风力发电技术

1、根据风速大小，如何使风力机组运行在不同状态? （1）风速很低时，机组处于停机状态； （2）风速达到或超过启动风速，机组进入变功率运行状态即随着风速增加发电功率也增加； （3）风速达到额定风速时，使机组的功率达到额定功率；

（4）当风速过大，超过切出风速，为了机组的安全，机组将进入停机保护状态。

2、对转子施加最精确的气动影响方式是什么？有哪几种形式，如何实现？

对转子施加最精准的气动影响方式是调整叶片的角度，即变桨。可采取两种变桨形式： （1）迎风变桨：使叶片前缘迎风旋转； （2）顺风变桨：使叶片前缘顺风旋转。

3、发电机对转动系统的影响有哪几种？ （1）同步发电机：借助励磁。

（2）变速发电机（同步或异步）：通过控制AC - DC - AC 变流器。 （3）异步发电机：通过极数切换。

（4）带滑环的异步发电机：通过改变转子的电阻。

4、迎风变桨控制方式和顺风变桨控制方式的优缺点？

迎风变桨

优点：精确，运行稳定。 缺点：在强风时，变桨角度相对较大。

顺风变桨

优点：变桨角小，停车控制容易实现，

缺点：风力机上的推力将很大

5、风力发电机对控制系统的影响速度有什么要求？ （1）偏航：360°／5 min 。 （2）变桨：(2°~8°)/s 。 （3）发电机转矩控制：快速。 （4）频率控制：高速。

6、PID 控制器的全称和时域表达式 全称为：比例积分微分控制器

时域表达式：?

?

++=+?x k xdt k x k y T y d i p d

7、发电机的功率表达式及计算：5.0=Popt C v=6m/s π=3.14 R=50m 3

/225.1m kg =ρ

2/2

3R v C P Popt opt πρ=

8、风力机机器常数表达式及计算5.0=Popt C 3

/225.1m kg =ρ 7opt =γ π=3.14 R=50m

)2/(3

5opt Popt R C Q λρπ=

1、外部作用在风力机上的激振力，按其作用时间可分为哪种？

(1)常力（近似常力）。

(2)重复性的力（周期的）。

(3)不确定的力（随机的）。

(4)短时的力（瞬态的）。

2、传动系统的激振源主要来自哪里？

（1）叶片通过频率：叶片数目乘以转速，并含有高频部分；

（2）湍流风；

（3）风切变对单叶片或双叶片风力机的影响；

（4）控制器的切人、变桨以及发电机转矩的变化；

（5）齿轮啮合。

3、风力机动力学仿真主要任务是什么？

（1）确定某些相关部件的剖面量，用做部件设计和认证的输入。

（2）确定在所有运行条件下风力机的响应，以验证风力机的设计，确定风力机的功率曲线。（3）控制系统的设计和优化。

4、风力机动力学仿真模型有哪些模块？

（1）外部环境条件（风况、海浪等）作为时序输入模块。

（2）作用在叶片上的气动力模块。

（3）模型的结构动力学（包括电气系统和控制器的响应）。

5、风力机仿真在选择所用模型时要考虑哪些问题？

（1）模型的深度和仿真的速度

（2）风况的模拟

（3）气动力的模拟

（4）结构力学的模拟

6、从研发工程师的角度出发，风力机发电机的仿真模型建立后要做哪些验证工作？

（1）模型参数的验证，例如，自振频率、阻尼和时间常数等。

（2）风力机特性及控制器对功率曲线和发电量的影响。

（3）疲劳载荷的考核和验证。

（4）运行载荷和机动载荷的确证。

（5）风况模型的验证。

1、风力发电机应用相似性理论的前提是什么

（1）叶尖速比不变，即风机叶尖切向速度与风速之比1/v R Ω=λ不变。 （2）叶型、叶片数目和材料相同。

（3）所有尺寸以桕同比例变化（半径、叶片弦长、主梁的尺寸）。

2、按照相似理论可以将一台考核合格的风力机作为研究系列风力机的原型时，有哪两个限制？

（1）重力是否可以承受（对于大型风机是关键问题）。 （2）临界雷诺数不低于200 000。

3、叶片缩放时是如何影响功率转矩、推力、转速、重力、气动力、离心力的？ 参考名称 比值

表达式

影响规律

功率

21

22

12R R

=P P

2

)(2

3

πλρR v C P P =

2R

转矩

31

32

12R R

M M =

2

)(3

2πλρR v C P M =

3R

推力

21

22

12R R

S S =

2

)(2

2πλρR v C P S =

2

R

转速 2112R R =ΩΩ

2

R

重力 31

32

12R R G G = 1

-R

气动力 21

22

12R R L L = 3

R 离心力

2122

12R R

F F =

2

R

4、叶片重力在叶根产生的力矩表达式及计算，m=2000kg 、g=9.8、l=50m

m N mgl M ??=??==5

108.9508.92000

5、发电机额定功率的表达式

Ω=Ω=)(2

1

DL D M P σπ

6、雷诺数的计算公式

Re=叶片弦长*来流速度/粘性系数=ct/v

7、离心力F 在叶根产生的拉伸应力表达式

A F F /=σ

8、离心力F 的表达式及计算 m=2000kg 、l=10m 、Ω=15rad/s

N

F 6

2

2

105.415102000ml ?=??=Ω=

第七章

1、参考力、推力，驱动力矩，功率的计算公式，令远离风机前方风速1v 为参考速度 参考力：2212

R v F st πρ=

推力：)(2

)(2

21λπρ

λs s st C R v C F S =

=

驱动力矩：)(2

)(3

21λπρ

λM M st C R v C RF M ==

功率：)(2

)(2

3

11λπρ

λP P st C R v C F v P =

=

2、令设计叶尖比7=A λ，叶轮半径R=2m ，额定转速min /300r n N =，风力机额定功率

kw P N 4=，风力机转速通过变桨固定在min /300r n N =，风速在①s m v /101=②

s m v /121=③s m v /141=时是否需要变桨，给出理由5.0)8.6(==λP C

52.0)3.4(==λP C 5.0)3.5(==λP C 29.0)5.4(==λP C

（1）当s m v /101=时，3.6/1=Ω=v R λ，此时N P st P kW C v k P ===43

1

在此风速条件下，无须变桨

（2）当s m v /121=时，3.5/1=Ω=v R λ，此时N P st P kW C v k P >==3.63

1

在此风速条件下，须变桨

（3）当s m v /141=时，5.4/1=Ω=v R λ，此时N P st P kW C v k P >==2.63

1

在此风速条件下，须变桨

3、根据叶型理论得到升力的表达式，又应用动量定理的表达式，两个表达式相等得到计来流角α的方程式，导出这方程式的前提条件是什么？

（1）叶片基元段上的力使流过基元环面积rdr df π2=上的气流速度发生均匀变化。 （2）气流只受到叶轮面的作用力的作用，气流流线之间无相互作用力。 （3）叶型阻力忽略不计。

4、简述确定迎风角α的扩展算法表达式步骤。 (1)设初值1αα= (2)判断来流角的区间：

若A λλ<，则R

r

R r Z π

α2)

(

1sin 2

max -=

。

若A λλ>，则1min 3

2

sin

sin αα=

(3)确定攻角、升力系数和阻力系数：

)(au ααααA B A C 升力系数→-= )(αW C 升力系数→ 令αsin =X 。 (4)判断X 的值：

若min sin α

4

213

2

s i n s i n ,929)3

2s i n (41

ααα=+-=

y y y X

若αsin >X ，则 m a x s i n α=X (5)计算函数值： )t a n ()](8[

)(1αααπα-+-=A W A A tC X Z

r tC f

(6)判断f:

若f>0，则减小口值，返回第(3)步。

若f<0，则增大口值，返回第(3)步。

如此循环来流角口，直至f=0。气动力的计算变成了寻找零点。

5、在计算流体力学中，主要要考虑哪几个问题？ （1）升力的分布。

（2）三维效应引起的流动变化。 （3）离心力和哥氏力产生的动态效应。

6、已知迎风角为α，计算基元段上的迎风速度和升力，然后根据升力计算基元段上的轴向力、切向力和转子的驱动力矩，请指出迎风的速度、升力、轴向力、切向力、驱动力矩的表达式？

速度：)-cos(11ααc c = 升力：)(2

2

A A

tdrC

c dA αρ=

轴向力：αcos )(dA r dS = 切向力：αsin )(dA r dU = 驱动力矩：)()(r dU r dM =

第六章

1、如何风的动能公式，得出流过一个控制流面f 风的功率表达式

风的动能212

1

mv E =

流过一个控制流面f 的风功率为31212

1

21fv v m E ρ==??

2、在Betz 设计中，是如何推导出最大功率系数27

16

=PBetz C 的。

)(2

1)(2

12

32123

21

v v m E v v m E Ent Ent -=

-=

?

?

，可推得

当已知风轮面的风速2v 时，流量2fv m ρ=?

引入2

3

12v v v +=

带入)(2

12

321v v m E Ent -=

?

?

可得])(

1)[1(2

12

1

31

3v v v v C P -+

=

对p C 求导，并令0='

P C 可得出133

1v v =，p C 取最大，即27

16=

PBetz C

3、在翼型理论中，升力和阻力的表达式是什么，设翼型面积b*t ，来流速度c 、空气密度ρ。b*t=150，c=12m/s ，ρ=1.225kg/m

表达式：)*(2

*)(:2b t c C A A A ρα )(13230150122225.1)(2

A A A A C C A αα=???= )*(2*)(:2b t c C W A W ρα )(13230150122225.1)(2

A W A W C C W αα=???= 4、根据Betz 公式计算在一图形流面上获得的最大功率ρ=1.225kg/m ，s m v /121=，π=3.14，

R=50rad/s 。

.

323

116() 1.568*10272

E v R kW ρπ==

5、风力机除了轴向流出损失外，还有哪几种损失？ (1)翼型的阻力损失。

(2)叶尖绕流损失。 (3)旋转损失。

6、升阻比的表达式，性能好的翼型可达到max ε多少？ 表达式：)

()()(A W A A A C C W

A αααε=

=

性能好的翼型可达到60max =ε或更高。

7、风机叶轮的实际功率表达式，实际功率系数与哪三个因素有关？ 实际功率表达式：real P C R v L .3

312

πρ=

其中),(),(Pr )

(..z C C A Tip A ofil Schmitz

P real P A ληεληλ??=

它与设计叶尖速比A λ、叶型升阻比W

A C C =ε和叶片数且Z 有关。

第五章

1、什么是风？

风是一种自然现象，是指空气相对于地球表面的运动，是由于大气中热力和动力的空间不均匀性所形成的。

2、大气边界层内空气的规律十分复杂，目前主要用统计学的方法来描述在高度方向上的主要特征有哪些方面？

(1)由于大气温度随高度的变化所产生的温差引起空气上下对流流动。 (2)由于地球表面摩擦阻力的影响，风速随高度变化。

(3)由于地球自转引起的科氏力的作用，随高度的增加，风向随高度变化。 (4)由于湍流运动引起动量垂直变化，大气湍流特性随高度变化。

3、风的尺度可分为哪4种？

①小尺度 ②中尺度 ③天气尺度 ④行星尺度

4、请解释瞬时风速、平均风速、脉动风速？ 瞬时风速：在某个时刻，空间某点的实际风速；

平均风速：等时距内，空间某点在瞬时风速的平均值

脉动风速：某个时刻，空间某点瞬时风速与平均风速的差值

5、请解释海陆风、山谷风、焚风？

海陆风：海陆风由海洋和陆地温度差所产生，以昼夜为周期改变风向。 山谷风：由山坡和山谷之间的热力环流形成的风，以昼夜为周期改变风向。 焚风：气流经过大山脉时在山谷形成的干暖风。

6、平均风速用哪种统计分布描述，给出这种分布的表达式？

威布尔分布：k

c v

k e c

v c k v P )(1)()(--=（k 为形状系数，c 为尺度系数）k=2时为瑞利分布

7、极端风的种类有哪些？ 热带气旋、寒潮大风、龙卷风

8、风电场宏观选址指的是什么？有何要求？

宏观选址：对气象条件中和考虑的选择一个最有价值的小区域的过程 要求：（1）风能质量好 （2）风向基本稳定 （3）风速变化小

（4）尽量避开灾难性频繁地区

（5）发电机组高度范围内风速和垂直变化小 （6）地形条件好

（7）地址情况能满足塔架基础，底层建筑施工的要求，远离强震带 （8）对环境不利影响小

（9）交通方便

（10）尽可能地接近电网，并考虑并网可能产生的影响

9、叶尖速比的计算公式？

叶尖切速度与风速之比，及1/v R Ω=λ

10、请给出风能实心率的计算公式

叶轮实心率：叶片所占叶轮扫掠面积/叶轮扫掠面积

即2

R BS

πσ=

（B 为叶片个数，S 为叶片面积，R 为叶片半径）

第四章

1、什么是上风风机和下风风机，并比较它们的优缺点？ 上风风机：叶轮在塔架之前迎风向运行

来风扰动较小 不能自动对风， 需要偏航装置， 下风风机：叶轮在塔架之后迎风向运行

来风扰动大 可以自动对风， 不需要偏航装置， 2、并网风力机有哪些主要部件？ （1）叶轮、轮毂和气动刹车。

（2）由转子轴、轴承、刹车、齿轮箱和发电机构成的传动系统。 （3）利用步进电机驱动偏航。 （4）塔架和基础。

（5）控制和并网所用的电器器件。

3、叶片的制造材料及其优缺点？

金属板材：适用于慢速风机，叶型简单 玻璃纤维GRP ：适用于快速风机

碳纤维强化的复合材料CFRP ：成本高，精强度高，疲劳强度也高

4、解释额定风速、切入风速、切出风速？

额定风速：风力机组达到额定功率对应的风速

切入风速：风力机组开始并网发电的最低风速

切出风速：风力机组能够承受的最大风速

5、叶片变桨的驱动机构种类和特点

机械式：主要应用于小功率（小于100kw）的风机上。当转速低于额定转速时，叶片不变桨。当转速高于额定转速，叶片变桨。风机无须外供能源而得到超速保护。

液压式：主要应用于功率在300kw以上的风机上。

电动式：应用于大型风机（功率大于500kw）。3个叶片的变桨用单独的驱动电机来实现，而且驱动电机的传动比必须很高。

6、风力机所用变速器的结构形式有哪些?

圆柱齿轮、行星齿轮、伞齿轮、皮带传动、链条传动、液力耦合器

7、风力机运行需要的运行数据和环境数据有哪些？

（1）风速和风向

（2）叶轮和发电机的转速。

（3）温度（环境、轴承、齿轮箱、发电机、机舱）。

（4）油压（齿轮箱、冷却系统、变桨液压系统）。

（5）变桨和偏航角度。

（6）电流、电压和相位。

（7）振动(振动加速度传感器．以及紧急关机的位移传感器）。

8、简述传动系统的结构类型和优缺点？

（1）集成式结构

优点：运输方便，安装简单；

缺点：齿轮箱须特殊加工，它须承担转子支撑传来的大载荷；

（2）分离式结构

优点：所有部件都有可达性；

缺点：安装误差有可能造成部件损坏，不对中和其他安装误差可能会产生预想不到的附加载荷，造成振动多大或提前磨损等故障；

（3）混合式结构本结构方式即吸取和综合了前两者的优点，也集中了前两者的缺点。

9、风电机组塔架形式有哪些？

钢筋混凝土；桁架结构；铜筒结构。

10、海上风电机组的基础形式有哪些？

（1）重力式；（2）单桩；（3）多脚架基础；（4）浮动平台基础。

第3章

1、速度为v 的风，流过面积为 f 的流面时，风中所蕴含的风功率，请给出公式，当

2

39/2.1/11m f m kg s m v ===，，ρ时计算风功率。

3

2

1v f P ρ=

带入计算为：P=7181.4W.

第1章

1、1926年德国科学家 Albert Betz 对风轮空气力学进行深入研究，提出了什么理论，并指出风能的最大利用率是多少？

提出了Betz 理论，指出最大利用率为16/27.

2、什么是“丹麦概念风力发电机？有什么特点？

具有一下特点的风力发电机组就叫做丹麦概念风电机组。 （1）有三个固定的叶片； （2）采用异步发电机； （3）叶轮定速旋转；

3、简述风能的特点？

与其他能源形势相比，风能的特点如下： （1）风能蕴藏量大，分布广；

（2）风能是可再生能源；

（3）风能利用基本上没有对环境有直接的污染和影响； （4）风能能量密度低；

（5）不同地区风能差异大； （6）风能有不稳定性；

4、按照额定功率大小，可以将风电机组分为哪几种？ （1）微型风力发电机：额定功率小于1KW ；

（2）小型风力发电机组：额定功率在1KW 至99KW 之间； （3）中型风力发电机组：额定功率在100KW 至600KW 之间； （4）大型风力发电机组：额定功率在600KW 以上；

5、按照风电机组与电网的关系，可以将风电机组分为哪两种？ 离网型：一般指独立运行的风电机组，所发出的电能不能接入电网； 并网型：一般指集群风电场与电网连接运行的大中型风力发电机；

6、按照风轮旋转轴与地面的相对位置关系，可以将风电机组分为哪两种？ （1）水平轴； （2）垂直轴；

根据风速大小，如何使风力机组运行在不同状态?

对转子施加最精确的气动影响方式是什么？有哪几种形式，如何实现？ 发电机对转动系统的影响有哪几种？

迎风变桨控制方式和顺风变桨控制方式的优缺点？ 风力发电机对控制系统的影响速度有什么要求？ PID 控制器的全称和时域表达式

发电机的功率表达式及计算：5.0=Popt C v=6m/s π=3.14 R=50m 3/225.1m kg =ρ 风力机机器常数表达式及计算5.0=Popt C 3/225.1m kg =ρ 7opt =γ π=3.14 R=50m 外部作用在风力机上的激振力，按其作用时间可分为哪种？ 传动系统的激振源主要来自哪里？ 风力机动力学仿真主要任务是什么？

风力机动力学仿真模型有哪些模块？

风力机仿真在选择所用模型时要考虑哪些问题？

从研发工程师的角度出发，风力机发电机的仿真模型建立后要做哪些验证工作？ 风力发电机应用相似性理论的前提是什么

按照相似理论可以将一台考核合格的风力机作为研究系列风力机的原型时，有哪两个限制？

叶片缩放时是如何影响功率转矩、推力、转速、重力、气动力、离心力的？ 叶片重力在叶根产生的力矩表达式及计算，m=2000kg 、g=9.8、l=50m 发电机额定功率的表达式 雷诺数的计算公式

离心力F 在叶根产生的拉伸应力表达式

离心力F 的表达式及计算 m=2000kg 、l=10m 、Ω=15rad/s

参考力、推力，驱动力矩，功率的计算公式，令远离风机前方风速1v 为参考速度

令设计叶尖比7=A λ，叶轮半径R=2m ，额定转速min /300r n N =，风力机额定功率

kw P N 4=，风力机转速通过变桨固定在min /300r n N =，风速在①s m v /101=②

s m v /121=③s m v /141=时是否需要变桨，给出理由5.0)8.6(==λP C

52.0)3.4(==λP C 5.0)3.5(==λP C 29.0)5.4(==λP C

根据叶型理论得到升力的表达式，又应用动量定理的表达式，两个表达式相等得到计来流角α的方程式，导出这方程式的前提条件是什么？ 简述确定迎风角α的扩展算法表达式步骤。

在计算流体力学中，主要要考虑哪几个问题？

5、已知迎风角为α，计算基元段上的迎风速度和升力，然后根据升力计算基元段上的轴向力、切向力和转子的驱动力矩，请指出迎风的速度、升力、轴向力、切向力、驱动力矩的表达式？

如何风的动能公式，得出流过一个控制流面f 风的功率表达式

在Betz 设计中，是如何推导出最大功率系数27

16

=

PBetz C 的。 在翼型理论中，升力和阻力的表达式是什么，设翼型面积b*t ，来流速度c 、空气密度ρ。b*t=150，c=12m/s ，ρ=1.225kg/m

根据Betz 公式计算在一图形流面上获得的最大功率ρ=1.225kg/m ，s m v /121=，π=3.14，R=50rad/s 。

风力机除了轴向流出损失外，还有哪几种损失？ 升阻比的表达式，性能好的翼型可达到max ε多少？

风机叶轮的实际功率表达式，实际功率系数与哪三个因素有关？ 什么是风？

大气边界层内空气的规律十分复杂，目前主要用统计学的方法来描述在高度方向上的主要特征有哪些方面？

风的尺度可分为哪4种？

请解释瞬时风速、平均风速、脉动风速？

请解释海陆风、山谷风、焚风？

平均风速用哪种统计分布描述，给出这种分布的表达式？ 极端风的种类有哪些？

风电场宏观选址指的是什么？有何要求？ 叶尖速比的计算公式？

请给出风能实心率的计算公式

什么是上风风机和下风风机，并比较它们的优缺点？ 并网风力机有哪些主要部件？ 叶片的制造材料及其优缺点？

解释额定风速、切入风速、切出风速？ 叶片变桨的驱动机构种类和特点

风力机所用变速器的结构形式有哪些?

风力机运行需要的运行数据和环境数据有哪些？ 简述传动系统的结构类型和优缺点？ 风电机组塔架形式有哪些？

海上风电机组的基础形式有哪些？

速度为v 的风，流过面积为 f 的流面时，风中所蕴含的风功率，请给出公式，当

2

3

9/2.1/11m f m kg s m v ===，，ρ时计算风功率。

1926年德国科学家 Albert Betz 对风轮空气力学进行深入研究，提出了什么理论，并指出风能的最大利用率是多少？

什么是“丹麦概念风力发电机？有什么特点？ 简述风能的特点？

按照额定功率大小，可以将风电机组分为哪几种？

按照风电机组与电网的关系，可以将风电机组分为哪两种？

按照风轮旋转轴与地面的相对位置关系，可以将风电机组分为哪两种？