风力机2第5章 风轮的基本理论

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。

第一章、绪论1、风力发电机组的组成风力发电机组可分为风轮、机舱、塔架和基础几个部分。

（1）风轮由叶片和轮毂组成。

叶片具有空气动力外形，在气流作用下产生力矩驱动风轮转动，通过轮毂将扭矩输入到主传动系统。

（2）机舱由底盘、导流罩和机舱罩组成，底盘上安装除主控制器以外的主要部件。

机舱罩后部的上方装有风速和风向传感器，舱壁上有隔音和通风装置等，机舱底部与塔架连接。

（3）塔架支撑风轮与机舱达到所需要的高度。

塔架上安置发电机与主控制器之间的动力电缆、控制和通信电缆，还装有供操作人员上下机舱的扶梯，大型机组还设有升降机。

（4）基础为钢筋混凝土结构，根据当地地质情况设计成不同的形式。

基础中心预置有于塔架连接的基础部件，以保证将风力发电机组牢牢固定在基础上。

基础周围还设置预防雷击的接地装置。

2、变桨距、变速型的风力发电机组内部结构（1）变桨距系统：设在轮毂之中，对于电动变距系统来说，包括变距电动机、变距减速器、变距轴承、变距控制器和备用电源等。

（2）发电系统：包括发电机、变流器等。

（3）主传动系统：包括主轴及主轴承、齿轮箱、高速轴和联轴器等。

（4）偏航系统：由偏航电动机、偏航减速器、偏航轴承、制动机构等组成。

（5）控制与安全系统：包括传感器、电气设备、计算机控制与安全系统（含相应软件和控制欲安全系统执行机构等）。

此外，还设有液压系统，为高速轴上设置的制动装置、偏航制动装置提供液压动力。

液压系统包括液压站、输油管和执行机构。

为了实现齿轮箱、发电机、变流器的温度控制，设有循环油冷却系统、风扇和加热器。

3、风力发电机组的分类：（1）按功率大小：a微型（0.1~1kw）；b小型（1~100kw）；c中型（100~1000kw）；d大型（1000kw以上）。

（2）按风轮轴方向：a水平轴风力发电机组（随风轮与塔架相对位置的不同而有上风向与下风向之分。

风轮在塔架的前面迎风旋转，叫做上风向风力发电机组；风轮安装在塔架后面，风先经过塔架，再到风轮，则称为下风向风力发电机组。

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。

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。

风力发电基础理论风能是清洁的可再生能源,取之不尽,用之不竭。

在所有新能源､可再生能源利用技术中,风力发电是技术最成熟､最具规模开发和商业发展前景的方式。

发展风电对于改善能源结构､保护生态环境､保障能源安全和实现经济的可持续发展等方面有着极其重要的意义。

大力发展风电,这已经成为世界上的共识。

风力发电基础理论风能是清洁的可再生能源,取之不尽,用之不竭。

在所有新能源､可再生能源利用技术中,风力发电是技术最成熟､最具规模开发和商业发展前景的方式。

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大力发展风电,这已经成为世界上的共识。

第一章风与风力资源概述一､风的产生与特性–产生:风是地球外表大气层由于太阳的热辐射而引起的空气流动;大气压差是风产生的根本原因。

特性:周期性､多样性､复杂性。

风能是清洁的可再生能源,取之不尽,用之不竭。

在所有新能源､可再生能源利用技术中,风力发电是技术最成熟､最具规模开发和商业发展前景的方式。

发展风电对于改善能源结构､保护生态环境､保障能源安全和实现经济的可持续发展等方面有着极其重要的意义。

大力发展风电,这已经成为世界上的共识。

二､风能的利用按照不同的需要,风能可以被转化成其他不同形式的能量,如机械能､电能､热能等,以实现提水灌溉､发电､供热､风帆助航等功能。

21世纪风能利用的主要领域是风力发电。

风能是清洁的可再生能源,取之不尽,用之不竭。

在所有新能源､可再生能源利用技术中,风力发电是技术最成熟､最具规模开发和商业发展前景的方式。

发展风电对于改善能源结构､保护生态环境､保障能源安全和实现经济的可持续发展等方面有着极其重要的意义。

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三､风能开发的意义风能是清洁的可再生能源,取之不尽,用之不竭。

在所有新能源､可再生能源利用技术中,风力发电是技术最成熟､最具规模开发和商业发展前景的方式。

发展风电对于改善能源结构､保护生态环境､保障能源安全和实现经济的可持续发展等方面有着极其重要的意义。