第三章风力机基础理论

风力发电机的工作原理

第一节风力发电机的种类

一、按风力发电机的功率分类①微型风力发电机，其额定功率为50～1000W。②小型风力发电机，其额定功率为1.0～10.0kW。③中型风力发电机，其额定功率为10.0～100.0kW。④大型风力发电机，其额定功率大于100kW。二、按风力发电机的运行方式分类1．独立运行风力发电机，风力发电机输出的电能经蓄电池蓄能，再供用户使用。这种方式可供边远农村、牧区、海岛、边防哨所等电网达不到的地区使用。一般单机容量在几百瓦到几kW。2．并网运行风力发电机组，在风力资源丰富地区，按一定的排列方式安装风力发电机组，称为风力发电场。发出的电能全部经变电设备送到电网。这种方式是目前风力发电的主要方式。3．风力同其它发电方式互补运行，风力—柴油互补方式运行，风力—太阳能电池发电联合运行，风力—抽水蓄能发电联合运行等。这种方式一般需配备蓄电池，以减少因风速变化导致的发电量的突然变化所造成的影响，还可节约一次能源。三、按风轮轴安装形式分类管风力发电机多种多样，但按风轮轴安装形式不同可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机两种

另外，还有一种特殊型风力发电机，如扩压式、旋风式、浓缩风能型风力发电机。第二节风力发电机的工作原理

下面主要以水平轴风力机为例来简述风力发电机的工作原理。水平轴风力发电机一般由以下七个部分组成：风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航系统、控制与安全系统、液压与刹车系统、塔架等附属设备。一、风轮风轮是风力发电机最重要的部件之一。风力发电机就是依靠风轮把风所具有的动能有效地转化为机械能并加以利用的。风轮使空气运动的速度减慢，在空气动力的作用下风轮绕轴旋转并将风能转变为机械能。水平轴风力发电机的风轮通常由几何形状一样的两个以上叶片组成。叶片又可分为变桨距叶片和固定桨距叶片。从叶片结构上又可分为木制叶片、铝合金挤压成型的等弦长叶片、钢制叶片、玻璃钢叶片、复合材料叶片等。

二、增速齿轮箱当风力机驱动发电机时，通常发电机的额定转速要比风力发电机的风轮转速高很多，这时风轮必须通过增速机构来带动发电机。但也有些风力发电机不包括变速齿轮箱。三、发电机

因为风速是不稳定的，所以发电机常处于负载不稳定状态，极端时发电机严重过载，对于并网型风力发电机还要处于频繁的投、切(并网和脱网)切换过程中，所以对于风力发电机用发电机还要有一些特殊要求。因感应发电机结构紧凑，价格便宜，并网方法简单，并网运行稳定，在风力发电机中得到最为广泛的应用。四、偏航系统由于风向是不断变化的，为了使风轮旋转平面始终正对风向，提高风能利用率，就需要一套对风装置，即偏航系统。五、塔架由于地面的剪切效应，在地面附近的风速是很小的，越高风速越大，所以需要一个塔架将风力机支撑到一定高度，塔架不但承受着整个风力发电机组的重量，还承受着很大的弯矩，所以塔架也需要进行特别设计。由于风力发电机的工作条件非常恶劣，有时风速很小，有时风速非常大，极端时发电机严重过载，所以就需要对发电机进行控制，使其安全运行或停机。液压系统是风力发电机组的执行机构，以实现风力发电机组的转速控制、功率控制，同时也控制刹车机构。风力发电机结构原理图风力机的特性系数一、风能利用系数Cp风力机从自然风能中吸取能量的大小程度用风能利用系用Cp表示二、叶尖速比λ为了表尔风轮运行速度的快慢，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来衡量，称为叶尖速比λD=60m,n=30r/minD=3m,n=600r/minV=12m/s尖速比1=3.14*60*30/12=150*3.14尖速比2=3.14*3*600/12=150*3.14λ三、实度风轮的叶片面积与风轮的扫风面积之比称为实度。它也是描述风力机特性的重要特征数风轮的实度是与其叶尖速比相联系的，不同风轮的值与λ的关系见图。λ基础理论一、贝兹理论

第一个关于风轮的完整理论是山哥廷根研究所的A·贝茨建立的。贝兹理论是应用一元定常流动的动量方程，来讨论理想状态下的风力发电机的最大风能利用系数。贝兹理论的假设条件如下：⑴风轮流动模型可简化成一个单元流管；⑵风轮没有锥角、倾角和偏角，这时风轮可简化成一个平面桨盘,；⑶风轮叶片旋转时没有摩擦阻力；对通过风轮的气流没有阻力。⑷风轮前未受扰动的气流静压和风轮后的气流静压相等，即P1=P2，气流速度的方向无论在风轮前后还是通过时都是沿着风轮轴线的；⑸作用在风轮上的推力是均匀的。将动量方程用于图1-7所示的控制体中，可得作用在风轮上的推力为∶式中∶——风轮前方的风速，m/s；——叶片扫掠后的风速，m/s；——单位时间内的质量流量，kg。式中∶

——空气密度，kg/m3；

——叶片扫掠的面积，m2；

——实际通过风轮的风速，m/s。根据风轮前后的压力差，作用在风轮上的推力又可写成式中∶——风轮前压力，Pa或kPa；——风轮后压力，Pa或kPa。

应用伯努利方程可得式中∶——风经过叶片时的速度，m/s。令

则式中∶——轴向干扰因子，当时，；时0；对正常风车状态。风轮的轴功率可