风力机基础理论

•
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 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
流管 V2 V1 P1 Pa V Pb P2
• 将动量方程用于图1-7所示的控制体中，可 将动量方程用于图1
得作用在风轮上的推力为∶ 得作用在风轮上的推力为∶
式中∶
T = m(V1 − V2 )
——风轮前方的风速，m/s；
V1
V2
——叶片扫掠后的风速，m/s；
——单位时间内的质量流量，kg。
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
可简化成一个平面桨盘, 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。
• 常风车状态
。
• 风轮的轴功率可用下式计算
V12 V22 P = m( − ) 2 2
•将 • 代入
T = m(V1 − V2 )
2 1
V2 = V1 (1 − 2a)
2 2
V V ) P = m( − 2 2
•得
P = 2 ρSV a (1 − a )
3 1
2
• 风轮最大轴功率发生在
dP =0 da
• 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 并网和脱网) 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。
二、叶尖速比λ 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λ 周速度与风速之比来衡量，称为叶尖速比λ
2π Rn ω R λ= = V V
λ
三、实度
σ
• 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 σ 风轮的实度 是与 其叶尖速比相联系的， σ 不同风轮的 值与 λ的关系见图。
m
m = ρSV
式中∶ ρ ——空气密度，kg/m3； S ——叶片扫掠的面积，m2； V ——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
T = S ( Pa − Pb )
式中∶
Pa ——风轮前压力，Pa或kPa； Pb
——风轮后压力，Pa或kPa。
• 应用伯努利方程 1 1
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。 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。
• 二、增速齿轮箱 • 当风力机驱动发电机时，通常发电机的额 当风力机驱动发电机时，
定转速要比风力发电机的风轮转速高很多， 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。 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。 但也有些风力发电机不包括变速齿轮箱。
Байду номын сангаас • 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 风能利用系数 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C 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 p表示
时，
dP = 2 ρSV13 (1 − 4a + 3a 2 ) = 0 da
•
求得
1 a= 3
或
a =1
。
• 出现最大风轮轴功率
Pmax
16 1 = ( ρSV13 ) 27 2
• 由风能利用系数的定义 P
CP = 1 ρ SV13 2
16 ≈ 0.593 CP = 27
• 这就是著名的贝兹极限。 CP • 式中∶ ——风能利用系数。 式中∶ ——风能利用系数。
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 风轮是风力发电机最重要的部件之一。
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。 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。 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。 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 为变桨距叶片和固定桨距叶片。 可分为木制叶片、铝合金挤压成型的等弦长叶片、 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。 钢制叶片、玻璃钢叶片、复合材料叶片等。
• 3．风力同其它发电方式互补运行，风力— ．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— 柴油互补方式运行，风力—太阳能电池发 电联合运行，风力— 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。
• 四、偏航系统 • 由于风向是不断变化的，为了使风轮旋转 由于风向是不断变化的，
平面始终正对风向，提高风能利用率，就 平面始终正对风向，提高风能利用率， 需要一套对风装置，即偏航系统。 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 由于地面的剪切效应，
是很小的，越高风速越大，所以需要一个 是很小的，越高风速越大， 塔架将风力机支撑到一定高度， 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， 承受着整个风力发电机组的重量，还承受 着很大的弯矩， 着很大的弯矩，所以塔架也需要进行特别 设计。 设计。
• 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 管风力发电机多种多样，
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
2
ρV12 + P1 =
2
ρV 2 + Pa
1 1 2 ρV2 + P2 = ρV 2 + Pb 2 2
• 可得
V1 + V2 V= 2
式中∶
V
——风经过叶片时的速度，m/s。
•令 • •则 • •
V = V1 (1 − a)
V2 = V1 (1 − 2a)
1 V2 a = (1 − ) a 2 V1 式中∶ ——轴向干扰因子， 式中∶ ——轴向干扰因子， 1 1 a= V2 = 0 a > V2 < 2 2 时， 当 ； 时 0；对 1 正 a< 2