风电技术基础.风力发电原理.ppt

风力发电原理 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 1.204 kg ；在 -10°C 的温度下，每立方米空气重 1.342 kg，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。 风力发电原理 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。 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 ρ 阻力型风力机 古波斯的风力机 阻力型风力机 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） 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 升力型风力机 垂直轴风力机VAWT, 达里厄Darrieus 升力型风力机水平轴HAWT, 美国多叶片 升力型风力机 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） 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。 基本原理 风能利用系数 cp: 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 基本原理理想Betz效率 CP – λ曲线 基本原理：实际各种风机效率 * 中能联创－夏晖 * 中能联创－夏晖 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（= 21 km/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。 1922年，芬兰工程师 S. J. Savonius发明了 Savonious风机 Ref: www.ifb.uni-stuttgart.de/~doerner/edesignphil.html 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。 理想值 One blade Two blades Three blades Darrieus Dutch-Type American Sheet3 Sheet2 Sheet1 Chart1 .00 .50 .50 1.00 1.00 .10 .10 .54 .50 1.00 1.00 .20 .10 .58 .50 1.00 1.00 .30 .10 .59 .50 1.00 1.00 .40 .10 .59 .50 1.00 1.00 .50 .10 .56 .50 1.00 1.00 .60 .10 .51 .50 1.00 1.00 .70 .10 .43 .50 1.00 1.00 .80 .10 .32 .50 1.00 1.00 .90 .10 .18 .50 1.00 1.00 1.00 .10 2.22E-16 .50 1.00