风力发电原理——2012第二章.ppt

2.4 风能转换基本原理 3 涡流理论 涡流系统对风力发电机的影响可以分解为对风速和对风轮转速两方面 。涡流形成的气流通过风轮的轴向速度与风速方向相反 ，旋转速度方向与风轮转速方向相同 ，矢量图如下图 。 风速的涡流系统 假定： 叶素理论中相对风速及对应倾角也发生相应变化 ： 2.5 风力机运行特性 2.5.1 风轮空气动力特性 风力机基本特性，即风轮的空气动力特性，通常由一簇包含风能利用系数Cp和叶尖速比λ的无因次性能曲线来表达， Cp是叶尖速比和桨距角的高阶非线性函数。例：一种拟合公式： 风轮空气动力特性 保持节距角不变，用一条曲线就能描述出它作为λ的函数的性能和表示从风能中获取的最大功率。风力机从风中捕获的机械功率为 在任何风速下，只要使得风轮的尖速比λ＝λopt，就可维持风力机在Cpmax下运行，λopt称为最佳叶尖速比。使风力机维持在最佳叶尖速比运行的主要通过控制风力机转速来达到这一目的，这时风力机从风能中获取的机械功率为： 风轮运行特性 （定桨距风力机） 1）转速设定对输出功率的影响（恒速风机） 设定风速低：风速低时产生功率小 ，风速高时发生失速，效率偏低 设定风速高：风速高时获得大量风能，风速低时效率低下 解决办法：双速风力发电机 2）桨距角设定的影响 扭曲叶片； 桨距角设定； 桨距角调整 风轮运行特性 （变桨距风力机） 启停特性： 1）采用大的正桨距角时可以在叶轮启动时产生大的启动扭矩 2）关机时采用90度桨距角，这样可以降低叶轮的空转速度以便施加制动刹车 运行特性： 1）风力机转速-气动转矩曲线 2）风力机转速-输出功率曲线 风力机转速-输出功率曲线 风速作为参数及 的风轮功率 风力机转速-输出功率曲线 图2-31 桨距角作为参数及 的功率 风轮运行特性 （变桨距风力机） 不同风速下的扭矩－转速特性 1）功率限制：所有电路及电力电子器件受功率限制； 2）转速限制：所有旋转部件的机械强度受转速限制。 2.5.3 实度对风力机特性的影响 实度可以通过改变叶轮的桨叶数量改变，也可以通过改变桨叶的弦长来改变 实度 ：风力机叶片的投影面积所占风轮面积的比例 B为叶片个数；S为叶片对风投影面积 实度变化对风能利用系数的影响 湍流强度用来描述变化的程度，反映脉动风速的相对强度 2. 湍流强度 三个正交方向上瞬时风速分量的湍流强度 u’ ， v’ ，ω’ —分别为三个正交方向上的脉动风速分量 一般εuεvεω。在工程中，我们主要考虑纵向湍流强度εu Z —离地面高度 ,α —地表粗糙长度 * 下图分别给出了纵向湍流强度随高度和地表粗糙度长度变化的曲线。由图可知，纵向湍流强度随高度的增加而减小，随地表粗糙度长度的增加而增大。 2. 湍流强度 纵向湍流强度随高度的变化曲线 纵向湍流强度随地面粗糙长度的变化曲线 * 在结构设计中，需要考虑阵风的影响，因此，引入阵风系数G。阵风系数是指阵风风速与平均风速之比，它与湍流强度有关。湍流强度越大，则阵风系数越大；阵风持续时间越长则阵风系数越小。有关文献给出了如下表达式： 3.阵风系数 式中 εu —纵向湍流强度；T —阵风持续时间 * 2.1.6 极端风 1）热带气旋 2）寒潮大风 3）龙卷风 1. 极端风种类 2. 重现期 若重现期为N，则超过设计最大风速的概率为 ，保证率就为 取一个大于各年份最大风速平均值的风速作为设计最大风速。从统计学的角度，这个风速要间隔一段时间才出现一次，这段间隔时间叫重现期。 。 * 3. 最大风速概率分布 a — 尺度参数；b — 位置参数 分布函数： 某地年最大风速的累积分布曲线 * 4. 设计最大风速 式中，μ—保证系数 重现期N/年 30 50 100 1000 保证率p 0.967 0.980 0.990 0.999 保证系数μ 2.20 2.59 3.14 4.94 设计最大风速可用最大风速累积分布函数来求取。设计最大风速为 不同重现期N下的保证系数 * 2.1.7 地形地貌对风的影响 1)地面建筑物 地面建筑物对风速的扰动区范围大小取决于建筑物的形状（宽高比）。 建筑物形状B/H 下游距离 5H 10H 20H 风速降低/（%） 湍流增强/（%） 风速降低/（%） 湍流增强/（%） 风速降低/（%） 湍流增强/（%） 4 36 25 14 7 5 1 3 24 15 11 5 4 0.5 1 11 4 5 1 2 - 0.33 2.5 2.5 1.3