风力发电功率和叶尖速比

风力发电实验风能是一种清洁的可再生能源，蕴量巨大。

全球的风能约为2.7×10 8万千瓦，其中可利用的风能为2×10 6万千瓦，比地球上可开发利用的水能总量要大10倍。

随着全球经济的发展，对能源的需求日益增加，对环境的保护更加重视，风力发电越来越受到世界各国的青睐。

大力发展风电等新能源是我国的重大战略决策，也是我国经济社会可持续发展的客观要求。

发展风电不但具有巨大的经济效益，而且与自然环境和谐共生，不对环境产生有害影响。

近几年，随着我国的风电设备制造技术取得突破，风力发电取得飞速发展。

据2011年4月《国家电网公司促进风电发展白皮书》。

截至2010年底，全国风电并网容量2956万千瓦，“十一五”期间年均增速接近100%。

2010年，全国风电机组平均利用小时数2097小时。

蒙东、蒙西、吉林、黑龙江风电发电量占全社会用电量的比例分别达到21.1%、8.7%、5.6%、4.6%，风电利用已达到较高水平。

预计到2015年，我国风电规模将超过9000万千瓦，2020年将达到1.5亿千瓦以上。

与其它能源相比，风力，风向随时都在变动中。

为适应这种变动，最大限度地利用风能，近年来在风叶翼型设计，风力发电机的选型研制，风力发电机组的控制方式，并网发电的安全性等方面，都进行了大量的研究，取得重大进展，为风力发电的飞速发展奠定了基础。

风电的飞速发展提供大量的就业与个人发展机会，普及风电知识，在高等院校培养相关专门人才已成当务之急。

实验内容实验1 风速，螺旋桨转速（也是发电机转速），发电机感应电动势之间关系测量 实验2 测量扭曲型可变浆距3叶螺旋桨风轮叶尖速比λ与功率系数C P 关系 实验3 切入风速到额定风速区间功率调节实验实验4 额定风速到切出风速区间功率调节实验 － 变浆距调节 实验5 风帆型3叶螺旋桨风轮叶尖速比λ与功率系数C P 关系的测量 实验6 平板型4叶螺旋桨风轮叶尖速比λ与功率系数C P 关系的测量实验原理1、风能与风速测量风是风力发电的源动力，风况资料是风力发电场设计的第一要素。

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。

风力发电系统的控制原理风力涡轮机特性：1，风能利用系数Cp风力涡轮从自然风能中吸取能量的大小程度用风能利用系数Cp表示：P---风力涡轮实际获得的轴功率r---空气密度S---风轮的扫风面积V---上游风速根据贝兹〔Betz〕理论可以推得风力涡轮机的理论最大效率为：。

2，叶尖速比l为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来衡量，称为叶尖速比l。

n---风轮的转速w---风轮叫角频率R---风轮半径V---上游风速在桨叶倾角b固定为最小值条件下，输出功率P/Pn与涡轮机转速N/Nn的关系如图1所示。

从图1中看，对应于每个风速的曲线，都有一个最大输出功率点，风速越高，最大值点对应得转速越高。

如故能随风速变化改变转速，使得在所有风速下都工作于最大工作点，则发出电能最多，否则发电效能将降低。

涡轮机转速、输出功率还与桨叶倾角b有关，关系曲线见图2 。

图中横坐标为桨叶尖速度比，纵坐标为输出功率系统Cp。

在图2 中，每个倾角对应于一条Cp=f(l)曲线，倾角越大，曲线越靠左下方。

每条曲线都有一个上升段和下降段，其中下降段是稳定工作段〔假设风速和倾角不变，受扰动后转速增加，l加大，Cp减小，涡轮机输出机械功率和转矩减小，转子减速，返回稳定点。

〕它是工作区段。

在工作区段中，倾角越大，l和Cp越小。

3，变速发电的控制变速发电不是根据风速信号控制功率和转速，而是根据转速信号控制，因为风速信号扰动大，而转速信号较平稳和准确〔机组惯量大〕。

三段控制要求：低风速段Ｎ＜Ｎｎ，按输出功率最大功率要求进行变速控制。

联接不同风速下涡轮机功率－转速曲线的最大值点，得到ＰＴＡＲＧＥＴ＝ｆ〔ｎ〕关系，把ＰＴＡＲＧＥＴ作为变频器的给定量，通过控制电机的输出力矩，使风力发电实际输出功率Ｐ＝ＰＴＡＲＧＥＴ。

图３是风速变化时的调速过程示意图。

设开始工作与Ａ２点，风速增大至Ｖ２后，由于惯性影响，转速还没来得及变化，工作点从Ａ２移至Ａ１，这时涡轮机产生的机械功率大于电机发出的电功率，机组加速，沿对应于Ｖ２的曲线向Ａ３移动，最后稳定于Ａ３点，风速减小至Ｖ３时的转速下降过程也类似，将沿Ｂ２－Ｂ１－Ｂ３轨迹运动。

【精品】风电知识问答一、关于风电 1、风能来源于何处？答：风能是由太阳辐射热引起的，是太阳能的一种转换形式。

太阳照射到地球表面，地球表面各处受热不同，产生温差，从而引起大气的对流运动形成风。

据估计，到达地球的太阳能中大约有 2％转化为风能，全球风能约为 2. 74 109MW，其中可利用的风能为 2 107MW，比地球上可开发利用的水能总量大 1 0 倍。

2、我国的风能总量有多少？答：我国 10 米高度层的风能资源总储量为 32. 26 亿千瓦，其中实际可开发利用的风能资源储量为 2. 53 亿千瓦。

据估计，我国近海风能资源约为陆地的 3 倍。

因此，我国可开发风能资源总量约为 10 亿千瓦。

3、风机功率如何计算？答：一般来讲，风机叶片从风中吸收的功率可以用下面的公式表示：功率＝ 1/2 空气密度面积风速 3 风能利用系数面积＝R2 其中，功率单位为瓦特；空气密度单位为千克/立方米，空气密度随气压和温度而变；面积指风轮扫掠面积，单位为平方米；风速单位为米/秒；风能利用系数为风力机将风能转换为机械能的效率，它与风速、叶片转速、叶片直径和桨叶节距角均有关系，是1/ 12叶尖速比和叶节距角的函数。

于上述公式中可以看出，风功率与速度的三次方（立方）成正比，并与风叶扫掠面积成正比。

4、什么是海风、陆风？答：白天，大陆上的气流受热膨胀上升至高空流向海洋，到海洋上空冷却下沉，在近地层海洋上的气流吹向大陆，补偿大陆的上升气流，低层风从海洋吹向大陆，称为海风；夜间，情况相反，低层风从大陆吹向海洋，称为陆风。

5、为什么说风能是一种绿色能源？答：风能是一种干净的自然能源，没有常规能源与核电会造成环境污染的问题。

风电机组平均每发电 1 亿千瓦时，按同比等量计算，相当于节约标准煤 3. 8 万吨，节水 31 万吨，减排二氧化碳 10. 5 万吨、二氧化硫 600 吨。

而且风机不会危害鸟类和其它野生动物。

在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下，风能作为一种高效清洁的新能源有着巨大的发展潜力。

风机的叶尖速比周日, 2008-03-02 03:16 — xieyaqian叶尖速比是用来表述风电机特性的一个十分重要的参数。

它等于叶片顶端的速度（圆周速度）除以风接触叶片之前很远距离上的速度；叶片越长，或者叶片转速越快，同风速下的叶尖速比就越大。

.根据叶尖速比的不同，我们可以把风电机分成两类：慢速比风电机和快速比风电机：慢速比:慢速比风电机的速度比最大为2.5 。

所有以阻力原理作用的风电机的叶尖速比都小于1，属于慢速比风电机。

以浮力原理作用的风电机，如果其叶尖速比在1到2.5之间，也被称为慢速比风电机。

Westernmills 和某些风力泵的叶尖速比大概是1，而Bock风车以及荷兰风车的叶尖速比大概是2。

快速比:快速比风电机是指按照浮力原理作用的风电机，并且其叶尖速比在2.5到15之间。

几乎所有的现代风电机（叶片数一到三）都属于此类。

叶尖速比对风电机的建造结构和形状有很大的影响，比如：叶片转速：如果叶片长度一定，那么叶尖速比越大，叶片的转速也就越快。

只有一个叶片的风电机，其叶尖速比很高，旋转速度也要比三叶片的风电机快的多。

需要注意的是，风力泵的叶尖速比虽然属于慢速比机械，但旋转速度一般都很快。

原因是其转动直径很小，最终圆周速度相对低很多，所以属于慢速比机械。

叶片数：Westernmills的叶尖速比比较低（大约为1），所以需要更多的叶片来遮挡风，一般有20到30个叶片；荷兰风车的速度比大约为2，一般有4个叶片。

现代三叶片风电机的叶尖速比大约为6，而一个叶片的风电机，其叶尖速比大概为12。

叶片切面：快速比风机的叶片一般都设计的细长而薄，其原因就是叶片切割风的时候，与风的相对速度十分高。

（站长注：这段我看不懂，只是照原文翻译。

）风机的转化效率系数：快速比风机由于产生的涡流损失要比慢速比风机低很多，所以其作用系数要明显比慢速比的风机高。

一般慢速比风机的转化效率系数cP在0.3到0.35之间，而快速比的风机能够达到0.45到0.55。

利用blade风力发电机组功率曲线计算方法以及流程目录1、概述 (1)2. 特性取得定方法 (1)2.1 空气动力参数确定 (1)2.2 整机摩擦系数 (2)2.3 齿轮箱效率曲线 (2)2.4 发电机效率曲线 (3)2.5 变流器效率曲线 (3)3. 生成功率曲线 (3)3.1 仿真计算风机功率曲线 (4)3.1.1 风机叶片数据包 (4)3.1.2 风机未并网用电量 (4)3.1.3 风机工作点损耗 (4)3.1.4 确定最佳控制系数Kopt (4)3.2 计算功率曲线 (7)3.3 现场测试 (9)4. 功率曲线数据提供管理 (9)1、概述风机风功率曲线由风机的特性决定。

主要有下列特性确定：●风机叶片空气动力特性●整机机械摩擦●齿轮箱效率●发电机效率●变流器效率等在没有对风机进行风功率测试及认证的情况下，需要通过仿真的方法对风机分功率曲线进行仿真计算，得出风机的功率曲线，以便提供客户风机功率曲线。

2. 特性取得定方法通过仿真确定风机的功率特性主要采取仿真与工厂测量相结合的方法。

对于在制造工厂及现场可以测量的特性数据，可以在制造工厂或在现场实地测量来确定，2.1 空气动力参数确定空气动力参数由叶片生产厂家提供叶片空气动力参数数据包确定。

对于参数的确定要求与厂家有书面和电子文档的方法进行。

叶片生产厂家需要提供书面的空气动力参数，主要包括：●叶片数据的功率值；●对应的Cp值；●转速值；●推力系数；提供的电子数据位Bladed 仿真软件可利用的数据文件。

主要内容包括：●叶片型号●数据包主版本号●数据包分版本号●数据包生成日期●数据包制作人及审批人2.2 整机摩擦系数整机摩擦系数可以通过实际测量的方法来实现。

具体测量方法如下：当风机在现场运行时，将风机调整至调试方式。

对风机在一组风速下运行时的转速进行测量，再通过计算得出风机的整机在各风速情况下的摩擦系数曲线值。

1)确定风速小于5 m/s；2)设定风机为调试方式，即不并网运行；3)设定风机转速对于双馈风力发电机，设定风机转速为0.5ωn，测量风速，风轮转速及变桨角度的 3 min 平均值；4)分别测量0.6ωn，0.7ωn，0.8ωn，0.9ωn，1.0ωn及1.1ωn的风速，风轮转速及变桨角度值；5)通过数学模型计算风机的摩擦系数曲线；详细说明见附件二。

二■凤轮机的功率及风陡利用系数（・）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—风轮直径，米；A——风轮叶片扫掠面枳，米2 ；p—空气密度，千克/米'。

则单位时间内穿过风轮扫掠面积的动能，即功率PA（见图5 — 2）为:图5-2凤轮扫掠面1\ = jA- 千克•米2/秒' （5-1）（二）风能利用系数Cp风能利用系数Cp_ 单位时间内转变为风轮机械能的风惜一单位时问内穿过风轮桨叶扌j掠啲八的全部风能_ 风轮的输出功率一输入风轮面内的功率=—=——-——"一2）风能利用系数是衣征风轮机效率的重要参数•它表明风轮机从风中获得的有用能駅的比例•根据贝茨理论•风能利用系数的最大值为0.593。

关丁贝茨最大值的推导见本章第七节。

水平轴风轮机的C.-0. 2〜0. 5.垂直轴风轮机的C p = 0. 3〜0. 4。

风能利用系数又称功率系数。

(三)风轮的功率风轮的功率即指转变为机械能的功率P=Ca・少人・/ <5-3)由式(5 — 1)和(5 — 3)可以看出*1.当》=常数.pHiye即当凤速•定时.风轮的功率和风轮苴径的平方成正比)"2.当D=常数即当风轮苴径固定时.风轮的功率和风速的立方成正比)"3.当风轮直径、风速不变时，风轮的功率与G，成正比。

4.风轮功率和风轮叶片数无关•但与空气密度成正比。

三、凤轮机的叶尖速比(髙速性系数)在风速为Y时r风轮叶片尖端的线速度与该风速之比称为风轮的高速性系数「高速性系数可表示为：式中入——髙速性系数；3——凤轮在凤速V时的旋转角速度.0,-^1.弧度・秒"；0()——风轮叶片尖处的线速度•弧度・秒'•米；n——转速.转丿分。

所以匸誑TL礬“(5-4)v 30 v由此可知.高速性系数是反映在定风速下风轮转速高低的参数。

高速性系数又称叶尖速比TSR。

四、风轮机的转矩系数风轮的功塞也可以用风轮的转矩与其旋转角速度的乘积来衷示.即P=M • o>式中M——转矩•千克•米；3——旋转角速度.弧度•秒=已知风轮的功率p=寻pD2/・C P所以P —M •(u=-^-pI)2 v1• C5,1 对于某-风轮来说•只是在入为某一数值•即九时•才达到最大G值（（・：“）•如图5 — 3所示■在入工為时・Cp值下降a或则定义称为转矩系数侧M=C M - （fRAv1 2 3）.即当风轮尺寸（R）固定时，在一定风速下心是一个反映转矩大小的系数。