风力发电功率和叶尖速比

1、、风轮机的功率及风能利用系数（一）穿过风轮桨叶扫掠面的风能设d风速（指未扰动飞流的流速）米秒飞风轮直径米；A风轮引片扫掠面枳.米，P空气密度千克/米则单位时间内穿过风轮扫掠面积的动能，即功率PA（见图5-2）为：图52M轮扫&曲pa=-avJ,千克*米盯秒,（s-1）（二）风能利用系数c;风能利用系数Cp_单位时间内转变为风轮机械能的风情一单位时间内穿过风轮桨叶扫掠面A的全部风髓_风轮的输出功率一入网珑一面两的功率PP-=：=（5-2）r*旦A72八风能利用系数是表征风轮机效率的重要参数.它表明风轮机从风中骁得的有用能量的比例，根据员茨理论.M能利用系数的蛙大俏为0,5州关于贝茨最大俏的辩铮见

2、本有水牛轴风轮机的（:七d2-0+5.垂直轴风轮机的1；-0.3-0.4.风能利用系数又称功率系数.风轮的功率即指转变为机械能的功率由式（51）和1513）可以看出工1 .当,=常数”,x人即当其速定时34轮的功率和4轮扛径的平方成正比葭2 .当1）=常数中hv即当双轮H裕固定时.双轮的功率和风速的M方成正比）,:3 .当风轮直径、风速不变时,风轮的功率与Cp成正比。4 .风轮功率和风轮时片数无关,但与空气密度成正比.三、风轮机的叶尖速比（高速性系数）在风速为v时.风轮叶片尖端的线速度与该风速之比称为风轮的高速性系数.高速性系数可表示为式中A-高速性系数；5风轮在风速v时的旋转角速度血=聂1,

3、瓠度秒UuR一风轮叶片尖处的线速度.弧度秒】米；力转速转K由此可知，高速性系数是反映在一定风速下风轮转速高低的参数“高速性系数又称叶尖速比TSR.四.风轮机的转矩系数风轮的功率也可以用风轮的转矩与其腕转角速度的乘枳来表示.即P=M*oj式中M转矩.F克米；s旋转的速度.瓠度秒、已知风轮的功梃？=等口1八仁O1所以P=M，出=?/Cp或M3=/3QJ川2M2MuR则=CX（5-5）RA,v2-v定义Cm=-（5-6）-RAv2乙弥为转矩系数,则m=Cm-（SRA、2）即当风轮尺寸（R）固定时.在一定风速下.Cm乙是一个反映转矩大小的系数“五、风能利用系数、转矩系数与叶尖速比的关系由以上分析知-x

4、或Cm=T可见及Cm皆是X的函数.即C=f（人），C“=f（入）,此函数关系可以通过计算或实验得出，也可以用曲线表示，如图53及图54所示。图53风轮机的风能利用系数与叶尖速比的关系曲线图54风轮机的转矩系数与叶尖速比的关系曲线L对于某风轮来说只是在人为某数值.即七时达到最大C：.值（3-）.如图53所示.在入K七时（卜值下降.对应于最大Cp值（Cx）时的入值（h）称标准高速性系数。上（一J相可于人=1时的转V系数,即相对于标准高速性系数时的转矩.n3.高速风轮与低速风轮的C0=f（入）曲线及Cm=f（人）曲线是不相同的.如图5-5及图56所小。低速风轮的入值范围在12之间；高速风轮的入值范围

5、在510之间.由图可见.高速风轮的C,ax大于低速风轮的Cau但足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。多叶片风轮屈于低速风轮，少叶片风轮属于高速风轮.图55风轮bL功率系数叮叶尖速比的关系图5-6风轮机转矩系数米叶尖速比的关系六、风轮机的功率一转速特性曲线及转矩一转速特性曲线L）功率转速特性曲线己知P=今Av3CPCP=f（X）当风轮制成后.A=常数,p=常数,故当风速一定时（v=常数）.则P就是Cp的函数.而Cp是人的函数.人又是反映转速：的大小的故可以得出P=f（n）的关系曲线：图57表示低速及高速风轮机的功率转速特性曲线图中数字代表不同风速v（米/秒）

6、卜的特性，且V6V5V4V3V2Vio（二）转矩一转速特性曲线知转%M=Cm-A.R.，2.设A、R、p为常数,又知C、M=f（入）则当风速定时（v=常数）.M就是人的函数.而入反映了转速的大小.所以同样可以得出M=f（n）的曲P（功米）n（轴速）图57风轮机的功率一转速特性曲线线.如图58所示。M1史KUJ3545678910M辅if】图5-R时轮机的转矩一转速特性曲知速风整机得出了风轮机的转矩一转速特性曲线.如果再得到风轮机所推动的机械用于发电系统的发电机或用于泵水系统的水泵）的转律转速特性曲线,就可以分析当两者联接组成为一个系统时的特性这就是研究风轮机转短一转速特性曲线的目的.七、风能利

7、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：现设在3空气流方向垂FI的某处取一域面积为A的任意截面.如图39所示.则在单位时间（每秒内通过此截面的气体体枳流埴V为图S9单位时间内通过岐面A的标体体枳流量V=vA（5-8）设空气密度为户,则对应于此体枳的空气流的质最为：I故Av即代我在单位时间内通过藏面A的，流率.此质显流率所具有的动能则为1At?】-（PAQv=丁6空气流所具有的质量,也可称为质量，A*/（5-10）口V=p*A丫（5一9）因为式（510）所表明的是单位时间f怔秒）内流过因面A的空气流所具有的动能,所以也就是功率，与此相似如果设截面A为风轮机旋转时叶

8、片所扫掠的面积”则单位时间内通过风轮机扫掠面枳的空气流的动能,也即风轮机的功率1、将为：P*=亏9*Av3（5-H）风轮机从风中获取了能量.因而使风减速了，风轮后面的风速比风轮前面的风速要低.理论分析证明风轮后面的风速为进入风轮扫掠面以前的风速（即未扰动风速）的看时,风轮可获得最大能艮风轮本身自流动的空气”啰收的为言4V的速度,所以有效的质里流率应是h,Af.囚此风轮机白流动的空气中执杼的攒大能M.-也即可转变为仃用的机械功率P的最大值为*A一（5-12）2721式（51段明风轮从风中所能获取的能量占通过风轮H掠面的全部风能的比例的最大值为枭也即59,3%,换句话%也即=。.5孙由于此值系由贝

9、茨首先导出.故也称贝茨最大值.实际上,从实际运转的风轮机上所测得的机械功率,其功率系数很少超过40%.在风发电系统或风力泉水系统中风轮机的机械功率再轼换成电功率或水泵功率时.由于传动装置及发电机或水泉本身需消耗一部分功率，实际可用的功率乂进一步减小。此外.风轮机在风场中还受到风速和风向波动的影响.可用功率将进一步减小.八、风轮机的输出功率曲线如前所述风轮机的输出功率可表示成瞬时风速：通常采用短时期内风速的平均值宋代表)的函数.如式(53)所示.即：由于风轮机在风场中受到风速及风向波动的影响.使风轮机输出的可用功率进一步减小,考虑到此因素.风轮机的输出功率公式可进步写成：P=T7PAv3CpAV

10、3(CpT)一般7)在0.7左右,按照贝茨理论.Cp的最大值为39.3%.Ca-0.593X0.70.415%41%.而实际卜.真正从风轮机所获得的机械功率很少超过通过风轮机桨叶扫掠面内风能的40%。设：M风轮机的起始风速.即风轮机在大于此风速时开始输出功率；vr风轮机的额定风速.即风轮机在此风速卜输出额定功率；v0一风轮机的截止风速.即风轮机在此风速下被刹住。这样风轮机的输出功率依风速的变化可分为三段.即：当ViVvOr时.P=JpA,V3(Cp,jp8V3乙当Vrvv。时.P=0若以图形表示风轮机的输出功率依风速的变化情况.则如图510(a)及图510(b)所示.理论上在风速低于额定风速(

11、即vVvr)时风轮机的输出功率应与风速成立方关系变化.如图510(a)所示；但实际上风轮机仅在风速高于起始风速(即vv=时才产生净功(输出功率).而在起始风速与额定风速之间(即vi与vr之间).风轮机的输出功率曲线有着不同的形状.而其中线性特性与风场中获得的试验数据较接近,而且应用起来比较方便.如图510(b)所示。在图510中.在风速大于额定风速但低于截止风速(即Vr*ffv）*dvIPr（v）dv（516）（二）图示法用图示法求风轮机的输阳能量的步骤如下,1 .在风速持续时间分布曲线（圈5no）上定出起始风速（片）、额定风速（n）及截止风速人口）.并由曲线上找出相应的时间数（以标么值表示八

12、2 .按给定的起始风速.额定风速及截止风速,画出相应的功率输出特性曲线,如图5INh）所示f按线性输出功率曲线绘出3 藉助功率输出特性曲线.将风速持续时间分布曲线换算成功率一时间分布曲线.如图511口所示.则功率时间分布曲线”的加枳t阴影滞分）就代收厂帆轮机的辘町能量,图5-H图示法求风轮机的输出能量德凤迪持续时间分布曲线2功率输出特性曲线频，功率时间分布曲摘从图示法可以看出,改变额定风速或起始风速，截止风速皆对风轮机的输出能卑仃影响。起始风速越低.截止风速越高，则输出总能量越多,同时额定风速选得合适才能使阴影曲积最大，图示法的缺点是必须通过图解枳分才能求出输出能量,这是比较麻烦的，（三）风轮

13、机的可利用率风轮机好年的灯利用率可按卜式计算,即，可利用率一风轮机.当行时数x100%（5-17）8760式中8760全年的时数4365乂%）0十二、风轮机的保护装置%风轮机I件时.如果风速超过风轮机的I作风速范围.或是发电机突然甩抻负荷.则都会导致双轮机也速.及至造成M轮机的损M、囚此风轮机都装仃能自动防止风轮机制速的保护装置.以达到用制双轮足速的II的由削双轮制速的方法主要仃网种.是利用空气动力阳力的方法：是设法减小风轮的迎风而枳（也即是使风轮偏侧）水平柏风轮机的保护装置彳i叶尖阳尼，优流器、顺桨机构以及风轮储偏或I仰，风轮机的保护装置主要是阻尼板.（一）叶尖阻尼板叶尖阳尼板足安装在水平轴

14、风轮叶片尖部的阳尼装司当风轮正常运行时.它。叶片的作用相同他产生升力,当风轮超速时.则围绕风轮叶片纵向轴战转90角.与风轮旋M平面成垂直位置.故iII用力.从而使风轮转速降卜.来：（二）扰流器扰流器是安装在风轮叶片上距叶尖上叶片氏度位置上.的阻尼装时当M轮正常运O转时扰流器的两个端血分别与叶片IF衣面地合,当风轮超速时则张开延伸到叶片外血.这样由它与风轮旋转平血垂克.产生了阳力.从血使风轮转速降卜来上述两种印尼装置的31般是靠风轮，动时的离心力而动H.也“根据风轮转速信号由糠压传动系统皤*传动系线使粗尼装置动作的静者称力接动式的，后者称为主动式的。（三）顺桨机构所谓顺桨是指风轮叶片弦长方向与风

15、向致，也即风轮叶片的冲角趋近零升力的状毒.风轮叶片顺桨也属于风轮变桨距控制的二部分.即根据风速或转速的信号通过液小变距或机械变距机构来实现,风轮的勒桨既可用在大风或甩负荷时的紧急停下起保护作用.也可用于风轮机正常运行时的停机：（四）风轮侧偏或上仰机构水平轴风轮机也仃利用风轮偏偏机构、风轮上仰机构或安装在风轮机传动附上的紧急制动闸来农现超速保护夫风轮偏储的方法前血己介绍过。双轮上仰机构帙只用于小型风轮机中紧急制动闸在小型风轮机中分F动和自动制动两种.两者皆是利用抱向刹乍的坡理.图517表示这两种抱同制不的原理。Bl5-17小：2机紧急机I图5170是手动停车.人F向F拉刹乍绳则制动手车带将刹车豉紧紧抱住而实现停乍；图517（b）是自动停车.当风速超过限定的最大风速时.此时刹不风板被大风（1，地推动（如图中脩头所示方向）.从而带动了利4/1H,而打杆则拉动刹车绳向卜并使制动刹4带紫萦抱住到J突现白动停车II车风板面枳的大小与限定的最人风速值之间的配合关系可通过试验方法确定.在中型或大型水平轴风轮机中的制动闸是由是由供油系统、制动阿卡钳以及安装在风轮主轴上的制动盘缎成如第二堂图21所示.当大风超速时.由液原驱动的制动k钳动斗将制动盘卡住.从而实现风轮机的fl动停彳，（五）阻尼板垂n粕风轮机