直轴风轮机组的应用范围会大大增加。

十、举例并简要说明何谓风电发展的“抓大抓小”？

答：一、利用高风速的同时，更要挖掘低风速利用的潜力。

1、开发高风速领域，利用这些领域优质丰富的风能资源，可以多发电。

2、提高高风速的风能利用率，同样可以多发电，主要表现为高空风力发电和深海风力发电。

二、发展大风电的同时，也要重视中小风电的发展。

1、关于低风速的利用，对垂直轴风电机组特别是阻力型以及“H”升力型垂直轴机组，七低风速启动性能优于水平轴，这说明垂直轴风电机组的低风速利用潜力也比较的大；

2、关于低风速的利用，磁悬浮技术也引起了高度重视，磁悬浮技术将使风电机组低风速利用的能力进一步加强，并且能有效的提高能量转化效率。

作业题

一、指出自然风形成的原因，并进一步解释“龙卷风”、“台风”是如何形成的？

答：1、温度差和地球自转，温度差将导致气压差，地球自转将产生所谓的科氏力这两个方面的共同作用就形成的自然风。

直观上看，空气的流动过程叫做风。由于太阳的辐射使自然界有了冷暖之分，不同地区接受太阳能的辐射的能量是不同的，因此有地区冷暖之分，冷暖温度的不均匀会导致空气密度的不均匀，从而气压力不一样，气压力差将推动空气从高压侧流向低压侧，就形成了自然风。

2、龙卷风常在雷雨云中形成，由于雷雨云层的和上部的温度差较大，气压力差的作用下风就产生了，在科氏力的作用以及雷雨云层当中的若干扰动就会形成一个猛烈旋转的空气柱，这样就形成龙卷风。

台风是绕着自身中心急速旋转而又向前移动的空气漩涡，

二、世界风电发展的第三阶段——徘徊期出现的三个代表性特征是什么？简要说明之。

答：1、第二次世界大战刚刚结束的头几年，人们对风电发展的认识不足，使风电发展放缓了，虽然一些国家的风力机使风力发电有了一定程度的发展，但由于石油价格的降低从而带动其他化石燃料低走，使得火力发电的成本降低，风力发电由此停滞不前。

2、20世纪70年代，1973年和1978年的两次全球性石油危机，使其大幅度上涨，从而引发了世界各国对风力发电的等可再生能源的高度重视，从而拉开了大力发展风力发电的序幕。

三、风电机组机舱内部有哪几个主要部件？进一步指出其作用。

答：1、主传动部分——是将风轮所捕获的风能转换为机械能在传递给发电机使其发电，起到传递能量的重要作用；

2、发电系统——发电系统主要包括发电机、变流器等，其中发电机是依据电磁感应定律将主传动部件传递过来的机械能转变为电能，变流器是能够实现电流的交-直-交变换，从而对电能的有效控制和变换；

3、偏航系统——通过与控制系统相配合可以调整机舱的方向，从而使风轮始终与风向相垂直处于迎风状态，从而可以最大限度的获得风能；

4、制动系统——对风电机组起到很重要的安全保护作用

5、控制系统——是他的指挥调度中心和安全保护中心

四、目前而言，制约我国风电发展的主要瓶颈问题有哪些？

答：1、风力发电本身瓶颈问题，主要表现为技术制约，主要有能量转换效率、风电预测技术、风电上网、以及风力发电的控制技术（风力发电的控制技术，由于国内在控制硬件或是控制软件方面的产业化都相当弱，只能靠引进国外的核心技术活购置核心产品，因此控制系统的依赖性也是制约我国风电发展的主要瓶颈）； 

2、风力发电的产业链瓶颈问题；

3、国家产业引导下的电力市场瓶颈问题，主要表现为制约。

五、解释下面风力发电的相关概念：能量转换效率、容量成本及平准化电能成本。

答：1、能量转换效率是反映从风能开始到上网电能之间能量利用程度的指标。

2、容量成本是指风电场每单位千瓦时容量的造价，可以衍生出风电机组本身的容量成本。

3、平准化电能成本是扣除了任何补贴和优惠情况下的度电成本，（度电成本是指在风电场设备使用期间没生产1度电所需要的发电总成本）。

六、风力发电主要受到哪些环境因素的影响，并简要指出主要的防制措施。

答：一、雷击破坏

1、外部防雷，主要防止直击雷，安装叶片接闪器到叶片内腔引线再到叶片根部再到机舱主机架再到专设塔架引下线最后引入大地。需迅速将雷击电流引入大地并尽量减少雷电导入设备的电流等。

2、内部防雷，主要防止感应雷，一般是进行设备之间的等电位连接并加强设备的过电压保护等。

二、沙尘、雨雪、冰雹甚至盐雾以及水土壤等的腐蚀

一般采用涂层保护并做好相关部件的密封保护，尽量减少与腐蚀环境的接触机会。

三、低温环境的影响

1、必要时采取内低温材料，还可以采用局部加热的装置；

2、对于承载部件的低温疲劳问题，则需要提高焊接结束，加强探伤检测等等。

四、海上风力发电还必须承受海浪冲刷以及海上物体的撞击风险，此外，还有台风破坏。

1、对于台风破坏，台风预报与预警工作必须加强，同时还需要对风电机组进行加强性防御设计和可靠性设计，并配置备用电源等等以提高机组抗台风能力，防止台风影响进一步扩大。

2、对于海浪冲刷及海上物体的撞击风险通过提高设计度，加强机组的抗冲刷能力，设计防撞承台，采用基础护套及设置漂浮式整体防撞栏等等。

七、简述海上风的主要特点。

答：1、高风速、高产出

与陆地相比，海上风能资源丰富，不仅风速高而且风向比较稳定，还很少有静风期，因此能够更加有效地利用风电机组的容量，为大功率风电机组的利用提供条件。

2、海上风的风切变小，湍流度低。

3、不占用陆地面积，对人类活动影响比较小。

八、风电、光电及柴油发电三者互补运行所适用的状况有哪些？并示意画出一个风-光-柴互补运行的系统图(标示各部分名称)。

答：1、太阳能、风能资源都比较丰富，但是互补性较差；

2、太阳能和风能互补性较好，倒是他们的资源总量都不足。

九、分别以“S”型及“Φ”型机组为例，解释阻力型及升力型垂直轴风力发电的基本工作原理。

答：（一）“S”型机组的风轮是由两个半圆筒形叶片构成，两个半圆筒形叶片开口相对组成“S”型，并在旋转中心处有一部分重叠区。

“S”型机组属于阻力型，所谓阻力型是指风电机组主要利用风绕流风轮叶片时所产生的阻力来使风轮旋转，然后再进一步发电就是阻力型。

当风吹来时，风轮半圆形凹面所受的助力大于凸面，在压力差作用下，风轮将绕垂直轴转动，“S”型机组之所以制作成两个半圆形叶片的“S”风轮，主要考虑：1、相比于其他形状的叶片，半凹圆筒形的迎风阻力较大，无论风向如何，半凹圆筒面都能接受风绕流阻力的作用而使风轮转动。

（二）“Φ”型机组其叶片数位2到4枚，单个叶片的整体形状可以形容为一根柔软的绳子按一定角速度绕两端固定点做垂直旋转所形成的曲线，叶片的截面通常为对称结构的翼型。

“Φ”型机组属于升力型，它是风电机组主要利用的是风绕流风轮叶片时所产生的升力来使风轮旋转，再进一步发电就是升力型。

“Φ”型机组叶片截面一般为对称结构的翼型，各个叶片所受到的绕流升力使得叶片向一个方向旋转，因为“Φ”型机组旋转时的圆周速度较大，使得各叶片的迎风角速度，也就是攻角较小，因此一般不会出现升力突然减小的失速现象，从而接受风绕流阻力的作用而使风轮转动。

十、何谓分布式风电系统？并指出其优点在哪些？

答：所谓的分布式风电系统，就是在用户现场或靠近现场附近，布置一些中小型风电机组，来满足特定用户的需求。

优点：因为采用分布式系统可以实现分散式接入和分散式控制，方便安全、可靠性比较高，作为集中式供电系统的有效补充。分布式风电系统可弥补大电网在远距离供电，以及安全性稳定性等方面的不足。