风力发电功率和叶尖速比

1、二、风轮机的功率及风能利用系数（一）穿过凤轮桨iH扫掠廁的风能设:V 风速（描>k扰动气流的涼速*米/秒飞>风轮A风轮叶片扫掠ifilflL米2；P空代密度十克/米»则帕位时问内穿过凤轮扫掠他积的动能*即功率P八（见图5 "为；ras-K凤轮扫掠丽A = A * 丫£=专卩|_严宀千克米±/恍（5-1）所W（二）风能利用系数凤能刊用系數G_ 单位时间内转变为风轮机械能的风惜单位时间内穿过凤轮桨叶扫掠面A的全风能_ 风轮的输出功一期入风轮面内的功率（S-2）_ " _ r"評' 凤能利用系数足农征PL轮机效率的璽耍參

2、数它表明风轮机从凤中获冯的育用陡童 的比例.根据贝茨理论”風能利用系数的毘大值为0鳥93。关于贝茨最大備的推导见本京第匕节，水平轴凤轮桃的匚；=氏2厲J 垂口轴凤轮机的気三0. 7-（11, 风能利用系数又称功率兼数-（二侃轮的功率巩轮的功净即指转变为机能的功率山式"一门和帖一3）可以看啣中1. 肖v-ffi数7工1円即当凤速一定时*凤.轮的功+和凤轮丸待抽平方成F比）,2. 当D=當数寸OC-（即当確te苴冷网定附処轮的功率和风速的衣力成iH比）',3. 当乱轮a往41速不变时.凤轮的期龍与G战I比，风轮加龌和皿轮山I片数无关.但与空气老度lArtt.三、风轮机的叶尖速比（

3、高速性系数）在凤連为¥时-風轮"1片尖瑞的线速度与该园姥之比称为凤轮的崗虺性系数“高罐 性慕®可衣示为：'V式中Z离速fe系数91或轮在诫速V ihiiTj®转曲速度，产乎弧度-秒< 0（>K风轮叶片尖处的弧度和一】米：T转迷+转分-空I. 贰八ttK，八所以X = 7711< 51 >V'30 V由此可钿*高速性系fe是皮映在一定凤速卜闻轮转速贏ffi的聲赴，I爲速性累數又称 卅尖速比TSK.四*凤枪机的转审系数凤轮的功專也可凤轮的转迪耳且谨转用速堆的秦枳来我示,即P= M * 3武中M转矩*克*米i旋转角速曜弧

4、度+松已知凤,轮的功* F=弓"plF Y* （爲 C或M - 3=ypR7 G定义r _ 2M _ 2M61KMa.R c 、= =Cm ARA/ 才 *J= M才R.2(5 5)(5 6)称为转矩系数则M=Cm -（牙RAS几即当风轮尺寸（R>a定时任一定风速下心 是1个反映转矩大小的系数五、风能利用系数扶矩系数与川尖速比的关系由以上分析知.CpUCM X_Cr可见.q及Gi皆绘入的因数即G ="入1«=（入）此函数关系可以通过计算威 实验得出也可以用曲线表示-如图5 3及图5 4所示ffl5-3傀轮札的116利用系效 与叶尖連比的关系曲线用54 凤轮机

5、的转矩系ft与 叶尖逮比的关条曲綬t对丁某一风轮来说只是在入为某一数值即爲时.才达到最大（；值（&Q.如图 5 3所示在入工爲时Cp值下降.对应于最大G值（；«）时的X值（入J称标准高速性系数.2. （、叫.圧相对于入=九时的转矩系数即相对于标准高連性系数时的转矩.3. 高&风轮与低速风轮的Cp = f（X）fttJ线及C = f（X）tft；线是不相同的.如图5-5及 图5-6所示。低速风轮的入值范囤在12之间，高速风轮的入值范在5-10之间.由图可见. 高速风轮的C存辽大于低速风轮的C艸丄但是低速风轮的转矩系数远远大于高速风轮的转 矩系数所以低速风轮的起动性能好。

6、多叶片风轮 丁低速风轮少叶片风轮于高速风轮.0. G/3叶片IM集式2叶片离嫌按幫式0. 90. 404特兰1 f0, 20. 1£345678910 il J£ A蓟0«叶府戒:六、风轮机的功率一转速特性曲线及转矩一转速特性曲线m55凤轮机功率朵弦与叶宾速比的关系凤枪机理选效宰3叶片«桨式a叶片壽黑J#«梁式O. S达里电虫a 40.0. 20. I3345 S 789 1心 i!】2 d自H车耗式I期5&风轮机转矩系数与叶尖速比的关系（一）功率转速特性曲线|2知 P-号A - CpCp = f<X）半风轮te成后八常数卩=常数

7、.故出风速 煜时（、r朋数八则P就足C.的函数. ifu Cp足入的函数丄又是反映转速。的大小的故可以得出P =f5）的关系曲线。ra 5- 7农不低速仪髙遠风轮机的功率一转速特性曲线.图屮数字代农不同风速V來 秒> 卜的 牯忤.n V6 >V5 >-V| >Vj >V; >V1 _ .t-：）转矩一转速特性曲线己知转矩M_c -A - R - C设A JJp为常数又知Cm f（k）则当风速 定时3=常数iM就是A的函数而k反映了轮速的大小所叹同ff可以得出M=f（n）的曲图5-7风轮机的功率一转速特性曲线线如国58所示.闾： 8皿竪机胃蚪仙一$遽特fr訓找

8、冷出"轮UOj'H 11=转速特n ilh钱如驶典用到轮帆所拖动苗91威，、用于发电 泵统的£2电机或冃于規术灵址的水泵汀內列爪转速特性lit【线.就Rj分折为两着联接 组咸为-牛証统时的拎性这就足切f究庵轻机却沖一序r：速特件iw钱的冃的.七、风能利用系数最大值（贝茨）理论质量为m的物体，以速度 v运动时，该物体的动能为:J11V'<5=7 *垠a在与咤7流方问ft的臬处取一就m出为占的任臣昶| +如图3-9斯，：*蝴在 申位対闸t毎秒 > 内通过此戡血的工佈休枳流址-为,A曲5【9 取密行网内1*过戴|1|扎旳气$¥毎乍皿1牙V-v

9、A栈y-弋鬲叮为L則炖战于此休枳的甲气流酮质为：（|V = ni' AvrhIS!； > 般-Av即代衣4牟位时IhJ内通过崔戈1 A加空4逹茁H仃l'J n. y .也训称为堆毎I* h " V" -o " A . V< j ImW搴此质量爭所打17的鬲Fit则治:I用为A行一1 fH所衣朋的是单付EH mn征秒）内流iX截皿I A的空H怖用T具fl的动能. 所灯，也就尼劝申.-J此*11似如求设截丽A为讹轮机Sl转时叶片所1/1独的面积.则单位时间内遡过1< 轮机打掠II III枳m 亍气湎的剂淞乜即UI轮机I忖功率将为t.一

10、亍八-V风轮机M HM' Jk 112 f能戢.IM ni ft坯irtU f ,现轮乔山I的i乱辿比凤轮朮血的珂述故 & =丸论仆折H岬1就轮后U-J"I速为进入风轮打掠山I以心（17班速即未扰励风速）的寺J9时 1'4轻（4 #得M人能耐:Ktl流剳們空气屮吸吹的为H石V的速度所以仃效的JJi试S率屉足“ A -（纟门”民此K轮机1流功li勺它气屮获得的皿扎陡试也即训覧嗖" 0为f i用的机W功 '母卩的员大佰d_>为， , 2 . . 1 ,2 , 1 .仁 n f Y“ =1 n A V ? t =v >3J "

11、33=护冷厂A2弍笛一F"去明風轮从拥川所钱H<的“E司:山通址K轮J r掠an的±部K fi£的比例的 以A値为算也叩凶.3 % .换f川舌丄也叩5仆=U. 5以 苗于此値杀山I贝茨首光寸出.股/< f也松显茨赧k偵.实际1一从灾间込轲的凤霑（机L斫测fj的机械珈忑功率至数很少过过肚呀 rr 冈力痕电系吕*或风力泵木系络W 风一伦机旳HL蔽场率再H挽1龙电功率或胶泵罚率Hi, II r传叨奥丙及发电机或忒泉本貝爲汹眈二就分期半史际|'1用的Q宰£进=步减小_机 外氓轮机a JA场中述屹到凤迪利凤帆波动的影响.可用功率将进 减dv.八

12、、风轮机的输出功率曲线如曲所述风轮机的输出功率可农示成W时风速（通常采用短时期内风速的平均值 宋代寿）的凶数.如式（5-3）所不即，P一厂A -宀（；曲于风轮机在风场屮受到风速及风向波动的影响便冈轮机綸出的可用功率进一步 减小考虑到此I人I索风轮机的输出功率公式对进一步写成：V =可P A Cp r = A v' （ Cp 1）般T| rr 0. 7左右按茨理论Cp的域大值为59. 3%（、冲"593X0. 7q 0.41541%.而实际1: a if从风轮机所获得的机械功率很少超过通过风轮机桨叶打掠 面内凤確的40%.V|设：V, 风轮机的始风遠.即凤轮机在人于此风速时开始

13、输出功率；V.风轮机的额定风Ji*即风轮机在此风堆下输岀额定功率：V。风轮机的截止风速即风轮机在此风速F被列住。这忏凤轮机的输出功率依风速的变化可分为三段即：当ViVv<a时P=P AT)OOV*当vVvVv。时.P=Pr = p A V； (Cp TpP=0:b v> V。时廿以图痒农示风轮机的输出功率依风速的变化情况.则如图5-10（3及图5-10 UJ所示却论卜.rr风迷低于斂定风速（即V<Vr）时风轮机的输出功系应与风边成之方 吴系变化如医|5HH血所示：们丈际14.轮机仅右风速高于起始风速（即v>Q时.才 产生净功<输岀功率1帀在起始凤速与额尢风速Z间仃

14、卩、P与、丫2间>风轮机的输出功 率曲线有看不同的形状.而疑中线性特性与风场中获得的试较数抵较接近.而fl应用趣 来比较方便如图510（h>所示.在图5-10中在风速大于额尢凤速但低于截止凤速（EP Vr<V<V,）范W内认为凤轮机 的输出功申P=1仝即额定功率维持不变也即输出te功率这町踣助凤轮机的桨距调$ 来实现。肘于线件«|出功率曲线可求出冈轮机的输出功率为，jy 5 10(a)国3 1创讪.風轮制I纯性揄出珈扣111賞<1 V,扭川打弋（：13町以求岀平同!乱速卜4L轮机怕W时隊即:V 7、入FW八=尹-八 m仆、_叫Vf1<仙八卄V v,

15、J 仆=K计尹.丁£九、风轮机的输出能量及可利用率也第；H述的频率分布I第J1 |V $.變凤連的H纵H j何 >> 布:八节亠规乂 T帽7 f 轮机的功* ¥1出曲比将这两百粘仟凡来就可"i I厲?«某午詞同止'时间内帆 轻肌的恠出陸虽氏JI- '刈W 1. K誓肌：1 出能砂臥川i ： V ?i .也I'J y.,iij闰d:也得 出（一川诵法利用何注时顼歎分加*叫R稈斡岬不同心 H的吹WA数+*功乂倫出沏线I"以 it旬彳；冋H逮!r 41应曲输auJj4- U秤；,< 同订算出備同K速卜:菜-H

16、連吹H时蛀内听时 的侖川能戢I即某 風連卜卞L业帆的输出功部勺i妇观,i眉*垓吹凤时间的-亚枳.擀所仃不冋电谨F嗣鬧的¥t岀龍如IM加就训闻创凤轮H的皑输;h肚. 乂设碱闸堀率芬 布曲駐“ < V）. K艳机的功f输W特化为血V ；. MJ rr 卅定时冋周期内Y轮机旳.W谕J',能M;内总戶逼如匸的斛析亍J即，<-J3)E I V）* f V l试屮I：为【q机的耶i出奁|負.如耐所述J血轮机只在屈Z ij骰止凤述间込f诫时才6功举输岀如果认为凤轮 Fi：!的输出一ih）所示，即山血始一凤述到额丄J4,連2间-凤轮帆的输山功 山零Jfi W刊緬! 伯*而祈钢i船

17、連到截十叹I速Z间錐持额宦输出功率不变+则式帖一 mid写成*L 心屮 V)* f( V) dv l>P, < ftv； - JV=I ： I?：' V * f f v> * <lv 珂 I ：； f f V) dv（二图門法用囲示法求叫純机的输出能量的y嘿如f' :I.杠凤速持纹剤间分布彩线C图5 卜氏出起始凤連O" ，额定风速2,卜及截 11尺速U-.H .（1:11釧铁L找出相应的时側& （以标幺值去不一T.戦給宦前屈抽凤速、珮注风速及截止随速.商伸:棚啼的功F:偷出W件仙我* 4|1图5 -11 H门所-示搖线件输出幼罕M纯绘出

18、1时I'n I；布脑线K旳曲i枳（阴膨加外 就代衷皿轮机的輸;1【玄蜡跚J;j魚输出特性11311线将.14速M紘时同分拓NiF线挂U戍功率一时间分布曲线. 如国.一 ； M e忡I打、.则功淨 能吊HXJSh A/甘1 hjait flJ巴翌#uTSo1T*(“iIIIIIAnft H芒円Hhp fU”眸住十二、风轮机的保护装置N勺一 M 團示法求K轮机购俯出能嶺taJ 持菽田可寸布曲錢 小丿瓦心愉出甘性曲弐 2）功率 时何廿估业一歿从国示法町以看乩改变额宦I疽速或起箱锲速、S止帆赴皆対処轮机的输出能苹有 业2响.聚邮凤逑胆低戲止凤遠趣高r刚输11!总龍帛越多，旬时瀰熾速逸得含适才能

19、I吏 阴谚囲积仪大：图可I凤的峽虫足必颉迪过国帐f枳分!诫求間输岀fr虽这是比较”麻烦的f三）W.轮机的吋利用奉嵐枪机拂年的可利用率可按卜H汁A即；<5-17>SiGf'i式屮 SZ60仝卡的时妆I茁弓21、町利用軒=凤轮机£运疔时数,!3%填轮机.你肘如星风連趙过w轮机的一 I:作K越范国或足发电机興然丿11掉负何. :则都会导致风轮机超速恵至造成風轮机的损坏冈此风轮机槨装仃施口动阴止风轮机 a速的保护1置以达到限制风轮丹速的n的.PR制风轮超速的方法is冇两种.一是 利用字气动力阳力的方法，一足设法减小网轮的迎M.iii枳（也即足使风轮假侧）氷平辆 风轮机的保

20、护装国为叶尖W尼板、扰AS、触桨机构以及风轮»倫或1： 口机构徐：垂n轴 贝轮机的保护装賈主姿足H1尼板.（一叶尖R1尼板叶尖阳尼板足安«亦水T轴风轮叶片尖部的RI尼装R.当凤轮正常运转时它勺叶 片的作用棚同.能产生升力严风轮超速时.则ffl绕风轮叶片纵向紬线« 90*/ft.与凤轮fi 转平ito成垂貢位置故能产生阳力.从rfu使风轮转連»卜*.（二扰流器扰器足安装在只轮叶片上距叶尖斗叶片长/5位上的阻尼装半风轮疋常运 0转时扰iS器的两个端面分别与叶片I下农面巫合：半凤轮M速时则张开逛忡到叶片外曲这样由于它与风轮旋转平ifii f n.产生了PH力从

21、向便凤轮转速降卜'來.上述种胆尼装置的动作一般足»风轮转动时的离心力rfu动件也召根据叫轮转速 1倩号由液压传劫系统或机械传动系统便阳尼装賣动fl的.gfis称为te动式的C者称为 上动式的.（Z顺桨机构I 所谓额桨是描风轮叶片技长方向与風向一致也即冈*轮叶片的冲饰担近孝升力的状 占风轮叶片腹桨也于风轮变桨距捋制的二®分.即根期凤速戒转越的借号通过液 压变距或机W殛距机构来实现 风轮的*貞桨既可出在犬以我电负ft时的紧急停车4；保 护林用.也可用于轮机正常迖帝IM的停机，（四）风轮M帕或上仰机构水平轴園轮机也育利用凤鬼«机构、风轮上仰机构或安装在凤轮机传动轴丄的紧 急制动闸*实现超連保护=关于风轮個侧的方法iWiSiLi介绍过.风轮匕仰机构 般只