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风力发电技术基础[](pdf X页)

发布时间:2020-10-09 点击:风能技术pdf
  

  1风力发电技术基础风力发电技术基础崔新维崔新维国家风力发电工程技术中心2005.5.2005.5.国家风力发电工程技术中心授课内容授课内容内内容容学时数学时数1、风力发电机组概论、风力发电机组概论2、风资源概述、风资源概述3、空气动力学基础、空气动力学基础4、风力发电机方案设计、风力发电机方案设计5、机组零部件、机组零部件((2)((2)((4)((4)((4)))))) 21、 概论1、 概论1.1. 风力发电机简介风力发电机简介1.2. 风力发电机设计总论风力发电机设计总论1.2.1. 设计过程设计过程1.2.2. 风力发动机组结构形式风力发动机组结构形式1.2.3. 机组载荷机组载荷1.1. 风力发电机...

  1风力发电技术基础风力发电技术基础崔新维崔新维国家风力发电工程技术中心2005.5.2005.5.国家风力发电工程技术中心授课内容授课内容内内容容学时数学时数1、风力发电机组概论、风力发电机组概论2、风资源概述、风资源概述3、空气动力学基础、空气动力学基础4、风力发电机方案设计、风力发电机方案设计5、机组零部件、机组零部件((2)((2)((4)((4)((4)))))) 21、 概论1、 概论1.1. 风力发电机简介风力发电机简介1.2. 风力发电机设计总论风力发电机设计总论1.2.1. 设计过程设计过程1.2.2. 风力发动机组结构形式风力发动机组结构形式1.2.3. 机组载荷机组载荷1.1. 风力发电机简介风力发电机简介1) 风力发电机能量转换装置:风能能量转换装置:风能?风力发电机?电能电能风力风力发电机组发电机组风电机组 3几点说明:几点说明:1.风力发电机和风车风力发电机和风车电电能能风力发电机(风力发电机(Wind turbine)风能风能 ??机械能机械能风车风车(windmill)2.风力发电机和电风力发电机和电风力发电机总是连接着某种电:风力发电机总是连接着某种电:蓄电池电蓄电池电民用电民用电电电大型公用电:现代大型风力发电机并入大型公用电:现代大型风力发电机并入3.风力发电机与风风力发电机与风(叶轮)(叶轮)?(发电机)(发电机)机械能机械能 ?风能风能 ?不能储存风不能储存风风电的波动性和断续(不可调度)风电的波动性和断续(不可调度)风不能被传送,风电只能就地产生。风不能被传送,风电只能就地产生。?电能电能二次转换二次转换几点说明:几点说明: 4叶轮传动系统发电机机舱偏航系统塔架基础控制系统2)、风力发电机的组成2)、风力发电机的组成 5动画演示动画演示? 叶轮叶轮机舱机舱内部整机机舱塔架塔架? 机舱内部? 整机风力发电机的组成(续)风力发电机的组成(续)? 风力发电机组的主要组成部分:风力发电机组的主要组成部分:叶轮:将风能转变为机械能。叶轮:将风能转变为机械能。传动系统:将叶轮的转速提升到发电机的额定转速定转速发电机:将叶轮获得的机械能再转变为电能。发电机:将叶轮获得的机械能再转变为电能。偏航系统:使叶轮可靠地迎风转动并解缆。偏航系统:使叶轮可靠地迎风转动并解缆。其它部件:如塔架、机舱等其它部件:如塔架、机舱等控制系统:使风力机在各种自然条件与工况下正常运行的保障机制,包括调速、调向和安全控制。全控制。传动系统:将叶轮的转速提升到发电机的额控制系统:使风力机在各种自然条件与工况下正常运行的保障机制,包括调速、调向和安 63)、风力发电机组的分类)、风力发电机组的分类? 根据额定功率分为小、中、大型机组。但由于各个国家和地区经济技术发展水平不同 ,界限不尽相同 。地区经济技术发展水平不同 ,界限不尽相同 。欧洲欧洲美国美国中国中国微型机微型机根据额定功率分为小、中、大型机组。但由于各个国家和1 k W以下小型机小型机小于小于 1 0 0 k W 1至以下至 1 0 k W中型机中型机1 0 0 k W 1 0 0 k W~ 1 0 k W~~ 50 0 k W 1 0 0 0 k W 1 0 0 k W大于大于50 0 k W 大于大于1 0 0 0 k W 大于大型机大型机大于1 0 0 k W机组的容量、叶轮直径和塔架高度机组的容量、叶轮直径和塔架高度 74)、风力发电机的主要机型)、风力发电机的主要机型 按功率调节方式分:按功率调节方式分:定桨距(失速型)机组定桨距(失速型)机组变桨距机组变桨距机组 按叶速是否恒定分:按叶速是否恒定分:定速风力机定速风力机变速风力机变速风力机 其它机型其它机型 主动失速型主动失速型 无齿轮箱型无齿轮箱型 海上机组海上机组组合成多种机型种机型组合成多海上机组海上机组 8风力发电机功率曲线? 基本技术特征基本技术特征水平轴 、上风式、三叶片水平轴 、上风式、三叶片? 机型的发展趋势机型的发展趋势定桨距定桨距定速型定速型Kw级级有齿轮箱式有齿轮箱式 ????????变桨距变桨距变速型变速型MW级直接驱动式直接驱动式级5)基本技术特征及发展趋势5)基本技术特征及发展趋势 9叶轮叶轮? 由叶片和轮毂组成由叶片和轮毂组成是机组中最重要的部件:决定性能和成本目前多数是上风式,三叶片;也有下风式,两叶片。叶片与轮毂的连接:固定式,可动式。叶片多由复合材料(玻璃钢)构成。? 是机组中最重要的部件:决定性能和成本? 目前多数是上风式,三叶片;也有下风式,两叶片。? 叶片与轮毂的连接:固定式,可动式。? 叶片多由复合材料(玻璃钢)构成。6)主要零部件简介)主要零部件简介? 由由风力发电机中的旋转部件组成。主要包括低速轴,齿轮箱和高速轴,以及支撑轴承、联轴器和机械刹车。器和机械刹车。齿轮箱有两种:平行轴式和式。大型机组中多用式(重量和尺寸优势)。有些机组无齿轮箱。传动系的设计按传统的机械工程方法,主要考虑特殊的受载荷情况。风力发电机中的旋转部件组成。主要包括低速轴,齿轮箱和高速轴,以及支撑轴承、联轴? 齿轮箱有两种:平行轴式和式。大型机组中多用式(重量和尺寸优势)。? 有些机组无齿轮箱。? 传动系的设计按传统的机械工程方法,主要考虑特殊的受载荷情况。传动系传动系 10? 包括机舱盖,底板和偏航系统。包括机舱盖,底板和偏航系统。机舱盖起防护作用,底板支撑着传动系部件。偏航系统的主要部件是一个连接底板和塔架的大齿轮。上风式采用主动偏航,由偏航电机驱动,由偏航控制系统控制。偏航刹车用来固定机舱。偏航通常用于下风式机组。? 机舱盖起防护作用,底板支撑着传动系部件。? 偏航系统的主要部件是一个连接底板和塔架的大齿轮。? 上风式采用主动偏航,由偏航电机驱动,由偏航控制系统控制。? 偏航刹车用来固定机舱。? 偏航通常用于下风式机组。机舱与偏航系统机舱与偏航系统主要有电机和同步电机两种,两者都能在并时定速或近似定速运行。能在并时定速或近似定速运行。主要有电机和同步电机两种,两者都?电机由于可靠、廉价、易于接入电而得到更多的使用。而得到更多的使用。电机由于可靠、廉价、易于接入电?变速运行时,电气系统的将更复杂和昂贵。变速运行时,电气系统的将更复杂和昂贵。?选用适当的变流装置,电机和同步电机都可以用于变速运行。机都可以用于变速运行。选用适当的变流装置,电机和同步电发电机发电机 11? 塔架有钢管、桁架和混凝土三种。塔架有钢管、桁架和混凝土三种。? 塔架高度通常为叶轮直径的塔架高度通常为叶轮直径的1~塔架的刚度在风力机动力学中是主要因素。对于下风式机型,必须要考虑塔影效应、功率波动和噪声问题。~1.5倍。倍。? 塔架的刚度在风力机动力学中是主要因素。? 对于下风式机型,必须要考虑塔影效应、功率波动和噪声问题。塔架与基础塔架与基础钢制筒形塔架钢制筒形塔架混凝土式塔架混凝土式塔架桁架式塔架桁架式塔架三脚式塔架三脚式塔架拉索桅杆式塔架拉索桅杆式塔架? 控制系统主要控制机组的运行和功率的产生。控制系统主要控制机组的运行和功率的产生。控制系统主要包括:传感器:转速、、气流、温度、电流、电压等;等;控制器:机构、电和计算机。控制器:机构、电和计算机。功率放大器:开关、电气放大器、液压泵和阀。功率放大器:开关、电气放大器、液压泵和阀。致动器:电机、液压缸、磁铁、电磁线圈。致动器:电机、液压缸、磁铁、电磁线圈。控制系统的设计可采用控制工程的方法。主要包含:限定扭矩和功率;限定扭矩和功率;使疲劳寿命最大化;使疲劳寿命最大化;使能量产生最大化。使能量产生最大化。? 控制系统主要包括:传感器:转速、、气流、温度、电流、电压? 控制系统的设计可采用控制工程的方法。主要包含:控制控制 121.2. 风力发电机设计总论1.2. 风力发电机设计总论叶轮传动系统发电机偏航系统塔架机舱控制系统基础 风力发电机组的主要部件风力发电机组的主要部件Major Components 13风力发电机的主要部件风力发电机的主要部件? 典型的水平轴风力发电机:典型的水平轴风力发电机:叶轮 包括叶片和轮毂叶轮 包括叶片和轮毂传动系 除叶轮之外的旋转部件,主要有:主轴、齿轮箱、联轴器、机械刹车和发电机主轴、齿轮箱、联轴器、机械刹车和发电机机舱 包括机舱罩、底板和偏航系统机舱 包括机舱罩、底板和偏航系统塔架和基础塔架和基础控制系统控制系统电气系统 包括电缆、开关装置、变压器,以及变流器流器传动系 除叶轮之外的旋转部件,主要有:电气系统 包括电缆、开关装置、变压器,以及变风力发电机设计的主要内容风力发电机设计的主要内容叶片数目(叶片数目(2或叶轮的方位:上风式或下风式叶轮的方位:上风式或下风式叶片材料、结构和外形叶片材料、结构和外形轮毂设计:刚性或铰接轮毂设计:刚性或铰接功率控制:失速或变桨距功率控制:失速或变桨距定速或变速运行定速或变速运行主动偏航或偏航主动偏航或偏航同步电机或异步电机同步电机或异步电机有齿轮箱或直接驱动有齿轮箱或直接驱动或3个)个) 141.2.1. 设计要求与过程设计要求与过程? 经济性是风力发电机设计要考虑的基本问题。设计的基本目标的使机组的能量成本最低。设计的基本目标的使机组的能量成本最低。能量成本受许多因素影响,但主要有两个:经济性是风力发电机设计要考虑的基本问题。? 能量成本受许多因素影响,但主要有两个: 机组本身的成本(机器、安装、运行、等);机组本身的成本(机器、安装、运行、等); 年发电量(设计和风资源)。年发电量(设计和风资源)。设计的基本要求: 单个零部件的成本最低,重量尽可能轻;单个零部件的成本最低,重量尽可能轻; 足够的强度承受可能的极限载荷;足够的强度承受可能的极限载荷; 运行可靠,最低的费用;运行可靠,最低的费用; 足够的疲劳寿命。足够的疲劳寿命。? 设计的基本要求:设计过程设计过程确定应用确定应用选择构型选择构型初估载荷初估载荷初步设计初步设计预测性能预测性能设计评价设计评价成本估计成本估计详细设计详细设计建造样机建造样机样机测试样机测试产品设计产品设计 151.2.2. 风力发电机总体布局风力发电机总体布局? 风力机总体布局中的选项:风力机总体布局中的选项:叶轮轴线的方位:水平或垂直;叶轮轴线的方位:水平或垂直;功率控制:失速,变桨距;功率控制:失速,变桨距;叶轮的方位:上风式或下风式;叶轮的方位:上风式或下风式;偏航控制:主动偏航,偏航或固定偏航;偏航控制:主动偏航,偏航或固定偏航;叶速:定速或变速;叶速:定速或变速;轮毂类型:固定式或可动式;轮毂类型:固定式或可动式;叶片的数量。叶片的数量。? 大多数现代机是水平轴(平行或近似平行于到面)面)HAWT。。水平轴机组有两个主要优势:大多数现代机是水平轴(平行或近似平行于到? 水平轴机组有两个主要优势:实度较低,进而能量成本低于垂直轴机组。实度较低,进而能量成本低于垂直轴机组。叶轮扫略面的平均高度可以更高,利于增加发电量。量。? 垂直轴机组的优势:垂直轴机组的优势:无需偏航。无需偏航。叶片定弦长,无扭曲。叶片定弦长,无扭曲。传动系可降低。传动系可降低。叶轮扫略面的平均高度可以更高,利于增加发电1)、叶轮轴线的方位:水平或垂直)、叶轮轴线各种水平轴机组轴机组各种水平各种垂直轴机组轴机组各种垂直 17? 失速控制方式失速控制方式功率控制方式简单,成本较低;功率控制方式简单,成本较低;叶片与轮毂的连接简单;叶片与轮毂的连接简单;叶速需单独控制(通常是用电机);叶速需单独控制(通常是用电机);在较高风速下达到最大功率;在较高风速下达到最大功率;传动系的设计偏安全;传动系的设计偏安全;2)、叶率控制:失速、变桨距)、叶率控制:失速、变桨距? 变桨距控制方式变桨距控制方式易于控制;易于控制;变桨距轴承使轮毂结构较复杂;变桨距轴承使轮毂结构较复杂;增加变桨距驱动装置。增加变桨距驱动装置。? 其它控制方式其它控制方式气动表面控制;气动表面控制;偏航控制。偏航控制。2)、叶率控制:失速、变桨距)、叶率控制:失速、变桨距 183)叶轮方位:上风式或下风式)叶轮方位:上风式或下风式? 上风式:上风式:须主动偏航;须主动偏航;塔影效应小;塔影效应小;叶根弯曲应力大。叶根弯曲应力大。?下风式:下风式:可偏航;可偏航;减少或消除叶根弯曲应力。根弯曲应力。减少或消除叶有塔影效应(气动力减小、叶片疲劳、噪声)。疲劳、噪声)。有塔影效应(气动力减小、叶片叶轮方位:上风式或下风式叶轮方位:上风式或下风式 194)偏航:式或主动式)偏航:式或主动式水平轴机组必须考虑偏航问题。水平轴机组必须考虑偏航问题。? 下风式机组下风式机组多用式偏航;多用式偏航;偏航阻尼,以偏航角速度和叶片中的陀螺力。航角速度和叶片中的陀螺力。上风式机组通常采用主动偏航,其中含有偏航电机、齿轮和刹车,齿轮和刹车,要求塔架能承受偏航扭矩。要求塔架能承受偏航扭矩。偏航阻尼,以偏? 上风式机组通常采用主动偏航,其中含有偏航电机、5)叶速:定速或变速)叶速:定速或变速? 定速机型:定速机型: 发电方式简单,造价低;发电方式简单,造价低; 对电依赖程度高。对电依赖程度高。齿轮箱发电机叶片变桨距失速 20叶速:定速或变速叶速:定速或变速齿轮箱=~=~~~==? 变速机型:变速机型: 电气设备价高;电气设备价高; 电能品质好。电能品质好。1.2.3、机组载荷、机组载荷? 总体布局完成后,必须考虑载荷,使机组能够承受得住。住。? 载荷以力或力矩的形式表示。载荷以力或力矩的形式表示。? 机组零部件的设计考虑两种载荷:机组零部件的设计考虑两种载荷:极限载荷(最大载荷乘安全系数);极限载荷(最大载荷乘安全系数);疲劳载荷。疲劳载荷。? 作用在风力机上的载荷分为五类:作用在风力机上的载荷分为五类:稳定载荷(包括静载荷);稳定载荷(包括静载荷);周期载荷;周期载荷;随机载荷;随机载荷;瞬态载荷;瞬态载荷;谐振载荷。谐振载荷。总体布局完成后,必须考虑载荷,使机组能够承受得 21载荷及其来源载荷及其来源平均风平均风稳定载荷稳定载荷风剪切偏航误差偏航运动重力重力风剪切偏航误差偏航运动周期载荷周期载荷湍流湍流随机载荷随机载荷阵风启动停车变桨距变桨距阵风启动停车瞬态载荷瞬态载荷结构和激励结构和激励谐振载荷谐振载荷设计载荷设计载荷? 设计风力机必须使其满足一系列条件:设计风力机必须使其满足一系列条件:正常运行条件;正常运行条件;极限条件;极限条件;疲劳条件。疲劳条件。? 设计过程中对载荷的考虑设计过程中对载荷的考虑确定风的条件范围;确定风的条件范围;选定关注的设计载荷情况;选定关注的设计载荷情况;计算设计载荷情况对应的载荷;计算设计载荷情况对应的载荷;验算应力条件是否满足。验算应力条件是否满足。? 国际或机构标准(IEC、GL等)国际或机构标准(IEC、GL等)本章完本章完 22第二章 风资源概述第二章 风资源概述?风的一般知识风的一般知识风的形成风的形成风向与风速风向与风速风的统计学风向频率风向频率风速频率风速频率风的能量?风的统计学?风的能量2.1 风的一般知识风的一般知识一、风的形成一、风的形成地球表面上,受太阳加热的空气较轻,上升到高空;冷却的空气较重,倾向于去补充上升的空气。这就导致了空气的 流动风全球性气流、海风与陆风、海风与陆风、山谷风都如此。都如此。风能是太阳能是太阳能的一种表现形式。的一种表现形式。? 地球表面上,受太阳加热的空气较轻,上升到高空;冷却的空气较重,倾向于去补充上升的空气。这就导致了空气的 流动风。。? 全球性气流、山谷风的形成大致的形成大致? 风能 23局部加热与冷却形成风二、风向与风速二、风向与风速风向风向::风向风向来风的方向。通常说的来风的方向。通常说的西北风北风、、南风南风等即表明的就是风向。等即表明的就是风向。西陆地上的风向一般用16个方位观测。即以正北为零度,顺时针每转过22.5为一个方位。22.5为一个方位。陆地上的风向一般用16个方位观测。即以正北为零度,顺时针每转过风向的方位示如下风向的方位示如下。。 24NNNW NNE NE NW WNW ENEW EWSW ESESW SESSW SSE S 风速:风速:风速风速空气流动的速度。空气流动的速度。用空气在单位时间内流经的距离表示 ;用空气在单位时间内流经的距离表示 ;单位:m/s或km/h;单位:m/s或km/h;是表示风能的一个重要物理量;是表示风能的一个重要物理量;风速和风向都是不断变化的。风速和风向都是不断变化的。瞬时风速瞬时风速任意时刻风的速度。任意时刻风的速度。具有随机性因而不可控制。具有随机性因而不可控制。测量时选用极短的采样间隔,如1s。测量时选用极短的采样间隔,如1s。平均风速平均风速某一时间段内各瞬时风速的平均值。如日平均风速、月平均风速等。日平均风速、月平均风速等。某一时间段内各瞬时风速的平均值。如 251、风速的周期性变化风速的日变化:一天之中,风速的大小是不同的。一天之中,风速的大小是不同的。地面(或海拔较低处)一般是白天风速高,夜间风速较低。夜间风速较低。高空(或海拔较高处)则相反,夜间风强,白天风弱。其逆转的临界高度约为100~150m。其逆转的临界高度约为100~150m。风速的季节变化:一年之中,风的速度也有变化。在我国,大部分地区风的季节性变化规律是:春季最强,冬季次之,夏季最弱。春季最强,冬季次之,夏季最弱。风速的日变化:地面(或海拔较低处)一般是白天风速高,高空(或海拔较高处)则相反,夜间风强,白天风弱。风速的季节变化:一年之中,风的速度也有变化。在我国,大部分地区风的季节性变化规律是:2、影响风速的主要因素2、影响风速的主要因素? 垂直高度:由于风与地表面摩擦的结果,越往高处风速越高。定量关系常用实验式表示:处风速越高。定量关系常用实验式表示:V(z)=Vr(z/zr)V 高度高度z处的风速。处的风速。Vr参考参考高度高度zr处的风速,测得。处的风速,测得。地表摩擦系数,或地表面粗糙度。取值范围:取值范围:0.1(光滑)(光滑)~0.4(粗糙)。垂直高度:由于风与地表面摩擦的结果,越往高地表摩擦系数,或地表面粗糙度。(粗糙)。 26? 地形地貌地形地貌不同地形与平坦地面的风速比值不同地形与平坦地面的风速比值不同地形不同地形平坦地面的平均风速(平坦地面的平均风速(3~5 m/s))山涧盆地山涧盆地0.95~0.85山背风坡山背风坡0.9~0.8山迎风坡山迎风坡1.10~1.20峡谷口或山口峡谷口或山口1.30~1.40? 地理地理海面上的风比海岸大,沿海的风比内陆大得多。比内陆大得多。? 障碍物风流经障碍物后,将产生不规则的涡流,使风速降低。但随着远离物体,这种涡流逐渐消失。当距离大于10倍物体高度时,涡流可完全消失。:在障碍物附近设置风力机或多排设置风力机时的。设置风力机时的。海面上的风比海岸大,沿海的风障碍物风流经障碍物后,将产生不规则的涡流,使风速降低。但随着远离物体,这种涡流逐渐消失。当距离大于10倍物体高度时,涡流可完全消失。:在障碍物附近设置风力机或多排 272.2 风的统计理论风的统计理论一、风向频率一、风向频率任意点处的风向时刻都在改变。但在一定时间内(月、季、年)多次测量,可以得到每一种风向风向出现的频率。出现的频率。风向频率的计算方法选择观测的时间段,如月、季、年;选择观测的时间段,如月、季、年;记录每个风向出现的次数n记录每个风向出现的次数ni i,及总观测次数n;数n;某风向的风向频率= n某风向的风向频率= ni i/n ×100? 任意点处的风向时刻都在改变。但在一定时间内(月、季、年)多次测量,可以得到每一种? 风向频率的计算方法,及总观测次/n ×100二、风速频率对于风力机的安置处,有两个重要的描述风资源的参数:风速频率资源的参数:风速频率和年平均风速风速在某一时间段内平均,如10分钟;在计算风速频率时,通常把风速改变的间隔定为1m/s,如4.5~5.5m/s,5.5~6.5m/s;按风速的大小,落到哪个区间,哪个区间的累加值加1。把各个区间出现的次数除以总次数即得风速频率。对于风力机的安置处,有两个重要的描述风和年平均风速。。? 风速在某一时间段内平均,如10分钟;? 在计算风速频率时,通常把风速改变的间隔定为1m/s,如4.5~5.5m/s,5.5~6.5m/s;? 按风速的大小,落到哪个区间,哪个区间的累加值加1。? 把各个区间出现的次数除以总次数即得风速频率。 28风频(%)43 2 100 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20风速(风速(m/s))? 风况曲线 8000 9000时间(时间(h)) 29根据风况曲线通常可以看出:根据风况曲线通常可以看出:一年之中有多少时间低于启动风速一年之中有多少时间低于启动风速而无法起动?动?取多大的切出风速取多大的切出风速较合适?较合适?有多少小时可以达到额定出力?有多少小时可以达到额定出力?全年的有效风速全年的有效风速的有多少小时?的有多少小时?1.1.而无法起2.2.3.3.4.4.可见,风频特性和风况曲线是开发风能的重要原始资料和依据。风能的重要原始资料和依据。可见,风频特性和风况曲线是开发? 风速的Weibull(威布尔 )分布风速的Weibull(威布尔 )分布由于实测风速数据极为繁杂,且统计整理的工作量又很大,人们便用数学方式来描述风速分布情况。目前Weibull分布函数用得最广。Weibull分布函数有两特征参数:形状参数Weibull分布函数有两特征参数:形状参数K K和尺度参数和尺度参数C C。对风频曲线用概率密度函数。对风频曲线用概率密度函数描述:由于实测风速数据极为繁杂,且统计整理的工作量又很大,人们便用数学方式来描述风速分布情况。目前Weibull分布函数用得最广。上述的风况曲线用累计分布函数上述的风况曲线用累计分布函数表达:描述:表达: 302.3 风能及其度量一、概述一、概述? 风能风能是地球表面空气移动时产生的动能,即风的动能。是地球表面空气移动时产生的动能,即风的动能。? 风能资源风能资源是可供人类开发利用的风能是可供人类开发利用的风能基本公式:基本公式: E=1/2 mVE=1/2 mV2 式中式中m=m= AVAV,为单位时间内的流量质量。,为单位时间内的流量质量。? 单位时间内的能量单位时间内的能量功率:功率:W W= ? 风能的大小用风功率密度风能的大小用风功率密度 P P来度量 :P= 1/2 P= 1/2 V V3 ? 有效风能有效风能切入风速到切出风速之间(有效风速)的风能。这是由于风电机受到各种条件不可能全部截取风的理论可用能量 ,只能利用有效的风能资源截取风的理论可用能量 ,只能利用有效的风能资源 。2 = 1/2 1/2 A V来度量 :3 (W/ m(W/ m2 A V3 3(W)(W)2 ) )切入风速到切出风速之间(有效风速)的风能。这是由于风电机受到各种条件不可能全部。二、中国的风能资源及其分布二、中国的风能资源及其分布1、风能资源的特点1、风能资源的特点太阳辐射的能量在地球表面约有 2%为风能 ,估计全球风能资源总量为 1 . 3万亿 k W。估计全球风能资源总量为 1 . 3万亿 k W。太阳辐射的能量在地球表面约有 2%为风能 , 风能资源的优越性是可以再生、不污染、就地可取和分布广泛。但它的能量密度低、不稳定 ,并且受地形影响大。并且受地形影响大。风能资源的优越性是可以再生、不污染、就地可取和分布广泛。但它的能量密度低、不稳定 , 312、全国风能资源分布状况2、全国风能资源分布状况? 由于风速是一个随机性很大的量 ,必须通过长时间的观测计算出平均风功率密度。根据风的气候特点 ,一般选取十年风速资源中年平均风速最大、最小和中间的三个年份为代表年份 ,分别计算该三个年份的风功率密度然后加以平均 ,其结果可以作为当地长年平均值。均 ,其结果可以作为当地长年平均值。中国气象科学研究院计算了全国 900余个气象站的年平均风功率密度值 ,反映出全国风能资源分布状况 ,以及各个地区风能资源潜力的多少。由于风速是一个随机性很大的量 ,必须通过长时间的观测计算出平均风功率密度。根据风的气候特点 ,一般选取十年风速资源中年平均风速最大、最小和中间的三个年份为代表年份 ,分别计算该三个年份的风功率密度然后加以平? 中国气象科学研究院计算了全国 900余个气象站的年平均风功率密度值 ,反映出全国风能资源分布状况 ,以及各个地区风能资源潜力的多少。中国有效风功率密度分布(w/m2) 32中国3~20m/s风速全年累积小时数? 中国 1 0 m高度层的风能总储量为 32 . 2 6亿 k W,这个储量称作亿 k W,这个储量称作“理论可开发总量中国 1 0 m高度层的风能总储量为 32 . 2 6理论可开发总量”。。? 实际可供开发的量按上述总量的 1 / 1 0估计 ,并考虑风能转换装置风轮的实际扫掠面积 ,再乘以面积系数 0 . 785(即 1 m直径的圆面积是边长 1 m的正方形面积的 0 . 785),得到中国1 0 m高度层实际可开发的风能储量为 2 . 53亿 k W。为 2 . 53亿 k W。实际可供开发的量按上述总量的 1 / 1 0估计 ,并考虑风能转换装置风轮的实际扫掠面积 ,再乘以面积系数 0 . 785(即 1 m直径的圆面积是边长 1 m的正方形面积的 0 . 785),得到中国1 0 m高度层实际可开发的风能储量? 这个数量比 1 996年全国发电总装机容量还大 ,说明中国风能资源丰富 ,但是可供经济开发的风能储量有多少尚需进一步查明。发的风能储量有多少尚需进一步查明。这个数量比 1 996年全国发电总装机容量还大 ,说明中国风能资源丰富 ,但是可供经济开3、中国风能资源开发前景3、中国风能资源开发前景 33中国风能资源丰富的省区中国风能资源丰富的省区省区省区风能资源风能资源(万万 k W)新新甘甘吉吉河河辽辽3638612606疆疆肃肃林林北北宁宁省区省区风能资源风能资源(万万 k W)山 东山 东江 西江 西394293江 苏江 苏238广 东广 东浙 江浙 江195164福 建福 建海 南海 南13764第三章 风力机空气动力学基础第三章 风力机空气动力学基础? 叶片的空气动力特性叶片的空气动力特性? 叶轮的空气动力模型叶轮的空气动力模型 343.1 空气动力学的基本概念3.1 空气动力学的基本概念一、流线一、流线? 气体质点:体积无限小的具有质量和速度的流气体质点:体积无限小的具有质量和速度的流体微团体微团。。? 流线:流线:在某一瞬时沿着流场中各气体质点的速度方向连成的一条平滑曲线。度方向连成的一条平滑曲线。描述了该时刻各气体质点的运动方向:切线方向。切线方向。流场中众多流线的集合称为流线簇流场中众多流线的集合称为流线簇。一般情况下,各流线彼此不会相交如所示。般情况下,各流线彼此不会相交如所示。在某一瞬时沿着流场中各气体质点的速描述了该时刻各气体质点的运动方向:。一绕过物体的流线? 绕过障碍物的流线:当流体绕过障碍物时,流线形状会改变,其形状取决于所绕过的障碍物的形状。其形状取决于所绕过的障碍物的形状。绕过障碍物的流线:当流体绕过障碍物时,流线形状会改变,? 不同的物体对气流的阻碍效果也各不相同考虑几种形状的物体,它们的截面尺寸相同,但侧面形状相同,但侧面形状各异,对气流的阻碍作用(用阻力系数(用阻力系数度量)不同。度量)不同。不同的物体对气流的阻碍效果也各不相同考虑几种形状的物体,它们的截面尺寸各异,对气流的阻碍作用侧面形状不同的几种物体 36二、阻力与升力? 阻力:阻力:当气流与物体有相对运动时,气流对物体的平行于气流方向的作用力。物体的平行于气流方向的作用力。? 升力:先定性地考察一番飞机机翼附近的流线。当机翼相对气流保持示的方向与方位时,在机翼上下面流线簇的疏密程度是不尽相同的。度是不尽相同的。当气流与物体有相对运动时,气流对升力:先定性地考察一番飞机机翼附近的流线。当机翼相对气流保持示的方向与方位时,在机翼上下面流线根据流体运动的质量守恒定律,有根据流体运动的质量守恒定律,有连续性方程A1V1= A2V2+ A3V3其中:其中:A、V分别表示截面积和速度。下标下标1、、2、、3分别代表前方或后方、上表面和下表面处。和下表面处。分别表示截面积和速度。分别代表前方或后方、上表面 37根据伯努利方程根据伯努利方程::P = Pi+1/2 * Vi2即:气体总压力即:气体总压力=静压力考察翼型剖面气体流动的情况: 上翼面突出 上翼面突出,流场横截面面积减小,空气流速大,即即V2V1。而由伯努利方程,必使:。而由伯努利方程,必使: P2 P1,即静压力减小。② 下翼面平缓② 下翼面平缓,, V3V1,使其几乎保持原来的大气压,即:大气压,即: P3 P1。。静压力+动压力动压力=恒定值恒定值考察翼型剖面气体流动的情况:,流场横截面面积减小,空气流速大,,即静压力减小。,使其几乎保持原来的结论:结论:由于机翼上下表面所受的压力差,使得机翼得到向上的作用力翼得到向上的作用力升力由于机翼上下表面所受的压力差,使得机升力。。三、翼型的气动特性1、翼型的几何描述、翼型的几何描述? 前缘与后缘:前缘与后缘:? 翼弦:翼弦:OB,长度称为弦长,记为,长度称为弦长,记为 C。弦长是翼型的基本长度,也称几何弦。弦长是翼型的基本长度,也称几何弦。此外,翼型上还有气动弦,又称零升力线。此外,翼型上还有气动弦,又称零升力线。。O B翼弦翼弦C 38? 上翼面:凸出的翼型表面。上翼面:凸出的翼型表面。下翼面:平缓的翼型表面。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。厚度:翼弦垂直方向上上下翼面间的距离。厚度分布:沿着翼弦方向的厚度变化。厚度分布:沿着翼弦方向的厚度变化。弯度:翼型中弧线与翼弦间的距离。弯度分布:沿着翼弦方向的弯度变化。弯度分布:沿着翼弦方向的弯度变化。? 下翼面:平缓的翼型表面。? 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。? 厚度:翼弦垂直方向上上下翼面间的距离。? 弯度:翼型中弧线、作用在翼型上的气动力重要概念:重要概念:攻角气流速度与翼弦间所夹的角度,记做气流速度与翼弦间所夹的角度,记做,又称迎角。称迎角。L L ,又RRMMVC C 39? 由于机翼上下表面所受的压力差,实际上存在着一个指向上翼面的合力,记为指向上翼面的合力,记为R。阻力与升力:阻力与升力:R在风速方向的投影称为阻力在风速方向的投影称为阻力,记为而在垂直于风速方向上的投影称为升力而在垂直于风速方向上的投影称为升力,记为气动力矩:合力气动力矩:合力R对(除自己的作用点外)其它点的力矩,记为的力矩,记为M。又称扭转力矩。。又称扭转力矩。为方便使用,通常用刚数值表示翼剖面的气动特性,故定义几个气动力系数:升力系数:CL=L / (1/2 V阻力系数:阻力系数:CD=D / (1/2 V气动力矩系数:气动力矩系数: CM=M / (1/2 V此处,此处,L、、D、、M分别为翼型沿展向单位长度上的升力、阻力和气动力矩。力、阻力和气动力矩。由于机翼上下表面所受的压力差,实际上存在着一个。,记为D;。;,记为L。对(除自己的作用点外)其它点? 为方便使用,通常用刚数值表示翼剖面的气动特性,故定义几个气动力系数:升力系数:2C) 2C)2C2)分别为翼型沿展向单位长度上的升CLmaxC CL L0CT3、翼剖面的升力特性用升力系数用升力系数Cl随攻角曲线)来描述。如。曲线)来描述。如。随攻角 变化的曲线(升力特性变化的曲线说明说明:? 在在 0~系表明随着系表明随着 的增加,升力:~ CT之间,之间,CL与的增加,升力L逐渐加大。与 呈近似的线性关呈近似的线性关逐渐加大。? 当当 = CT时,为临界攻角或失速攻角为临界攻角或失速攻角。当下降。下降。时,CL达到最大值达到最大值CLmax。。 CT称时,CL称。当 CT时,? 当当 = 0(0)时,称为零升力角,对应零升力线。称为零升力角,对应零升力线,表明无升力。,表明无升力。 0用阻力特性曲线来描述用阻力特性曲线来描述。。CDCDmin CDmin 两个特征参数:最小阻力系数最小阻力系数CDmin及对应攻角两个特征参数:及对应攻角 CDmin。。4、翼剖面的阻力特性 41五、极曲线在风力机的设计在风力机的设计中往往更关心升力和阻力的比值和阻力的比值 升阻比阻比L/D以及最佳升阻比。通过极曲线(又称艾菲尔曲线)(又称艾菲尔曲线)中往往更关心升力升来讨论。来讨论。以及最佳升阻比。通过极曲线CDmin0CD0有利CDminCLmaxCL CTCDCD说明:说明:? 极曲线上的每一点对应一种升阻比及相应的攻角状态,如如 0 0、、 CDmin、 CT等。? 为了得到最佳升阻比,可从原点作极曲线的切线,由于 此时的夹角于 此时的夹角 最大,故切点处的升阻比CL/CD=tg最大,故切点处的升阻比CL/CD=tg 最大,对应的攻角为最有利攻角最大,对应的攻角为最有利攻角 有利。极曲线上的每一点对应一种升阻比及相应的攻角状态,CDmin、为了得到最佳升阻比,可从原点作极曲线的切线,由CT等。有利。六、压力中心六、压力中心压力中心:气动合力的作用点,为合力作用线与翼弦的交点。与翼弦的交点。作用在压力中心上的只有升力与阻力,而无力矩。作用在压力中心上的只有升力与阻力,而无力矩。压力中心的通常用距前缘的距离表示,约在0.25倍弦长处。0.25倍弦长处。压力中心:气动合力的作用点,为合力作用线压力中心的通常用距前缘的距离表示,约在 42七、雷诺数对翼型气动力特性的影响? 关于雷诺数关于雷诺数层流与紊流:两种性质不同的流动状态。雷诺数是用来界定两种状态的判据。雷诺数是用来界定两种状态的判据。雷诺数的表达形式:雷诺数的表达形式: Re=VC/ 临界雷诺数临界雷诺数Recr:: ReRecr 层流层流与紊流:两种性质不同的流动状态。层流紊流ReRecr 紊流雷诺数的物理意义:惯性力与粘性力之比。雷诺数的物理意义:惯性力与粘性力之比。? 雷诺数的影响考虑对考虑对NACA翼型升力曲线和阻力曲线的影响。随着雷诺数的增加:雷诺数的增加:升力曲线斜率,最大升力系数与失速攻角均增加;升力曲线斜率,最大升力系数与失速攻角均增加;最小阻力系数减小;最小阻力系数减小;升阻比增加。升阻比增加。雷诺数的影响翼型升力曲线和阻力曲线的影响。随着3.2 叶轮空气动力学基础叶轮的作用:将风能转换为机械能叶轮的作用:将风能转换为机械能一、叶轮的几何描述一、叶轮的几何描述? 叶轮轴线:叶轮旋转的轴线。叶轮轴线:叶轮旋转的轴线。? 旋转平面:桨叶扫过的垂直于叶轮轴线的平面。旋转平面:桨叶扫过的垂直于叶轮轴线的平面。? 叶片轴线:叶片绕其旋转以改变相对于旋转平面的偏转角面的偏转角安装角(重要概念)。安装角(重要概念)。叶片轴线:叶片绕其旋转以改变相对于旋转平? 半径半径r处的桨叶剖面:距叶轮轴线处的桨叶剖面:距叶轮轴线r处用垂直于叶片轴线的平面切出的叶片截面。叶片轴线的平面切出的叶片截面。处用垂直于 43? 安装角:桨叶剖面上的翼弦线与旋转平面的夹角,又称桨距角,记为距角,记为 。。安装角:桨叶剖面上的翼弦线与旋转平面的夹角,又称桨? 半径半径r处叶片截面的几何桨距处叶片截面的几何桨距:在线的螺距。可以从几个方面来理解:可以从几个方面来理解:几何螺旋线的描述:半径几何螺旋线的描述:半径r,螺旋升角此处的螺旋升角为该半径处的安装角此处的螺旋升角为该半径处的安装角 r。该几何螺旋线与与r处翼剖面的弦线相切。的弦线相切。桨距值:桨距值:H=2 r tg r:在r处几何螺旋处几何螺旋线的螺距。,螺旋升角 。。。该几何螺旋线. 贝兹理论中的假设贝兹理论中的假设叶轮是理想的;叶轮是理想的;气流在整个叶轮扫略面上是均匀的;气流在整个叶轮扫略面上是均匀的;气流始终沿着叶轮轴线;气流始终沿着叶轮轴线;叶轮处在单元流管模型中,如。叶轮处在单元流管模型中,如。流体连续性条件:S流体连续性条件:S1 1V V1 1= SV = S= SV = S2 2V V2 22. 对叶轮应用气流冲量原理? 叶轮所受的轴向推力:叶轮所受的轴向推力:F = m ( V1 - V2 ),为单位时间内的流量质式中式中m= SV,为单位时间内的流量质量量? 叶轮单位时间内吸收的风能叶轮单位时间内吸收的风能叶轮吸收的功率为:收的功率为:P=FV= SV2(V1-V2)叶轮吸 453、动能的应用? 基本公式:基本公式:E=1/2 mV2单位时间内气流所做的功单位时间内气流所做的功功率:P=1/2 mV2= =1/2 SV V2在叶轮前后,单位时间内气流动能的改变量:∆P= 1/2 SV (V2此既气流穿越叶轮时,被叶轮吸收的功率此既气流穿越叶轮时,被叶轮吸收的功率。因此:因此:SV2(V1-V2)= 1/2 SV (V2整理得:整理得: V=1/2 (V1+V2)即穿越叶轮的风速为叶轮远前方与远后方风速的均值。速的均值。((m同上)同上)功率:? 在叶轮前后,单位时间内气流动能的改变量:1_ V22)。1_ V22)即穿越叶轮的风速为叶轮远前方与远后方风4. 贝兹极限4. 贝兹极限? 引入轴向干扰因子引入轴向干扰因子进一步讨论。令:令:V = V1( 1- a ) = V1 U则有:则有:V2 =V1 ( 1- 2a )其中:其中: a轴向干扰因子,又称入流因子。轴向干扰因子,又称入流因子。U=V1a轴向速度。轴向速度。讨论:当当a≧1/2时,时,V2≦0,因此又V V1且且V 0 ,有,有1a0。a的范围:的范围: a 0进一步讨论。? 讨论:,因此a1/2。又。 46由于叶轮吸收的功率为由于叶轮吸收的功率为P=∆P= 1/2 SV (V21_ V22)2= 2 S V1,可得吸收功率最大时的入流因子。解得:a=1和和a=1/3。取。取a=1/3,得Pmax=16/27 (1/2 SV1注意到注意到1/2 SV1动能动能功率,并定义风能利用系数功率,并定义风能利用系数Cp为:Cp=P/(1/2 SV1于是最大风能利用系数于是最大风能利用系数Cpmax为:Cpmax=Pmax/(1/2 SV1此乃贝兹极限。3a( 1- a )令令dP/da=0,可得吸收功率最大时的入流因子。解得:,得3)3是远前方单位时间内气流的是远前方单位时间内气流的为:3)为:3)=16/270.593三、 叶素理论三、 叶素理论1、基本思想? 将叶片沿展向分成若干微段将叶片沿展向分成若干微段叶片元素视叶素为二元翼型,即不考虑展向的变化;作用在每个叶素上的力互不干扰;将作用在叶素上的气动力元沿展向积分,求得作用在叶轮上的气动扭矩与轴向推力。2、叶素模型端面:桨叶的径向距离桨叶的径向距离r处取微段,展向长度处取微段,展向长度dr。在旋转平面内的线速度:在旋转平面内的线速度:U=r 。叶片元素叶素;叶素;? 视叶素为二元翼型,即不考虑展向的变化;? 作用在每个叶素上的力互不干扰;? 将作用在叶素上的气动力元沿展向积分,求得作用在叶轮上的气动扭矩与轴向推力。 端面:。。 47翼型剖面翼型剖面: 弦长弦长 C,安装角 设设V为来流的风速,由于速度为来流的风速,由于速度U,气流相对于桨叶的速度应是两者的合成,记为于桨叶的速度应是两者的合成,记为W。,安装角。。,气流相对。W V UdF dR dL旋转平面定义定义W与叶轮旋转平面的夹角为入流角与叶轮旋转平面的夹角为入流角,记为,则有叶片翼型的攻角为:,则有叶片翼型的攻角为: = - 。。,记为3、叶素上的受力分析? 在在W的作用下,叶素受到一个气动合力元的作用下,叶素受到一个气动合力元dR,可分解为平行于可分解为平行于W的阻力元的阻力元dD和垂直于力元力元dL。。? 另一方面,另一方面,dR还可分解为推力元还可分解为推力元dF和扭矩元由几何关系可得: dF=dLcos + dDsin dT=r(dLsin - dD cos ),和垂直于W的升的升和扭矩元dT,,由几何关系可得: 48? 由于可利用阻力系数由于可利用阻力系数CD和升力系数dD和和dL:dL = 1/2 CLWdD = 1/2 CD W 故故dF和和dT可求。可求。将叶素上的力元沿展向积分,得:作用在叶轮上的推力:作用在叶轮上的推力:F= dF作用在叶轮上的扭矩:作用在叶轮上的扭矩:T= dT叶轮的输出功率:叶轮的输出功率:P= dT = T和升力系数Cl分别求得分别求得2C dr2C dr? 将叶素上的力元沿展向积分,得:

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