桨叶可变风力发电机设计说明

可再生能源论文题目：桨叶长度可变风电机的理论猜想与初步设计姓名：_涛 学号：3120206016 院系:能源与动力工程学院 专业：工程热物理及节能减排任课教师： 左然 二◦二◦年六月十七日一、绪论（一） 研究背景风能是一种无污染、可再生的清洁能源。早在公元前 200年，人类就开始利用风能了。提水、碾米、磨面及船的助航都有风能利用的记载。自第一次世界大战之后，丹麦仿造飞机螺旋桨制造二叶和三叶高速风力发电机发电发电并网并使用直至现在，风力发电机经历了近百年的发展历程。20世纪80年代之后，世界工业发达国家率先研究、快速发展风力发电机，建设了风电场。现在风力发电机制造成本不断下降，已接近水力发电机的水平，制造及使用技术也日趋成熟。 20世纪末，世界每年风电装机容量已近20%的增长速度发展，风电成为世界诸能源中发展最快的能源。如果在总面积0.6%的地方安装上风力发电机，就能提供全部电力消耗的20%，可以关闭供电力20%的以燃烧煤、重油等碳氢化合物为燃料而排放SO2、CO2和烟尘对大气和地球环境造成污染和破坏的火电厂，这对于雾霾日益严重的当下有重大意义。（二） 国外发展2012年新增风电装机容量最多的10个国家占世界风电装机的87%。与2007年相比，美国保持第1名，中国超过西班牙从第3名上升到第2名，印度超过德国和西班牙从第5名升至第3名，前3名的国家合计新增装机容量占全世界的60%[4]。 根据世界风能协会的统计，2012年全世界风电装机容量新增约2726万kW，增长率约为29%。累计达到1.21亿kW，增长率为42%，突破1亿kW大关。风电总量为2600亿kWh，占全世界总电量的比例从2000年的0.25%增加到2012年的1.5%。 尽管风电的发展仍然存在着很多困难，如电网适应能力、风能资源、海上风电发展等，但相比于常规能源，经济性优势逐步凸显，世界各国都对风电发展充满了信心。例如，欧美都公布了2030年风电满足20%甚至更多电力需求的宏大目标，这也为全球风电的长期发展定下了基调。从国际能源署（IEA）2012年颁布的《2050年能源技术情景》判断，2012-2050年，全球风电平均每年增加7000万千瓦，风电将成为一个庞大的新兴电力市场。我国是世界上风力资源占有率最高的国家之一， 同时也是世界上最早利用风能的国家之一。据资料统计，我国10m高度层风能资源总量为3226GW，其中陆上可开采风能总量为253GW，加上风力资源，我国可利用风力资源约为1000GW。如果风力资源开发率可达到60%，仅风电一项就可支撑我国目前的全部电力需求。我国利用风电起步较晚，和世界上风电发达国家如德国、美国、西班牙等相比还有很大差距。风电是20世纪80年代开始迅速发展起来的，初期研制的风机主要是1kW、10kW、55kW、220kW等小型风电机组，后期开始研发可充电型风电机组，并在海岛和风场广泛应用。（三）发展中存在的问题风能是一种能量密度低、稳定性较差的能源。由于风速、风向随机变化，引起叶片攻角不断变化，导致风电机组的效率和功率的波动，并使传动力矩产生振荡，影响电能质量和电网稳定性。随着风电技术的发展，现在许多风电机组采用了变桨矩调节技术，其叶片的安装角可以根据风速的随机变化而改变， 气流的攻角在风速变化时可保持在一个比较合理的围，从而有可能在很大的风速围保持较好的空气动力学特性，获得较高的效率，特别当风速在大于额定风速条件下，仍可保持输出功率的平稳。在变桨技术的基础上，又发展了变速恒频技术，使风机的转速可以随风速的变化而变化，进一步提高了风电机组的频率。但变桨矩技术也存在着一些缺点。例如迎风变桨控制方式（使气流攻角减小）在强风时，变桨角度相对较大；而顺风变桨即主动失速（使气流攻角增大）变桨时使气流产生分离，升力减小，阻力急剧增大，从而导致风力机功率减小。因此，我们可以猜想如果风轮直径在不同的风速下可变，使其最大化的捕捉风能可能是未来风能利用的一个重大技术突破。（四）本文的主要工作随着风轮直径的增加，风力机可以捕捉更多的风能。直径 40m的风轮适用于500KW的风力机，而直径80m的风轮则可以用于2.5MW的风力机。长度超过80m的叶片已经成功运行，叶片的长度每增加1m，风力机可捕捉的风能就会显著增加。和叶片的翼型一样，叶片的长度设计对提高风能的利用也有着重要作用。本文将会初步计算和讨论叶片长度可变对风力发电机功率的影响，并设计一个简单的根据风况而桨叶长度可变的风力发电系统。当风速较低时，叶片会完全伸展，以最大限度的生产电力；随着风速增大，输出电力会逐步增至风力机的额定功率，一旦风速超过这一峰值，叶片就会回缩以限制输电量；如果风速继续增大，叶片长度将会继续缩小至最短。风速自高向低变化时，叶片也会做相应调整。二、设计方案（一）理论效率分析当风速为w时，风的动能为流过一个控制面的f的的风功率为因为流量mfdxfvi。因为流量mfdxfvi。1-2

mv21fvi3现根据Betz假设，风流均匀，速度为vi，流过风轮之后在远离风轮面后的风速降为V3。考虑一流管，由于连续性它必须是扩形的。V3f3由于压力变化甚微，可假设密度为常数。所提取的能量即为流入的能量减去流出的能量，即EEnt Im(V1 V3Cp1 1 v1 V3Cp1 1 v12所提取的功率则为1.22EEntm(V12 V32)2小。如果不降低风速（V3V1），自然得不到功率。但若风速降低太多，则流量就很小。在极端情况下（V30），流管堵塞，同样得不到功率。因此在V3V1和V30之间,必然存在一个使功率达到最大值的最佳流出速度。间,必然存在一个使功率达到最大值的最佳流出速度。把式（6）和式（7把式（6）和式（7）代入功率表达式（5）可得到(6)(7)当已知风轮面的风速V2时，就可求得流量，即mfv2在此根据Froude-Rankin定理，做出合理假设，即V1 V3V22(8)可见，可提取的功率为风功率乘以功率系数C(8)可见，可提取的功率为风功率乘以功率系数Cp功率系数取决于风速比V3V1，EEnt1fv1311V2 2 V1V3v1对功率系数Cp关于风速比V3V1求一阶导数并令其为0或画出功率系数的曲线,就可求得最大功率处的风速比V3V1-1/3，即1V3 -V1。3对Cp关于V3V1求导可得小 1 ,2V31V3 V3Cp 11-22V12V1 V11 42V3V3V3=12V1-1V1V1令C'p=0，即丄12V31V3V302V1V1V11-V2上oTOC\o"1-5"\h\zv1v1最后得到V3 1v1 3即当兰1时，Cp最大，此时V1 3Cp1Cp14816 小C0.59239271故其最大值为TOC\o"1-5"\h\zCp,Betz16 0.5927(10)式(10)表明，通过一个理想风机可提取约60%的风含功率。在此，风轮面的2 1风速为-w，远离其后的风速为-V1。3 3下图给出了风速和风机直径一定时，根据 Betz的理想情况，所能提取的最大功率(Cp’Betz0.59)。由于存在一些其它损失，风力机的实际功率要比理想情况小，但Cp=0.5完全可以实现3 < $6 > 10 15 20 30 405060BQ)Q0-———叶軸风轮直径可按321 32PCp—vi3D2 0.5w3D2Cp124 1 2计算，式中1 发电机效率；2 传动效率；P 风力机的输出功率。风机叶轮的设计应保证桨叶作用的圆面上每一个环单元所吸收的风功率都达到最大，即17 3dEBetz V12rdr262由Z个合理设计的桨叶来提取这个功率，并转换成机械功率，得dLZdUr式中，Z 叶片数目；dU 气动力切向分量；叶片切向速度

在设计工作点，翼型的升阻比接近最佳值，故阻力系数很小，即CwCa。因此,在切向力的表达式中，可忽略阻力影响，而仅考虑升力的作用，于是2dUdAsin Cactrdrsin2机械功率为dLZr CAc2trdrsin2令dLdEBetz，则得到1162r1162rV1Z27Cacr2Z27r2 4AA—2\R2 9由气流速度三角形得并考虑到尖速比故有3 .csin2，urccos2RZ9Ca1根据风机制造的要求，半径比最小约为15%，对现代风机，叶尖速比大于则上式简化为2R18JZ92R18JZ9Ca确定了弦长后，还需要确定翼型的安装角度。安装角度与桨叶半径有关，即Baurarctan2卫Ar3ra下图为弦长t和迎风角a与叶尖速比a的关系。由图可见，叶尖速比a越高，弦长t越小，迎风角a也越小。另外，桨叶随半径r发生扭转0 1 2 来浚耒■（『）0 1 2 来浚耒■（『）叶片可以根据上述计算式，分别在不同的桨叶长度上设计不同的翼型和安装角度。（二）原理风速V1传感器控制器执行器输出功率扰动输入量控制系统：桨叶长度可变的风力发电机的定性功率曲线如下图所示。该图被分为两个部分四个区域。两个部分分别为低于额定和高于额定功率部分要采取加长桨叶长度的优化策略。另一方面，当风力发电机运行在高于额定功率区时,则采取回缩桨叶长度的功率限制策略。当风力发电机运行在低于额定功率区时,只产生风力发电机设计的部分功率，因此需当风力发电机运行在低于额定功率区时,只产生风力发电机设计的部分功率，因此需山功率P低于额定功率额定功率 高于额定功率P山功率P低于额定功率额定功率 高于额定功率Pr传感器：风速通常有一个安装于机舱的风速计来测量。然而这种在机舱测量的风速准确度往往不足，很难被控制器采用，原因在于机舱的形状会导致风速的加速，以及风轮的转动会导致风一定的湍流，同时，单一的测量也不足以代表通过风轮表面的风速。 因此，有时还会利用风速估算器来提高控制算法。控制器：控制器通常为一个实时的工业控制系统，具有专用的微处理器，并通过该微处理

器，并通过该微处理器运行主控软件来处理特定的控制算法机构安装在桨叶上的位置使用UG8.0模拟相连伸缩叶片之间的立体关系伸长桨叶的系统是一个机械、电气或者液压装置，作用在每两个相连叶片使其可以在桨叶半径方向相对运动。伸长桨叶系统对风力发电机有着至关重要的作用，因为它决定着机器的安全性。伸长桨叶系统一个错误可引起风力发电机不可逆转的损坏。为避免这一情况，可通过独立伸长桨叶控制系统来保证可靠性， 当某一桨叶发生故障时，另外几个桨叶能够伸长到安全半径，以确保不受损坏。三、关于可变桨叶特点和发展的讨论（一） 特点关于风力发电机根据风况自我调节从而提取最大功率的方法有很多种， 变桨矩技术，变速恒频技术，但其还存在着变桨技术存在着变桨角度过大，阻力骤增，电子器械装置结构复杂等一些缺点。桨叶可变技术通过简单的机械机构控制来实现风机功率稳定输出，方式简单，可控制性好，是未来发展的一个方向。（二） 材料的选取小型风力机的叶片常用优质木材加工制成，表面涂上保护漆，其根部与轮毂相接处使用良好的金属接头并用螺栓拧紧。有的采用玻璃纤维或其它复合材料蒙皮则效果更好。大、中型风力机使用木质叶片时，不像小型风力机上用的叶片由整块木料制作，而是用很多纵向木条胶接在一起，以便于选用优质木料，保证质量。有些木料，如叶片的翼型后缘部分可填塞质地很轻的泡沫塑料，表面再包以玻璃纤维形成整体。为了降低成本，有些中型风力机的叶片采用金属挤压件，或者利用玻璃纤维或环氧树脂抽压成型。但整个叶片无法挤压成渐缩形状，即宽度、厚度不能变化，难以达到高效率。由于桨叶的可伸缩性，导致桨叶结构特殊化，部为空心结构，所以要使用重量轻且强度高的材料制作。目前，风机叶片所用的材料已由木质、帆布等发展成为金属（铝合金）、玻璃纤维、碳纤维增强复合材料等，其中新型玻璃钢叶片材料因为重量轻、强度高、可设计性强、价格便宜等因素，开始成为大、中型风机叶片材料的主流。（三）可行性和未来发展在现实的应用中，风速不恒定，以及风在风轮上的时间和空间也不同。众所周知风特性的不确定性（如风廓线和湍流）可能导致严重低估风力发电机的极限载荷，如叶片、主轴、支撑塔筒、齿轮箱和传输系统载荷等，这也导致这些机械部件中的一个和多个过早的失效。所以变、可伸缩桨叶技术在现实中还需要大量的测试研究才能投入使用。四、总结风能作为应用潜力很大的清洁可再生能源，受到了世界上许多国家的重视。目前,许多国家积极开发海上（离岸）风电场。优点是风速高、发电量大；湍流小，减少机组疲劳载荷，延长使用寿命。但其接人电力系统和机组基础成本高。海上风电场研究开发的主要课题有海底风电机组基础结构，将机组设计寿命提高到 60年，第1台机组报废后，第2台机组继续使用同一个基础结构；另一个课题是开发单机容量2000〜5000kW的超大型风电机，我国海岸线较长，可利用的海洋风能资源丰富，开发海上风电场也是我国风力发电的一个发展方向。 我国还具有广阔的草原，风能资源储备非常丰富，同时风能的发展对于解决当前较