南京工业大学风力发电原理第三章汇总.ppt

风力发电原理 谭剑锋 第三章 风能转换原理 第三章 风能转换原理 需要掌握： 风力机气动特性 风力机性能特性 风力机转换基础理论 动量理论 叶素理论 涡流理论 Betz极限 一、风力机气动特性 风力发电系统：实现“风能－机械能－电能”转换的系统，称为风力发电系统，是一个非常复杂的能量转换系统，包括学科知识：空气动力学、机械学、流体力学、结构力学、电气电子技术、计算机技术、通信技术、电机技术、电网技术……… 一、风力机气动特性 将风能转换为机械能，带动发电机发电。 风力机性能很大程度上取决于风力机气动特性 3.1 叶片气动力 一、风力机气动特性 风力机气动性能主要取决于叶片，叶片最主要特征是翼型。 翼型的基本参数 叶片翼型 一、风力机气动特性 叶片空气动力学特性 空气动力学：叶片受到的空气作用力，升力、阻力 升阻比：升力系数与阻力系数之比 升力：风力机有效工作，风力机发电扭矩 阻力：风力机正面载荷 风力机对翼型要求：最大升阻比 一、风力机气动特性 翼型参数的影响 攻角 翼型类型 表明粗糙度 雷诺数 空气惯量与粘性力之比。雷诺数越小，粘性越大，阻力越大，升阻比减小 影响升力系数和阻力系数，对阻力系数影响更大，也影响失速特性 对称翼型 拱形翼型 前缘下垂 附着流 失速 二、风力机转换理论 1919年，德国物理学家贝兹首次提出贝兹法则：如果采用风轮机，只能把不足16/27的风的动能转化成机械能。 气流是理想不可压缩的均匀定常流； 风轮简化成一个无限桨叶构成的桨盘 桨盘上没有摩擦力 风轮流动模型简化成一个单元流管 风轮前后远方的气流静压相等 轴向力沿桨盘均匀分布 基 本 假 设 动量理论 二、风力机转换理论 二、风力机转换理论 能量守恒法 二、风力机转换理论 静压相等法 风轮出速度为风轮前后速度的平均值 二、风力机转换理论 最大利用系数 Betz极限 二、风力机转换理论 这就是著名的贝兹理论，他说明风轮从自然界中获得的能量是有限的，理论上最大值为0.593，损失部分可解释为留在尾迹中的气流旋转动能。 二、风力机转换理论 理想的风能利用系数Cp的最大值是0.593。Cp值越大，表示风轮机能够从自然界中获得的能量百分比越大，风轮机的效率越高，即风轮机对风能的利用率也越高。对实际有用的风轮机来说，风能利用系数主要取决与风轮叶片的气动和机构设计及制造工艺水平。如高性能螺旋桨式风力机，其Cp值一般是0.45，而阻力型风轮机只有0.15左右。 二、风力机转换理论 叶素理论 叶片相对运动速度 来流速度 速度矢量 有效攻角 二维翼型 升力系数 阻力系数 力矩系数 推力 扭矩 变距力矩 发电功率 叶素 二、风力机转换理论 各段叶素力： 分解到旋转平面和垂直于旋转平面 沿桨叶积分得到 扭矩 和 推力 二、风力机转换理论 涡流理论 动量理论 叶素理论 气流与风轮相互作用 尾流 有限长度 非均匀 理想假设 涡系结构： 中心涡，集中在转轴 叶片的边界涡 叶片尖部的螺旋涡 叶素中增加诱导速度矢量u 三、风力机特性 风能利用系数定义为风轮机的风轮能够从自然风能中吸收的能量与输入风能之比。风能利用系数可表示为 风能利用系数Cp 叶尖速比 三、风力机特性 三、风力机特性 风能利用系数随叶尖速比变化 定桨距风力机性能曲线 最大风能利用系数只有一点 变转速 变桨距 最佳叶尖速比 三、风力机特性 风力机运行特性 定桨距风力机 变桨距风力机 定桨距风力机 桨距不变 恒定转速 低转速 高转速 低速区效率高，高速区失速，效率低 低速区叶尖比速度高，效率低 双速风力机 低速效率高 高速效率高 三、风力机特性 变桨距风力机： 克服定桨距通过失速被动调节缺陷，大多大型风力机采用 小桨距 启动力矩低 降低启动风速 顺桨 阻力距增大 空气制动 制动至停止？ 三、风力机特性 风力机功率限制因素 功率限制：发电机与电气 转速限制：叶片结构强度 当风速达到启动风速是，风轮机开始运行，带动发电机发电。 随着风速增加发电机的功率开始增加。达到设计风速时，风力发电机可以达到额定功率。 当风速进一步增加时，风力发电机的能量控制开始工作，是发电机不会超负荷，而是在额定点附近工作。 如果风速进一步增大超过了能量控制调节的范围，风力发电机就会实施停机保护。 典型的风力发电机的输出功率曲线 三、风力机特性 三、风力机特性 实度的影响 定义： 低实度：风能利用系数低而平坦 高实度：风能利用系数高而狭窄 3叶片实度最佳 风轮机的工程设计是根据功率要求，安装选用的叶轮形式和相应的风轮机特性曲线，计算风轮的半径和转速。 三、风力机特性 风轮机的设计 三、风力机特性