風(fēng)力發(fā)電功率和葉尖速比

1、、風(fēng)輪機(jī)的功率及風(fēng)能利用系數(shù)（一）穿過(guò)風(fēng)輪槳葉掃掠面的風(fēng)能設(shè)d風(fēng)速（指未擾動(dòng)飛流的流速）米秒飛風(fēng)輪直徑米；A風(fēng)輪引片掃掠面枳.米，P空氣密度千克/米則單位時(shí)間內(nèi)穿過(guò)風(fēng)輪掃掠面積的動(dòng)能，即功率PA（見(jiàn)圖5-2）為：圖52M輪掃&曲pa=-avJ,千克*米盯秒,（s-1）（二）風(fēng)能利用系數(shù)c;風(fēng)能利用系數(shù)Cp_單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)輪機(jī)械能的風(fēng)情一單位時(shí)間內(nèi)穿過(guò)風(fēng)輪槳葉掃掠面A的全部風(fēng)髓_風(fēng)輪的輸出功率一入網(wǎng)瓏一面兩的功率PP-=：=（5-2）r*旦A72八風(fēng)能利用系數(shù)是表征風(fēng)輪機(jī)效率的重要參數(shù).它表明風(fēng)輪機(jī)從風(fēng)中驍?shù)玫挠杏媚芰康谋壤?，根?jù)員茨理論.M能利用系數(shù)的蛙大俏為0,5州關(guān)于貝茨最大俏的辯錚見(jiàn)

2、本有水牛軸風(fēng)輪機(jī)的（:七d2-0+5.垂直軸風(fēng)輪機(jī)的1；-0.3-0.4.風(fēng)能利用系數(shù)又稱功率系數(shù).風(fēng)輪的功率即指轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的功率由式（51）和1513）可以看出工1 .當(dāng),=常數(shù)”,x人即當(dāng)其速定時(shí)34輪的功率和4輪扛徑的平方成正比葭2 .當(dāng)1）=常數(shù)中hv即當(dāng)雙輪H裕固定時(shí).雙輪的功率和風(fēng)速的M方成正比）,:3 .當(dāng)風(fēng)輪直徑、風(fēng)速不變時(shí),風(fēng)輪的功率與Cp成正比。4 .風(fēng)輪功率和風(fēng)輪時(shí)片數(shù)無(wú)關(guān),但與空氣密度成正比.三、風(fēng)輪機(jī)的葉尖速比（高速性系數(shù)）在風(fēng)速為v時(shí).風(fēng)輪葉片尖端的線速度與該風(fēng)速之比稱為風(fēng)輪的高速性系數(shù).高速性系數(shù)可表示為式中A-高速性系數(shù)；5風(fēng)輪在風(fēng)速v時(shí)的旋轉(zhuǎn)角速度血=聶1,

3、瓠度秒U(xiǎn)uR一風(fēng)輪葉片尖處的線速度.弧度秒】米；力轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)K由此可知，高速性系數(shù)是反映在一定風(fēng)速下風(fēng)輪轉(zhuǎn)速高低的參數(shù)“高速性系數(shù)又稱葉尖速比TSR.四.風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)風(fēng)輪的功率也可以用風(fēng)輪的轉(zhuǎn)矩與其腕轉(zhuǎn)角速度的乘枳來(lái)表示.即P=M*oj式中M轉(zhuǎn)矩.F克米；s旋轉(zhuǎn)的速度.瓠度秒、已知風(fēng)輪的功梃？=等口1八仁O1所以P=M，出=?/Cp或M3=/3QJ川2M2MuR則=CX（5-5）RA,v2-v定義Cm=-（5-6）-RAv2乙彌為轉(zhuǎn)矩系數(shù),則m=Cm-（SRA、2）即當(dāng)風(fēng)輪尺寸（R）固定時(shí).在一定風(fēng)速下.Cm乙是一個(gè)反映轉(zhuǎn)矩大小的系數(shù)“五、風(fēng)能利用系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系由以上分析知-x

4、或Cm=T可見(jiàn)及Cm皆是X的函數(shù).即C=f（人），C“=f（入）,此函數(shù)關(guān)系可以通過(guò)計(jì)算或?qū)嶒?yàn)得出，也可以用曲線表示，如圖53及圖54所示。圖53風(fēng)輪機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系曲線圖54風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系曲線L對(duì)于某風(fēng)輪來(lái)說(shuō)只是在人為某數(shù)值.即七時(shí)達(dá)到最大C：.值（3-）.如圖53所示.在入K七時(shí)（卜值下降.對(duì)應(yīng)于最大Cp值（Cx）時(shí)的入值（h）稱標(biāo)準(zhǔn)高速性系數(shù)。上（一J相可于人=1時(shí)的轉(zhuǎn)V系數(shù),即相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)高速性系數(shù)時(shí)的轉(zhuǎn)矩.n3.高速風(fēng)輪與低速風(fēng)輪的C0=f（入）曲線及Cm=f（人）曲線是不相同的.如圖5-5及圖56所小。低速風(fēng)輪的入值范圍在12之間；高速風(fēng)輪的入值范圍

5、在510之間.由圖可見(jiàn).高速風(fēng)輪的C,ax大于低速風(fēng)輪的Cau但足低速風(fēng)輪的轉(zhuǎn)矩系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高速風(fēng)輪的轉(zhuǎn)矩系數(shù),所以低速風(fēng)輪的起動(dòng)性能好。多葉片風(fēng)輪屈于低速風(fēng)輪，少葉片風(fēng)輪屬于高速風(fēng)輪.圖55風(fēng)輪bL功率系數(shù)叮葉尖速比的關(guān)系圖5-6風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)米葉尖速比的關(guān)系六、風(fēng)輪機(jī)的功率一轉(zhuǎn)速特性曲線及轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性曲線L）功率轉(zhuǎn)速特性曲線己知P=今Av3CPCP=f（X）當(dāng)風(fēng)輪制成后.A=常數(shù),p=常數(shù),故當(dāng)風(fēng)速一定時(shí)（v=常數(shù)）.則P就是Cp的函數(shù).而Cp是人的函數(shù).人又是反映轉(zhuǎn)速：的大小的故可以得出P=f（n）的關(guān)系曲線：圖57表示低速及高速風(fēng)輪機(jī)的功率轉(zhuǎn)速特性曲線圖中數(shù)字代表不同風(fēng)速v（米/秒）

6、卜的特性，且V6V5V4V3V2Vio（二）轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性曲線知轉(zhuǎn)%M=Cm-A.R.，2.設(shè)A、R、p為常數(shù),又知C、M=f（入）則當(dāng)風(fēng)速定時(shí)（v=常數(shù)）.M就是人的函數(shù).而入反映了轉(zhuǎn)速的大小.所以同樣可以得出M=f（n）的曲P（功米）n（軸速）圖57風(fēng)輪機(jī)的功率一轉(zhuǎn)速特性曲線線.如圖58所示。M1史KUJ3545678910M輔if】圖5-R時(shí)輪機(jī)的轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性曲知速風(fēng)整機(jī)得出了風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性曲線.如果再得到風(fēng)輪機(jī)所推動(dòng)的機(jī)械用于發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)或用于泵水系統(tǒng)的水泵）的轉(zhuǎn)律轉(zhuǎn)速特性曲線,就可以分析當(dāng)兩者聯(lián)接組成為一個(gè)系統(tǒng)時(shí)的特性這就是研究風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)短一轉(zhuǎn)速特性曲線的目的.七、風(fēng)能利

7、用系數(shù)最大值（貝茨）理論質(zhì)量為m的物體，以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)，該物體的動(dòng)能為：現(xiàn)設(shè)在3空氣流方向垂FI的某處取一域面積為A的任意截面.如圖39所示.則在單位時(shí)間（每秒內(nèi)通過(guò)此截面的氣體體枳流埴V為圖S9單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)岐面A的標(biāo)體體枳流量V=vA（5-8）設(shè)空氣密度為戶,則對(duì)應(yīng)于此體枳的空氣流的質(zhì)最為：I故Av即代我在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)藏面A的，流率.此質(zhì)顯流率所具有的動(dòng)能則為1At?】-（PAQv=丁6空氣流所具有的質(zhì)量,也可稱為質(zhì)量，A*/（5-10）口V=p*A丫（5一9）因?yàn)槭剑?10）所表明的是單位時(shí)間f怔秒）內(nèi)流過(guò)因面A的空氣流所具有的動(dòng)能,所以也就是功率，與此相似如果設(shè)截面A為風(fēng)輪機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)葉

8、片所掃掠的面積”則單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)風(fēng)輪機(jī)掃掠面枳的空氣流的動(dòng)能,也即風(fēng)輪機(jī)的功率1、將為：P*=虧9*Av3（5-H）風(fēng)輪機(jī)從風(fēng)中獲取了能量.因而使風(fēng)減速了，風(fēng)輪后面的風(fēng)速比風(fēng)輪前面的風(fēng)速要低.理論分析證明風(fēng)輪后面的風(fēng)速為進(jìn)入風(fēng)輪掃掠面以前的風(fēng)速（即未擾動(dòng)風(fēng)速）的看時(shí),風(fēng)輪可獲得最大能艮風(fēng)輪本身自流動(dòng)的空氣”啰收的為言4V的速度,所以有效的質(zhì)里流率應(yīng)是h,Af.囚此風(fēng)輪機(jī)白流動(dòng)的空氣中執(zhí)杼的攢大能M.-也即可轉(zhuǎn)變?yōu)樨暧玫臋C(jī)械功率P的最大值為*A一（5-12）2721式（51段明風(fēng)輪從風(fēng)中所能獲取的能量占通過(guò)風(fēng)輪H掠面的全部風(fēng)能的比例的最大值為梟也即59,3%,換句話%也即=。.5孫由于此值系由貝

9、茨首先導(dǎo)出.故也稱貝茨最大值.實(shí)際上,從實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)輪機(jī)上所測(cè)得的機(jī)械功率,其功率系數(shù)很少超過(guò)40%.在風(fēng)發(fā)電系統(tǒng)或風(fēng)力泉水系統(tǒng)中風(fēng)輪機(jī)的機(jī)械功率再軾換成電功率或水泵功率時(shí).由于傳動(dòng)裝置及發(fā)電機(jī)或水泉本身需消耗一部分功率，實(shí)際可用的功率乂進(jìn)一步減小。此外.風(fēng)輪機(jī)在風(fēng)場(chǎng)中還受到風(fēng)速和風(fēng)向波動(dòng)的影響.可用功率將進(jìn)一步減小.八、風(fēng)輪機(jī)的輸出功率曲線如前所述風(fēng)輪機(jī)的輸出功率可表示成瞬時(shí)風(fēng)速：通常采用短時(shí)期內(nèi)風(fēng)速的平均值宋代表)的函數(shù).如式(53)所示.即：由于風(fēng)輪機(jī)在風(fēng)場(chǎng)中受到風(fēng)速及風(fēng)向波動(dòng)的影響.使風(fēng)輪機(jī)輸出的可用功率進(jìn)一步減小,考慮到此因素.風(fēng)輪機(jī)的輸出功率公式可進(jìn)步寫(xiě)成：P=T7PAv3CpAV

10、3(CpT)一般7)在0.7左右,按照貝茨理論.Cp的最大值為39.3%.Ca-0.593X0.70.415%41%.而實(shí)際卜.真正從風(fēng)輪機(jī)所獲得的機(jī)械功率很少超過(guò)通過(guò)風(fēng)輪機(jī)槳葉掃掠面內(nèi)風(fēng)能的40%。設(shè)：M風(fēng)輪機(jī)的起始風(fēng)速.即風(fēng)輪機(jī)在大于此風(fēng)速時(shí)開(kāi)始輸出功率；vr風(fēng)輪機(jī)的額定風(fēng)速.即風(fēng)輪機(jī)在此風(fēng)速卜輸出額定功率；v0一風(fēng)輪機(jī)的截止風(fēng)速.即風(fēng)輪機(jī)在此風(fēng)速下被剎住。這樣風(fēng)輪機(jī)的輸出功率依風(fēng)速的變化可分為三段.即：當(dāng)ViVvOr時(shí).P=JpA,V3(Cp,jp8V3乙當(dāng)Vrvv。時(shí).P=0若以圖形表示風(fēng)輪機(jī)的輸出功率依風(fēng)速的變化情況.則如圖510(a)及圖510(b)所示.理論上在風(fēng)速低于額定風(fēng)速(

11、即vVvr)時(shí)風(fēng)輪機(jī)的輸出功率應(yīng)與風(fēng)速成立方關(guān)系變化.如圖510(a)所示；但實(shí)際上風(fēng)輪機(jī)僅在風(fēng)速高于起始風(fēng)速(即vv=時(shí)才產(chǎn)生凈功(輸出功率).而在起始風(fēng)速與額定風(fēng)速之間(即vi與vr之間).風(fēng)輪機(jī)的輸出功率曲線有著不同的形狀.而其中線性特性與風(fēng)場(chǎng)中獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)較接近,而且應(yīng)用起來(lái)比較方便.如圖510(b)所示。在圖510中.在風(fēng)速大于額定風(fēng)速但低于截止風(fēng)速(即Vr*ffv）*dvIPr（v）dv（516）（二）圖示法用圖示法求風(fēng)輪機(jī)的輸陽(yáng)能量的步驟如下,1 .在風(fēng)速持續(xù)時(shí)間分布曲線（圈5no）上定出起始風(fēng)速（片）、額定風(fēng)速（n）及截止風(fēng)速人口）.并由曲線上找出相應(yīng)的時(shí)間數(shù)（以標(biāo)么值表示八

12、2 .按給定的起始風(fēng)速.額定風(fēng)速及截止風(fēng)速,畫(huà)出相應(yīng)的功率輸出特性曲線,如圖5INh）所示f按線性輸出功率曲線繪出3 藉助功率輸出特性曲線.將風(fēng)速持續(xù)時(shí)間分布曲線換算成功率一時(shí)間分布曲線.如圖511口所示.則功率時(shí)間分布曲線”的加枳t陰影滯分）就代收廠帆輪機(jī)的轆町能量,圖5-H圖示法求風(fēng)輪機(jī)的輸出能量德鳳迪持續(xù)時(shí)間分布曲線2功率輸出特性曲線頻，功率時(shí)間分布曲摘從圖示法可以看出,改變額定風(fēng)速或起始風(fēng)速，截止風(fēng)速皆對(duì)風(fēng)輪機(jī)的輸出能卑仃影響。起始風(fēng)速越低.截止風(fēng)速越高，則輸出總能量越多,同時(shí)額定風(fēng)速選得合適才能使陰影曲積最大，圖示法的缺點(diǎn)是必須通過(guò)圖解枳分才能求出輸出能量,這是比較麻煩的，（三）風(fēng)輪

13、機(jī)的可利用率風(fēng)輪機(jī)好年的燈利用率可按卜式計(jì)算,即，可利用率一風(fēng)輪機(jī).當(dāng)行時(shí)數(shù)x100%（5-17）8760式中8760全年的時(shí)數(shù)4365乂%）0十二、風(fēng)輪機(jī)的保護(hù)裝置%風(fēng)輪機(jī)I件時(shí).如果風(fēng)速超過(guò)風(fēng)輪機(jī)的I作風(fēng)速范圍.或是發(fā)電機(jī)突然甩抻負(fù)荷.則都會(huì)導(dǎo)致雙輪機(jī)也速.及至造成M輪機(jī)的損M、囚此風(fēng)輪機(jī)都裝仃能自動(dòng)防止風(fēng)輪機(jī)制速的保護(hù)裝置.以達(dá)到用制雙輪足速的II的由削雙輪制速的方法主要仃網(wǎng)種.是利用空氣動(dòng)力陽(yáng)力的方法：是設(shè)法減小風(fēng)輪的迎風(fēng)而枳（也即是使風(fēng)輪偏側(cè)）水平柏風(fēng)輪機(jī)的保護(hù)裝置彳i葉尖陽(yáng)尼，優(yōu)流器、順槳機(jī)構(gòu)以及風(fēng)輪儲(chǔ)偏或I仰，風(fēng)輪機(jī)的保護(hù)裝置主要是阻尼板.（一）葉尖阻尼板葉尖陽(yáng)尼板足安裝在水平軸

14、風(fēng)輪葉片尖部的陽(yáng)尼裝司當(dāng)風(fēng)輪正常運(yùn)行時(shí).它。葉片的作用相同他產(chǎn)生升力,當(dāng)風(fēng)輪超速時(shí).則圍繞風(fēng)輪葉片縱向軸戰(zhàn)轉(zhuǎn)90角.與風(fēng)輪旋M平面成垂直位置.故iII用力.從而使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速降卜.來(lái)：（二）擾流器擾流器是安裝在風(fēng)輪葉片上距葉尖上葉片氏度位置上.的阻尼裝時(shí)當(dāng)M輪正常運(yùn)O轉(zhuǎn)時(shí)擾流器的兩個(gè)端血分別與葉片IF衣面地合,當(dāng)風(fēng)輪超速時(shí)則張開(kāi)延伸到葉片外血.這樣由它與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平血垂克.產(chǎn)生了陽(yáng)力.從血使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速降卜來(lái)上述兩種印尼裝置的31般是靠風(fēng)輪，動(dòng)時(shí)的離心力而動(dòng)H.也“根據(jù)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速信號(hào)由糠壓傳動(dòng)系統(tǒng)皤*傳動(dòng)系線使粗尼裝置動(dòng)作的靜者稱力接動(dòng)式的，后者稱為主動(dòng)式的。（三）順槳機(jī)構(gòu)所謂順槳是指風(fēng)輪葉片弦長(zhǎng)方向與風(fēng)

15、向致，也即風(fēng)輪葉片的沖角趨近零升力的狀毒.風(fēng)輪葉片順槳也屬于風(fēng)輪變槳距控制的二部分.即根據(jù)風(fēng)速或轉(zhuǎn)速的信號(hào)通過(guò)液小變距或機(jī)械變距機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn),風(fēng)輪的勒槳既可用在大風(fēng)或甩負(fù)荷時(shí)的緊急停下起保護(hù)作用.也可用于風(fēng)輪機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的停機(jī)：（四）風(fēng)輪側(cè)偏或上仰機(jī)構(gòu)水平軸風(fēng)輪機(jī)也仃利用風(fēng)輪偏偏機(jī)構(gòu)、風(fēng)輪上仰機(jī)構(gòu)或安裝在風(fēng)輪機(jī)傳動(dòng)附上的緊急制動(dòng)閘來(lái)農(nóng)現(xiàn)超速保護(hù)夫風(fēng)輪偏儲(chǔ)的方法前血己介紹過(guò)。雙輪上仰機(jī)構(gòu)帙只用于小型風(fēng)輪機(jī)中緊急制動(dòng)閘在小型風(fēng)輪機(jī)中分F動(dòng)和自動(dòng)制動(dòng)兩種.兩者皆是利用抱向剎乍的坡理.圖517表示這兩種抱同制不的原理。Bl5-17小：2機(jī)緊急機(jī)I圖5170是手動(dòng)停車.人F向F拉剎乍繩則制動(dòng)手車帶將剎車豉緊緊抱住而實(shí)現(xiàn)停乍；圖517（b）是自動(dòng)停車.當(dāng)風(fēng)速超過(guò)限定的最大風(fēng)速時(shí).此時(shí)剎不風(fēng)板被大風(fēng)（1，地推動(dòng)（如圖中脩頭所示方向）.從而帶動(dòng)了利4/1H,而打桿則拉動(dòng)剎車?yán)K向卜并使制動(dòng)剎4帶紫縈抱住到J突現(xiàn)白動(dòng)停車II車風(fēng)板面枳的大小與限定的最人風(fēng)速值之間的配合關(guān)系可通過(guò)試驗(yàn)方法確定.在中型或大型水平軸風(fēng)輪機(jī)中的制動(dòng)閘是由是由供油系統(tǒng)、制動(dòng)阿卡鉗以及安裝在風(fēng)輪主軸上的制動(dòng)盤(pán)緞成如第二堂圖21所示.當(dāng)大風(fēng)超速時(shí).由液原驅(qū)動(dòng)的制動(dòng)k鉗動(dòng)斗將制動(dòng)盤(pán)卡住.從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)輪機(jī)的fl動(dòng)停彳，（五）阻尼板垂n粕風(fēng)輪機(jī)