水平軸風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)與風(fēng)力發(fā)電原理.ppt

風(fēng)能利用基礎(chǔ),風(fēng)能是一種取之不盡、用之不竭、對(duì)大氣無(wú)污染、不破壞生態(tài)平衡的自然資源。礦物能源是目前人類社會(huì)的主體能源，為人類的文明、進(jìn)步做出了巨大貢獻(xiàn)。但是，礦物能源總是有限的，是不可再生的能源。,可以預(yù)見(jiàn)，人類在利用礦物能源、推進(jìn)現(xiàn)代文明的同時(shí)，將面臨能源與資源枯竭、污染環(huán)境、破壞生態(tài)平衡等一系列問(wèn)題。大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用風(fēng)能、太陽(yáng)能等清潔、可再生能源，是人類社會(huì)保持長(zhǎng)久繁榮和永續(xù)發(fā)展的重大課題。,風(fēng)的形成,風(fēng)是跟地面大致平行的空氣流動(dòng)，是由于氣壓分布不均勻產(chǎn)生的。大氣是存在于地球周圍，包圍著地球，自地球表面以上直至數(shù)萬(wàn)米范圍內(nèi)的物質(zhì)。,在氣象學(xué)上，一般把垂直方向的大氣運(yùn)動(dòng)稱為氣流，水平方向的大氣運(yùn)動(dòng)稱為風(fēng)。風(fēng)是人類最常見(jiàn)的自然現(xiàn)象之一，它們由太陽(yáng)的熱輻射而引起的“空氣流動(dòng)”，所以風(fēng)能是太陽(yáng)能的一種表現(xiàn)形式。,太陽(yáng)對(duì)地球表面不均衡地加熱，造成了大氣層中溫度差。有溫度差就會(huì)產(chǎn)生壓力差，壓力差就使大氣運(yùn)動(dòng)形成風(fēng)。當(dāng)太陽(yáng)加熱地球一面的空氣、水面和大地時(shí)，地球的另一面通過(guò)向宇宙空間的熱輻射而冷卻，地球每日不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，使其整個(gè)表面都輪流經(jīng)歷這種加熱和散熱的周期變化。,由于地球表面軸線相對(duì)于太陽(yáng)的傾斜角度有著季節(jié)性的變化，從而造成了地球表面加熱能量日常分布的季節(jié)性變化。,在赤道附近，地球所吸收的太陽(yáng)能要比兩極附近多得多，較輕的熱空氣在赤道附近上升，并向兩極流動(dòng)；而較重的冷空氣作為替代，從兩極移向赤道。這就是大氣環(huán)流運(yùn)動(dòng)。,在北半球，地球自西向東的自轉(zhuǎn)，使向北流動(dòng)的空氣折而朝東，使向南流動(dòng)的空氣折而朝西。當(dāng)向北流動(dòng)的空氣到達(dá)北緯30時(shí)，它幾乎已經(jīng)折向正東了，因?yàn)檫@種風(fēng)是從西邊吹來(lái)的，故稱之為“盛行西風(fēng)”。,空氣傾向于在北緯30偏北一點(diǎn)位置上積累起來(lái)，造成了這一帶地區(qū)的高壓帶和溫和的氣候，從這個(gè)高壓地區(qū)，一些空氣向南流動(dòng)，并由于地球的自轉(zhuǎn)而被偏折向西，形成了全世界海員所稱呼的那種“信風(fēng)”。,信風(fēng)指在赤道兩邊的低層大氣中，北半球吹東北風(fēng)，南半球吹東南風(fēng)，這種風(fēng)的方向很少改變，也叫做“貿(mào)易風(fēng)”。類似的效應(yīng)導(dǎo)致了在緯度高于50地區(qū)的“極區(qū)東風(fēng)”。,在赤道的南方，地球的自轉(zhuǎn)將向南流動(dòng)的空氣折向朝東，而向北流動(dòng)的空氣折向朝西，故在南半球也有類似的盛行西風(fēng)、信風(fēng)和極區(qū)東風(fēng)的情況。全球性氣流的模式如圖1所示。,圖1 地球大氣環(huán)流,由于陸地的比熱比海洋小，所以白天陸地上的氣溫比海面上的空氣溫度上升得更快，這樣，陸地上較熱的空氣就膨脹上升，而海面上較冷的空氣便流向陸地，以補(bǔ)充上升的熱空氣，這種吹向陸地的風(fēng)稱為“海風(fēng)”。,在夜間，其風(fēng)向恰恰相反，因?yàn)殛懙乇群Ｑ罄鋮s得更快，所以陸地上的冷空氣流向海面以補(bǔ)充上升的熱空氣，這種從陸地吹向海洋的風(fēng)，稱之為“陸風(fēng)”。它在中緯度地區(qū)可以從海洋線深入內(nèi)陸50km多；而在熱帶地區(qū)則可深入內(nèi)陸遠(yuǎn)至200km多。海風(fēng)，陸風(fēng)的形成過(guò)程如圖2所示。,圖2 海陸風(fēng)形成的原因,在多山地區(qū)也會(huì)出現(xiàn)類似的地方性風(fēng)。白天因?yàn)樯巾敱壬焦葻岬迷?，所以山頂上的空氣變輕上升，山谷里冷而重的空氣就沿著山坡流向山頂以補(bǔ)充上升，這種由山谷吹向山頂?shù)娘L(fēng)稱為“山谷風(fēng)”。夜間則發(fā)生相反的過(guò)程，亦即風(fēng)從山頂吹向山谷。山谷風(fēng)的形成過(guò)程如圖3所示。,圖3 山谷風(fēng)形成的原因,風(fēng)向與風(fēng)速,風(fēng)是一種矢量，它通常用風(fēng)向與風(fēng)速這兩個(gè)要素來(lái)表示。,風(fēng)向,風(fēng)向是由風(fēng)吹來(lái)的方向確定。如果風(fēng)是從西邊吹來(lái)的，則稱為西風(fēng)。風(fēng)向可以由風(fēng)向標(biāo)給出，從風(fēng)向標(biāo)相對(duì)于羅盤方位固定臂的位置，可很容易地看出風(fēng)的方向。風(fēng)向必須轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，且要水平安裝在四周空曠的地區(qū)，通常高出地面10m。,觀測(cè)陸地上的風(fēng)向，一般采用16個(gè)方位（觀測(cè)海上的風(fēng)向通常采用32個(gè)方位），即以正北為零，順時(shí)針每轉(zhuǎn)過(guò)22.5為一個(gè)方位，如圖4表示。,圖4 風(fēng)向的16個(gè)方位,N北 E東 S南 W西 NE東北 SE東南 SW西南 NW西北 NNE東北偏北 ENE東北偏東 ESE東南偏東 SSE東南偏南 SSW西南偏南 WSW西南偏西 NW西北偏西 NNW西北偏北,風(fēng)速要用風(fēng)速儀測(cè)量。它表示單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)的距離，單位是m/s或km/h。由于風(fēng)速大小變化時(shí)而平緩，時(shí)而劇烈，于是在實(shí)用中就有瞬時(shí)風(fēng)速與平均風(fēng)速這兩個(gè)概念。,前者可以用風(fēng)速儀在極短時(shí)間（0.51.0s）內(nèi)測(cè)得,后者實(shí)際上是某一時(shí)間間隔內(nèi)各瞬時(shí)風(fēng)速的平均值,因此就有日平均風(fēng)速、月平均風(fēng)速、年平均風(fēng)速等。國(guó)際上把風(fēng)力等級(jí)分為12級(jí)。風(fēng)力等級(jí)B與風(fēng)速V（m/s）的關(guān)系為：,風(fēng)速在一天之中都在發(fā)生變化。地面上一般是夜間風(fēng)弱，白天風(fēng)強(qiáng)；高空卻是夜間風(fēng)強(qiáng)，白天風(fēng)弱。海拔較高的山頂是白天風(fēng)弱，夜間風(fēng)強(qiáng)；沿海地帶是白天風(fēng)強(qiáng)，夜間風(fēng)弱。,風(fēng)速在一年四季都在發(fā)生變化。一年之中由于地球表面高壓區(qū)、低壓區(qū)的變動(dòng)，風(fēng)的速度與方向也在發(fā)生變化。一般來(lái)說(shuō)，夏季的平均風(fēng)速要比其它季節(jié)平均風(fēng)速低。,風(fēng)速頻率，又稱風(fēng)速的重復(fù)性，它是指一個(gè)月或一年的周期中發(fā)生相同的時(shí)數(shù)，占這段時(shí)間總時(shí)數(shù)的百分比。將風(fēng)速頻率乘以全年小時(shí)數(shù)8760，即得到一年中某一風(fēng)速的小時(shí)數(shù)。,風(fēng)特性,自然界的風(fēng)是很復(fù)雜的，對(duì)風(fēng)能開(kāi)發(fā)利用有直接影響。 風(fēng)能隨時(shí)間變化 風(fēng)能隨高度變化 區(qū)域和當(dāng)?shù)氐匦螌?duì)風(fēng)能的影響,風(fēng)能隨時(shí)間變化,每個(gè)地方的風(fēng)特性可用風(fēng)玫瑰圖表示。圖5表示某氣象站測(cè)得的風(fēng)玫瑰圖。在這個(gè)圖上，每根直線的長(zhǎng)度表示在一年內(nèi)這個(gè)方向的風(fēng)的時(shí)間百分?jǐn)?shù)(風(fēng)向指向圓心)，每個(gè)圓或圓弧表示的時(shí)間為總時(shí)間的5%。在每根直線的端點(diǎn)的數(shù)字表示這個(gè)方向風(fēng)速的平均值。,圖5 風(fēng)玫瑰圖,例如，西北方向的風(fēng)，全年占11%，平均風(fēng)速為6.7米/秒。南風(fēng)，全年占15%，平均風(fēng)速為5.7米/秒。所有的直線的總長(zhǎng)度為100%。,圖6為能量玫瑰圖。這個(gè)圖是從16個(gè)方向的風(fēng)速立方之后分別取的平均值。圖6的能量玫瑰圖對(duì)應(yīng)于圖5的風(fēng)玫瑰圖。每根直線的長(zhǎng)度代表那個(gè)方向的風(fēng)能百分?jǐn)?shù)。所有的直線的總長(zhǎng)度為100%。值得注意的是：風(fēng)玫瑰圖不同于風(fēng)能玫瑰圖。如西北方向的風(fēng)占全年時(shí)間的11%，但平均風(fēng)能為21%。,圖6 能量密度玫瑰,風(fēng)能隨高度變化,在地球表面1006000米的范圍內(nèi)。風(fēng)速一般隨高度增加而增大。氣象學(xué)家把這個(gè)范圍做大氣邊界層。把風(fēng)速隨高度變化的圖形叫風(fēng)速剖面。在風(fēng)速剖面上，風(fēng)速變化很小，只受最大的地形影響，如山的影響。,圖7 三個(gè)高度的風(fēng)速時(shí)間曲線,圖7表示在15、30和100m的平面上空風(fēng)速變化。此圖表明：在一個(gè)很短時(shí)間內(nèi)，風(fēng)速是不規(guī)則的。在低高度的瞬時(shí)風(fēng)速大于較高高度的風(fēng)速也是常見(jiàn)的。,圖8 不同高度的速度時(shí)間曲線,圖8表示在十個(gè)不同高度上一天以內(nèi)各個(gè)時(shí)間的平均。除最下的兩條曲線外，其他數(shù)據(jù)都是用氣球測(cè)得的。在不同高度上，平均值變化最大的時(shí)間是在白天。在一天以內(nèi)，平均風(fēng)速隨高度增加。,在圖8每條曲線上，計(jì)算出平均值，并以高度作縱坐標(biāo)，可以得到圖9的平均風(fēng)速分布，即該地的風(fēng)速剖面。利用這條曲線，可以找到600m和1100m高度的風(fēng)速。這兩個(gè)高度在圖上用箭頭表示，順著箭頭向下看，找到相應(yīng)的橫坐標(biāo)得到的風(fēng)速分別是7m /s和8m /s。知道風(fēng)速剖面之后，有助于選取風(fēng)力機(jī)的最佳高度。,圖9 風(fēng)速剖面,風(fēng)速剖面的形狀與三個(gè)因素有關(guān)： A.地面是否平坦； B.空氣流過(guò)地表面時(shí)摩擦力的大小。例如，城市，鄉(xiāng)村和海洋的地面摩擦力不同，因此風(fēng)速剖面也不同(圖10)。 C.氣流流經(jīng)路線的溫差以及通過(guò)大氣的溫度。,圖10 地表上高度與風(fēng)速的關(guān)系,大都市中心地帶 有森林覆蓋的鄉(xiāng)鎮(zhèn)、 平原、沿海 城市郊區(qū) 地帶,地面高度（m）,區(qū)域和當(dāng)?shù)氐匦螌?duì)風(fēng)能的影響,我國(guó)幅員遼闊，地形十分復(fù)雜。局部地形對(duì)風(fēng)能有很大影響。這種影響在總的風(fēng)能資源圖上顯示不出來(lái)，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行補(bǔ)充測(cè)量和分析。,水平軸風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué),為了學(xué)習(xí)風(fēng)力機(jī)相關(guān)的空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí)，需要先了解一些流體動(dòng)力學(xué)，特別是飛行器空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí)。 風(fēng)力機(jī)是一種從風(fēng)中吸取動(dòng)能的裝置。通過(guò)動(dòng)能的轉(zhuǎn)移，風(fēng)速會(huì)下降，但是只有那些通過(guò)風(fēng)輪圓盤的空氣才會(huì)受到影響。,假設(shè)將受影響的空氣與那些沒(méi)有經(jīng)過(guò)風(fēng)輪圓盤、沒(méi)有減速的空氣分離出來(lái)，那么就可以畫出一個(gè)包含受到影響的空氣團(tuán)的邊界面，該邊界面分別向上游和下游延伸，從而形成一個(gè)橫截面為圓形的長(zhǎng)的氣流管（如圖11所示）。,圖11 風(fēng)力機(jī)吸收能量的流管,如果沒(méi)有空氣橫穿邊界面，那么對(duì)于所有的沿氣流管流向位置的空氣質(zhì)量流量都相等。但是因?yàn)榱鞴軆?nèi)的空氣減速，而沒(méi)有被壓縮，所以流管的橫截面積就要膨脹以適應(yīng)減速的空氣。,風(fēng)力機(jī)的存在導(dǎo)致上游剖面接近風(fēng)輪的空氣逐漸減速以至于當(dāng)空氣到達(dá)風(fēng)輪圓盤時(shí)其速度已經(jīng)低于自由流風(fēng)速了。風(fēng)速的降低導(dǎo)致了流管膨脹，因?yàn)槠渌俣葲](méi)有對(duì)氣體或通過(guò)氣體來(lái)做功，所以氣體的靜壓將上升以吸收其動(dòng)能的減少。,當(dāng)空氣經(jīng)過(guò)風(fēng)輪圓盤時(shí)顯然有靜壓降存在，以至于空氣離開(kāi)風(fēng)輪時(shí)其壓力會(huì)小于大氣壓力?？諝饬骶蜁?huì)以減小的速度和靜壓向下游前進(jìn)這個(gè)氣流域被稱為尾流。,最終，為了保持平衡，下游遠(yuǎn)端尾流的靜壓要與大氣壓保持一致。動(dòng)能的消耗使靜壓增加，從而導(dǎo)致風(fēng)速進(jìn)一步降低。因此在上游剖面遠(yuǎn)端和尾流遠(yuǎn)端之間，靜壓沒(méi)有發(fā)生變化，但是有動(dòng)能減少。,貝茨（Betz）理論,貝茨理論的建立，是假定風(fēng)輪是“理想”的，全部接受風(fēng)能（沒(méi)有輪轂），葉片無(wú)限多，對(duì)空氣流沒(méi)有阻力?？諝饬魇沁B續(xù)的，不可壓縮的，葉片掃掠面上的氣流是均勻的，氣流速度的方向不論在葉片前或葉片后都是垂直葉片掃掠面的（或稱平行風(fēng)輪軸線的），這時(shí)的風(fēng)輪稱為“理想風(fēng)輪”。,設(shè)風(fēng)輪前方的風(fēng)速為 , 是實(shí)際通過(guò)風(fēng)輪的風(fēng)速， 是葉片掃掠后的風(fēng)速，通過(guò)風(fēng)輪葉片前風(fēng)速面積為 ，葉片掃掠面的風(fēng)速面積為 ，風(fēng)輪掃掠后的風(fēng)速面積為 。,風(fēng)吹到葉片上所做的功是將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能，則必有 ， 。,圖12 貝茨（Betz）理論計(jì)算簡(jiǎn)圖 葉片前的風(fēng)速； 風(fēng)經(jīng)過(guò)葉片時(shí)的速度； 風(fēng)經(jīng)過(guò)葉片后的速度； 葉片前風(fēng)速的面積； 風(fēng)經(jīng)過(guò)葉片時(shí)的面積； 風(fēng)經(jīng)過(guò)葉片后的面積,于是 風(fēng)單位時(shí)間作用在葉片上的力由動(dòng)量定理求得 式中： 空氣當(dāng)時(shí)的密度，kg/m3； 單位時(shí)間流過(guò)的空氣質(zhì)量，kg。,風(fēng)輪所接受的功率為 經(jīng)過(guò)風(fēng)輪葉片的風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化 式中： 單位時(shí)間流過(guò)的空氣質(zhì)量。,因此，風(fēng)作用在風(fēng)輪葉片上的力F和風(fēng)輪輸出的功率N分別為,風(fēng)速 是給定的， 的大小取決于 ，是 的函數(shù)， 對(duì)微分求最大值，得 令其等于0，求解方程，得,求Nmax得 令 =0.593為 ,稱作貝茨功率系數(shù) （或稱作理想風(fēng)能利用系數(shù)）,有,而 正是風(fēng)速為 的風(fēng)能,故 =0.593說(shuō)明風(fēng)吹在葉片上,葉片所能獲得的最大功率為風(fēng)吹過(guò)葉片掃掠面積風(fēng)能的59.3%.貝茨理論說(shuō)明,理想的風(fēng)能對(duì)風(fēng)輪葉片做功的最高效率是59.3%。,風(fēng)輪圓盤理論,將吸收能量轉(zhuǎn)化為可用能量的方式取決于風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)。多數(shù)風(fēng)力機(jī)采用帶有許多葉片的旋翼，葉片繞垂直于旋翼面且平行于風(fēng)向軸線的角速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。,葉片掃過(guò)形成一個(gè)圓盤，依靠葉片的空氣動(dòng)力設(shè)計(jì)在圓盤前、后形成壓力差，該壓力差造成尾流軸向動(dòng)量的損失。伴隨軸向動(dòng)量損失的是一種可以通過(guò)連接在風(fēng)輪軸的發(fā)電機(jī)收集起來(lái)的能量，正像風(fēng)輪受到推力一樣，在旋轉(zhuǎn)方向的轉(zhuǎn)矩可以被收集起來(lái)。,發(fā)電機(jī)對(duì)旋轉(zhuǎn)速度恒定的氣流施加一個(gè)大小相等、方向相反的轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩對(duì)發(fā)電機(jī)做功并轉(zhuǎn)化為電能。,旋渦理論,風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)工作時(shí)，流場(chǎng)并不是簡(jiǎn)單的一維定常流動(dòng)，而是一個(gè)三維流場(chǎng)，這個(gè)三維流場(chǎng)可看成由三個(gè)方向的一維定常流動(dòng)組成的。研究指出：風(fēng)輪工作時(shí)，在流場(chǎng)中形成三種渦流。,一種是由于氣流流經(jīng)旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪，通過(guò)葉尖部的氣流跡線為螺旋線，在流場(chǎng)中形成螺旋渦流；同樣在輪轂附近有同樣的渦流形成中心渦流；另外，氣流通過(guò)葉片時(shí)，由于翼葉上下表面壓力不同，也形成渦流，這個(gè)渦流叫做邊界渦流。,正因?yàn)闇u流的存在，流場(chǎng)中軸向和周向速度發(fā)生變化，所以在貝茨理論的基礎(chǔ)上引入誘導(dǎo)因子。,圖13 風(fēng)輪的渦流系統(tǒng),風(fēng)輪葉片理論,在順翼展的方向，作用于風(fēng)輪葉片半徑為、長(zhǎng)度為的展向葉素上氣動(dòng)升力（和阻力）是由通過(guò)葉素掃過(guò)的圓環(huán)的氣體軸向動(dòng)量變化率和角動(dòng)量變化率產(chǎn)生的。另外，作用于葉素上的力是由空氣動(dòng)力升力和阻力來(lái)提供，這種力是由關(guān)聯(lián)尾流旋轉(zhuǎn)速度的壓力降引起的。,由于在接近圓盤的地方無(wú)旋轉(zhuǎn)氣流，就像引起軸向動(dòng)量變化一樣，由旋轉(zhuǎn)尾流導(dǎo)致的圓盤順風(fēng)面壓力的減少是以階躍壓降的形式出現(xiàn)的。由于在遠(yuǎn)下游的尾流仍然在旋轉(zhuǎn)，所以旋轉(zhuǎn)引起的壓力降也就存在，也就不會(huì)對(duì)軸向動(dòng)量改變有影響。,葉素理論,葉素理論的研究是將葉片沿展向分成微元段，每個(gè)微元段稱為一個(gè)葉素。這里假設(shè)作用在每個(gè)葉素上的力相互之間沒(méi)有干擾，葉素本身可以視為一個(gè)二元翼型。研究風(fēng)輪的受力情況，一般以葉素為研究對(duì)象，分析葉素上所受的的力和力矩，然后沿翼展方向積分，即可求得風(fēng)輪上所受的力和力矩。具體葉素受力情況如圖所示：,圖14 翼型在氣流中的受力分析,葉素-動(dòng)量定理,葉素-動(dòng)量定理的基本假定是：作用于葉素上的力僅與通過(guò)葉素掃過(guò)的圓環(huán)的氣體的動(dòng)量變化有關(guān)。因此，假定通過(guò)臨近圓環(huán)的氣流之間不發(fā)生徑向相互作用嚴(yán)格地說(shuō)，唯一正確的條件是軸流誘導(dǎo)因數(shù)沿徑向不變。,實(shí)際上，軸流誘導(dǎo)因數(shù)很少是相同的，但LOCK（1924）關(guān)于氣流通過(guò)螺旋槳的實(shí)驗(yàn)表明徑向獨(dú)立的假定是可以接受的。 關(guān)于葉素-動(dòng)量定理需要補(bǔ)充一點(diǎn)：只有葉片具有均勻的環(huán)量，即均勻時(shí)，該理論才適用。,水平軸風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ),當(dāng)風(fēng)吹過(guò)風(fēng)力機(jī)時(shí)，風(fēng)輪就會(huì)旋轉(zhuǎn)，從風(fēng)中獲得能量。造成風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)有兩種方法，一種是利用阻力，另一種利用氣動(dòng)升力。,圖15 簡(jiǎn)單風(fēng)力提水裝置,圖17 作用在葉片上的力,圖18 葉片翼型上壓力分布,圖19 翼型的升力、阻力曲線,風(fēng)輪的性能指標(biāo),輸出功率 尖速比 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù) 升力系數(shù)(Cl)和阻力系數(shù)(Cd),輸出功率,風(fēng)的動(dòng)能與速度的平方成正比。當(dāng)一個(gè)物體使空氣速度變慢時(shí)，空氣中的動(dòng)能部分轉(zhuǎn)變成物體上的壓力能。整個(gè)物體上的壓力就是作用在這個(gè)物體上的力。功率是力和速度的乘積。這也可用于風(fēng)輪的功率計(jì)算。,風(fēng)輪輸出功率可以利用下面的公式表示風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪從風(fēng)中吸收的功率： 式中： -風(fēng)能利用系數(shù) ； -風(fēng)輪掃掠過(guò)的面積，m2 ； -空氣密度,kg/m3； -風(fēng)速,m/s 。,風(fēng)能利用系數(shù),風(fēng)力機(jī)能夠從自然風(fēng)中得到的能量百分比，稱為風(fēng)能利用系數(shù)（Rotor Power coefficient）,可用下式表示： 其中: 實(shí)際得到的輸出功率,W ； 風(fēng)輪掃掠過(guò)的面積，m2 ； 空氣密度,kg/m3 ； 風(fēng)速,m/s 。,圖20 幾種典型風(fēng)輪的效率,尖速比,表示風(fēng)力機(jī)性能的數(shù)值稱為T.S.R(Tip Speed Ratio),它定義為風(fēng)力機(jī)葉片葉尖速度和風(fēng)速的比值，稱為葉尖速度比（或高速性能系數(shù)），簡(jiǎn)稱尖速比,表示為： 式中： 旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s； R 風(fēng)輪的半徑，m； n 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，r/min; V 風(fēng)速，m/s。,風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù),風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過(guò)葉片捕獲風(fēng)能，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為作用在輪轂上的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，風(fēng)輪的功率也可以用風(fēng)輪的轉(zhuǎn)矩與其旋轉(zhuǎn)角速度的乘積來(lái)表示，即,風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪從風(fēng)中吸收的功率： 式中： -風(fēng)能利用系數(shù) ； -風(fēng)輪掃掠過(guò)的面積，m2 ； -空氣密度,kg/m3； -風(fēng)速,m/s 。,將上述兩式聯(lián)立得： ； 另設(shè)轉(zhuǎn)矩系數(shù) ； 則： 。,升力系數(shù)(Cl)和阻力系數(shù)(Cd),Cl和Cd隨攻角的變化 升力系數(shù)曲線由直線和曲線兩部分組成。與Clmax對(duì)應(yīng)的im點(diǎn)稱為失速點(diǎn)，超過(guò)失速點(diǎn)后，升力系數(shù)下降，阻力系數(shù)迅速增加。負(fù)攻角時(shí)，Cl也成曲線形，Cl通過(guò)一最低點(diǎn)Clmin。阻力系數(shù)曲線的變化則不同，它的最小值對(duì)應(yīng)一確定的攻角值。,(1)彎度的影響,翼型的彎度加大后，導(dǎo)致上、下弧流速差加大，從而使壓力差加大，故升力增加；與此同時(shí)，上弧流速加大，摩擦阻力上升，并且由于迎流面積加大，故壓差阻力也加大，導(dǎo)致阻力上升。,(2)厚度的影響,翼型厚度增加后，其影響與彎度類似。同一彎度的翼型，厚度增加時(shí)，對(duì)應(yīng)于同一攻角的升力有所提高，但對(duì)應(yīng)于同一升力的阻力也較大，使升阻比有所下降。,埃菲爾極線,為了便于研究問(wèn)題，可將Cl和Cd表示成對(duì)應(yīng)的變化關(guān)系曲線，稱為埃菲爾極線(圖21)。其中直線OM的斜率是 當(dāng) 值較大時(shí)，效率是較高的。,風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的氣動(dòng)設(shè)計(jì),把風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械化能是由風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪完成的，因此，風(fēng)輪設(shè)計(jì)極為重要。,風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)的基本概念,葉片翼型的幾何形狀與空氣動(dòng)力特性 風(fēng)輪的組成部件，主要是葉片。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪，一般是由2-3片葉片組成的。為了理解葉片的功能，即它們是怎樣將風(fēng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的，必須懂得有關(guān)翼型的空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí)。,l,A,N,M,i,圖22 葉片的剖面形狀,V,B,V,翼型的尖尾點(diǎn)B為后緣，圓頭上A點(diǎn)稱為前緣。連接前、后緣的直線AB= ,稱為翼弦。AMB為翼型上表面，ANB稱為翼型下表面。從前緣到后緣的虛線叫做翼型的中張線。迎角 是翼型與來(lái)流速度矢量之間的夾角。,下面考慮風(fēng)吹過(guò)葉片時(shí)所受的空氣動(dòng)力。翼剖面上的壓力分部如圖23所示。上表面壓力為正，下表面壓力為負(fù)，下表面壓力為正。合力如圖24所示。,高壓,低壓,圖24 翼剖面上的合力,圖23 翼剖面上的壓力,合力可用下式表達(dá)： 式中： 空氣密度，kg/m3； 葉片面積=葉片長(zhǎng)翼型，m2； 總的氣動(dòng)力系數(shù)。,這個(gè)力可以分解為兩個(gè)分力： 垂直于氣流速度的分力升力 平行于氣流速度的分力阻力,和 可用下式表示： 和 分別別為翼型的升力系數(shù)和阻力系數(shù)。由于這兩個(gè)力互相垂直，所以,翼剖面的升力系數(shù)和阻力系數(shù)隨攻角而變化（見(jiàn)圖25、圖26）。,圖25 翼剖面的升力系數(shù)隨攻角變化的曲線,圖26 翼剖面的阻力系數(shù)隨攻角變化的曲線,風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)的幾何定義,首先介紹與風(fēng)輪有關(guān)的幾何定義。 風(fēng)輪軸：風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的軸線。 旋轉(zhuǎn)平面：與風(fēng)輪軸垂直，葉片在其旋轉(zhuǎn)的平面。 風(fēng)輪直徑：風(fēng)輪掃掠面的直徑。,葉片軸：葉片縱向軸，繞此軸可以改變?nèi)~片相對(duì)于旋轉(zhuǎn)平面的偏轉(zhuǎn)角（安裝角）。 在半徑r處的葉片截面：葉片與直徑r并以風(fēng)輪軸為軸線的圓柱相交的截面（圖27）。 安裝角或槳距角：在半徑r0處翼型的弦線與旋轉(zhuǎn)面的夾角（圖28）。,圖27 在半徑r處的葉片截面 圖28 安裝角,葉素特性,風(fēng)輪葉片在半徑 處的一個(gè)基本單元稱葉素，其長(zhǎng)度為 ，弦長(zhǎng)為 ，安裝角為。這個(gè)葉素在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的速度| |= 。如果把 當(dāng)作流過(guò)風(fēng)輪的軸向速度，則空氣相對(duì)葉片的速度為 ，如圖29所示。I是 和風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面的夾角，稱為傾角。,圖29 翼型參數(shù)關(guān)系,翼型的確定,在設(shè)計(jì)風(fēng)輪葉片時(shí)，必須事先選擇好翼型。根據(jù)給出的各種翼型查表得出作圖用數(shù)據(jù)對(duì)弦長(zhǎng)的百分比。如果設(shè)計(jì)者確定了弦長(zhǎng)，就可通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算作出正確的翼型圖。,變速變距機(jī)組控制系統(tǒng)構(gòu)成,控制系統(tǒng)是風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行的大腦指揮中心，控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行就是機(jī)組安全運(yùn)行的保證，各類機(jī)型中，變速變距型風(fēng)電機(jī)組控制技術(shù)較復(fù)雜，其控制系統(tǒng)主要由三部分組成：主控制器、槳距調(diào)節(jié)器、功率控制器（轉(zhuǎn)矩控制器）。系統(tǒng)構(gòu)成如圖30所示。,圖30 變速變距風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)構(gòu)成圖,主控制器主要完成機(jī)組運(yùn)行邏輯控制，如偏航、對(duì)風(fēng)、解纜等，并在槳距調(diào)節(jié)器和功率控制器之間進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。,槳距調(diào)節(jié)器主要完成葉片節(jié)距調(diào)節(jié)，控制葉片槳距角，在額定風(fēng)速之下，保持最大風(fēng)能捕獲效率，在額定風(fēng)速之上，限制功率輸出。,功率控制器主要完成變速恒頻控制，保證上網(wǎng)電能質(zhì)量，與電網(wǎng)同壓、同頻、同相輸出，在額定風(fēng)速之下，在最大升力槳距角位置，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)、葉輪轉(zhuǎn)速，保持最佳葉尖速比運(yùn)行，達(dá)到最大風(fēng)能捕獲效率，在額定風(fēng)速之上，配合變槳距機(jī)構(gòu)，最大恒功率輸出。,小范圍內(nèi)的抑制功率波動(dòng)，由功率控制器驅(qū)動(dòng)變流器完成，大范圍內(nèi)的超功率由變槳距控制完成。,