南京工业大学风力发电原理 第三章

风力发电原理谭剑锋第三章风能转换原理第三章风能转换原理需要掌握：风力机气动特性风力机性能特性风力机转换基础理论动量理论叶素理论涡流理论Betz极限一、风力机气动特性风力发电系统：实现“风能－机械能－电能”转换的系统，称为风力发电系统，是一个非常复杂的能量转换系统，包括学科知识：空气动力学、机械学、流体力学、结构力学、电气电子技术、计算机技术、通信技术、电机技术、电网技术………一、风力机气动特性将风能转换为机械能，带动发电机发电。风力机性能很大程度上取决于风力机气动特性3.1叶片气动力一、风力机气动特性风力机气动性能主要取决于叶片，叶片最主要特征是翼型。翼型的基本参数叶片翼型一、风力机气动特性叶片空气动力学特性空气动力学：叶片受到的空气作用力，升力、阻力升阻比：升力系数与阻力系数之比升力：风力机有效工作，风力机发电扭矩阻力：风力机正面载荷风力机对翼型要求：最大升阻比一、风力机气动特性翼型参数的影响攻角翼型类型表明粗糙度雷诺数空气惯量与粘性力之比。雷诺数越小，粘性越大，阻力越大，升阻比减小影响升力系数和阻力系数，对阻力系数影响更大，也影响失速特性对称翼型拱形翼型前缘下垂附着流失速二、风力机转换理论1919年，德国物理学家贝兹首次提出贝兹法则：如果采用风轮机，只能把不足16/27的风的动能转化成机械能。气流是理想不可压缩的均匀定常流；风轮简化成一个无限桨叶构成的桨盘桨盘上没有摩擦力风轮流动模型简化成一个单元流管风轮前后远方的气流静压相等轴向力沿桨盘均匀分布基本假设动量理论二、风力机转换理论二、风力机转换理论能量守恒法二、风力机转换理论静压相等法风轮出速度为风轮前后速度的平均值二、风力机转换理论最大利用系数Betz极限二、风力机转换理论这就是著名的贝兹理论，他说明风轮从自然界中获得的能量是有限的，理论上最大值为0.593，损失部分可解释为留在尾迹中的气流旋转动能。二、风力机转换理论理想的风能利用系数Cp的最大值是0.593。Cp值越大，表示风轮机能够从自然界中获得的能量百分比越大，风轮机的效率越高，即风轮机对风能的利用率也越高。对实际有用的风轮机来说，风能利用系数主要取决与风轮叶片的气动和机构设计及制造工艺水平。如高性能螺旋桨式风力机，其Cp值一般是0.45，而阻力型风轮机只有0.15左右。二、风力机转换理论叶素理论叶片相对运动速度来流速度速度矢量有效攻角二维翼型升力系数阻力系数力矩系数推力扭矩变距力矩发电功率叶素二、风力机转换理论各段叶素力：分解到旋转平面和垂直于旋转平面沿桨叶积分得到扭矩和推力二、风力机转换理论涡流理论动量理论叶素理论气流与风轮相互作用尾流有限长度非均匀理想假设涡系结构：中心涡，集中在转轴叶片的边界涡叶片尖部的螺旋涡叶素中增加诱导速度矢量u三、风力机特性风能利用系数定义为风轮机的风轮能够从自然风能中吸收的能量与输入风能之比。风能利用系数可表示为风能利用系数Cp叶尖速比三、风力机特性三、风力机特性风能利用系数随叶尖速比变化定桨距风力机性能曲线最大风能利用系数只有一点变转速变桨距最佳叶尖速比三、风力机特性风力机运行特性定桨距风力机变桨距风力机定桨距风力机桨距不变恒定转速低转速高转速低速区效率高，高速区失速，效率低低速区叶尖比速度高，效率低双速风力机低速效率高高速效率高三、风力机特性变桨距风力机：克服定桨距通过失速被动调节缺陷，大多大型风力机采用小桨距启动力矩低降低启动风速顺桨阻力距增大空气制动制动至停止？三、风力机特性风力机功率限制因素功率限制：发电机与电气转速限制：叶片结构强度当风速达到启动风速是，风轮机开始运行，带动发电机发电。随着风速增加发电机的功率开始增加。达到设计风速时，风力发电机可以达到额定功率。当风速进一步增加时，风力发电机的能量控制开始工作，是发电机不会超负荷，而是在额定点附近工作。如果风速进一步增大超过了能量控制调节的范围，风力发电机就会实施停机保护。典型的风力发电机的输出功率曲线三、风力机特性三、风力机特性实度的影响定义：低实度：风能利用系数低而平坦高实度：风能利用系数高而狭窄3叶片实度最佳

风轮机的工程设计是根据功率要求，安装选用的叶轮形式和相应的风轮机特性曲线，计算风轮的半径和转速。三、风力机特性风轮机的设计三、风力机特性设计步骤：（1）根据风轮机特性曲线查取最优风能利用系数和叶尖速比配合（2）由Cp确定风轮机半径（3）确定风轮机转速三、风力机特性二、风力机转换理论风力发电机机舱内的组成

风轮机的设计思想是尽可能便宜的产生电能。风轮机的设计是基于目标风场的风速条件，因此风轮机一般被设计成在风速为8~15m/s时具有最佳的性能，即有最大的电能产出。三、风力机特性风轮机的能量控制可调契角控制风轮机通过监测风力发电机的电能输出，调节桨叶，使桨叶一次轻微地转过一个角度，改变迎风面积，实现能量控制。这种方式通常采用液压驱动装置进行调节。被动失速控制风轮机

被动失速控制风轮机的桨叶被固定，契角不可变。通过适当设计风轮机的桨叶，当实际风速达到某一特点值时，开始出现失速。该方式避免使用复杂的控制系统调节桨叶，但同时出现了复杂的气体动力学设计难题。三、风力机特性主动失速控制风机采用和可调契角同样的控制方式；当风速增大，发电机将要超负荷时，则与可调契角控制方式相反，而是通过主动方式达到桨叶失速，它比被动失速方式更能精确控制能量输出。其他