第三节 风力机的基本参数与基本理论

风电场主要设备介绍及其基本理论1 风力发电机的类型风力发电机多种多样，归纳起来可分为两类：①水平轴风力发电机，风轮的旋转轴与风向平行；②垂直轴风力发电机，风轮的旋转轴垂直于地面或者气流方向。

1.1水平轴风力发电机水平轴风力发电机可分为升力型和阻力型两类。

升力型风力发电机旋转速度快，阻力型旋转速度慢。

对于风力发电，多采用升力型水平轴风力发电机。

大多数水平轴风力发电机具有对风装置，能随风向改变而转动。

对于小型风力发电机，这种对风装置采用尾舵，而对于大型的风力发电机，则利用风向传感元件以及伺服电机组成的传动机构。

风力机的风轮在塔架前面的称为上风向风力机，风轮在塔架后面的则称为下风向风机。

水平轴风力发电机的式样很多，有的具有反转叶片的风轮，有的在一个塔架上安装多个风轮，以便在输出功率一定的条件下减少塔架的成本，还有的水平轴风力发电机在风轮周围产生漩涡，集中气流，增加气流速度。

1.2垂直轴风力发电机垂直轴风力发电机在风向改变的时候无需对风，在这点上相对于水平轴风力发电机是一大优势，它不仅结构设计简化，而且也减少了风轮对风时的陀螺力。

利用阻力旋转的垂直轴风力发电机有几种类型，其中有纯阻力装置的风轮；S型风车，具有部分升力，但主要还是阻力装置。

这些装置有较大的启动力矩，但尖速比低，在风轮尺寸、重量和成本一定的情况下，提供的功率输出低。

达里厄式风轮是法国G.J.M达里厄于19世纪30年代发明的。

在20世纪70年代，加拿大国家科学研究院对此进行了大量的研究，现在是水平轴风力发电机的主要竞争者。

达里厄式风轮是一种升力装置，弯曲叶片的剖面是翼型，它的启动力矩低，但尖速比可以很高，对于给定的风轮重量和成本，有较高的功率输出。

现在有多种达里厄式风力发电机，如Φ型，Δ型，Y型和H型等。

这些风轮可以设计成单叶片，双叶片，三叶片或者多叶片。

其他形式的垂直轴风力发电机有马格努斯效应风轮，它由自旋的圆柱体组成，当它在气流中工作时，产生的移动力是由于马格努斯效应引起的，其大小与风速成正比。

风力发电机风轮系统2.1.1 风力机空气动力学的基本概念1、风力机空气动力学的几何定义（1）翼型的几何参数翼型翼型本是来自航空动力学的名词，是机翼剖面的形状，风力机的叶片都是采用机翼或类似机翼的翼型，与翼型上表面和下表面距离相等的曲线称为中弧线。

下面是翼型的几何参数图1）前缘、后缘翼型中弧线的最前点称为翼型的前缘，最后点称为翼型的后缘。

2）弦线、弦长连接前缘与后缘的直线称为弦线；其长度称为弦长，用c表示。

弦长是很重要的数据，翼型上的所有尺寸数据都是弦长的相对值。

3）最大弯度、最大弯度位置中弧线在y坐标最大值称为最大弯度，用f表示，简称弯度；最大弯度点的x坐标称为最大弯度位置，用x f表示。

4）最大厚度、最大厚度位置上下翼面在y坐标上的最大距离称为翼型的最大厚度，简称厚度，用t表示；最大厚度点的x坐标称为最大厚度位置，用x t表示。

5）前缘半径翼型前缘为一圆弧，该圆弧半径称为前缘半径，用r1表示。

6）后缘角翼型后缘上下两弧线切线的夹角称为后缘角，用τ表示。

7）中弧线翼型内切圆圆心的连线。

对称翼型的中弧线与翼弦重合。

8）上翼面凸出的翼型表面。

9）下翼面平缓的翼型表面。

（2）风轮的几何参数1）风力发电机的扫风面积风轮旋转扫过的面积在垂直于风向的投影面积是风力机截留风能的面积，称为风力机的扫掠面积，下图是一个三叶片水平轴风力机的扫掠面积示意图。

下图是一个四叶片的H型升力垂直轴风力发电机的扫掠面积示意图。

根据前面两表可由所需发电功率估算出风力机所需的扫风面积，例如200W的升力型垂直轴风力发电机工作风速为6m/s，全效率按25%计算所需扫风面积约为6.2m2,如果工作风速为10m/s则所需扫风面积约为1.4m2即可；例如10kW的升力型垂直轴风力发电机工作风速为10m/s，全效率按30%计算所需扫风面积约为56m2,如果工作风速为13m/s则所需扫风面积约为25m2即可。

按高风速设计的风力机体积小成本相对低些，但必须用在高风速环境，例如把一台设计风速为10m/s的风力机放在风速为6m/s的环境工作，其功率会下降80%；按风速6m/s设计的风力机风轮会很大，虽在6m/s时运行很好，但遇大风易超速损坏电机，为抗强风时需增加结构强度使成本大大增加。

第二章 风力机的基础理论[3、4]第一节 风力机的能量转换过程一、风能的计算由流体力学可知，气流的动能为221mv E =（2-1） 式中 m ──气体的质量；v ──气体的速度。

设单位时间内气流流过截面积为S 的气体的体积为L ，则 L ＝S v如果以ρ表示空气密度，该体积的空气质量为 m=ρL=ρS v 这时气流所具有的动能为321Sv E ρ=（2-2） 上式即为风能的表达式。

在国际单位制中，ρ的单位是kg/m 3；L 的单位是m 3 ；v 的单位是m/s ；E 的单位是W 。

从风能公式可以看出，风能的大小与气流密度和通过的面积成正比，与气流速度的立方成正比。

其中ρ和v 随地理位置、海拔高度、地形等因素而变。

二、自由流场中的风轮风力机的第一个气动理论是由德国的Betz 于1926年建立的。

Betz 假定风轮是理想的，即它没有轮毂，具有无限多的叶片，气流通过风轮时没有阻力；此外，假定气流经过整个叶轮扫掠面时是均匀的；并且，气流通过风轮前后的速度为轴向方向。

现研究一理想 风轮在流动的大气中的情况（见图2-1），并规定：v 1──距离风力机一定距离的上游风速；v ──通过风轮时的实际风速； v 2──离风轮远处的下游风速。

设通过风轮的气流其上游截面为 S 1，下游截面为S 2。

由于风轮的机械能 图2-1叶轮的气流图量仅由空气的动能降低所致，因而 v 2必然低于 v 1，所以通过风轮的气流截面积从上游至下游是增加的，即S 2大于S 1。

如果假定空气是不可压缩的，由连续条件可得：S 1v 1＝S v ＝S 2v 2风作用在风轮上的力可由Euler 理论写出：F ＝ρS v （v 1－v 2） （2-3） 故风轮吸收的功率为)(212v v Sv Fv P -==ρ （2-4） 此功率是由动能转换而来的。

从上游至下游动能的变化为 )(212221v v Sv T-=∆ρ （2-5） 令式（2-4）与式（2-5）相等，得到 221v v v +=（2-6）作用在风轮上的力和提供的功率可写为：)(212221v v Sv F -=ρ （2-7） ))((41212221v v v v Sv P +-=ρ （2-8）对于给定的上游速度v 1，可写出以v 2为函数的功率变化关系，将式（2-8）微分得)32(412221212v v v v Sv dv dP --=ρ 式02=dv dP有两个解： v 2＝－v 1，没有物理意义； v 2＝v 1/3，对应于最大功率。

风力发电机组的主要参数包括以下几种：风轮直径：风轮直径是指风力发电机风轮叶片的最大直径，风轮直径越大，风力发电机的叶片转动时所受到的风力越大，从而产生更多的转动能量，进而产生更多的电能。

因此，风轮直径是影响风力发电机发电效率的重要参数。

额定功率：额定功率是指风力发电机在额定风速下所能够产生的电功率。

切入风速：切入风速是指风力发电机组开始运行时的风速。

额定风速：额定风速是指风力发电机在额定功率下运行时的风速。

切出风速：切出风速是指风力发电机组停止运行时的风速。

容量因子：容量因子是指风力发电机组实际输出的电功率与额定功率之比。

可利用小时数：可利用小时数是指一个年度内，风力发电机组能够正常运行的总小时数。

负荷因子：负荷因子是指风力发电机组在运行过程中，平均输出的电功率与额定功率之比。

损失因子：损失因子是指风力发电机组在运行过程中，由于各种原因导致的能量损失。

第一章风及风能资源一、风的形成及影响因素1.风的产生：是由地球外表大气层由于太阳的辐射而引起的空气流动，大气压差是风产生的根本原因2.特性：周期性、多样性、复杂性3.风的分类：季风、山谷风、海陆风、台风、龙卷风二、风的测量1.风的测量包括风向和风速两种2.风向测量：风向测量是指测量风的来向风向测量装置：1)风向标：是测量风向最通用的装置，有单翼型、双翼型、流线型2)风向杆（安装方位指向正南）、风速仪（可测风向和风速，一般安装在离地面10米的高度）3.风向表示法：风向一般用16个方位表示，静风记为C。

4.风能密度:单位截面积的风所含的能量称为风能密度，常以W/m2表示。

三、风资源分布1.我国风资分布可划分为：风能丰富区、风能较丰富区、风能可利用区、风能贫乏区1)风能丰富区:有效风能密度＞200W/m2。

2)风能较丰富区：有效风能密度为150~200W/m2，3~20m/s风速出现的全年累计时间为4000~5000h。

3)风能可利用区：有效风能密度在50~150W/m2之间，3~20m/s风速出现时数约在2000~4000h之间。

4)风能贫乏区：该区风能密度低于50W/m2，全年时间低于2000h第二章风力机的理论基础一、贝兹理论二、翼型的几何参数三、风车理论四、叶素理论气动效率五、葛劳渥漩涡理论六、葛劳渥轴线推力和扭矩计算有限长的叶片，叶片的下游存在尾迹涡，主要有两个漩涡区：一个在轮毂附近，一个在叶尖。

漩涡诱导速度可看成以下三个漩涡系叠加的合速:①中心涡，集中在转轴上②每个叶片的边界涡③每个叶片尖部形成的螺旋涡七、风力机的相似特性相似准则：所谓模型与风力机实物相似是指风轮与空气的能量传递过程以及空气在风轮内向流动过程相似，或者说它们在任一对应点的同名物理量之比保持常数。

流过风力机的气流属于不可压缩流体，理论上应满足几何相似、运动相似和雷诺数相等。

对风力机而言，后一个条件实际做不到，故一般仅以前两个条件作为模型和风力机实物的相似准则，并计及雷诺数。

风力发电机组参数摘要：I.风力发电机组简介- 风力发电的定义- 风力发电机组的作用II.风力发电机组的主要参数- 风轮直径- 额定功率- 风能转化效率III.风力发电机组的工作原理- 风力发电机组的构成- 风力发电的原理IV.风力发电机组的应用- 风力发电的发展现状- 风力发电的未来前景V.风力发电机组的选择与维护- 风力发电机组的选购- 风力发电机组的维护正文：风力发电机组是一种利用风能转化为电能的设备，通过风力发电机组可以实现对风能的有效利用。

风力发电机组主要由风轮、发电机、控制系统等部分组成，其中风轮是风力发电机组的主要部件，通过风轮的旋转带动发电机转动，进而产生电能。

风力发电机组的主要参数包括风轮直径、额定功率和风能转化效率。

风轮直径是指风轮的直径，一般情况下，风轮直径越大，风力发电机组所能捕获的风能就越多。

额定功率是指风力发电机组在额定风速下达到的功率，也是风力发电机组的重要参数。

风能转化效率是指风力发电机组将风能转化为电能的效率，一般情况下，风能转化效率越高，风力发电机组的性能就越好。

风力发电机组的工作原理是通过风轮捕获风能，然后通过风力发电机组内部的传动系统将风能转化为机械能，再通过发电机将机械能转化为电能。

风力发电机组的应用非常广泛，不仅可以用于家庭用电，还可以用于工业生产、农业灌溉等领域。

在选择风力发电机组时，需要考虑风力发电机组的风轮直径、额定功率和风能转化效率等因素。

在维护风力发电机组时，需要注意定期清洗风轮、检查发电机、控制系统等部件，以确保风力发电机组的正常运行。

总之，风力发电机组是一种非常重要的可再生能源设备，具有广阔的应用前景。

风力机的基本参数与理论风力发电机风轮系统2.1.1 风力机空气动力学的基本概念1、风力机空气动力学的几何定义（1）翼型的几何参数翼型翼型本是来自航空动力学的名词，是机翼剖面的形状，风力机的叶片都是采用机翼或类似机翼的翼型，与翼型上表面和下表面距离相等的曲线称为中弧线。

下面是翼型的几何参数图1）前缘、后缘翼型中弧线的最前点称为翼型的前缘，最后点称为翼型的后缘。

2）弦线、弦长连接前缘与后缘的直线称为弦线；其长度称为弦长，用c表示。

弦长是很重要的数据，翼型上的所有尺寸数据都是弦长的相对值。

3）最大弯度、最大弯度位置中弧线在y坐标最大值称为最大弯度，用f表示，简称弯度；最大弯度点的x坐标称为最大弯度位置，用x f表示。

4）最大厚度、最大厚度位置上下翼面在y坐标上的最大距离称为翼型的最大厚度，简称厚度，用t表示；最大厚度点的x坐标称为最大厚度位置，用x t表示。

5）前缘半径翼型前缘为一圆弧，该圆弧半径称为前缘半径，用r1表示。

6）后缘角翼型后缘上下两弧线切线的夹角称为后缘角，用τ表示。

7）中弧线翼型内切圆圆心的连线。

对称翼型的中弧线与翼弦重合。

8）上翼面凸出的翼型表面。

9）下翼面平缓的翼型表面。

（2）风轮的几何参数1）风力发电机的扫风面积风轮旋转扫过的面积在垂直于风向的投影面积是风力机截留风能的面积，称为风力机的扫掠面积，下图是一个三叶片水平轴风力机的扫掠面积示意图。

下图是一个四叶片的H型升力垂直轴风力发电机的扫掠面积示意图。

根据前面两表可由所需发电功率估算出风力机所需的扫风面积，例如200W的升力型垂直轴风力发电机工作风速为6m/s，全效率按25%计算所需扫风面积约为6.2m2,如果工作风速为10m/s则所需扫风面积约为1.4m2即可；例如10kW的升力型垂直轴风力发电机工作风速为10m/s，全效率按30%计算所需扫风面积约为56m2,如果工作风速为13m/s则所需扫风面积约为25m2即可。

按高风速设计的风力机体积小成本相对低些，但必须用在高风速环境，例如把一台设计风速为10m/s的风力机放在风速为6m/s的环境工作，其功率会下降80%；按风速6m/s设计的风力机风轮会很大，虽在6m/s时运行很好，但遇大风易超速损坏电机，为抗强风时需增加结构强度使成本大大增加。

第二章 风力机的基础理论[3、4]第一节 风力机的能量转换过程一、风能的计算由流体力学可知，气流的动能为221mv E =（2-1） 式中 m ──气体的质量；v ──气体的速度。

设单位时间内气流流过截面积为S 的气体的体积为L ，则 L ＝S v如果以ρ表示空气密度，该体积的空气质量为 m=ρL=ρS v 这时气流所具有的动能为321Sv E ρ=（2-2） 上式即为风能的表达式。

在国际单位制中，ρ的单位是kg/m 3；L 的单位是m 3 ；v 的单位是m/s ；E 的单位是W 。

从风能公式可以看出，风能的大小与气流密度和通过的面积成正比，与气流速度的立方成正比。

其中ρ和v 随地理位置、海拔高度、地形等因素而变。

二、自由流场中的风轮风力机的第一个气动理论是由德国的Betz 于1926年建立的。

Betz 假定风轮是理想的，即它没有轮毂，具有无限多的叶片，气流通过风轮时没有阻力；此外，假定气流经过整个叶轮扫掠面时是均匀的；并且，气流通过风轮前后的速度为轴向方向。

现研究一理想 风轮在流动的大气中的情况（见图2-1），并规定：v 1──距离风力机一定距离的上游风速；v ──通过风轮时的实际风速； v 2──离风轮远处的下游风速。

设通过风轮的气流其上游截面为 S 1，下游截面为S 2。

由于风轮的机械能 图2-1叶轮的气流图量仅由空气的动能降低所致，因而 v 2必然低于 v 1，所以通过风轮的气流截面积从上游至下游是增加的，即S 2大于S 1。

如果假定空气是不可压缩的，由连续条件可得：S 1v 1＝S v ＝S 2v 2风作用在风轮上的力可由Euler 理论写出：F ＝ρS v （v 1－v 2） （2-3） 故风轮吸收的功率为)(212v v Sv Fv P -==ρ （2-4） 此功率是由动能转换而来的。

从上游至下游动能的变化为 )(212221v v Sv T-=∆ρ （2-5） 令式（2-4）与式（2-5）相等，得到 221v v v +=（2-6）作用在风轮上的力和提供的功率可写为：)(212221v v Sv F -=ρ （2-7） ))((41212221v v v v Sv P +-=ρ （2-8）对于给定的上游速度v 1，可写出以v 2为函数的功率变化关系，将式（2-8）微分得)32(412221212v v v v Sv dv dP --=ρ 式02=dv dP有两个解： v 2＝－v 1，没有物理意义； v 2＝v 1/3，对应于最大功率。

1.风力发电的理论基础风能的公式:其中：E：风能:空气密度S：横截面v：风速由风能的公式可以看出，风能大小与气流通过的面积成正比，与气流速度的立方成正比。

，则最大风能系数为：假设风力机能吸收的最大风能为pmax这就是贝兹理论的极限值，它说明风力机从自然风中获取的能量是有限的，其功率损失部分可以解释为在尾流中的旋转动能。

能量的转换将导致功率的下降，它随所采用的风力机和发电机的型式而异。

目前的技术水平下，风力机能达到的风能利用系数大都在0．4-0．5之间。

风轮实际能得到的有用功率输出为：除了风能利用系数C p外，风力发电机还有两个非常重要的参数：叶尖速比λ和桨距角β。

叶尖速比λ是为了表示风轮在不同风速中的状态而引入的，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来表示。

其中：ω：风轮的转速R：风轮半径V：风速桨距角β是指风轮叶片上某一点的弦线与叶片旋转平面间的夹角。

2 风力发电机的组成结构风力发电系统由风轮、传动系统、发电机、偏航系统、液压系统、机舱、电控系统、整流逆变系统、塔架等部件组成。

结构如下图所示：风力发电系统结构1．叶片 2、叶轮毂 3、机头 4、主轴 5、齿轮箱 6、发电机 7、风向风速仪 8、整流器 9，偏航机构 10、塔架 11、变电箱(1)风轮：由叶片和轮毂组成，是风力发电机组获得风能的关键部件将捕获的风能转变为机械能。

(2)传动系统：将风轮捕获的机械能传递到发电机。

传动系统包括主轴、主轴承、增速箱、刹车机构等部件。

(3)发电机：将机械能转变为电能。

(4)机舱：由底盘和机舱罩组成。

(5)偏航系统：偏航系统根据风向标接受的信息，由控制系统自动执行机舱的偏转，使风轮始终处于迎风状态。

偏航系统主要包括以下三个部分：偏航检测和控制、偏航驱动和偏航制动。

(6)液压系统：完成偏航制动、主轴制动和主轴润滑。

(7)塔体和基础：塔架是支撑机舱的结构部件，它使风力机风轮处在较为理想的高度上运转，也是安装维护人员上下机舱的通道。