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：左然二〇二〇年五月二十九日一、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2SO、2CO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10 m 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1v 时，风的动能为 2121mv E = （1） 流过一个控制面的f 的的风功率为 3121.2121fv v m E ρ== （2） 因为流量1.fv dtdx f m ρρ==。

现根据Betz 假设，风流均匀，速度为1v ，流过风轮之后在远离风轮面后的风速降为3v 。

考虑一流管，由于连续性它必须是扩形的。

332211f v f v f v ρρρ== （3） 由于压力变化甚微，可假设密度ρ为常数。

所提取的能量即为流入的能量减去流出的能量，即 ）（223121v v m E Ent -= （4）所提取的功率则为 ）（2231..21v v m E Ent -= （5） 如果不降低风速（13v v =），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（03=v ），流管堵塞，同样得不到功率。

因此在13v v =和03=v 之间，必然存在一个使功率达到最大值的最佳流出速度。

当已知风轮面的风速2v 时，就可求得流量，即2.fv m ρ= （6) 在此根据Froude-Rankin 定理，做出合理假设，即 2312v v v += （7） 把式（6）和式（7）代入功率表达式（5），可得到 ⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛+=213131.1121213v v v v fv E Ent ρ （8） 可见，可提取的功率为风功率乘以功率系数p C 。

功率系数取决于风速比13v v ，即 ⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛+=213131121v v v v C p （9） 对功率系数p C 关于风速比13v v 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13v v =1/3，即1331v v =。

对p C 关于13v v 求导可得 ⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛++⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-=13132132-121121v v v v v v C p ’ =13132131-121v v v v v v ⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛- 令p C ’=0，即 01-1211313213=⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-v v v v v v 0--1211313=⎪⎭⎫ ⎝⎛v v v v最后得到 3113=v v 即当3113=v v 时，p C 最大，此时 59.0271698342191131121==⨯⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛+=p C 故其最大值为59.02716,==Betz p C （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，风轮面的风速为132v ，远离其后的风速为131v 。

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（59.0,=Betz p C ）。

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p C =0.5完全可以实现。

风轮直径可按2123121215.041213ηηηηπρp p C D v D v C P == 计算，式中1η———发电机效率；2η———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 ()rdr v E d Betz πρ22261731.=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 r ZdU dL Ω=式中，Z ———叶片数目；dU ———气动力切向分量；r Ω———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A w C C <<。

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 ()αραsin 2sin 2dr r t c C dA dU A =≈ 机械功率为 ()αρsin 22dr r t c C rZ dL A Ω=令Betz E d dL .= ，则得到()απsin 227161212r c v C r Z r t A Ω= 由气流速度三角形得 αsin 231c v =，αcos c r u =Ω= 并考虑到尖速比 1v R A Ω=λ 故有 ()94119812222+=R r C Z R r t A A A λλπ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3，则上式简化为()⎪⎭⎫ ⎝⎛=R r C Z R r t A A 2119812λπ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()()rr R r A A Bau αλα-⎪⎭⎫ ⎝⎛=32arctan 下图为弦长t 和迎风角α与叶尖速比A λ的关系。

由图可见，叶尖速比A λ越高，弦长t 越小，迎风角α也越小。

另外，桨叶随半径r 发生扭转。

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- 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。

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，传感器 控制器 执行器1.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。

2.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。