第一篇：風(fēng)電基礎(chǔ)技術(shù)知識(shí)

1、第一篇：風(fēng)電基礎(chǔ)技術(shù)知識(shí)第一章風(fēng)能資源概述第一節(jié)：風(fēng)向與風(fēng)速 風(fēng)是大氣的運(yùn)動(dòng)。氣象學(xué)上一般把垂直方向的大氣運(yùn)動(dòng)稱為氣流，水平方向的大氣運(yùn)動(dòng)稱為風(fēng) 大氣的運(yùn)動(dòng)本質(zhì)上是由太陽(yáng)熱輻射引起的。因此，風(fēng)能是太陽(yáng)能的一種表現(xiàn)形式。 地球表面上，受太陽(yáng)加熱的空氣較輕，上升到高空；冷卻的空氣較重，傾向于去補(bǔ)充上升的空氣。這就導(dǎo)致了空氣的流動(dòng)風(fēng)。全球性氣流、海風(fēng)與陸風(fēng)、山谷風(fēng)的形成大致都如此。 風(fēng)向與風(fēng)速是確定風(fēng)況的兩個(gè)重要參數(shù)一、風(fēng)向 風(fēng)向來風(fēng)的方向。通常說的西北風(fēng)、南風(fēng)等即表明的就是風(fēng)向。 陸地上的風(fēng)向一般用16個(gè)方位觀測(cè)。即以正北為零度，順時(shí)針每轉(zhuǎn)過22.5°為一個(gè)方位。 風(fēng)向的方位圖圖示如下。

2、二、風(fēng)速 風(fēng)速風(fēng)流動(dòng)的速度，用空氣在單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)的距離表示，單位：m/s或km/h。風(fēng)速是表示氣流強(qiáng)度和風(fēng)能的一個(gè)重要物理量。風(fēng)速和風(fēng)向都是不斷變化的。 瞬時(shí)風(fēng)速任意時(shí)刻風(fēng)的速度。 具有隨機(jī)性因而不可控制。 測(cè)量時(shí)選用極短的采樣間隔，如<1s。 平均風(fēng)速某一時(shí)間段內(nèi)各瞬時(shí)風(fēng)速的平均值。如日平均風(fēng)速、月平均風(fēng)速等。1、風(fēng)速的周期性變化 風(fēng)速的日變化：一天之中，風(fēng)速的大小是不同的： 地面（或海拔較低處）一般是白天風(fēng)速高，夜間風(fēng)速較低。 高空（或海拔較高處）則相反，夜間風(fēng)強(qiáng)，白天風(fēng)弱。其逆轉(zhuǎn)的臨界高度約為100150m。 風(fēng)速的季節(jié)變化：一年之中，風(fēng)的速度也有變化。在我國(guó)，大部分地區(qū)風(fēng)的季節(jié)

3、性變化規(guī)律是：春季最強(qiáng)，冬季次之，夏季最弱。2、影響風(fēng)速的主要因素 垂直高度：由于風(fēng)與地表面摩擦的結(jié)果，越往高處風(fēng)速越高。定量關(guān)系常用實(shí)驗(yàn)式表示：V=V0(H/H0)nV高度H處的風(fēng)速。V0高度H0處的風(fēng)速，測(cè)得。n地表摩擦系數(shù)，或地表面粗糙度。取值范圍：0.1（光滑）0.4（粗糙）。 地理位置海面上的風(fēng)比海岸大，沿海的風(fēng)比內(nèi)陸大得多。 障礙物風(fēng)流經(jīng)障礙物后，將產(chǎn)生不規(guī)則的渦流，使風(fēng)速降低。但隨著遠(yuǎn)離物體，這種渦流逐漸消失。當(dāng)距離大于10倍物體高度時(shí)，渦流可完全消失。啟示：在障礙物附近設(shè)置風(fēng)力機(jī)或多排設(shè)置風(fēng)力機(jī)時(shí)的位置。第二節(jié)：風(fēng)資源描述的基本理論一、風(fēng)向頻率 任意點(diǎn)處的風(fēng)向時(shí)刻都在改變，但在

4、一定時(shí)間內(nèi)多次測(cè)量，可以得到每一種風(fēng)向出現(xiàn)的頻率。 風(fēng)向頻率的計(jì)算方法 選擇觀測(cè)的時(shí)間段，如月、季、年； 記錄每個(gè)風(fēng)向出現(xiàn)的次數(shù)ni，及總觀測(cè)次數(shù)n； 某風(fēng)向的風(fēng)向頻率= ni/n ×100二、風(fēng)速頻率對(duì)于風(fēng)力機(jī)的安置處，有兩個(gè)重要的描述風(fēng)資源的參數(shù)：年平均風(fēng)速和風(fēng)速頻率。 在計(jì)算風(fēng)率時(shí)，通常把風(fēng)速的間隔定為1m/s； 風(fēng)速在某一時(shí)間段平均，如10分鐘； 按風(fēng)速的大小，落到哪個(gè)區(qū)間，哪個(gè)區(qū)間的累加值加1。 把個(gè)區(qū)間出現(xiàn)的次數(shù)除以總次數(shù)即得風(fēng)速頻率。根據(jù)風(fēng)況曲線通常可以看出： 一年之中有多少時(shí)間低于起動(dòng)風(fēng)速而無(wú)法起動(dòng)？ 有多少小時(shí)可以達(dá)到額定出力？ 取多大的切出風(fēng)速較合適？可見，風(fēng)頻特

5、性和風(fēng)況曲線是開發(fā)風(fēng)能的重要原始資料和依據(jù)。三、風(fēng)能與風(fēng)能密度 風(fēng)能風(fēng)的動(dòng)能。 計(jì)算一年中風(fēng)能的大小，要考慮風(fēng)速的分布情況，而不能簡(jiǎn)單使用年平均風(fēng)速。 年有效風(fēng)能起動(dòng)風(fēng)速到切出風(fēng)速之間的風(fēng)能。 有效風(fēng)能密度年有效風(fēng)能除以年有效風(fēng)速的持續(xù)時(shí)間。第二章風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)序言¨ 風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作過程描述¨ 風(fēng)力發(fā)電機(jī)（以下簡(jiǎn)稱風(fēng)力機(jī)）是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一節(jié)：空氣動(dòng)力學(xué)的基本概念一、流線¨ 氣體質(zhì)點(diǎn)：體積無(wú)限小的具有質(zhì)量和速度的流體微團(tuán)。¨ 流線： 在某一瞬時(shí)沿著流場(chǎng)中各氣體質(zhì)點(diǎn)的速度方向連成的一條平滑曲線。 描述了該時(shí)刻各氣

6、體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向：切線方向。 一般情況下，各流線彼此不會(huì)相交。 流場(chǎng)中眾多流線的集合稱為流線簇。如圖所示。¨ 繞過障礙物的流線: 當(dāng)流體繞過障礙物時(shí)，流線形狀會(huì)改變，其形狀取決于所繞過的障礙物的形狀。¨ 不同的物體對(duì)氣流的阻礙效果也各不相同。考慮這樣幾種形狀的物體，它們的截面尺寸相同，但對(duì)氣流的阻礙作用（用阻力系數(shù)度量）各異。二：阻力與升力¨ 阻力：當(dāng)氣流與物體有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣流對(duì)物體的平行于氣流方向的作用力。¨ 升力：先定性地考察一番飛機(jī)機(jī)翼附近的流線。當(dāng)機(jī)翼相對(duì)氣流保持圖示的方向與方位時(shí)，在機(jī)翼上下面流線簇的疏密程度是不盡相同的。 根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量

7、守恒定律，有連續(xù)性方程：A1V1 = A2V2 + A3V3其中A、V分別表示截面積和速度。下標(biāo)1、2、3分別代表前方或后方、上表面和下表面處。 根據(jù)伯努利方程：P = P0 +1/2 * r V2有：氣體總壓力=靜壓力+動(dòng)壓力=恒定值考察二維翼型氣體流動(dòng)的情況。上翼面突出，流場(chǎng)橫截面面積減小，空氣流速增大，即V2>V1。而由伯努利方程，必使：P2 < P1，即壓力減小。下翼面變化較小，V3V1，使其幾乎保持原來的大氣壓，即：P3 P1。結(jié)論：由于機(jī)翼上下表面所受的壓力差，使得機(jī)翼得到向上的作用力升力。三、翼型的氣動(dòng)特性1、翼型的幾何描述¨ 前緣與后緣：¨ 翼弦

8、：OB，長(zhǎng)度稱為弦長(zhǎng)，記為C。弦長(zhǎng)是翼型的基本長(zhǎng)度，也稱幾何弦。 此外，翼型上還有氣動(dòng)弦，又稱零升力線。¨ 中弧線：翼型內(nèi)切圓圓心的連線。對(duì)稱翼型的中弧線與翼弦重合。¨ 上翼面：凸出的翼型表面。¨ 下翼面：平緩的翼型表面。¨ 厚度：翼弦垂直方向上上下翼面間的距離。 厚度分布：沿著翼弦方向的厚度變化。¨ 彎度：翼型中弧線與翼弦間的距離。 彎度分布：沿著翼弦方向的彎度變化。2、作用在機(jī)翼上的氣動(dòng)力重要概念：攻角¨ 氣流速度與翼弦間所夾的角度，記做a，又稱迎角。¨ 由于機(jī)翼上下表面所受的壓力差，實(shí)際上存在著一個(gè)指向上翼面的合力，記

9、為R。 阻力與升力：R在風(fēng)速上的投影稱為阻力，記為D；而在垂直于風(fēng)速方向上的投影稱為升力，記為L(zhǎng)。 氣動(dòng)力矩：合力R對(duì)（除自己的作用點(diǎn)外）其它點(diǎn)的力矩，記為M。又稱扭轉(zhuǎn)力矩。¨ 為方便使用，通常用無(wú)量剛數(shù)值表示翼剖面的氣動(dòng)特性，故定義幾個(gè)氣動(dòng)力系數(shù)：升力系數(shù)：CL=L / (1/2 rV2C) 阻力系數(shù)：CD=D / (1/2 rV2C)氣動(dòng)力矩系數(shù)：CM=M / (1/2 rV2C2)此處，L、D、M分別為翼型沿展向單位長(zhǎng)度上的升力、阻力和氣動(dòng)力矩。3、翼剖面的升力特性用升力系數(shù)Cl隨攻角a變化的曲線（升力特性曲線）來描述。如圖。說明：¨ 在a0aCT之間，CL與a呈近似

10、的線性關(guān)系，即隨著a的增加，升力L逐漸加大。¨ 當(dāng)a=aCT時(shí)，CL達(dá)到最大值CLmax。aCT稱為臨界攻角或失速攻角。當(dāng)a>aCt時(shí)，CL將下降。¨ 當(dāng)a=a0(<0)時(shí)，CL=0，表明無(wú)升力。a0稱為零升力角，對(duì)應(yīng)零升力線。4、翼剖面的阻力特性5、極曲線¨ 在風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)中往往更關(guān)心升力h和阻力的比值 升阻比L/D以及最佳升阻比。通過極曲線（又稱艾菲爾曲線）來討論。¨ 說明：極曲線上的每一點(diǎn)對(duì)應(yīng)一種升阻比及相應(yīng)的攻角狀態(tài)，如a0、aCDmin、aCT等。為了得到最佳升阻比，可從原點(diǎn)作極曲線的切線，由于此時(shí)的夾角q最大，故切點(diǎn)處的升阻比CL

11、/CD=tg q最大，對(duì)應(yīng)的攻角為最有利攻角a有利。6、壓力中心壓力中心：氣動(dòng)合力的作用點(diǎn)，為合力作用線與翼弦的交點(diǎn)。 作用在壓力中心上的只有升力與阻力，而無(wú)力矩。 壓力中心的位置通常用距前緣的距離表示，約在0.25倍弦長(zhǎng)處。7、雷諾數(shù)對(duì)翼型氣動(dòng)力特性的影響¨ 關(guān)于雷諾數(shù)層流與紊流：兩種性質(zhì)不同的流動(dòng)狀態(tài)。雷諾數(shù)是用來界定兩種狀態(tài)的判據(jù)。雷諾數(shù)的表達(dá)形式：Re=VC/n臨界雷諾數(shù)Recr： Re<Recr 層流 Re>Recr 紊流雷諾數(shù)的物理意義：慣性力與粘性力之比。¨ 雷諾數(shù)的影響考慮對(duì)NACA翼型升力曲線和阻力曲線的影響。隨著雷諾數(shù)的增加：升力曲線斜率，最

12、大升力系數(shù)與失速攻角均增加；最小阻力系數(shù)減??；升阻比增加。第二節(jié)：葉輪空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)一、幾何描述¨ 葉輪軸線：葉輪旋轉(zhuǎn)的軸線。¨ 旋轉(zhuǎn)平面：槳葉掃過的垂直于葉輪軸線的平面。¨ 葉片軸線：葉片繞其旋轉(zhuǎn)以改變相對(duì)于旋轉(zhuǎn)平面的偏轉(zhuǎn)角安裝角（重要概念）。¨ 半徑r處的槳葉剖面：距葉輪軸線r處用垂直于葉片軸線的平面切出的葉片截面。¨ 安裝角：槳葉剖面上的翼弦線與旋轉(zhuǎn)平面的夾角，又稱槳距角，記為b。¨ 半徑r處葉片截面的幾何槳距：在r處幾何螺旋線的螺距?？梢詮膸讉€(gè)方面來理解： 幾何螺旋線的描述：半徑r，螺旋升角b。 此處的螺旋升角為該半徑處的安裝

13、角br。 該幾何螺旋線與r處翼剖面的弦線相切。 槳距值：H=2pr tg br二、貝茲理論1、貝茲理論中的假設(shè)葉輪是理想的； 氣流在整個(gè)葉輪掃略面上是均勻的； 氣流始終沿著葉輪軸線； 葉輪處在單元流管模型中，如圖。流體連續(xù)性條件：S1V1 = SV = S2V22. 應(yīng)用氣流沖量原理¨ 葉輪所受的軸向推力：F=m(V1-V2)式中m=rSV，為單位時(shí)間內(nèi)的流量質(zhì)量。¨ 葉輪單位時(shí)間內(nèi)吸收的風(fēng)能葉輪吸收的功率為：P=FV= rSV2(V1-V2)3、動(dòng)能定理的應(yīng)用¨ 基本公式：E=1/2 mV2 （m同上）單位時(shí)間內(nèi)氣流所做的功功率：P=1/2 mV2= =1/2

14、rSV V2¨ 在葉輪前后，單位時(shí)間內(nèi)氣流動(dòng)能的改變量：DP= 1/2 rSV (V21_ V22)此既氣流穿越葉輪時(shí)，被葉輪吸收的功率。因此：rSV2(V1-V2)= 1/2 rSV (V21_ V22)整理得： V=1/2 (V1+V2)即穿越葉輪的風(fēng)速為葉輪遠(yuǎn)前方與遠(yuǎn)后方風(fēng)速的均值。4、貝茲極限¨ 引入軸向干擾因子進(jìn)一步討論。令： V = V1( 1- a ) = V1 U則有：V2 =V1 ( 1- 2a )其中： a軸向干擾因子，又稱入流因子；U=V1a軸向誘導(dǎo)速度。¨ 討論：當(dāng)a=1/2時(shí)，V2=0，因此a<1/2。又V<V1，有1>

15、a>0。a的范圍： ½ > a > 0 由于葉輪吸收的功率為P=DP= 1/2 rSV (V21_ V22)= 2 rS V13a( 1- a )2令dP/da=0，可得吸收功率最大時(shí)的入流因子。解得：a=1和a=1/3。取a=1/3，得Pmax =16/27 (1/2 rSV13 )注意到1/2 rSV13是遠(yuǎn)前方單位時(shí)間內(nèi)氣流的動(dòng)能功率，并定義風(fēng)能利用系數(shù)Cp為：Cp=P/(1/2 rSV13 )于是最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax為：Cpmax=Pmax/(1/2 rSV13 )=16/27»0.593，此乃貝茲極限。三、葉素理論1、基本思想¨

16、將葉片沿展向分成若干微段葉片元素葉素；¨ 視葉素為二元翼型，即不考慮展向的變化；¨ 作用在每個(gè)葉素上的力互不干擾；¨ 將作用在葉素上的氣動(dòng)力元沿展向積分，求得作用在葉輪上的氣動(dòng)扭矩與軸向推力。2、葉素模型¨ 端面： 槳葉的徑向距離r處取微段，展向長(zhǎng)度dr。 在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的線速度：U=rw。¨ 翼型剖面： 弦長(zhǎng)C，安裝角q。 設(shè)V為來流的風(fēng)速，由于U的影響，氣流相對(duì)于槳葉的速度應(yīng)是兩者的合成，記為W。定義W與葉輪旋轉(zhuǎn)平面的夾角為入流角，記為f，則有葉片翼型的攻角為：a=f-q。3、葉素上的受力分析¨ 在W的作用下，葉素受到一個(gè)氣動(dòng)合力d

17、R，可分解為平行于W的阻力元dD和垂直于W的升力元dL。¨ 另一方面，dR還可分解推力元阻力元dF和扭矩元dT，由幾何關(guān)系可得：dFdLcos f+ dDsin fdTr(dLsin f- dD cos f)由于可利用阻力系數(shù)CD和升力系數(shù)Cl 分別求得dD和dL:dL=1/2 r CLW 2C drdD=1/2 r CD W2C dr， 故dF和dT可求。¨ 將葉素上的力元沿展向積分，得：作用在葉輪上的推力：F= ò dF作用在葉輪上的扭矩：T= ò dT葉輪的輸出功率：P= ò dTw= w T第三章 風(fēng)力機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)第一節(jié)：葉輪¨

18、; 由輪轂和相連接的葉片組成。¨ 討論要點(diǎn)： 輪轂與槳葉的連接型式 輪轂材料與檢驗(yàn) 槳葉的強(qiáng)度計(jì)算一、輪轂與槳葉的連接型式1、固定連接（剛性連接）¨ 三葉片葉輪大多用此連接方式。¨ 制造成本低，較少維護(hù)，無(wú)磨損。¨ 但要承受所有來自葉片的載荷。¨ 連接用螺栓的材質(zhì)要好，外加防松裝置。¨ 為產(chǎn)生錐角效應(yīng)，最好使錐角d滿足：tgd=氣動(dòng)推力/ 離心力2、鉸鏈?zhǔn)竭B接（柔性連接）¨ 常用于兩葉片葉輪。鉸鏈軸分別垂直于葉片軸和葉輪轉(zhuǎn)軸揮舞運(yùn)動(dòng)不受約束。¨ 如果兩個(gè)葉片固連成一體，特稱為蹺蹺板鉸鏈，可使槳葉在旋轉(zhuǎn)平面前后幾度（

19、如5度）的范圍內(nèi)自由擺動(dòng)，以便更利于錐角效應(yīng)。¨ 變槳距葉輪中的槳葉轉(zhuǎn)軸另行介紹。¨ 但扭轉(zhuǎn)力矩變化較大，葉輪躁聲大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。二、輪轂材料與檢驗(yàn)¨ 輪轂可用鑄鋼鑄造或由鋼板焊接而成。 鑄件不能有鑄造缺陷（夾渣、縮孔、砂眼、裂紋等），否則重新澆鑄。 對(duì)焊接件的焊縫要進(jìn)行超聲波檢查。¨ 大型風(fēng)力機(jī)葉輪的輪轂可用加延長(zhǎng)節(jié)的方式，簡(jiǎn)化輪轂的制造，減少出現(xiàn)各種缺陷的可能。¨ 對(duì)輪轂（和延長(zhǎng)節(jié)）要進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度分析。三、槳葉的強(qiáng)度計(jì)算¨ 槳葉的危險(xiǎn)剖面：槳葉根部。¨ 考慮槳葉處于水平和垂直兩個(gè)特殊方位時(shí)的強(qiáng)度計(jì)算。1、槳葉處于水

20、平位置葉根載荷：重力矩（最大）；氣動(dòng)推力產(chǎn)生的彎矩；彎曲應(yīng)力扭轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生的彎矩；離心力：拉應(yīng)力2、槳葉處于垂直位置¨ 偏航時(shí)的陀螺力矩為：M=2JWwsinWt當(dāng)Wt為0 （即處于水平位置）時(shí)，M為0 ； 當(dāng)Wt為±90 時(shí)，M最大。¨ 外加其它正常作用的載荷，槳葉根部應(yīng)力最大。第二節(jié)：齒輪箱與剎車¨ 大型風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速大多在3050rpm之間，也有更低的（考慮槳葉離心力與葉尖線速度），與發(fā)電機(jī)之間存在較大的轉(zhuǎn)速差。故設(shè)置傳動(dòng)裝置齒輪箱。¨ 傳動(dòng)裝置包括：增速器、聯(lián)軸器等。一、齒輪箱¨ 基本要求：重量輕、效率高（尤其對(duì)大型風(fēng)力機(jī)）、承載

21、能力大、躁聲小、起動(dòng)力矩小。¨ 類別：定軸齒輪傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)行星齒輪傳動(dòng)混合輪系傳動(dòng)600kw風(fēng)力機(jī)用的齒輪箱二、機(jī)械剎車¨ 一般有兩種剎車裝置： 運(yùn)行剎車：正常情況下反復(fù)使用。 緊急剎車：出現(xiàn)運(yùn)行故障時(shí)使用。¨ 安置位置：低速端或高速端。三、空氣動(dòng)力剎車¨ 用途：常用于失速型風(fēng)力機(jī)的超速保護(hù)，作為機(jī)械剎車的補(bǔ)充。¨ 原理：通過改變槳葉的升阻比。¨ 實(shí)現(xiàn)：常通過超速時(shí)的離心作用。第三節(jié)：對(duì)風(fēng)裝置為了使風(fēng)力機(jī)有效地捕捉風(fēng)能，應(yīng)保證葉輪始終基本上處于迎風(fēng)狀態(tài)。這里簡(jiǎn)單介紹電動(dòng)對(duì)風(fēng)裝置。大中型風(fēng)力機(jī)中普遍使用電動(dòng)對(duì)風(fēng)裝置。一、系統(tǒng)組成風(fēng)向標(biāo)，

22、控制電路，偏航齒輪，伺服電機(jī)，剎車等。二、對(duì)風(fēng)原理三、其它問題¨ 偏航角速度：0.0260.035rad/s(1/4r/m1/3r/m) ¨ 回轉(zhuǎn)制動(dòng)器的應(yīng)用：保證對(duì)風(fēng)可靠。第四節(jié)：塔架¨ 型式有拉索式無(wú)拉索式桁架式圓筒式¨ 塔架高度第五節(jié)：調(diào)速（限速）方式¨ 在一定的風(fēng)速變化范圍內(nèi)自動(dòng)限制轉(zhuǎn)速和功率。¨ 調(diào)速原理：葉輪輸出功率：P=1/2rCpSV13 改變S：葉輪側(cè)偏 改變Cp：變槳距、失速。一、變槳距調(diào)節(jié)1、調(diào)節(jié)原理a佳與CL及Cp關(guān)系； 利用a= j- q（槳距角q）2 、實(shí)現(xiàn)方式全槳葉變槳距，葉尖局部變槳距。¨ 全

23、槳葉變槳距方式 1）離心式2）風(fēng)壓式：利用風(fēng)壓中心與轉(zhuǎn)軸中心不重合的特點(diǎn)。3）伺服機(jī)構(gòu)式二、失速調(diào)節(jié)1、失速現(xiàn)象當(dāng)槳葉上的攻角增大到一定數(shù)值時(shí)，在翼型上翼面流動(dòng)的氣流產(chǎn)生偏離而不能附著在上面（稱為脫落或分離）的現(xiàn)象。幾點(diǎn)說明：¨ 正常流動(dòng)時(shí)，流線平滑且流過上翼面。這種流動(dòng)從翼型前緣鄰近到剖面的最大壓力點(diǎn)處是加速進(jìn)行的，然后沿著上翼面的其余部分到后緣緩慢減速。對(duì)于保持附著在上翼面的流動(dòng)來說，這種減速必定是非常緩慢的。¨ 當(dāng)攻角足夠大（大于失速攻角）時(shí)，上述的“減速”加大而使附面層無(wú)法保持，使氣流從翼型表面分離失速。¨ 一般來說，失速攻角在12°左右（大致相

24、當(dāng)于升力系數(shù)為1. 2）。同時(shí)，它在很大程度上還取決于翼型形狀和雷諾（Reynolds）數(shù)。¨ 未失速的翼型具有低阻力且升力系數(shù)隨攻角線性增加的特性。而失速的翼型阻力加大，升力大大降低。2、失速調(diào)節(jié)¨ 根據(jù)翼型上升力L、阻力D與驅(qū)動(dòng)力矩T、推力F之間的關(guān)系以及葉輪輸出功率P=Tw，失速時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩不再增加，使葉輪的轉(zhuǎn)速維持近似的恒定，而功率也不再增加。¨ 由于葉尖處的安裝角b較小，其攻角較大而接近失速狀態(tài)。一旦風(fēng)速超過額定值，葉尖首先進(jìn)入失速狀態(tài)。¨ 葉輪輸出的最大功率對(duì)葉片的安裝角的變化很敏感，大體上是安裝角越大，開始失速時(shí)的風(fēng)速越大，而最大功率也越高

25、。采用失速調(diào)節(jié)時(shí)的安裝角應(yīng)該相當(dāng)準(zhǔn)確，以免不必要的空氣動(dòng)力損失而影響出力。3、失速調(diào)節(jié)的特點(diǎn)¨ 優(yōu)點(diǎn)無(wú)變槳距調(diào)節(jié)時(shí)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，輪轂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，生產(chǎn)成本降低，維護(hù)費(fèi)用減少。失速后，陣風(fēng)對(duì)葉輪的輸出功率影響不大，即該功率不會(huì)隨陣風(fēng)出現(xiàn)太大的波動(dòng)。因此風(fēng)力機(jī)無(wú)需進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，進(jìn)而省去功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的費(fèi)用。¨ 缺點(diǎn)需可靠的剎車以免在風(fēng)速過大失速消失后出現(xiàn)飛車，這導(dǎo)致了額外的費(fèi)用。由于隨風(fēng)速的增加，氣動(dòng)推力加大，即便功率恒定或稍有下降。此時(shí)葉片、機(jī)艙和塔架上將承受較高的動(dòng)態(tài)載荷。在頻繁的剎車過程中，使葉片與傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生較大的動(dòng)載荷。起動(dòng)風(fēng)速較高，使起動(dòng)性較差。在低空氣密度地區(qū)難以達(dá)到額定

26、功率。第六節(jié)：槳葉設(shè)計(jì)中的若干問題一、葉輪的總體參數(shù)一臺(tái)設(shè)計(jì)良好的風(fēng)力機(jī)必須具有良好的空氣動(dòng)力性能。風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)能主要表現(xiàn)為葉輪的空氣動(dòng)力性能。葉輪的空氣動(dòng)力性能主要取決于它的氣動(dòng)設(shè)計(jì)。氣動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須先確定總體參數(shù)。這也是進(jìn)行方案設(shè)計(jì)所必需的。1、尖速比l0¨ 葉輪的葉尖線速度與額定風(fēng)速之比。是一個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù)。與葉片數(shù)及實(shí)度有關(guān)。¨ 用于風(fēng)力發(fā)電的高速風(fēng)力機(jī)，常取較大的尖速比。尖速比在5-15 時(shí)，具有較高的風(fēng)能利用系數(shù)。通常可取 6-8 。 高速風(fēng)力機(jī)在制造成本，運(yùn)行平穩(wěn)性等方面均優(yōu)于低速風(fēng)力機(jī)。但啟動(dòng)風(fēng)速較高。¨ 尖速比的最終值：在初定的基礎(chǔ)上，需根據(jù)額

27、定風(fēng)速和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速選擇齒輪箱傳動(dòng)比，再計(jì)算尖速比，作為設(shè)計(jì)參數(shù)。2、葉片數(shù)¨ 取決于葉輪的尖速比，具體對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表。¨ 由于葉片數(shù)少的風(fēng)力機(jī)在高尖速比運(yùn)行的具有較高的風(fēng)能利用系數(shù)，適合于發(fā)電。¨ 三葉片的風(fēng)力機(jī)運(yùn)行和功率輸出較平穩(wěn)，兩葉片的可降低成本。3、風(fēng)輪直徑D¨ 風(fēng)輪直徑D主要取決于兩個(gè)因素： 風(fēng)力機(jī)輸出功率P 額定風(fēng)速V1¨ 計(jì)算公式的推導(dǎo)：葉輪輸出功率：P1=1/2 CprSV13 =P/(h1h2)于是： P =1/2 CprV13 h1h2 D2p/4直徑D的簡(jiǎn)化計(jì)算公式：D 2 =8P/(p Cprh1h2 V13)»

28、;5.6P/ V13其中，取 Cp » 0.45，r» 1.25，h1h2 » 0.814、額定風(fēng)速（設(shè)計(jì)風(fēng)速）V1¨ 額定風(fēng)速的影響：直接影響著葉輪乃至風(fēng)力機(jī)尺寸及成本，是一個(gè)非常重要的參數(shù)。¨ 額定風(fēng)速的確定：取決于使用地區(qū)的風(fēng)能資源分布，包括： 平均風(fēng)速的大?。?風(fēng)速的頻率分布。¨ 技術(shù)人員應(yīng)該具備相關(guān)的背景知識(shí)5、實(shí)度¨ 定義：葉輪的葉片面積之和與風(fēng)輪掃面積之比。它是和尖速比密切相關(guān)的一個(gè)重要參數(shù)。¨ 取值：對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)而言，由于尖速比較高，要求有較高的轉(zhuǎn)速，起動(dòng)風(fēng)速高，因此，可取較小的實(shí)度。通常大致在5

29、20%之間?？蓞⒖糎utter的研究結(jié)果（圖略）。¨ 作用：決定葉輪的力矩特性，尤其是起動(dòng)力矩；決定葉輪的重量與材料成本。6、翼型的升阻比翼型決定著風(fēng)力機(jī)的效率，具體體現(xiàn)在翼型的升阻比（L/D）上。升阻比愈高： 風(fēng)能利用系數(shù)愈大，則風(fēng)力機(jī)的效率愈高。 性能曲線中風(fēng)能利用系數(shù)Cp受葉片數(shù)或尖速比的影響愈小7、其它參數(shù)1）葉輪中心離地面高度H取決于安裝地點(diǎn)（山谷、丘陵等），垂直風(fēng)梯度，安裝條件，單機(jī)容量等因素。2）葉輪錐角g葉片和旋轉(zhuǎn)平面的夾角。 減少氣動(dòng)力引起的葉根彎曲應(yīng)力（對(duì)下風(fēng)式風(fēng)力機(jī)）； 防止葉片梢部與塔架碰撞（對(duì)上風(fēng)式）。3）葉輪傾角d葉輪轉(zhuǎn)軸與水平面的夾角。減少葉片梢部與塔架

30、碰撞的機(jī)會(huì)二、葉片的載荷分析¨ 對(duì)葉片運(yùn)行載荷分析與計(jì)算，不僅是葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所必須的，而且更為重要的是分析整個(gè)風(fēng)力機(jī)各部件受載的基礎(chǔ)。¨ 風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行情況下，作用在其上的載荷就比較復(fù)雜，主要有氣動(dòng)載荷，重力和慣性載荷。它們都隨時(shí)間而變化，特別是氣動(dòng)載荷受陣風(fēng)和風(fēng)向變化的影響是隨機(jī)的，要準(zhǔn)確計(jì)算是困難的。¨ 除了正常運(yùn)行情況外，還有其它工況，如啟動(dòng)停機(jī)，突然停機(jī)等，都將導(dǎo)致額外的載荷。本節(jié)僅討論正常運(yùn)行工況下的載荷問題。1、葉片的受力分析¨ 作用在葉片上的力：簡(jiǎn)化為三種力：空氣動(dòng)力、離心力和重力。¨ 各作用力的影響2、陣風(fēng)效應(yīng)陣風(fēng)期間，風(fēng)速在一

31、秒內(nèi)可變化1520m/s甚至更多，風(fēng)向在一秒內(nèi)可改變幾十度。此時(shí)，葉片處在不利的攻角下，導(dǎo)致所受彎矩的增加陣風(fēng)效應(yīng)。3、錐角效應(yīng)對(duì)下風(fēng)式風(fēng)力機(jī)，葉片與轉(zhuǎn)軸的夾角小于90度，將使正常運(yùn)行時(shí)葉片受到的彎曲應(yīng)力大大減小，甚至可為零錐角效應(yīng)。4、陀螺效應(yīng)葉輪偏航時(shí)，槳葉除受到氣動(dòng)力的作用外，還受有離心力和旋轉(zhuǎn)慣性力，在槳葉中產(chǎn)生附加力矩陀螺效應(yīng)，附加力矩的大小為：M=2IWW1第四章風(fēng)力發(fā)電一、同步發(fā)電機(jī)1、基本構(gòu)成定子定子鐵心定子繞組（定子線圈）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子鐵心（磁極）勵(lì)磁繞組（轉(zhuǎn)子繞組）由于轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電流產(chǎn)生于轉(zhuǎn)子相對(duì)于磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)，而該感應(yīng)電流又產(chǎn)生轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的電磁力。因此，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n不能等于同步

32、轉(zhuǎn)速n1異步電動(dòng)機(jī)2、轉(zhuǎn)差率定義n1 - n為轉(zhuǎn)速差；s = (n1- n)/ n1 ×100%為轉(zhuǎn)差率；異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率一般為1.56%。用作發(fā)電機(jī)時(shí)，必須使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n大于同步轉(zhuǎn)速n1 。二、葉輪與發(fā)電機(jī)的匹配由于缺乏風(fēng)力發(fā)電專用的發(fā)電機(jī)系列產(chǎn)品，設(shè)計(jì)者需選用合適的發(fā)電機(jī)。選用時(shí)必須考慮葉輪與發(fā)電機(jī)之間的匹配問題，主要包括功率匹配、轉(zhuǎn)速匹配及轉(zhuǎn)矩匹配。1、功率匹配 葉輪功率曲線葉輪輸出功率與風(fēng)速或葉輪轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系曲線。 發(fā)電機(jī)功率特性曲線輸出功率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系曲線。問題：在同一額定功率下，葉輪所對(duì)應(yīng)的額定轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)所對(duì)應(yīng)的額定轉(zhuǎn)速相差幾倍到幾十倍。解決途徑：利用增速機(jī)構(gòu)，使

33、發(fā)電機(jī)在葉輪的額定轉(zhuǎn)速下發(fā)出額定功率。葉輪與發(fā)電機(jī)的功率匹配圖說明： 風(fēng)速很低時(shí)，轉(zhuǎn)速較低，發(fā)電機(jī)幾乎沒有輸出功率，即未給葉輪加負(fù)載。 風(fēng)速升高，在一定范圍內(nèi)，葉輪輸出功率達(dá)不到發(fā)電機(jī)所需的功率葉輪過載工作。嚴(yán)重時(shí)將發(fā)生失速或停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 超過某風(fēng)速后，葉輪輸出功率大于發(fā)電機(jī)所需的功率葉輪欠載工作。導(dǎo)致葉輪轉(zhuǎn)速升高，發(fā)電機(jī)過載，甚至損壞。辦法：配備專用調(diào)速機(jī)構(gòu)，使其在一定的風(fēng)速范圍內(nèi)調(diào)整葉輪轉(zhuǎn)速，限制輸出功率。2、轉(zhuǎn)速匹配1、轉(zhuǎn)速匹配中的問題2、設(shè)置增速裝置減小葉輪過載3、葉輪性能與風(fēng)能分布的匹配假設(shè)發(fā)電機(jī)與葉輪完全匹配，即無(wú)過載或欠載現(xiàn)象，該葉輪風(fēng)能利用系數(shù)曲線的峰值應(yīng)該和在同樣風(fēng)速下的發(fā)電機(jī)

34、輸出功率的峰值相對(duì)應(yīng)。即存在一個(gè)最佳風(fēng)速，在該風(fēng)速下，當(dāng)?shù)仫L(fēng)能分布曲線處于峰值。第五章并網(wǎng)發(fā)電第一節(jié)：常用的發(fā)電機(jī)種類一、同步發(fā)電機(jī)1、基本構(gòu)成定子定子鐵心定子繞組（定子線圈）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子鐵心（磁極）勵(lì)磁繞組（轉(zhuǎn)子繞組）2、發(fā)電原理 勵(lì)磁繞組中通過直流電后，轉(zhuǎn)子磁極磁化，產(chǎn)生磁場(chǎng)； 原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，與定子繞組相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使其感應(yīng)出交流電動(dòng)勢(shì)發(fā)電機(jī)發(fā)出交流電。 該交流電的頻率取決于轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)p及轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n：f=pn/60(Hz)，當(dāng)n改變時(shí)，f也改變。 定子繞組中感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)，在外電路接通后產(chǎn)生交流電流。該電流也要在電機(jī)中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其轉(zhuǎn)速稱為同步轉(zhuǎn)速，它由交流電頻率f和定子繞組旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)p1決定