风力发电功率和叶尖速比.docx

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风力发电功率和叶尖速比

〔〕穿过风轮桨叶扫掠面的风能

设：

V—风速〔指未扰动气流的流速〕•米/秒；

D—风轮总径•米；

A——风轮叶片扫掠面枳・米2；

p—空气密度•千克/米叫

那么单位时间内穿过风轮打掠血积的动能•即功率PA〔见图5-2〕为：

ffl5-2风轮扫掠而

Pa=-?

-A-S=^pDV・千克•米幻科

Zo

〔二〕风能利用系数〔；

风能利用系数G

_也位时间内转变为风轮机械能的风悄

单位时间内穿过风轻桨川打掠血A的全部风陲

_风轮的输出功率

输入凤轮面内的功申

凤能利用系数圧衣征风轮机效率的重要参数•它衣明风轮机从风中获得的有用能址

的比例•根据贝茨理论•风能利用系数的最大值为0•煮门关丁贝茨最大值的推导见本章

第七节。

水平轴风轮机的Cp-0.2〜0.5・

亚直轴风轮机的Cp-0.3〜0.4。

风能利用系数又称功率系数"

（3）风轮的功率

讹轮的功率即指转变为机械能的功率

P=Cp・今A・VJ（5-3）

由式（5-1）和（5—3）可以看出,

1.当丫=常数.pxlH即当风速一定时•风轮的功率和风轮M径的平方成iE比）.

2.当【）=常数・i）xS（即当风轮直径固定时•风轮的功率和风速的立方成正比）,

3.当风轮£径、风速不变时•风轮的功率与Cp成正比。

4.风轮功率和风轮叫片数无关.但与空气密度成正比。

任风速为丫时，风轮叶片尖端的线速度与该风速之比称为风轮的尚速性系数。

高速性系数可表示为：

入=童

V式中入一高速性系数；

O

3——凤轮在风速V时的旋转用速度2>=爭1•弧度・秒J

0（）

——风轮叶片尖处的线速度•弧度・秒T・米；

n转迷•转/分。

2?

r•R

所以X=^^=5o?

ne—4）

由此可知•高速性系数是反映在一定风速F风轮转速上下的参数.高速性系数又称叶尖速比TSR.

四、风轮机的转矩系敖

风轮的功率也可以用风轮的转矩与其旋转侑速度的乘枳来农不，即

P=M•u>

式中M—转矩•千克•米；

w——旋转角速度•弧度・秒-】。

风轮的功率卩=寻pD2—・G

或

M••Cp

那么G

2M2M

'TrFpvW九Rl，v

=•—=Cm•X（5—5）

R•A•v•与v

定义

CM=—-—（5-6）

M

称为转矩系数，那么M=〔1・〔号RAX〕,即当叫轮尺寸〔R〕固定时，任定风速F,g是一个反映转矩大小的系数.

五、风能利用系数、转护系数与叶尖速比的关系

由以上分析知.Cp=CM•X

或Cm=t

可见.Cp及Cm皆足X的函数•即Cp=f

实验得出•也可以用曲线表示•如图5—3及图5—4所示.

ffl5-3凤轮机的风.舵利用系数

与叶尖速比的关系曲线

用5—4风轮机的转矩系数与

叶尖速比的关条曲线

图5—5风轮机功率系数与叶尖速比的关系

图5—6风轮机转矩系数与叶尖速比的关系

（1）功率转速特性曲线

C知1〉=与A・V?

・CpCP=f（X）

为风轮血成后•八一用数・p=・常数•故专风速-疋时（、一常数）•那么P就足I；的函数.而G足入的函数•入又是反映K-ilio的大小的•故可以得出P=f（n）的关系曲线1<-7农小低速及高速风轮机的功率一转速特性的钱图中数字代表不同洪速讥果秒）卜的特'件・HV6>V5>v（>Vj>V2>V1'

（二〉转矩一转速特性曲线

C知转矩X1-CM号A・R・V2.aA、R、P为常数，又知CM-f（k）.那么当风速定时J

（v=#数，・\1就足入的函数•而入反映了转速的大小•所以同样可以得出M=f（n）的曲

图57久轮机的功叱一转速特性曲线

线•如图58所示」

I13^5^78^10

田二8弋轮机芮站血一昶匪廿mu线

那出丁呱轮机的籾妒转速特果再相到风轮机所拖刃的机械彳用于裁电系统的发电机或用于泵水黍统曲水泵〉的转爪转谑特性曲琏■就可以分析半两者联接组咸为个第疣时的持性•这就是研究凤轮机转坯一转速特性曲线的目的补

七、风能利用系数最大值（贝茨）理论

质量为m的物体，以速度v运动时，该物体的动能为:

现段在与空吒5S方向垂直的某处取一裁血积为A的任意截血•如图3—9所示■那么在单便时徇（毎秒｝内通过此戢血的气体体枳流址V为，

图5-9单傥叶囘内通过軽面A的社佯偉觀潼■

V=vA（5—即

设空气率度为严那么时淹干此休枳的空气流的网猷为’

11V=p*Av（5—R）

故卩・Av即代农4单位时间内通过截血A刖空气流所具有的就量•也可称为J#量流率•此质量涼率所臭有的动鹿那么Xh

£丨卩・Av）*v^—770*A*v'<5I）

I＞d対式所说明的是单位时间｛每杪〕内Siil战inA的空T流阳具“的动能.所以也就是功帑.

与此相似・如杲设®mA为忍轮机瞳转时叶片所扫掠的面积•那么单位时闾内通过风轮机打掠ifii积m咐弋流的动鹿.也却风轮机的功率p,糕为t

凤雜机从风中銀取了能Wrin便凤减速了•凤轮后冏的％建比凤轮前Ilf］的凤速歿

低.理论仆枷iI⑼风轮后曲的风颯为进入风轮扫掠血以蔺的凤罐〔即未扰动凤速〕的斗

□

川风轻呵获阳帕人能氐凤轮本身Fl流功的空代中吸收的；」.iyv的堤度•所以枸效的

馳流率应是卩宀寺川此凤轮机自流动的"中卿的最大能里也即可转变为ff用的机械功率I’的沁农值•卩“为t

式＜&-12＞说明风轮从凤中所能获取的能就占通过风轮扫掠『II的亡部比论的比例的

门\U1：

.^...-..-.q'uh；i-•丄」““.■.,■«山:

\^i'i乐&匚认！

1''i.1.：

■..;；

zf

也称良茨蝕大值。

实际上■从实R込转的凤城机匕所测得的机威功率•其功率系数很少超过40%夕在凤力发电茶统或凤力泵水寮统屮•风输机的机械功率再转换成电功率或水泵功率的・#1于传动猛賈及发电机或水泵本身需消耗•配分功半*实际可用的功寧又进一步減小匚此外〞凤轮机在凤场中还受到凤谑和凤向波动的彫响•可用功率将进步械小“

八、风轮机的输出功率曲线

如前所述•风轮机的输岀功率可农示成瞬时风速〔通常采用短时期内风遠的平均值宋代表〕的函数•如式〔5-3〕所示•即：

卩=丄卩・A・S・G

由于风轮机在风场中受到风速及风向波动的彫响•便凤轮机输出的可用功率进一步

■k，考虑到此因素，风轮机的输出功:

式j进•步写成:

股耳7T0.7左右•按鹽贝茨理论・Cp的域大佰为59.3%・〔'**・q~0.593X0.7~0.415^41%・ffD实际I:

真正从风轮机所获得的机K功率很少超过通过风轮机桨叶打掠面内凤能的40%.

设：

v,—凤轮机的起始风速.即凤轮机在人于此凤速时开始输岀功率；

v,——凤轮机的额定风逑.即风轮机在此网速卜•输出额定功率:

v0——风轮机的截止风速•即风轮机在此风速下被刹住。

这样•凤轮机的输出功率依风速的变化可分为三政•即：

Vi

当VrVV,时.P=l〉r=4~p・.«・£・〔〔？

「〞〕

当v>vo时，P=0

假设以图老表示风轮机的输出功率依风速的变化情况•那么如图5-10Q〕及图5-104〕所示•理论匕存风迷低十釉定风速〔聞vVvJ时•凤轮机的辎出功率应与风速成/E关系变化•如图5-10〔a〕所示；但实际匕风轮机仅4风理高于起始风速〔即v>vj时・/产工净功<输出功率〕•而在起始凤速与额尢风速Z间〔卬、•i弓VrZ间〉•风轮机的输出功率曲线有着不同的形状.而比中线性特性与风场中获得的试验数据较接近•而□•应用尼来比较方便•如图5—10〔b〕所示。

在图5-10中•在风速大于额定风速但低于截止风速〔即vr

对于线竹•输出功率曲线•可求出风轮机的输岀功净为：

国5—10〔町轮机理坦输出

功率曲絞

10〔h〕风轮机裁性偷

出功幸曲域

（5-13J

利用式＜5-N1不冋扯速卜‘见轮机的屮值.即*

I人IU

九、风轮机的输出能量及可利用率

在第一章已介绍了风迎的频邯分布〔第五节〕及风理的捲軾嗣何分布［期人节｝，现乂了in■风轮机的功瘵输出曲线•将这两膏箱合起来就可以讣埠出某个风场固定时阖内风轮机的输出険量及其可卿用中叫轮机的输出能量可以用计算法+也可曰用團术袪得出•

〔一〕计畀法

科用風速的癫率分布.可获得餐种不同凤連*的吹风时數*从功牢输出曲农卜叫以获知不同风逋卞相应的输出功率•这样就可i|算出不同風逋卜束•凤速吹凤时数内所对横的精出能量C即某一凤連下風轮机的输出功率值与谀凤速持续吹风时间的兼积｝•需浙有不同凤递下对险内汁I：

社球林1加就可得到风轮机的R输出能麗.假设设風速的9HB一•，阪［：

皿-亡忖f..：

忖'|生时间周期内w轮机的总输汨

能址"J衣小应LIJ解析式.!

：

•：

r-15>

e-jrp・f（v）dv

式中E为凤轮机的输岀能SL

如前所述•风轮机只在起始风速与截止风速间运转时才有功率输岀.如果认为风轮机的谕出功率III线如图5—10（b）所示•即由起始凤速i额定风速Z间•风轮机的输出功率山爹增加到额定伯.而在额定风速到截11•风速Z间维持额定输出功率不变•那么式行一15）可写成：

E—i*»p

=l：

：

P（v）・f（v）・dv+Pr；;f（v）・dv（5-16）

（二〉图示法

用图示法求风轮机的输岀能S:

的步骤如下：

1・在风遠时间分布曲銭■I•上出起始凤速（VJ、额定风速（vr）&*

止风速（VJ•并由曲线上找出相应的时闾数（以标么值表示）.

2.按给定的凰始风速、極定风速及截止风速•画岀相应的功,出特整曲线.如閔5-11（b）所示（按线性输出功举曲线绘出）.

3.赭助功率输出特性曲线.将风速持续时间分布曲线换算成功率一时间分命曲线.如图5-ll（c）所示•那么功率时间分布曲线卜的血枳（阴影局部〉就代R了风轮机的输出能量,

图5-Hr-„r.：

<：

「

（a）风速持坝対间分档曲铁（b）功宰输出特性曲钱（c）功率-时间分份曲线

从图示法町以看出•改变额运K速或起始风速、截止凤速皆对风轮机的输出能疑仃影响。

起始凤速越低.截止风速越高•那么输出总能量越多，同时额定风速选得适宜才能使阴影面枳最大。

图示法的缺点足必须通过图解积分才能求出输出能屋.这足比较麻烦的.

（三）风轮机的町利用率风轮机每T的可利用挙可按F式：

157.即:

可利用率=风轮机豊罗亍时邈x100%

8/60

式中8760——全年的时数（365X21）.

肖珂轮机匸作时•如果风速超过城轮机的工作风連乩I•飞密发电机発然甩掉员荷.那么那.玫风轮机超速•区至造成风轮机的川儿冈此风轮机Mttf.Il/Jj防止风轮机

超速的保护装丙•以到达皿剖风轮超速的门的。

PR制风轮凶速的方法上戏仃两种.-足利用穿气动力阳力的方法：

•是设法减小从轮的迎从附枳〔也即是便风轮假侧〕水平恤机的保护裝百仃叶尖阳尼板、扰iMLJK桨机构以及说轮侧備或I•口机构W；«直轴凤轮机的保护装賈主复足阻尼板.

〔一?

叶尖R1尼板

叶尖闪尼板是安装河水平轴虫轮叶片尖部的RI尼或国，当风轮疋常运转时•它与叶片的作用棚同.能产生升力严风轮遇速时•則01绕风轮叶片纵向轴找转905.与凤轮施“平血成蠡宜住覺•故能广’|阳力.从而便风轮转連匸

〔二〕扰流器

扰流胃是安装*风轮叶片上距叶尖!

叶片枚贬位買I•的阳尼装置・当凤轮T>■.：

_■□

转时•扰18器的两个端面分别与叶片IT我面更合：

半他轮血速时•那么孤开延伸到叶片外血•这样山十它m人轮鹿转平曲爭n•产生那八从向便风轮转速降卜來|

上述冋种阻圧装置的动flIttfiSA轮‘‘的离心力而动作,也仆根八丽刃侑号由*£传动系统就机械传动系统便組尼装量动作的。

ar»«为被动式的.is者称为王动式的.

〔三〕顺桨机构

所谓颤荣是拒凤轮叶片枝氏方向吋风向致•也即风轮叶片的冲饬竝近零升力的状态.风轮叶片順桨也属于风轮变桨更梓制的二局部•即根据凤速旗转速的佯•通记液IK变距或机械变距机构来实现M.轮的顺桨既可用花大风我甩负荀时的紧急停丫思保FHID.也可用/风轮机正常丄H的停机。

〔四〕风4€M〔M或上仰机构

水平轴凤轮机也有利用风轮#m机构贝轮上仰机构或安装在风轮机传动轴上的第■制动|屮*实现超越保护风轮?

|侧的方法询面己介绍过。

风轮I-忡机构懺只

HJ于小5!

风轮机中紧急制动M在小甩凤轮机中分乎动和口动制动两种•两者皆是利用抱闸和乍的原理n阳5—17衣示这两种抱闸刹车的脈理。

IB5-17小甲4轮机犠息制动闸示蕙用

I；517〔a〕；：

4动停车.人F向F拉良「•［魁动刹在带将刹车ttKX张ft而

现停车：

图5—1「1八足门劲仔彳•片风速超过讯定的绘人风魂时•此时刹再凤板董大风«r力地斥动〔如图L|「所示方向几从而带动了willH・而杠杆那么拉动刹车绳问卜井使•I动剧牟帝索累搶住刹乖鼓而实現.门必停4制乍风板血枳的人小与般定的绘人风建

偵之间的配合关系可通过试验方法确迅.

在中型或大型水平轴凤轮机中的制动闸是由液压佻沽系统、制动闸卡钳以及安装在凤轮上轴I的制动盘组成•如第二韋图2—4所示=与大风超速时•山液压里动的制动P钳动fl：

将制动建口住•从而实现凤轮机的白动俘布"

〔石〕阳尼板

帀FI轴风$£机?

例如达甲.厄住〕的保护转国I鉴足安装冇爪轮传动牠I的版急M动忙及安装轮叶片I的阻尼板；垂直轴凤轮机的制动闸系统与水平轴的制动闸系统廉理郴同・ftl除用液外.仃M也川电鼻戲方式.R1皑极是靠蔑心力功什的大灿超速时•离心力増大代足以克服阳龙板和1佃的弹董拉横力时•那么阳尼板打斤•产生阳力•从向便叫轮徒速降低般达»KJl£K轮行2个或3个叶片.1人I此这种风轮机I•可fi2个或3个阻尼板〔•般每个叶片IS-个阳兄板〕・但毎个IBhi板的Mff&S力可以调整得不一样•这样R1尼板可以葡石风速堆大〔转速胸高〕而逐个翻开.