风力发电技术基础教程

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1、风力发电技术基础教程风力发电技术基础教程崔 新 维 2002.7.11.目目 录录 风力发电技术概述 风力机的理论基础 机组的机械零部件 机组电气系统 风资源概述第一章第一章 风力发电技术概述风力发电技术概述 风力发电机组的总体构成 风力发电机组的主要机型 风力发电机组中的关键技术一、风力发电机组的总体构成一、风力发电机组的总体构成风 电 机组 风力发电机组的主要组成部分： 叶轮：将风能转变为机械能。 传动系统：将叶轮的转速提升到发电机的额 定转速 发电机：将叶轮获得的机械能再转变为电能。 偏航系统：使叶轮可靠地迎风转动并解缆。 其它部件：如塔架、机舱等 控制系统：使风力机在各种自然条件与工况

2、下正常运行的保障机制，包括调速、调向和安全控制。 风力发电机组（以下简称风力机）是一种能量转换装置将风能转换为电能的。二、风力发电机组的主要机型二、风力发电机组的主要机型 按叶轮转速是否恒定分： 定速风力机 变速风力机 按叶片与轮毂的联接方式分： 定桨距 （失速型）机组 变桨距机组其它机型 主动失速型 无齿轮箱型 海上机组 基本特征基本特征 水平轴 三叶片 上风式 双速发电机 机型的发展趋势机型的发展趋势 定桨距 变桨距 定速型 变速型 Kw级 MW级 有齿轮箱式 直接驱动式三、风力发电机组中的关键技术三、风力发电机组中的关键技术 机组的设计方法与技术机组的设计方法与技术 叶片的设计与制造技术

3、叶片的设计与制造技术 气动设计 结构设计 制造工艺 机组控制技术机组控制技术 功率控制技术 载荷控制技术 并网技术 远程监控技术第二章第二章 风力机基础理论风力机基础理论 叶片的空气动力特性叶片的空气动力特性 叶轮的空气动力模型叶轮的空气动力模型2.1 空气动力学的基本概念一、流线流线 气体质点：气体质点：体积无限小的具有质量和速度的流体微团。 流线：流线： 在某一瞬时沿着流场中各气体质点的速度方向连成的一条平滑曲线。 描述了该时刻各气体质点的运动方向：切线方向。 流场中众多流线的集合称为流线簇。一般情况下，各流线彼此不会相交如图所示。绕过物体的流线簇 绕过障碍物的流线绕过障碍物的流线: 当流

4、体绕过障碍物时，流线形状会改变，其形状取决于所绕过的障碍物的形状。 不同的物体对气流的阻碍效果也各不相同不同的物体对气流的阻碍效果也各不相同 考虑几种形状的物体，它们的截面尺寸相同，但侧面形状各异，对气流的阻碍作用（用阻力系数度量）不同。0.470.0441.330.341.11侧面形状不同的几种物体二、阻力与升力 阻力阻力： 当气流与物体有相对运动时，气流对物体的平行于气流方向的作用力。 升力升力： 先定性地考察一番飞机机翼附近的流线。当机翼相对气流保持图示的方向与方位时，在机翼上下面流线簇的疏密程度是不尽相同的。 1 2 1 1 3 1根据流体运动的质量守恒定律，有连续性方程连续性方程 A

5、1V1 = A2V2 + A3V3 其中：A、V分别表示截面积和速度。 下标1、2、3分别代表前方或后方、上表面 和下表面处。根据伯努利方程伯努利方程： P = Pi +1/2 * Vi2 即：气体总压力=静压力+动压力=恒定值 考察翼型剖面气体流动的情况： 上翼面突出，流场横截面面积减小，空气流速大， 即V2V1。而由伯努利方程，必使： P2 CTCT时，C CL L下降。 当 = = 0 0(0)时， C CL L=0，表明无升力。0称为零升力角，对应零升力线。用阻力特性曲线来描述。 CD CDmin CDmin 两个特征参数： 最小阻力系数C CDminDmin及对应攻角 CDminCD

6、min 。 4、翼剖面的阻力特性2.2 叶轮空气动力学基础叶轮的作用叶轮的作用：将风能转换为机械能一、叶轮的几何描述一、叶轮的几何描述 叶轮轴线：叶轮旋转的轴线。 旋转平面：桨叶扫过的垂直于叶轮轴线的平面。 叶片轴线：叶片绕其旋转以改变相对于旋转平面的偏转角安装角（重要概念）。 半径r处的桨叶剖面：距叶轮轴线r处用垂直于叶片轴线的平面切出的叶片截面。 安装角：桨叶剖面上的翼弦线与旋转平面的夹角，又称桨距角，记为。 半径r处叶片截面的几何桨距：在r处几何螺旋线的螺距。 可以从几个方面来理解： 几何螺旋线的描述：半径r，螺旋升角 。 此处的螺旋升角为该半径处的安装角 r。 该几何螺旋线 与r处翼剖

7、面 的弦线相切。 桨距值： H=2 r tg r二、贝兹理论1. 1.贝兹理论中的假设贝兹理论中的假设 叶轮是理想的； 气流在整个叶轮扫略面上是均匀的； 气流始终沿着叶轮轴线； 叶轮处在单元流管模型中，如图。 流体连续性条件：S1V1 = SV = S2V22. 对叶轮应用气流冲量原理 叶轮所受的轴向推力： F = m ( V1 - V2 ) 式中m= SV，为单位时间内的流量质量 叶轮单位时间内吸收的风能叶轮吸收的功率为： P=FV= SV2(V1-V2)3、动能定理的应用 基本公式：E=1/2 mV2 （m同上） 单位时间内气流所做的功功率： P=1/2 mV2= =1/2 SV V2 在

8、 叶轮前后，单位时间内气流动能的改变量： P= 1/2 SV (V21_ V22) 此既气流穿越叶轮时，被叶轮吸收的功率。 因此： SV2(V1-V2)= 1/2 SV (V21_ V22) 整理得： V=1/2 (V1+V2) 即穿越叶轮的风速为叶轮远前方与远后方风 速的均值。4.4. 贝兹极限贝兹极限 引入轴向干扰因子进一步讨论。 令： V = V1( 1- a ) = V1 U 则有：V2 =V1 ( 1- 2a ) 其中： a轴向干扰因子，又称入流因子。 U=V1a轴向诱导速度。 讨论： 当a1/2时，V20，因此a1/2。 又V 0 ，有1a0。 a的范围： a 0 由于叶轮吸收的功

9、率为 P= P= 1/2 SV (V21_ V22) = 2 S V13a( 1- a )2 令dP/da=0，可得吸收功率最大时的入流因子。 解得：a=1和a=1/3。取a=1/3，得 Pmax =16/27 (1/2 SV13 ) 注意到1/2 SV13 是远前方单位时间内气流的动能功率，并定义风能利用系数Cp为： Cp=P/(1/2 SV13 ) 于是最大风能利用系数Cpmax为： Cpmax=Pmax/(1/2 SV13 )=16/27 0.593 此乃贝兹极限。此乃贝兹极限。三、三、 叶素理论叶素理论1、基本思想、基本思想 将叶片沿展向分成若干微段叶片元素叶素； 视叶素为二元翼型，即

10、不考虑展向的变化； 作用在每个叶素上的力互不干扰； 将作用在叶素上的气动力元沿展向积分，求得作用在叶轮上的气动扭矩与轴向推力。2、叶素模型、叶素模型 端面： 桨叶的径向距离r处取微段，展向长度dr。 在旋转平面内的线速度：U=r。翼型剖面： 弦长 C，安装角 。 设V为来流的风速，由于有线速度U，气流相对于桨叶的速度应是两者的合成，记为W。 W V U dF dR dL旋转平面定义W与叶轮旋转平面的夹角为入流角，记为 ，则有叶片翼型的攻角为： = - 。3、叶素上的受力分析叶素上的受力分析 在W的作用下，叶素受到一个气动合力元dR，可分解为平行于W的阻力元dD和垂直于W的升力元dL。 另一方面

11、，dR还可分解为推力元dF和扭矩元dT，由几何关系可得： dFdLcos + dDsin dTr(dLsin - dD cos ) 由于可利用阻力系数CD和升力系数Cl 分别求得dD和dL: dL = 1/2 CLW 2C dr dD = 1/2 CD W 2C dr 故dF和dT可求。 将叶素上的力元沿展向积分，得： 作用在叶轮上的推力：F= dF 作用在叶轮上的扭矩：T= dT 叶轮的输出功率：P= dT= T第三章第三章 机组机械零部件机组机械零部件主要机械零部件： 叶轮：叶片、轮毂及其联接。 变桨距机构：原动装置、传动部件、执行部件等。 传动系：主轴、主轴轴承、齿轮箱、机械刹车、联轴器