风电技术基础风力发电原理

风电技术基础风力发电原理1第1页，共21页，2023年，2月20日，星期四风力发电原理风中蕴含的能量风电机组将风的动能转化为机械能并进而转化为电能。从动能到机械能的转化是通过叶片来实现的，而从机械能到电能则是通过发电机实现的。动能空气的质量空气密度随着空气压力的增大而增大，随着温度的升高而减小：•冷空气比热空气密度大（热气球升空就是利用的这个原理）。在普通大气压力和20°C温度的条件下每立方米空气的质量是1.204kg；在-10°C的温度下，每立方米空气重1.342kg，比常温下重了11%。也就是说，同样的风速同样的风电机，-10°C冷风比20°C热风能够多产生11%的电能。•单位体积的空气，密度大的比密度小的要重，也含有更多的能量。高压地区（1020hPa）的空气密度比低压地区（980hPa）的空气密度大，单位体积重量也大。2第2页，共21页，2023年，2月20日，星期四风力发电原理一台2MW的风电机叶片半径在40米左右。在普通空气密度下，温度10°C，风速6米/秒（=21km/h）的情况下，风电机的功率是780KW。在这个风速下，每秒流经风电机的空气是43吨。其中所蕴含的能量相当于一辆小型货车（2.5吨重）开90公里/小时的时候，或者一台小轿车（700公斤）开170公里/小时的时候的能量。当风速达到18米/秒（=65公里/小时）的时候，每秒流经风电机的空气大约是110吨。风速增长到3倍，但风的功率却要增长到3的3次方倍，也就是27倍。这个时候风的功率大约是21兆瓦。3第3页，共21页，2023年，2月20日，星期四风能转化为机械能升力型和阻力型风力机风会对切割它移动方向上的任意面积A形成一个力，这个力就是阻力。阻力型机器利用阻力产生动力。4第4页，共21页，2023年，2月20日，星期四阻力型风力机

阻力与下面的参数成比例关系：风速U的平方切割面积A该面积的阻力系数CD

空气密度ρ5第5页，共21页，2023年，2月20日，星期四阻力型风力机6第6页，共21页，2023年，2月20日，星期四古波斯的风力机7第7页，共21页，2023年，2月20日，星期四阻力型风力机1922年，芬兰工程师S.J.Savonius发明了Savonious风机8第8页，共21页，2023年，2月20日，星期四阻力型风力机

风杯风速仪也是利用阻力原理来实现的。风杯风速计上风杯的CD-值分别是1.33和0.33（迎风时和背风时）。风杯迎风时的阻力要比背风时的阻力大很多，所以风杯风速计才会迎风旋转。通过阻力定律来运动的转子无法转动的比风速更快（增速值小于1），属于亚风速转子。这种转子能量损失较大，功率系数（流体动力学上的作用参数）非常小。（波斯风车大概0.17，风杯风速计大概0.08）9第9页，共21页，2023年，2月20日，星期四升力型风力机

水平轴HAWT,丹麦理念上风向恒转速风轮、失速功率控制、叶尖气动刹车＋机械刹车10第10页，共21页，2023年，2月20日，星期四升力型风力机

垂直轴风力机VAWT,达里厄Darrieus11第11页，共21页，2023年，2月20日，星期四升力型风力机

水平轴HAWT,美国多叶片12第12页，共21页，2023年，2月20日，星期四Ref:www.ifb.uni-stuttgart.de/~doerner/edesignphil.html13第13页，共21页，2023年，2月20日，星期四升力型风力机根据伯努利方程，在同一高度上，叶片的底面或者顶面的动态压力和静态压力和平衡。由于顶端的空气流动比底端的快，从而使顶端产生低压，而底部产生高压：这就是飞机飞行的原理，也是风电机叶片转动的原理。14第14页，共21页，2023年，2月20日，星期四贝茨理论风电机叶片无法将风能量的100%转化为机械能。风电机的转化效率是有极限的。德国物理学家阿尔伯特贝茨(1885-1968)在1920年计算了风电机转化效率的最大可能值，并在1926年公开发表。理论风能利用系数（Betz极限）

15第15页，共21页，2023年，2月20日，星期四贝茨的假定条件理想风轮：无轮毂、无限多叶片、气流流过风轮无阻力；气流流过风轮是均匀的，在风轮前后的速度为轴向。空气是不可压缩的。16第16页，共21页，2023年，2月20日，星期四基本原理风能利用系数cp:17第17页，共21页，2023年，2月20日，星期四基本原理风电机功率:cp

依赖以下因素:尖速比λ:叶片叶尖线速度与风速的比值；叶片数量：2-3片叶片角度：攻角翼型设计：优良的翼型提高效率18第18页，共21页，2023年，2月20日，星期四基本原理

理想Betz效率19第19页，共21页，2023年，2月20日，星期四CP–λ曲线

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