风力机发电原理(叶片的气动特性)

风力发电原理上海电力学院

第一章风电行业概述及风力机类型和结构1风力发电绪论1891年，丹麦建成了世界第一座风力发电站风力发电的优越性建造风力发电场的费用低廉，比水力发电厂、火力发电厂或核电站的建造费用低得多；不需火力发电所需的煤、油等燃料或核电站所需的核材料即可产生电力，除常规保养外，没有其他任何消耗；风力是一种洁净的自然能源，没有煤电、油电与核电所伴生的环境污染问题。可再生能源主要包括风能、太阳能、生物质能，风能作为当前最适合大规模开发的可再生能源1风能产业概况

风电装机容量是指风电场的发电容量，例如说50MW容量的风电场，就是在额定风速下，每个小时能发电50MW风力发电场（简称风电场），是将多台大型并网式的风力发电机安装在风能资源好的场地，按照地形和主风向排成阵列，组成机群向电网供电风力发电场于20世纪80年代初在美国的加利福尼亚州兴起

1风能产业概况

2012年11月26日，世界上最大的风力发电机在德国产生1风能产业概况

中国风能资源丰富。国内著名的风电场：新疆乌鲁木齐附近的达坂城风电场1风能产业概况

1983-2007世界风力发电机装机容量2009年全球新增风电装机容量38.1GW，累计风电装机容量约为158.9GW，年同比增长31%1风能产业概况

2005年2月《可再生能源法》的颁布标志着我国能源策略进入新的时期，同时，国家发改委也提出了大功率风力发电产业化的布局，我国丰富的风能资源也为风电产提供了发展条件我国风力资源分布

1风能产业概况

2009年我国新增风电装机数量10129台，容量为13.803GW，年同比增长124%；累计风电装机数量21581台，容量为25.805GW，年同比增长114%。截至2010年底，中国全年风力发电新增装机达1600万千瓦，累计装机容量达到4182.7万千瓦，首次超过美国，跃居世界第一。预计2020年我国风电总装机容量将超过2.3亿千瓦。1风能产业概况风力发电技术是综合性高技术系统工程，涉及空气动力学、机械传动、电机、电力电子、自动控制、力学、材料学等学科在提高机组容量、改进功率调节方式、变速运行获取最大风能、发电机和电力电子装置的研制等方面获得了巨大发展在大功率机组的制造水平跟世界先进水平相比，还相差比较大，大功率风电机组的叶片制造技术还没有自主的知识产权

大型风电场建设正从陆地向海上发展，海上风电已成为风力发电的重要方向1风能产业概况

大型风电场建设正从陆地向海上发展，海上风电已成为风力发电的重要方向

上海临港新城至洋山深水港的东海大桥近海风电场已建成，34台3MW机组于2010年7月6日全部并网发电。该风电场总装机容量为102MW

2013年，8月26日，迄今为止德国最大的海上风电场BARDOffshore1正式启用。该风电场位于北海，有80台风力发电机，发电功率达400兆瓦临港新城至洋山深水港的东海大桥近海风电场丹麦海上风车园2风力机的类型与构造

发电机：机械能转化为电能风力发电机风力机：风能转化为机械能发电机：机械能转化为电能风力发电机组风力机：风能转化为机械能2风力机的类型与构造

2风力机的类型与构造

垂直轴风力机水平轴风力机风力机水平轴风力机φ形叶片达里厄风力机照片多直叶片达里厄风力机2风力机的类型与构造

风轮叶片数目的多少，视风力机的用途而定。用于风力发电的风力机一般叶片数取1～4(大多为2片或3片)，而用于风力提水的风力机一般取叶片数12～24

水平轴风力机2风力机的类型与构造

左：S型垂直轴风力风力机右：φ形叶片达里厄风力机垂直轴风力机左：多直叶片达里厄风力机右：3叶片H形达里厄风力机2风力机的类型与构造

达里厄风力机有多种形式,H型、Δ型、菱形、Y型、φ型垂直轴风力机2风力机的构造

与组成风轮、传动机构(增速箱)、发电机、机座、塔架、调速器或限速器、调向器、停车制动器

2风力机的构造

与组成(a)很多纵向木条胶接在一起;(b)有些木料叶片的翼型后缘部分可填塞质地很轻的泡沫塑料,表面再包以玻璃纤维形成整体

(c)为了减轻叶片重量,有的叶片用一根金属管作为受力梁，以蜂窝结构、泡沫塑料或轻木作中间填充物，外面再包上一层玻璃纤维

;(d)为了降低成本,有些中型风力机的叶片采用金属挤压件,或者利用玻璃纤维或环氧树脂抽压成型

(e)有些小型风力机为了达到更经济的效果,叶片用管梁和具有气动外形的较厚的玻璃纤维蒙皮做成

;(f)用铁皮或铝皮预先做成翼型形状,加上铁管或铝管,用铆钉装配而成

风轮由叶片和轮毂组成2风力机的构造

与组成(1)为了避免在超过设计风速的强风时风轮超速甚至叶片被吹毁，常采用使风轮水平或垂直旋转的办法，以便偏离风向，达到超速保护的目的.这种装置的关键是把风轮轴设计成偏离轴心一个水平或垂直的距离，从而产生一个偏心距

(2)图(1-7)利用气动阻力制动

.将减速板铰接在叶片端部，与弹簧相连；当风轮超速时，减速板因所受的离心力对铰接轴的力矩大于弹簧张力的力矩，从而绕轴转动成为扰流器，增加风轮阻力起到减速作用。风速降低后它们又回到原来位置。

利用空气动力制动的另一种结构是将叶片端部(约为叶片总面积的十分之一)设计成可绕径向轴转动的活动部件。(3)变桨距调速采用桨距控制除可控制转速外，还可减小转子和驱动链中各部件的压力，并允许风力机在很大的风速下运行，因而应用相当广泛。

调速或限速装置

大致有三类(1)使风轮偏离主风向，(2)是利用气动阻力，(3)改变叶片的桨距角

2风力机的构造

与组成(1)尾舵主要用于小型风力发电机，它的优点是能自然地对准风向，不需要特殊控制。为了获得满意的效果，尾舵面积A′与风轮扫掠面积A之间应符合下列关系：A′=0.16A式中，

e为转向轴与风轮旋转平面间的距离；l为尾舵中心到转向轴的距离(图1-6)。

(2)侧风轮如图1-7所示，在机舱的侧面安装一个小风轮，其旋转轴与风轮主轴垂直。如果主风轮没有对准风向，则侧风轮会被风吹动，产生偏向力，通过蜗轮蜗杆机构使主风轮转到对准风向为止。

(3)电动机驱动的风向跟踪系统对大型风力发电机组，一般采用电动机驱动的风向跟踪系统。整个偏航系统由电动机及减速机构、偏航调节系统和扭缆保护装置等部分组成。偏航调节系统包括风向标和偏航系统调节软件。风向标对应每一个风向都有一个相应的脉冲输出信号，通过偏航系统软件确定其偏航方向和偏航角度,然后将偏航信号放大传送给电动机，通过减速机构转动风力机平台，直到对准风向为止。如机舱在同一方向偏航超过3圈以上时，则扭缆保护装置动作，执行解缆。当回到中心位置时解缆停止。

调向装置2风力机的构造

与组成一般包括低速轴、高速轴、齿轮箱、联轴节和制动器等

传动机构

2风力机的构造

与组成风力机的塔架除了要支撑风力机的重量，还要承受吹向风力机和塔架的风压，以及风力机运行中的动载荷。它的刚度和风力机的振动有密切关系塔架

第二章风能与风功率基础一质量守恒假设：(1)从A0处流入的空气都从A2流出；流动呈流线型，在控制体侧面无任何质量损失(2)流体不可压缩，即密度不变质量守恒方程为二能量守恒假设：(1)流体不可压缩

(2)流体无粘性，即该方程也适用于边界层外的流体。在边界层表面，摩擦使流体减速。(3)流动都是沿流线方向进行。

(4)切力不做功。(5)没有热交换。(6)没有质量传。(7)流体对于大地表面的相对位置不变，即势能为常数。能量守恒的一个简化形式

总能量=动能+压力能+势能可导出Bernoulli方程（左端为单位体积的总能量）三动量守恒据牛顿第二定律，一个控制体的动量变化率等于所有作用力之和。假设：(1)x轴方向无切力。(2)在A0和A2以外，无动量增减。沿x轴方向牛顿第二定律方程变为叶轮提供着外力F，故据牛三定律，必有大小相等、方向相反的外力作用在叶轮上。这个力来自风。结合右下图分析得出：三动量守恒问题1如果叶轮外围的圆柱体截面半径相同，且风只能从这个区域流过，情况会怎样？（右上图）问题2叶轮能否吸收风的全部动能，以至于v2=0？（右下图）如果叶轮像“穿不透的墙”四推导贝兹极限1919年，AlbertBetz提出了旋转轮机效率的理论猜想：盘式叶轮从流过的空气中吸收的能量不会超过其中全部动能的59.3%。贝兹极限推导如下：对式（1）中密度不变的控制体A0,Ar,A2

（右下图）应用质量守恒定律，有应用牛顿第二定律，从式（3）得到作用在叶轮上的力叶轮受力的原因是叶轮两侧的压差：（4）（5）联立，得对两个区域应用Bernoulli定律：1)从A0到叶轮前方的流线体2)从叶轮后方到A2的流线体四推导贝兹极限对式（7）与（8）相减将式（6）与（9）联立得风传到理想叶轮的功率为压差由式（10）算出，则功率为注意四推导贝兹极限合并式（11）与（13），得当下列条件满足时，功率为最大值因此功率系数CP推力系数CT理想叶轮从风中获取的功率上限是风能总量的53.9%—制动盘四推导贝兹极限最大吸收功率也称为贝兹极限（P=Pmax=PBetz）.叶轮功率系数（P/Pieal）是尾流风速与输入风速比值的函数，如图所示图叶轮功率系数（P/Pieal）是尾流风速与输入风速比值的函数四贝兹极限的含义例1考虑一台额定容量为1WM、叶轮直径为70m的风机。其功率曲线如下图所示。功率曲线是由风机厂商提供的反映风机性能的一个关键指标，它描述了风机输出功率和风速之间的关系。如图所示，贝兹极限曲线总是位于功率曲线上方。这表明，在任何风速下，叶轮只能运行在贝兹极限以下。取来流风速v0=12m/s，空气密度为1.225kg/m3:注：输出功率略低于1MW，即低于PBetz四贝兹极限的含义例2考虑一台叶轮直径为2m、风速v0=12m/s时额定功率为2kW的风机。（空气密度为1.22kg/m3）风机的额定功率大于可能吸收的最大功率，这个叶轮的功率值没能通过贝兹极限的检验；在12m/s风速时，除非使用了外罩或其他手段提升轴向风速，否则机组不可能输出2kW功率。四贝兹极限的含义例