十千參考資料瓦風力發(fā)電機設計

1、前言傳統(tǒng)燃料終將逐漸耗竭，其價格勢必日益上漲。因此，風能業(yè)已喚起人們再檢視其能 否成為未來主要可靠能源之一。風能是一種干凈的、 儲量極為豐富的可再生能源， 他和存在于自然界的礦物燃料能源， 如煤、石油、天然氣等不同，它不會隨著其本身的轉(zhuǎn)化和利用而減少，因此也可以說是一 種取之不盡、用之不竭的能源。風能利用已有數(shù)千年的歷史，在蒸汽機發(fā)明以前，風帆和風車是人類生產(chǎn)和生活的重 要動力裝置埃及被認為可能是最先利用風能的國家，約在幾千年以前，他們就開始用風帆 來幫助行船。波斯和中國也很早開始利用風能，主要使用垂直軸風車。我國是最早使用風帆船和風車的國家之一，至少在 3000 年前的商代就出現(xiàn)了帆船， 到

2、唐代風帆船已廣泛用于江河航運。明代以后風車得到了廣泛的應用，我國沿海沿江的風 帆船和用風力提水灌溉或制鹽的做法，一直延續(xù)到 20世紀 50年代，僅在江蘇沿海利用風 力提水的設備增達 20 萬臺。有效利用風能資源，減少對不可再生資源的消耗，降低對環(huán)境的污染。在設計的過程 中主要解決的問題是風力發(fā)電機的總體設計，葉片、槳葉復位機構(gòu)的設計，回轉(zhuǎn)體機構(gòu)的 設計等。大自然的風完全不用進口，是地道的自產(chǎn)能源，多加利用可減低對進口石油、煤炭等 化石能源的依賴，促進能源來源多元化，在國家安全上也有其戰(zhàn)略意義。另外，風力發(fā)電 機作為防風墻不但可以發(fā)出電能還可以為我國沙塵天氣的防治起到一定的作用，并且在偏 遠山區(qū)

3、電網(wǎng)無法安裝的地區(qū)風力發(fā)電機還可以為其解決用電難的問題 1,2,3 。所以我選擇這個題目作為我的畢業(yè)設計，希望可以在發(fā)揮出其基本功能的前提下， 做出價格便宜，結(jié)構(gòu)簡單，通用性強的機械設備來填寫我在大學最后的一次答卷！1 概述選題的目的與意義 人類追求經(jīng)濟成長及現(xiàn)代化的結(jié)果使得能源大量消耗，然而地球的化石燃料蘊藏量有 限，統(tǒng)計顯示依照目前的消耗速率，石油蘊藏量能供人類使用不到 50 年，天然氣不到 70 年，煤炭較久超過 200 年，終有一日人類將沒有石油可用。然而風力發(fā)電不一樣，由于攝 取大自然的風能，只要太陽及地球仍在運行即無匱乏之虞，而且一部裝置在一般地區(qū)的風 力發(fā)電機，在它 20年使用壽

4、命中所生產(chǎn)的電力發(fā)電機，在卸除它能耗費能源的 80 倍，是 能讓人們永續(xù)使用的再生能源之一。大自然的風完全不用進口，是地道的自產(chǎn)能源，多加利用可減低對進口石油、煤炭等 化石能源的依賴， 促進能源來源多元化， 在國家安全上也有其戰(zhàn)略意義。 在經(jīng)濟社會層面， 風力發(fā)電可制造工作機會，從零組件的生產(chǎn)、運輸、組裝、維護等，皆為設置風力發(fā)電機 當?shù)貛硐喈數(shù)木蜆I(yè)機會與新的產(chǎn)業(yè)。有效利用風能資源，減少對不可再生資源的消耗， 降低對環(huán)境的污染 1 。風能利用已有數(shù)千年的歷史，在蒸汽機發(fā)明以前，風帆和風車是人類生產(chǎn)和生活的重 要動力裝置埃及被認為可能是最先利用風能的國家，約在幾千年以前，他們就開始用風帆 來幫

5、助行船。波斯和中國也很早開始利用風能，主要使用垂直軸風車。我國是最早使用風帆船和風車的國家之一，至少在 3000 年前的商代就出現(xiàn)了帆船， 到唐代風帆船已廣泛用于江河航運。 最輝煌的風帆時代是明代， 14 世紀初葉中國航海家鄭 和七下西洋，龐大的風帆船隊功不可沒。明代以后風車得到了廣泛的應用，我國沿海沿江 的風帆船和用風力提水灌溉或制鹽的做法，一直延續(xù)到 20世紀 50年代，僅在江蘇沿海利 用風力提水的設備增達 20 萬臺。歐洲到中世紀才廣泛利用風能， 荷蘭人發(fā)展了水平軸風車。 18 世紀荷蘭曾用近萬座風 車排水，在低洼的海灘上造出良田，成為著名的風車之國。隨著蒸汽機的出現(xiàn)，以及煤、石油、天然

6、氣的大規(guī)模開采和廉價電力的獲得，各種曾 經(jīng)被廣泛使用的風力機械，由于成本高、效率低、使用不方便等，無法與蒸汽機、內(nèi)燃機 和電動機等相競爭，漸漸被淘汰。到了 19 世紀末，開始利用風力發(fā)電，這在解決農(nóng)村電氣化方面顯示了重要的作用， 特別是 20世紀 70年代以后，利用風力發(fā)電更進入了一個蓬勃發(fā)展的階段。太陽輻射造成地表面受熱不均引起大氣溫度、密度和壓力差別。風能是地球表面空氣 從壓力高的地方向壓力低的地方移動時產(chǎn)生的動能，風能資源是經(jīng)過測在量和質(zhì)上可供人 類開發(fā)利用的風能。 風能的大小用風功率密度來度量， 它與風速的立方和空氣密度成正比。太陽輻射的能量在地球表面約有 2%轉(zhuǎn)化為風能。根據(jù)荷蘭和美

7、國對風能資源的研究， 考慮城鎮(zhèn)、森林、復雜地形、交通困難的山區(qū)及社會環(huán)境的制約，如景觀和噪音影響等， 取具有風能資源土地面積的 4%推算，可利用的風能資源儲量估計約 96 億 kW或 18.7 萬億 kWh/a 。另外，海岸線附近的淺海區(qū)域也有非常豐富的風能資源，且平均風速大、湍流 小，僅歐盟國家沿岸的海上風能資源估計約 3 萬億 kWh/a，比歐盟 12 國目前的年用電量 2 萬億 kWh還大，如按年滿功率發(fā)電 2 500h 計劃，則裝機容量可達 12 億 kW。風能是一種干凈的、 儲量極為豐富的可再生能源， 他和存在于自然界的礦物燃料能源， 如煤、石油、天然氣等不同，它不會隨著其本身的轉(zhuǎn)化

8、和利用而減少，因此也可以說是一 種取之不盡、用之不竭的能源；而煤、石油、天然氣等礦物燃料能源，其儲量將隨著利用 時間的增長而日趨減少。礦物燃料在利用過程中會帶來嚴重的環(huán)境污染問題，如空氣中的 CO2、SO2、NOx、CO 等氣體的排放量的增長導致了溫室效應、酸雨等現(xiàn)象的產(chǎn)生。因此 自 20 世紀 70 年代末以來， 隨著世界各國對環(huán)境保護、 能源短缺及節(jié)能等問題的日益關(guān)注， 認為大規(guī)模利用風力發(fā)電是減少空氣污染、減少有害氣體（ CO2 等）排放氣體的有效措施 之一。傳統(tǒng)火力發(fā)電燃燒化石燃料而排放大量的二氧化碳及其它污染物質(zhì)，破壞環(huán)境并造成 全球暖化，嚴重影響生態(tài)系統(tǒng)病危及人類健康；核能發(fā)電雖不

9、像火力發(fā)電般排放許多污染 物質(zhì)，但溫排水可能影響海洋生態(tài)，而且目前尚無法完善處理半衰期長達數(shù)千、數(shù)萬年的 高放射性核廢料，使其部分環(huán)境造成影響。相比之下風力發(fā)電完全沒有上述問題。風力發(fā) 電機在轉(zhuǎn)換電力過程中不排放二氧化碳及任何污染物質(zhì)，更沒有放射性物質(zhì)的困擾，是非 常干凈的能源，因此廣受注重環(huán)境保護的歐美國家的歡迎，成為應用最多的再生能源技術(shù) 之一。目前國內(nèi)外風電技術(shù)發(fā)展狀況風力發(fā)電機組 （ 簡稱風電機 ） 是將風能轉(zhuǎn)化為電能的機械。風輪是風電機最主要的部 件，由漿葉和輪轂組成。槳葉具有良好的空氣動力外形，在氣流作用下能產(chǎn)生空氣動力使 風輪旋轉(zhuǎn)， 將風能轉(zhuǎn)換成機械能， 再通過齒輪箱增速， 驅(qū)動

10、發(fā)電機轉(zhuǎn)變成電能。 在理論上， 最好的風輪只能將約 60%的風能轉(zhuǎn)換為機械能?，F(xiàn)代風電機風輪的效率可達到 40%。風電 機輸出達到額定功率前， 功率與風速的立方成正比， 即風速增加 1 倍，輸出功率增加 8 倍，所以同力發(fā)電的效益與當?shù)氐娘L速關(guān)系極大。由于風速隨時在變化，風電機常年在野外運 行，承受十分復雜惡劣的交變載荷。當前生產(chǎn)的主力機型為600750kW，機體龐大，風輪直徑和塔架高度都達到 4050m，設計和制造較困難。目前風電機的設計壽命是 20a，要求 經(jīng)受住 60 m/s 的 11 級暴風襲擊，代表機組可靠性的可利用率要達到 95%以上。德國、丹 麥、西班牙、英國、荷蘭、瑞典、印度、

11、加拿大等國在風力發(fā)電技術(shù)的研究與應用上投入 了相當大的人力及資金，充分綜合利用空氣動力學、新材料、新型電機、電力電子技術(shù)、 計算機、自動控制及通信技術(shù)等方面的最新成果，開發(fā)建立了評估風力資源的測量及計算 機模擬系統(tǒng)，發(fā)展了變漿距控制及失速控制的風力機設計理論，采用了新型風力機設計理 論，采用了新型風力機葉片材料及葉片翼型，研制出了變極、變滑差、變速、恒頻及低速 永磁等新型發(fā)電機，開發(fā)了由微機控制的單臺及多臺風力發(fā)電機組成的機群的自動控制技 術(shù)，從而大大提高了風力發(fā)電的效率及可靠性。當前，世界風電技術(shù)發(fā)展的特點是：1）風力機單機大型化 風力機單機容量不斷增加是風電技術(shù)的顯著特點之一。商業(yè)風力機平

12、均單機容量從 1982年為 55kw到 2002年約為 1100kw，20 年增加了近 20倍。隨著技術(shù)的逐漸成熟早年多 樣化的設計理念也趨向統(tǒng)一。單機容量大，有利于降低每千瓦的制造成本；而且大型機組 采用更高的塔架，有利于捕獲風能， 50m 高度捕獲的風能要比 30m高度處多 20%。目前， 商業(yè)化機組的單機容量已達 3.6MW。2）變速恒頻機組將成為主流機型 目前，世界各地風電場的風力發(fā)電機組，絕大多數(shù)為恒速運行機組。隨著控制技術(shù)的 發(fā)展和變速恒頻機組的應用，風力機開始改恒速運行為變速運行，風輪轉(zhuǎn)速隨風速變化， 在低于額定風俗的相當大范圍內(nèi)保持最佳葉尖速比已獲得最大風能。3）重量更輕、結(jié)構(gòu)

13、更具柔性 隨著風力機葉片的增長，其單位功率的重量更輕、結(jié)構(gòu)更柔性。葉片材料由玻璃纖維 增強樹脂發(fā)展為強度高、質(zhì)量輕的碳纖維。同時，針對風力機的空氣動力環(huán)境，風力機專 用新翼型也得到廣泛應用，大大改善葉片的氣動性能。4）海上風力發(fā)電迅速發(fā)展 由于海上風力資源比陸地上好，風速比沿岸路上約高25%，且海面粗糙度小，海上風場湍流強度小，具有穩(wěn)定的主導風向，減少機組疲勞載荷，延長使用壽命。5）中國風力發(fā)電的發(fā)展中國現(xiàn)代風力發(fā)電機技術(shù)的開發(fā)利用起源于 20世紀 70年代初。經(jīng)過初期發(fā)展、單機 分散研制、系列化和標準化幾個階段的發(fā)展，無論在科學研究、設計制造，還是試驗、示 范、應用推廣等方面均有了長足的進步

14、和很大的提高，并取得了明顯的經(jīng)濟效益和社會效 益。我國開發(fā)、研制、生產(chǎn)小型風力發(fā)電機組的單位共 47 家，年生產(chǎn)能力超過了 4 萬臺。 產(chǎn)品的額定功率 100W-10KW。到 2002年底，全國累計生產(chǎn)離網(wǎng)型小型風力發(fā)電機組 24 萬 多臺。表 1-1 中國風電場裝機容量發(fā)展情況(單位：萬KW)Tab 1-1 Chinas installed capacity of wind power development (unit : 10,000 KW)裝機容量199920002001200220032004當年新增4.477.655.726.699.9819.8累計容量26.8334.4840.2

15、046.6256.676.4累計容量26.8334.4840.2046.6256.676.4風力發(fā)電的原理和需要解決的問題風力發(fā)電依靠空氣的流動 -也就是風 -來推動風力發(fā)電機的葉片而發(fā)電，風的形成則是 源于地球本身的自轉(zhuǎn)以及區(qū)域性的太陽輻射熱吸收不均勻而引起空氣的循環(huán)流動，小規(guī)模 者如海路風、山谷風，大規(guī)模者如東北季風或臺風。一部典型的現(xiàn)代水平軸式風力發(fā)電機包括葉片、輪轂 （與葉片合稱葉輪 ）、機艙罩、齒 輪箱、發(fā)電機、塔架、基座、控制系統(tǒng)、電纜線等。當風流過葉片時，由于空氣動力的效 應帶動葉輪轉(zhuǎn)動，葉輪透過主軸連結(jié)齒輪箱，經(jīng)過齒輪箱加速后帶動發(fā)電機發(fā)電。目前亦 有廠商推出無齒輪箱式機組，可

16、降低震動、噪音，提高發(fā)電效率，但成本相對較高。風力發(fā)電機并不能將所有流經(jīng)的風力能源轉(zhuǎn)換成電力， 理論上最高轉(zhuǎn)換效率約為 59%， 實際上大多數(shù)的葉片轉(zhuǎn)換風能效率約介于 3050%之間，經(jīng)過機電設備轉(zhuǎn)換成電力能后的 總輸出效率則約介于 2045%。由于發(fā)電效率較高只風力發(fā)電機其經(jīng)濟效益較佳 ,鑒于水平 軸式擁有較高發(fā)電效率 ,現(xiàn)代風力發(fā)電機多為水平軸式。風力發(fā)電機的電力輸出與風的速度非常有關(guān)，葉片能自風獲得之能量與風速的三次方 成正比，一般市場上風力發(fā)電機的啟動風速約介于 2.54m/s，于風速 1215m/s 時達到額定 的輸出容量，風速更高時風力發(fā)電機的控制機構(gòu)將電力輸出穩(wěn)定在額定容量左右，

17、為避免 過高的風速損壞發(fā)電機，大多于風速達 2025m/s 范圍內(nèi)停機。一般采用旋角節(jié)制或失速 節(jié)制方式來調(diào)節(jié)葉片之氣動性能及葉輪之輸出。除了風速外，葉輪直徑?jīng)Q定了可攝取風能的多少，約與葉輪直徑平方成正比，以目前 商業(yè)化的中、大型風力發(fā)電機為例，容量 600kW 的機組其葉輪直徑約 45m 左右， 1000kW 的機組葉輪直徑約 55m 左右， 2000kW 的機組葉輪直徑則約 75m左右，依生產(chǎn)工藝而異。葉片的數(shù)量亦影響風力發(fā)電機的輸出，一般而言多葉片的風車效率較低但機械力矩較 高，適用于汲水等工作； 少葉片型（13葉片）效率較高而力矩較低， 其中又以 2葉及 3葉效 率較高。此外，現(xiàn)代風力

18、發(fā)電機的葉片多采用機翼翼型，以更有效的攝取風能。圖 1-1 葉輪直徑與風能攝取量的關(guān)系Fig 1-1 Impeller diameter intake and the number of wind energy風能利用發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)問題風能技術(shù)是一項涉及多個學科的綜合技術(shù)。而且，風 力機具有不同于通常機械系統(tǒng)的特性：動力源是具有很強隨機性和不連續(xù)性的自然風，葉 片經(jīng)常運行在失速工況，傳動系統(tǒng)的動力輸入異常不規(guī)則，疲勞負載高于通常旋轉(zhuǎn)機械幾 十倍。對于這樣的強隨機性的綜合系統(tǒng)，其技術(shù)發(fā)展中有下列幾個關(guān)鍵技術(shù)問題。1）空氣動力學問題空氣動力設計是風力機設計技術(shù)的基礎(chǔ)，它主要涉及下列問題 : 一是

19、風場湍流模型， 早期風力機設計采用簡化風場模型，對風力機疲勞載荷和極端載荷的確定具有重要意義； 另一是動態(tài)氣動模型。再一是新系列翼型。2）結(jié)構(gòu)動力學問題準確的結(jié)構(gòu)動力學分析是風力機向更大、更柔和結(jié)構(gòu)更優(yōu)方向發(fā)展的關(guān)鍵。3）控制技術(shù)問題 風力機組的控制系統(tǒng)是一個綜合性的控制系統(tǒng)。隨著風力機組由恒速定漿距運行發(fā)展 到變速變漿距運行，控制系統(tǒng)除了對機組進行并網(wǎng)、脫網(wǎng)和調(diào)向控制外，還要對機組進行 轉(zhuǎn)速和功率的控制，以保證機組安全和跟蹤最佳運行功率。我國風能資源分布風能是空氣運動產(chǎn)生的動能， 它是太陽能的一種轉(zhuǎn)化形式， 是一種清潔的可再生能源全球風能資源極為豐富， 據(jù)世界氣象組織估計， 地球上近地層的風

20、能總量約為 1.3 1015W 可 利用的風能至少為 1012W ，約為地球上可利用水能總量的 10 倍。表 1-2 風能資源比較豐富的省區(qū)Tab 1-2 Wind resource rich provinces省區(qū)風力資源 / 萬 KW省區(qū)風力資源 / 萬 KW內(nèi)蒙古6178山東394新疆3433江西293黑龍江1723江蘇238甘肅1143廣東195吉林638浙江164河北612福建137遼寧606海南64全國總量 / 萬 KW25300風力機的類型和分類 風力機將風的動能轉(zhuǎn)換為機械能或其他形式的能量。按功率輸出的大小，風力機一般 分為小型（ 10KW 以下），中型（ 10KW-100KW

21、 ）和大型（ 100KW以上）。風力機的種類相當多，依結(jié)構(gòu)式樣可分類為： 按主軸與地面的相對位置，可分為水平軸與垂直軸式。 按轉(zhuǎn)子相對于風向的位置，可分為上風式與下風式。按轉(zhuǎn)子葉片工作原理可分為升力型與阻力型。 按轉(zhuǎn)子葉片數(shù)量，可分為單葉型，雙葉型，三葉型，荷蘭型，美國農(nóng)村多葉型。2 風力機基礎(chǔ)理論風速、風能與空氣密度風場的風速資料是設計風輪機最基本的資料。風場的實際風速是隨時間不斷變化的 量，因此風速一般用瞬時風速和平均風速來描述。瞬時風速是短時間發(fā)生的實際風速，也 稱有效風速，平均風速是一段較長時間內(nèi)瞬時風速的平均值。某地一年內(nèi)發(fā)生同一風速的小時數(shù)與全年小時數(shù)（ 8760h）的比稱為該風速

22、的風速頻 率,它是風能資源和風能電站可研報告的基本數(shù)據(jù)。風速與地形、地勢、高度、建筑物等密 切相關(guān)，風能槳葉高度處的風速才是風輪設計風速，因此，設計風輪機電站還要有風速沿 高度的變化資料。風的變化是隨機的，任一地點的風向、風速和持續(xù)的時間是變化的，為定量地衡量風 力資源，通常用風能玫瑰圖來表示。圖 2-1 上射線長度是某一方向上風速頻率和平均風速 三次方的積，用以評估各方向的風能優(yōu)勢。北東圖 2-1 風能玫瑰圖Fig 2 -1 Rose wind map不同海拔高度風場的空氣密度也不同，它是風力發(fā)電的一個重要計算參數(shù)，不同海拔高度空氣密度見表 2-1表 2-1 不同海拔高度風場的空氣密度Tab

23、2 -1 Different altitude wind farms air density海拔/ m大氣壓 /105 paV/ m3 /kg/kg/m3海拔/ m大氣壓 /105 paV/m3 /kg/kg/m301.0130.8171.2245000.9550.8661.1551001.0010.8261.21110000.8990.9201.0872000.9890.8361.19615000.8470.9771.0243000.9780.8461.18220000.7971.0380.9634000.9660.8571.167風力等級 風力等級是根據(jù)風對地面或海面物體影響而引起的各種現(xiàn)

24、象，按風力的強度等級來估 計風力的大小，國際上采用的是英國人蒲福( Francis Beaufort,17741859)于 1805 年所擬 定的等級，故又稱蒲福風級，他把靜風到颶風分為 13 級。見表 2-2。表 2-2 蒲福風力等級表Tab2 -2 Bofu wind scale風相當于平地高處的風速(范圍10m m/s)中數(shù)陸上地物征象力等級名稱中文英文0靜風Calm0.00.20靜、煙直上煙能表示風向， 樹葉1軟風Light air0.31.51略有搖動人面感覺有風， 樹葉2輕風Light breeze1.63.32有微響，旗子開始飄 動，高的草開始搖動 樹葉及小枝搖動不3微風Gent

25、le breeze3.45.44息，旗子展開， 高的 草搖動不息 能吹起地面灰塵和4和風Moderate breeze5.57.97紙張， 樹枝動搖， 高的草呈波浪起伏有葉的小樹搖擺， 內(nèi)5清勁風Fresh breeze8.010.79陸的水面有小波， 高6強風Strong breeze10.813.812的草波浪起伏明顯 大樹枝搖動， 電線呼 呼有聲，撐傘困難，7疾風Near gale13.917.116高的草不時傾伏于 地 大樹搖動， 大樹枝彎 下來，迎風步行感覺8大風Gale17.220.720不變 可折毀小樹枝， 人迎 風前行感覺阻力甚9烈風Strong gale20.824.423大

26、 草房遭受破壞， 屋瓦 被掀起，大樹枝可折10狂風Storm24.528.426斷樹木可被吹倒， 一般11暴風Violent storm28.532.631建筑物遭破壞大樹可被吹倒， 一般12颶風Hurricane32.633建筑物遭嚴重破壞陸上少見， 其摧毀力極大理想風能的利用經(jīng)風輪做功后的風也有一定流速和動能，因此風的能量只能被部分轉(zhuǎn)化為機械能。風 輪前后流場如圖 2-2。設(2-1)(2-2)a , Pc P, Vwa Vwb Vwt由伯努利方程1 2 2(Vw 2 Vwc2) Pa Pb2作用在風輪上的軸向力1 2 2F=A( Pa Pb)=A(Vw Vwc )2A= r 2(2-3)

27、(2-4)式中 A 槳葉掃過的面積，；空氣密度，kg/m3；P 風輪機功率，KW；Vwt平均風速，m/s；Vw 輪前風速，m/s；Vwc輪后風速，m/s；Pa 輪前壓力，pa；Pb 輪后壓力，pa；F 軸向力，N；r 風輪半徑，m；風速VwVwt輪后風速VwcvW輪前風速vWAPAPa輪前壓力PB輪后壓力PA圖 2-2 風輪前后流場Fig2 -2 Wind flow around 質(zhì)量流量qm AVwt 槳葉中的平均風速等于輪前、輪后風速的平均值1Vwt 1 (Vw Vwc)2 從風能中可能提取的能量 E 是進出口風的動能差1 2 2 E 2 (qmVw2 qmVwc2 )(2-5)2-6)(

28、2-7)111 2 2 AVwt (Vw2 Vwc2)21 2 2 A(Vw Vwc )(Vw2 Vwc2)4 已知輸入風輪的能量為2-8)E in E A 21 AVw3風能利用系數(shù)Cp可能提取的風能輸入的風能EE in(2-9)可能提取的能量E Cp1 AV 3w2(2-10)代入各值得Cp220.25 A(Vw Vwc )(Vw2 Vwc2)0.5 AV 3w(2-11)(2-12)Vwc aVw將式 2-12 代入下式得風能利用系數(shù)Cp(1 a)(1 a2 )2(Vw ,Vwc)(2-13)可由式( 2-13)求得風輪機風能利用系數(shù) Cp 的極值。dC進口風速 Vw是已知的，對 Vwc

29、 求導，并令為零， dCp 0 ，求得風能利用系數(shù) Cp為極 dVwc大值時的輪后風速V1Vwc Vw ,a 1(2-14)wc 33通過式 2-13 求得風能利用系數(shù) Cp的極大值為Pmax=0.593(2-15)由式 2-10 得出最大理想可能利用的風能為(2-16)E max 0.593E in 0.593 1 AV 2w2理想風輪機的能量密度max0.593 1 V 3w2(2-17)風輪機基本參數(shù) 風能指空氣運動的動能，一般用單位時間內(nèi)通過單位面積的能量即風能密度來衡量風 能的大小。13即 E= A 3 (2-18)2式中A風輪掃掠面積， m2 ；風速， m/s；為空氣密度， kg/

30、 m3 ；在本設計中取 =1.25kg/ m3 。由式 2-18 可知風能的大小與空氣密度和通過的面積成正比， 與風速的立方成正比。葉尖速比是風輪葉尖線速度與風速的比值，即 R / (2-19) 式中R為風輪半徑， m；為風輪角速度， rad；葉尖速比 ； 根據(jù)動量守恒原理，可知空氣作用在風輪上的推力為F Au( 0 u1 )(2-20)式中A為風輪掃掠面積， m2 ；u 為通過風輪的風速 ,因此 Au 代表了單位時間內(nèi)流過風輪的空氣質(zhì)量 , kg ； 0 為風輪前方未受風輪影響的來流風速， m/s；u1為尾流中達到壓力平衡后的風速， m/s； 在風力機設計時需要確定一些參數(shù)，可采用確定風力機

31、額定出力或選用最大能量輸出 來計算設計點。設計中占主導的風速，如果在實際中這一風速不能得到充分利用，產(chǎn)生損 失也就說明設計存在問題，也就是風力機葉型設計有問題，這也是風力機的動力研究的本 質(zhì)。在空氣動力方面最重要的發(fā)展是，研制新的風力機葉片葉型，以轉(zhuǎn)化更多的風能，如 美國國家可再生能源實驗室 (NREL)開發(fā)了一種新型葉片葉型， 試驗表明， 新型葉片比早期 的風力機葉片轉(zhuǎn)化的風能要大 20%以上。目前設計的葉片， 最大風能利用系數(shù)約為 0.47 左13右，而風能利用系數(shù)的極限值是 0.593，可見在葉片葉型的改進上還有較大的發(fā)展空間 采用柔性葉片也是一個發(fā)展動向，利用新型材料（如新型工程塑料等） 。進行設計制造， 使其在風況變化時能夠相應改變它們的型面，從而改善空氣動力響應和葉片受力狀況，增 加可靠性和對風能的轉(zhuǎn)化量。另外，還在開發(fā)新的空氣動力控制裝置如葉片上的副翼，它能夠簡單、有效地限制 轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度，比機械剎車更可靠，并且費用低。功率調(diào)節(jié)功率調(diào)節(jié)是風力發(fā)電機組的關(guān)鍵技術(shù)之一。風力發(fā)電機組在超過額定風速（一般為 1216m/s；）以后，由于機械強度和發(fā)電機、電力電子容量等物理性能的限制，必須降低 風輪的能量捕獲，使功率輸出仍保持在額定值的附近。這樣也同時限制了槳葉承受的負荷 和整個風力機受到的沖擊，從而保證風力機安全不受損害。功率調(diào)節(jié)方式主要有定槳