南京工業(yè)大學(xué)風(fēng)力發(fā)電原理 第三章

風(fēng)力發(fā)電原理譚劍鋒第三章風(fēng)能轉(zhuǎn)換原理第三章風(fēng)能轉(zhuǎn)換原理需要掌握：風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性風(fēng)力機(jī)性能特性風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)理論動(dòng)量理論葉素理論渦流理論Betz極限一、風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)“風(fēng)能－機(jī)械能－電能”轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，稱為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，是一個(gè)非常復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括學(xué)科知識(shí)：空氣動(dòng)力學(xué)、機(jī)械學(xué)、流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、電氣電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、電機(jī)技術(shù)、電網(wǎng)技術(shù)………一、風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。風(fēng)力機(jī)性能很大程度上取決于風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性3.1葉片氣動(dòng)力一、風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能主要取決于葉片，葉片最主要特征是翼型。翼型的基本參數(shù)葉片翼型一、風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性葉片空氣動(dòng)力學(xué)特性空氣動(dòng)力學(xué)：葉片受到的空氣作用力，升力、阻力升阻比：升力系數(shù)與阻力系數(shù)之比升力：風(fēng)力機(jī)有效工作，風(fēng)力機(jī)發(fā)電扭矩阻力：風(fēng)力機(jī)正面載荷風(fēng)力機(jī)對(duì)翼型要求：最大升阻比一、風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性翼型參數(shù)的影響攻角翼型類型表明粗糙度雷諾數(shù)空氣慣量與粘性力之比。雷諾數(shù)越小，粘性越大，阻力越大，升阻比減小影響升力系數(shù)和阻力系數(shù)，對(duì)阻力系數(shù)影響更大，也影響失速特性對(duì)稱翼型拱形翼型前緣下垂附著流失速二、風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)換理論1919年，德國物理學(xué)家貝茲首次提出貝茲法則：如果采用風(fēng)輪機(jī)，只能把不足16/27的風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。氣流是理想不可壓縮的均勻定常流；風(fēng)輪簡(jiǎn)化成一個(gè)無限槳葉構(gòu)成的槳盤槳盤上沒有摩擦力風(fēng)輪流動(dòng)模型簡(jiǎn)化成一個(gè)單元流管風(fēng)輪前后遠(yuǎn)方的氣流靜壓相等軸向力沿槳盤均勻分布基本假設(shè)動(dòng)量理論二、風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)換理論二、風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)換理論能量守恒法二、風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)換理論靜壓相等法風(fēng)輪出速度為風(fēng)輪前后速度的平均值二、風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)換理論最大利用系數(shù)Betz極限二、風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)換理論這就是著名的貝茲理論，他說明風(fēng)輪從自然界中獲得的能量是有限的，理論上最大值為0.593，損失部分可解釋為留在尾跡中的氣流旋轉(zhuǎn)動(dòng)能。二、風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)換理論理想的風(fēng)能利用系數(shù)Cp的最大值是0.593。Cp值越大，表示風(fēng)輪機(jī)能夠從自然界中獲得的能量百分比越大，風(fēng)輪機(jī)的效率越高，即風(fēng)輪機(jī)對(duì)風(fēng)能的利用率也越高。對(duì)實(shí)際有用的風(fēng)輪機(jī)來說，風(fēng)能利用系數(shù)主要取決與風(fēng)輪葉片的氣動(dòng)和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造工藝水平。如高性能螺旋槳式風(fēng)力機(jī)，其Cp值一般是0.45，而阻力型風(fēng)輪機(jī)只有0.15左右。二、風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)換理論葉素理論葉片相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度來流速度速度矢量有效攻角二維翼型升力系數(shù)阻力系數(shù)力矩系數(shù)推力扭矩變距力矩發(fā)電功率葉素二、風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)換理論各段葉素力：分解到旋轉(zhuǎn)平面和垂直于旋轉(zhuǎn)平面沿槳葉積分得到扭矩和推力二、風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)換理論渦流理論動(dòng)量理論葉素理論氣流與風(fēng)輪相互作用尾流有限長度非均勻理想假設(shè)渦系結(jié)構(gòu)：中心渦，集中在轉(zhuǎn)軸葉片的邊界渦葉片尖部的螺旋渦葉素中增加誘導(dǎo)速度矢量u三、風(fēng)力機(jī)特性風(fēng)能利用系數(shù)定義為風(fēng)輪機(jī)的風(fēng)輪能夠從自然風(fēng)能中吸收的能量與輸入風(fēng)能之比。風(fēng)能利用系數(shù)可表示為風(fēng)能利用系數(shù)Cp葉尖速比三、風(fēng)力機(jī)特性三、風(fēng)力機(jī)特性風(fēng)能利用系數(shù)隨葉尖速比變化定槳距風(fēng)力機(jī)性能曲線最大風(fēng)能利用系數(shù)只有一點(diǎn)變轉(zhuǎn)速變槳距最佳葉尖速比三、風(fēng)力機(jī)特性風(fēng)力機(jī)運(yùn)行特性定槳距風(fēng)力機(jī)變槳距風(fēng)力機(jī)定槳距風(fēng)力機(jī)槳距不變恒定轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)速高轉(zhuǎn)速低速區(qū)效率高，高速區(qū)失速，效率低低速區(qū)葉尖比速度高，效率低雙速風(fēng)力機(jī)低速效率高高速效率高三、風(fēng)力機(jī)特性變槳距風(fēng)力機(jī)：克服定槳距通過失速被動(dòng)調(diào)節(jié)缺陷，大多大型風(fēng)力機(jī)采用小槳距啟動(dòng)力矩低降低啟動(dòng)風(fēng)速順槳阻力距增大空氣制動(dòng)制動(dòng)至停止？三、風(fēng)力機(jī)特性風(fēng)力機(jī)功率限制因素功率限制：發(fā)電機(jī)與電氣轉(zhuǎn)速限制：葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度當(dāng)風(fēng)速達(dá)到啟動(dòng)風(fēng)速是，風(fēng)輪機(jī)開始運(yùn)行，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。隨著風(fēng)速增加發(fā)電機(jī)的功率開始增加。達(dá)到設(shè)計(jì)風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以達(dá)到額定功率。當(dāng)風(fēng)速進(jìn)一步增加時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的能量控制開始工作，是發(fā)電機(jī)不會(huì)超負(fù)荷，而是在額定點(diǎn)附近工作。如果風(fēng)速進(jìn)一步增大超過了能量控制調(diào)節(jié)的范圍，風(fēng)力發(fā)電機(jī)就會(huì)實(shí)施停機(jī)保護(hù)。典型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率曲線三、風(fēng)力機(jī)特性三、風(fēng)力機(jī)特性實(shí)度的影響定義：低實(shí)度：風(fēng)能利用系數(shù)低而平坦高實(shí)度：風(fēng)能利用系數(shù)高而狹窄3葉片實(shí)度最佳

風(fēng)輪機(jī)的工程設(shè)計(jì)是根據(jù)功率要求，安裝選用的葉輪形式和相應(yīng)的風(fēng)輪機(jī)特性曲線，計(jì)算風(fēng)輪的半徑和轉(zhuǎn)速。三、風(fēng)力機(jī)特性風(fēng)輪機(jī)的設(shè)計(jì)三、風(fēng)力機(jī)特性設(shè)計(jì)步驟：（1）根據(jù)風(fēng)輪機(jī)特性曲線查取最優(yōu)風(fēng)能利用系數(shù)和葉尖速比配合（2）由Cp確定風(fēng)輪機(jī)半徑（3）確定風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速三、風(fēng)力機(jī)特性二、風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)換理論風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙內(nèi)的組成

風(fēng)輪機(jī)的設(shè)計(jì)思想是盡可能便宜的產(chǎn)生電能。風(fēng)輪機(jī)的設(shè)計(jì)是基于目標(biāo)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速條件，因此風(fēng)輪機(jī)一般被設(shè)計(jì)成在風(fēng)速為8~15m/s時(shí)具有最佳的性能，即有最大的電能產(chǎn)出。三、風(fēng)力機(jī)特性風(fēng)輪機(jī)的能量控制可調(diào)契角控制風(fēng)輪機(jī)通過監(jiān)測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電能輸出，調(diào)節(jié)槳葉，使槳葉一次輕微地轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，改變迎風(fēng)面積，實(shí)現(xiàn)能量控制。這種方式通常采用液壓驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)。被動(dòng)失速控制風(fēng)輪機(jī)

被動(dòng)失速控制風(fēng)輪機(jī)的槳葉被固定，契角不可變。通過適當(dāng)設(shè)計(jì)風(fēng)輪機(jī)的槳葉，當(dāng)實(shí)際風(fēng)速達(dá)到某一特點(diǎn)值時(shí)，開始出現(xiàn)失速。該方式避免使用復(fù)雜的控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)槳葉，但同時(shí)出現(xiàn)了復(fù)雜的氣體動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)難題。三、風(fēng)力機(jī)特性主動(dòng)失速控制風(fēng)機(jī)采用和可調(diào)契角同樣的控制方式；當(dāng)風(fēng)速增大，發(fā)電機(jī)將要超負(fù)荷時(shí)，則與可調(diào)契角控制方式相反，而是通過主動(dòng)方式達(dá)到槳葉失速，它比被動(dòng)失速方式更能精確控制能量輸出。其他