第二讲_风力机的能量转换过程及基本特性
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1、第二章风力发电机的原理及运行特性风力发电机的原理及运行特性2011年年2月月风力机的能量转换过程一风力机的特性二风力机建模与仿真三风轮机的结构和能量控制四第一节 风轮机的基本理论 一、理想风轮机的能量利用 1919年，德国物理学家贝兹贝兹首次提出贝兹法则：如果采用风轮机，只能把不足16/27的风的动能转化成机械能。 假设风轮是理想的，且由无限多叶片组成，气流通过风轮时也没有阻力。此外，假定气流经过整个扫风面是均匀的，气流通过风轮前后的速度方向为轴向。理想的风轮的气流模型如图所示。112121,VSSVSS22图中， 是风轮上游的风速，V是通过风轮的风速，V是风轮下游的风速。通过风轮的气流其上游
2、截面是下游截面是 。由于风轮所获得的能量是由风能转化得到的，所以V必定小于，因而通过风轮的气流截面积从上游至下游是增加的，即大于 。1 12 212212 SVSVS VFSV VVP FVSV VV自然界的空气流动可以认为是不可压缩的，由连续流动方程得到 由动量方程，可得作用在风轮上的气动力为 =()所以风轮吸收的功率为 =()故上游至下游动能的变化为 21212 SV VVVVV2 E=0.5()由能量守恒定律，可知 0.5()221222121212213max10.50.25/3FS VVPS VVVVVVVVPPSVS因此，作用在风轮上的气动力和提供的功率可写为 =() =()( )
3、对于给定的上游速度 ，可写出以为函数的功率变化关系，将上式微分可得 时，功率 达到最大值，即 =8/27将上式处以气流通过扫风面 时所具有的动能，可得到风轮的理论最max,max31160.5930.527pPCSV大效率-理论风能利用系数 这就是著名的贝兹理论，他说明风轮从自然界中获得的能量是有限的，理论上最大值为0.593，损失部分可解释为留在尾迹中的气流旋转动能。310.593 0.5ppPCSVC也就是说，实际风力机的功率必定小于贝兹理论的极限值，因此，风力机实际能得到的有用功率是 =式中是风力机的风能利用系数。 1.风能利用系数Cp 风能利用系数定义为风轮机的风轮能够从自然风能中吸收
4、的能量与输入风能之比。风能利用系数可表示为3320.5 ; /; ; /pPCSVPWkg mSmVm s式中实际获得功率,空气密度，扫风面积，上游风速，。第二节 风轮机的空气动力特性 理想的风能利用系数Cp的最大值是0.593，即贝兹理论的极限值。Cp值越大，表示风轮机能够从自然界中获得的能量百分比越大，风轮机的效率越高，即风轮机对风能的利用率也越高。对实际有用的风轮机来说，风能利用系数主要取决与风轮叶片的气动和机构设计及制造工艺水平。如高性能螺旋桨式风力机，其Cp值一般是0.45，而阻力型风轮机只有0.15左右。2/min;/ ;RnRVVnrRmVm s为了表示风轮运行速度的快慢，常用叶
5、片的叶尖圆周速度与来流风速之比来描述，称为叶尖速比 式中风轮转速，叶尖的半径， 上游风速，风轮旋转角速度,rad/s。2.2.叶尖速比叶尖速比 风能利用系数和无因次数随叶尖速比变化的曲线成风轮机空气动力特性曲线2222ppVRMCSV RCMMSV R功率P可表示成风轮获得的总转矩M和风轮角速度的乘积 ，由 ，得并定义为无因次数，正比于转矩。变桨距风力机的特性通常由一变桨距风力机的特性通常由一簇风能利用系数的无因次性簇风能利用系数的无因次性能曲线来表示，如图能曲线来表示，如图2.2所所示。风能利用系数示。风能利用系数CP是叶是叶尖 速 比尖 速 比 的 函 数的 函 数 ( 表 示 为表 示
6、为CP()，也是桨叶节距角，也是桨叶节距角的函数的函数(表示为表示为CP()，综合，综合起来可表示为起来可表示为CP(，)。从。从图中可以看到，当桨叶节距图中可以看到，当桨叶节距角角逐渐增大时，逐渐增大时，CP()曲线曲线将显著缩小。将显著缩小。风力机的风能利用系数风力机的风能利用系数 只有在一个特定的最优尖速比下只有在一个特定的最优尖速比下才达到最大值，当风速变化时，如果风力发电机组仍才达到最大值，当风速变化时，如果风力发电机组仍然保持某一固定的转速然保持某一固定的转速，那么必将偏离其最优值，那么必将偏离其最优值，从而使从而使Cp降低，即降低了风力机的风能利用效率。所降低，即降低了风力机的风
7、能利用效率。所以，为了提高风能利用效率，必须使得风速变化时机以，为了提高风能利用效率，必须使得风速变化时机组的转速也随之变化从而保持最优尖速比组的转速也随之变化从而保持最优尖速比100120140160180200220240500100015002000250030003500400045005000P/Wrad/sPmax风力机的稳态特性由叶尖速比风力机的稳态特性由叶尖速比、风力机转矩系数、风力机转矩系数CT(，)、风能利用系数、风能利用系数CP(，)、风轮捕获、风轮捕获功率功率P表示，分别为表示，分别为:2RRnvv321( ,)2PPCv R ( ,)( ,)PTCC 第三节 风力机的
8、建模和仿真风力机的稳态特性可以通过数值表得到，但是为了便于风力机的稳态特性可以通过数值表得到，但是为了便于软件模拟器的执行，更希望得到特性的分析表达式，软件模拟器的执行，更希望得到特性的分析表达式，而不是采用数据插值法。根据文献，而不是采用数据插值法。根据文献，CP(，)为：为：521346( ,)()iCPiCCCCC eC 3110.0350.081i式中：Cl=0.5173，C2=116，C3=0.4，C4=5，C5=21，C6=0.0068。 当桨矩角当桨矩角恒定时，在不同的风速下，只要控制风力机恒定时，在不同的风速下，只要控制风力机能使其保持在最佳叶尖速比能使其保持在最佳叶尖速比下运
9、行，从而可以确保下运行，从而可以确保风力机能取得风能利用系数风力机能取得风能利用系数C CP P(，)，实现变速风，实现变速风力机的最大功率捕获力机的最大功率捕获1717，同时增大桨矩角，同时增大桨矩角会减少风会减少风能利用系数能利用系数C CP P(，)，减少捕获的能量。根据式计，减少捕获的能量。根据式计算可以得到当算可以得到当=8.1=8.1时，时，C CP P(，)0.48)0.481616。 风能利用系数风能利用系数CP(，)模型模型 521346( ,)()iCPiCCCCC eC 3110.0350.081i式中：Cl=0.5173，C2=116，C3=0.4，C4=5，C5=21
10、，C6=0.0068。 风力机模型风力机模型 2RRnvv321( ,)2PPCv R 仿真结果a) 模拟变速风速图b) 风能利用系数曲线c) 风力机功率输出曲线第四节 风力机的结构和能量控制风轮机的机构 风轮机设备的主要结构包括 风轮机桨叶风轮机桨叶：通常采用个或两个桨叶。 轮毂轮毂：桨叶安装在轮毂上，轮毂与低速轴相连接。 低速传动轴低速传动轴：转速通常较低，内部的液压传动系统与轮毂内的液压装置相连用于调节桨叶。 齿轮箱齿轮箱：与低速轴和高速轴相连接 高速轴高速轴：通常转速在1500r/min左右，与发电机相连，配有刹车装置。 机械刹车装置机械刹车装置：用于制动，必要时用于调节转速。风力发电
11、机机舱内的组成风力发电机机舱内的组成 GE Proprietary 发电机发电机：输出电压一般为690V,发电功率在5001500kW,并朝大容量方向发展。 电子控制装置电子控制装置：监测风轮机运行状况，并自动实现偏转调节，故障时实现自动停机。 冷却系统冷却系统：冷却发电机。 机塔机塔：用于支撑风轮机。通常高度越高，风速越大，风况越好，需要更高的机塔。 偏转装置偏转装置：保持风轮机在迎风方向。 风速风向测量系统风速风向测量系统：与控制装置相连，实现风轮机切入和切出的启停控制。机舱：机舱：机舱包容着风电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。维护人员可以通过风电机塔进入机舱。机舱左端是 风电机转子，即
