风力机特性

风力机叶片设计及翼型气动性能分析风力机叶片是风力发电机的核心部件之一，其设计和翼型选择对风力机的发电效率、噪音和寿命等都有着非常重要的影响。

本文将介绍风力机叶片的设计及翼型气动性能分析。

一、叶片设计原理风力机叶片的设计目的是将大气中的风能转换成旋转能，并将其通过转轴传递给发电机，从而产生电能。

因此，叶片的设计主要围绕以下几点展开：1. 创造足够的扭矩：风力机的转子需要达到一定的转速才能发电，而叶片的弯曲和扭矩对于旋转速度的影响至关重要。

设计中需要选择合适的曲线形状和长度来实现理想的扭矩和转速。

2. 保证叶片的强度和稳定性：因叶片在高速旋转状态下会受到巨大的惯性力和风力力矩的作用，因此其材料和结构要足够坚固和稳定，以避免可能的断裂等事故。

3. 提高叶片的气动效率：叶片的气动效率是指其转化风能的能力，通常可以通过优化翼型、减小阻力、降低风阻等方法来提高。

二、叶片设计步骤1. 选定叶片长度：叶片长度通常是根据风力机的规格和性能要求来确定的，也可以根据标准长度来选择。

2. 选择翼型：翼型是叶片的重要组成部分，其形状和性能决定了叶片的阻力和气动效率。

目前，常用的翼型有NACA0012、NACA4415等，根据实际需求来选择。

3. 确定叶片曲线：叶片的曲线是决定扭矩和转速的关键因素，可以通过实验或模拟方法得到合适的曲线形状。

4. 优化叶片的结构：结构设计主要涉及到叶片的强度和稳定性，通常需要进行材料选择、计算等工作以保证叶片的安全性和寿命。

5. 模拟叶片气动特性：叶片的气动特性可以通过流场模拟、试验等方式来获取，可以根据实际需求来对叶片进行调整以达到理想的效果。

三、翼型气动性能分析翼型气动性能是指翼型在气流中运动时产生的力和力矩，其中，升力和阻力是翼型气动力的主要组成部分。

通过分析翼型气动性能，可以选择最优化的翼型来设计叶片。

1. 升力和阻力翼型的升力和阻力是由翼型形状、气流速度、攻角等因素共同决定的。

实际上，翼型的气动性能曲线通常都是非线性的，其升力和阻力特性会随着攻角的变化而不断变化。

第二章风力发电概念及基本特征一、风力发电概念风能是地球表面大量空气流动所产生的动能。

由于地面各处受太阳辐照后气温变化不同和空气中水蒸气的含量不同，因而引起各地气压的差异，在水平方向高压空气向低压地区流动，即形成风。

风能资源决定于风能密度和可利用的风能年累积小时数。

风能密度是单位迎风面积可获得的风的功率，与风速的三次方和空气密度成正比关系。

风能资源受地形的影响较大，世界风能资源多集中在沿海和开阔大陆的收缩地带，如美国的加利福尼亚州沿岸和北欧一些国家，中国的东南沿海、内蒙古、新疆和甘肃一带风能资源也很丰富。

中国东南沿海及附近岛屿的风能密度可达300W/m2^上，3-20米/秒的风速年累计超过6000 小时。

内陆风能资源最好的区域是沿内蒙古至新疆一带，风能密度也在200-300W/m2，3-20 米/秒风速年累计5000-6000 小时。

风力发电是指利用风力发电机组直接将风能转化为电能的发电方式。

在风能的各种利用形式中，风力发电是风能利用的主要形式，也是目前可再生能源中技术最成熟、最具有规模化开发条件和商业化发展前景的发电方式之一。

二、风力发电系统结构（一）风力发电机风力发电机是集空气动力、电机制造、液压传动和计算机自动控制为一体的综合性技术。

大致由以下几个子系统组成：桨叶、增速齿轮箱、发电机、塔架控制设备、电缆、地面支撑设备、各子系统连接设备。

风轮是将风能转换为机械能的装置，它由气动性能优异的叶片（目前商业机组一般为2—3 个叶片）装在轮毂上所组成，低速转动的风轮通过传动系统由增速齿轮箱增速，将动力传递给发电机。

上述这些部件都安装在机舱平面上，整个机舱由高大的搭架举起。

由于风向经常变化，为了有效地利用风能，必须要有迎风装置，它根据风向传感器测得的风向信号，由控制器控制偏航电机，驱动与塔架上大齿轮咬合的小齿轮转动，使机舱始终对风。

其中风电机组的整体设计、叶片的材料和加工技术、自动化控制系统、液压和传感技术是风机制造的关键。

水平轴风力机叶片的截面与动力特性分析区家隽;李学敏;徐林【摘要】风力机叶片在旋转过程中受重力和离心力作用,产生动力刚化导致固有频率增加.文章以NRELPha-seⅥ风力机叶片为对象,在其内部分别添加圆形腹板、单腹板和双腹板,建立3种不同截面的叶片三维模型,并结合复合材料对叶片铺层进行动力学分析.结果表明,叶片采用的铺层方案能有效避免共振,并且3种叶片模型的重量均接近叶片的真实值.在额定转速下,3种腹板叶片的一阶频率增量随腹板的厚度增加而增加,但在两倍额定转速时,单腹板和圆形腹板的一阶频率增量随腹板厚度增加而减少;同时,腹板中的双轴向玻璃布材料以±45°铺设时,一阶固有频率最大,而由动力刚化引起的一阶频率增量较其他角度小.【期刊名称】《可再生能源》【年(卷),期】2016(034)005【总页数】6页(P681-686)【关键词】复合材料叶片;铺层角度;腹板厚度;离心刚化;坎贝尔图;模态分析【作者】区家隽;李学敏;徐林【作者单位】华中科技大学中欧清洁与可再生能源学院,湖北武汉430074;华中科技大学中欧清洁与可再生能源学院,湖北武汉430074;华中科技大学中欧清洁与可再生能源学院,湖北武汉430074【正文语种】中文【中图分类】TK83随着复合材料在风电领域的应用及生产制造等相关技术的发展，风力发电技术得到不断提高。

叶片是风力机最重要的结构组件之一，叶片在旋转时受到离心力和重力的作用导致动力刚化，表征为固有频率增加。

孙保苍利用500 W小型风力机叶片为研究对象，分析计算叶片各阶模态频率，结果表明当叶片高速旋转时，动力刚化现象对叶片固有频率有较大的影响[1]。

胡国玉基于NREL 5 MW风力发电机叶轮叶片，结合柔性多体动力学理论及有限元分析方法，发现动力刚化效应对挥舞振动频率的影响比对摆振振动频率的影响更明显[2]。

水平轴风力机叶片目前主要由复合材料制造而成。

由于复合材料具有质量轻，高强度比等特征，使得风力机叶片能够承受更大的气动载荷[3]。

风力发电机及其相关技术 风力发电机及其相关技术 孟 明 ，王喜平 ，许镇琳 关键词：风能；风力发电；风力发电机；恒速恒频；变速恒频

1引 言 随着人类社会的发展，能源、环境成为当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题，以清洁、可再生能源为主的能源结构将成为未来发展的必然。风能作为一种清洁、无污染的可再生能源越来越受到人们的关注，从某种意义上来说，风力发电将成为2l世纪最具大规模开发前景的新能源之一。 风力发电包含两个能量转换过程：即风力机将风能转换为机械能和发电机将机械能转换为电能。在由机械能转换为电能的过程中，发电机及其控制是整个系统的核心，它不仅直接影响整个系统的性能、效率和供电质量，而且也影响到风能吸收装置的运行方式、效率和结构。因此，研制和选用适合于风电转换的运行可靠、效率高、控制及供电性能良好的发电机系统，是风力发电的关键 。 2风力发电机相关技术 2．1风力机的特性 风力机是风力发电机的原动机，它通过叶片捕获风能，并将其转换为机械能。由于流经风轮后，风速不可能为零，因此风能不可能完全被利用，仅有一部分能量被吸收。风轮从风中吸收的功率与风轮的功率系数C。、风轮扫掠面积4、空气密度P、风速 有关。对于已经安装完成的风力机，其输出功率主要取决于风速和风轮的功率系数。根据贝兹理论，风轮的功率系数c 的理论最大值为0．593。实际中，风轮的功率系数与风速、风力机转速、以及风力机叶片参数有关，一般为C。=C。(卢，A)，其中，A为叶尖速比即风轮叶片的叶尖速度与风速之比，在桨距角一定时，功率系数C 与叶尖速比A的关系如图l所示，对应于叶尖速比A 功率系数有一最大值C。 ，因风速经常变化，所以为实现最大风能捕获，风力机要变速运行以维持叶尖速比A 不变。图1 功率系数与叶尖速比的关系曲线 12．2风力发电机的运行方式 j 2．2．1独立运行 ! 风力发电机输出的电能经蓄电池蓄能，直接或： 通过逆变器转换成交流电供应用户使用。一般用于； 边远农村、牧区、海岛、边防哨所等电网达不到的地： 区，解决居民的基本用电问题。发电机单机容量一； 般为几百瓦到几千瓦。 i 2．2．2联合互补运行 ； 为了弥补风能随机性大且不可控的缺点，提高 稳定、持续供电的能力，将风力发电机组同其它发电 墨 方式联合互补运行，形成了风力一柴油互补运行、风 发 力一太阳能互补运行和风力一柴油一太阳能互补运 行三种方式，大大提高了供电的可靠性及稳定性，减 餐 少了储能装置的容量，有效地降低了运行成本。 ；塑 2．2．3并网运行 技 风力发电机与电网相连，通过电网输送电能，形； 成风电场，弥补了风能能量密度低的弱点，降低了设 备投资和发电成本，成为大规模开发利用风能的最一 维普资讯 http://www.cqvip.com 触持电棚 2004年第9期。 经济有效方式。 2．3并网型风力发电系统的调节控制 风力机和发电机是风力发电系统实现机电能量 转换的两大主要部分，有限的机械强度和电气性能 必然使其受到功率和速度的限制，因此，风力机和发 j电机的功率和速度控制是风力发电的关键技术之一。 2．3．I风力机的调节方式 (I)定桨距失速调节 这是传统的丹麦风电技 术的核心，一般用于恒速运行。其基本原理是桨叶 与轮毂固定连接，桨距角不变，利用桨叶翼型本身的 失速特性，在高于额定风速条件下，气流的功角增大 到失速条件，使桨叶的表面产生紊流，效率降低，达 到限制功率的目的。该方式控制调节、简单可靠，但 叶片重，结构复杂，成型工艺难度较大，桨叶、轮毂和 塔架等部件受力增加，机组的整体效率较低。 ! (2)变桨距调节风轮叶片的桨距角可随风速 i变化，一般用于变速运行的风力发电机。主要目的 i是改善风力机的起动性能和功率输出特性。主要调 j节方法为：发电机起动时，通过调节桨距角，对转速 进行控制；并网后对功率进行控制，当输出功率小于 i额定功率时，桨距角等于零，不作任何调节；当输出 ； 功率大于额定功率时，调节桨距角，以减小功角，使 ： 输出功率保持在额定值。优点是桨叶受力较小，可 做得比较轻巧，减少了材料，降低了整机重量；桨距 i角调节增加了功率输出，提高了运行性能 但变桨 距调节机构增加了结构的复杂性，使可靠性降低。 i (3)主动失速调节 主动失速调节方式是前两 ；种功率调节方式的组合，吸取了被动失速和变桨距 调节的优点，桨叶采用失速特性，调节系统采用变桨 距调节。低风速时，采用变桨距调节，优化机组功 率的输出；达到额定功率后，桨叶节距主动向失速 ； 方向调节，将功率调整在额定值以下，限制机组最大 功率输出，随着风速的不断变化，桨叶仅需微调即可 维持失速状态；另外调节桨叶可实现气动刹车。其 优点是既有失速特性，又可变桨距调节，提高了机组 的运行效率，减弱了机械刹车对传动系统的冲击，控 !制容易，输出功率平稳，执行机构的功率相对较小。 罂 2．3．2风力发电机的调节方式 券 (I)恒速恒频恒速恒频保持发电机的转速不 ；变，从而得到恒频的电能。由于风速经常变化，显然 盒!功率系数c 不可能保持在最佳值，不能最大限度地 犟 捕获风能，效率低。 拉 (2)变速恒频变速恒频是指发电机的转速随 ；风速变化，通过适当的控制得到恒频电能 叶片一 般采用变一节桨距控制桨发距结电机构转。其速调节方法是：起动时，通过调 。并网后，在额定风速以下， 调节发电机反转矩使转速跟随风速变化，保持最佳 叶尖速比以获得最大风能；在额定风速以上，采用变 速与桨叶节距双重调节，限制风力机获取的能量，保 证发电机功率输出的稳定性，减轻了桨距调节的频 繁动作，获得了良好的动态特性，提高了传动系统的 柔性，已成为目前公认的最优化调节方式，也是未来 风电技术发展的主要方向。其主要优点是可大范围 调节转速，使功率系数保持在最佳值，从而最大限度 地吸收风能，效率高；能吸收和存储阵风能量，可减 少阵风冲击对风力发电机产生的疲劳损坏、机械应 力和转矩脉动，延长机组寿命，减小噪声；而且还可 控制有功功率和无功功率，改善电能质量。但控制 复杂，成本高，需要避免共振的发生。 2．4并网技术 国内外并网运行的风力发电机大多采用异步发 电机，主要原因是异步机并网较同步机简单，易操作 2．4．1异步发电机的并网技术 (1)直接并网该方法只需发电机相序与电网 相同，转速接近同步速，即可并网。方法简单、操作 容易，不需同步设备和整步操作，但并网瞬间冲击电 流和电压降落较大。一般适用于发电机容量较小、 电网容量比较大的场合。 (2)准同期并网 并网前首先用电容器激磁， 建立额定电压，然后对发电机电压、频率和相位进行 调整，当与电网一致时，投入电网运行。该方法冲击 电流较小，对电网电压影响不大。但设备多，操作复 杂，时间长。一般适用于电网容量相对风力发电机 不太大的场合。 (3)降压并网在发电机与系统之间串接电抗 器、电阻以减少冲击电流的大小和电网电压下降的 幅度。但增加了设备投资。一般适用于中、大型异 步发电机。 (4)可控硅软并网 异步发电机通过双向可控 硅和电网连接，调节可控硅使导通角逐渐增大，可平 稳并入电网。并网中可控硅既限制了电流，又作为 开关使开关频率显著提高，已成为目前较先进的并 网方法。 2．4．2同步发电机的并网技术 (1)准同期并网 同步发电机准同期并网是使 发电机满足准同期并网条件后，合闸并网的方式： 其过程基本与传统的同步发电机准同期并网相同。