水平軸風力機的空氣動力學與風力發(fā)電原理.ppt

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1、風能利用基礎,風能是一種取之不盡、用之不竭、對大氣無污染、不破壞生態(tài)平衡的自然資源。礦物能源是目前人類社會的主體能源，為人類的文明、進步做出了巨大貢獻。但是，礦物能源總是有限的，是不可再生的能源。,,可以預見，人類在利用礦物能源、推進現(xiàn)代文明的同時，將面臨能源與資源枯竭、污染環(huán)境、破壞生態(tài)平衡等一系列問題。大規(guī)模開發(fā)利用風能、太陽能等清潔、可再生能源，是人類社會保持長久繁榮和永續(xù)發(fā)展的重大課題。,風的形成,風是跟地面大致平行的空氣流動，是由于氣壓分布不均勻產(chǎn)生的。大氣是存在于地球周圍，包圍著地球，自地球表面以上直至數(shù)萬米范圍內的物質。,,在氣象學上，一般把垂直方向的大氣運動稱為氣流，水平方向的

2、大氣運動稱為風。風是人類最常見的自然現(xiàn)象之一，它們由太陽的熱輻射而引起的“空氣流動”，所以風能是太陽能的一種表現(xiàn)形式。,,太陽對地球表面不均衡地加熱，造成了大氣層中溫度差。有溫度差就會產(chǎn)生壓力差，壓力差就使大氣運動形成風。當太陽加熱地球一面的空氣、水面和大地時，地球的另一面通過向宇宙空間的熱輻射而冷卻，地球每日不停地轉動，使其整個表面都輪流經(jīng)歷這種加熱和散熱的周期變化。,,由于地球表面軸線相對于太陽的傾斜角度有著季節(jié)性的變化，從而造成了地球表面加熱能量日常分布的季節(jié)性變化。,,在赤道附近，地球所吸收的太陽能要比兩極附近多得多，較輕的熱空氣在赤道附近上升，并向兩極流動；而較重的冷空氣作為替代，從

3、兩極移向赤道。這就是大氣環(huán)流運動。,,在北半球，地球自西向東的自轉，使向北流動的空氣折而朝東，使向南流動的空氣折而朝西。當向北流動的空氣到達北緯30時，它幾乎已經(jīng)折向正東了，因為這種風是從西邊吹來的，故稱之為“盛行西風”。,,空氣傾向于在北緯30偏北一點位置上積累起來，造成了這一帶地區(qū)的高壓帶和溫和的氣候，從這個高壓地區(qū)，一些空氣向南流動，并由于地球的自轉而被偏折向西，形成了全世界海員所稱呼的那種“信風”。,,信風指在赤道兩邊的低層大氣中，北半球吹東北風，南半球吹東南風，這種風的方向很少改變，也叫做“貿(mào)易風”。類似的效應導致了在緯度高于50地區(qū)的“極區(qū)東風”。,,在赤道的南方，地球的自轉將向南

4、流動的空氣折向朝東，而向北流動的空氣折向朝西，故在南半球也有類似的盛行西風、信風和極區(qū)東風的情況。全球性氣流的模式如圖1所示。,,圖1 地球大氣環(huán)流,,由于陸地的比熱比海洋小，所以白天陸地上的氣溫比海面上的空氣溫度上升得更快，這樣，陸地上較熱的空氣就膨脹上升，而海面上較冷的空氣便流向陸地，以補充上升的熱空氣，這種吹向陸地的風稱為“海風”。,,在夜間，其風向恰恰相反，因為陸地比海洋冷卻得更快，所以陸地上的冷空氣流向海面以補充上升的熱空氣，這種從陸地吹向海洋的風，稱之為“陸風”。它在中緯度地區(qū)可以從海洋線深入內陸50km多；而在熱帶地區(qū)則可深入內陸遠至200km多。海風，陸風的形成過程如圖2所示。

5、,,圖2 海陸風形成的原因,,在多山地區(qū)也會出現(xiàn)類似的地方性風。白天因為山頂比山谷熱得早，所以山頂上的空氣變輕上升，山谷里冷而重的空氣就沿著山坡流向山頂以補充上升，這種由山谷吹向山頂?shù)娘L稱為“山谷風”。夜間則發(fā)生相反的過程，亦即風從山頂吹向山谷。山谷風的形成過程如圖3所示。,,圖3 山谷風形成的原因,風向與風速,風是一種矢量，它通常用風向與風速這兩個要素來表示。,風向,風向是由風吹來的方向確定。如果風是從西邊吹來的，則稱為西風。風向可以由風向標給出，從風向標相對于羅盤方位固定臂的位置，可很容易地看出風的方向。風向必須轉動靈活，且要水平安裝在四周空曠的地區(qū)，通常高出地面10m。,,觀測陸地上的風

6、向，一般采用16個方位（觀測海上的風向通常采用32個方位），即以正北為零，順時針每轉過22.5為一個方位，如圖4表示。,,圖4 風向的16個方位,N北 E東 S南 W西 NE東北 SE東南 SW西南 NW西北 NNE東北偏北 ENE東北偏東 ESE東南偏東 SSE東南偏南 SSW西南偏南 WSW西南偏西 NW西北偏西 NNW西北偏北,,風速要用風速儀測量。它表示單位時間內流過的距離，單位是m/s或km/h。由于風速大小變化時而平緩，時而劇烈，于是在實用中就有瞬時風速與平均風速這兩個概念。,,前者可以用風速儀在極短時間（0.51.0s

7、）內測得,后者實際上是某一時間間隔內各瞬時風速的平均值,因此就有日平均風速、月平均風速、年平均風速等。國際上把風力等級分為12級。風力等級B與風速V（m/s）的關系為：,,風速在一天之中都在發(fā)生變化。地面上一般是夜間風弱，白天風強；高空卻是夜間風強，白天風弱。海拔較高的山頂是白天風弱，夜間風強；沿海地帶是白天風強，夜間風弱。,,風速在一年四季都在發(fā)生變化。一年之中由于地球表面高壓區(qū)、低壓區(qū)的變動，風的速度與方向也在發(fā)生變化。一般來說，夏季的平均風速要比其它季節(jié)平均風速低。,,風速頻率，又稱風速的重復性，它是指一個月或一年的周期中發(fā)生相同的時數(shù)，占這段時間總時數(shù)的百分比。將風速頻率乘以全年小時數(shù)

8、8760，即得到一年中某一風速的小時數(shù)。,風特性,自然界的風是很復雜的，對風能開發(fā)利用有直接影響。 風能隨時間變化 風能隨高度變化 區(qū)域和當?shù)氐匦螌︼L能的影響,風能隨時間變化,每個地方的風特性可用風玫瑰圖表示。圖5表示某氣象站測得的風玫瑰圖。在這個圖上，每根直線的長度表示在一年內這個方向的風的時間百分數(shù)(風向指向圓心)，每個圓或圓弧表示的時間為總時間的5%。在每根直線的端點的數(shù)字表示這個方向風速的平均值。,,圖5 風玫瑰圖,,例如，西北方向的風，全年占11%，平均風速為6.7米/秒。南風，全年占15%，平均風速為5.7米/秒。所有的直線的總長度為100%。,,圖6為能量玫瑰圖。這個圖是從16個

9、方向的風速立方之后分別取的平均值。圖6的能量玫瑰圖對應于圖5的風玫瑰圖。每根直線的長度代表那個方向的風能百分數(shù)。所有的直線的總長度為100%。值得注意的是：風玫瑰圖不同于風能玫瑰圖。如西北方向的風占全年時間的11%，但平均風能為21%。,,圖6 能量密度玫瑰,風能隨高度變化,在地球表面1006000米的范圍內。風速一般隨高度增加而增大。氣象學家把這個范圍做大氣邊界層。把風速隨高度變化的圖形叫風速剖面。在風速剖面上，風速變化很小，只受最大的地形影響，如山的影響。,,圖7 三個高度的風速時間曲線,,圖7表示在15、30和100m的平面上空風速變化。此圖表明：在一個很短時間內，風速是不規(guī)則的。在低高

10、度的瞬時風速大于較高高度的風速也是常見的。,,圖8 不同高度的速度時間曲線,,圖8表示在十個不同高度上一天以內各個時間的平均。除最下的兩條曲線外，其他數(shù)據(jù)都是用氣球測得的。在不同高度上，平均值變化最大的時間是在白天。在一天以內，平均風速隨高度增加。,,在圖8每條曲線上，計算出平均值，并以高度作縱坐標，可以得到圖9的平均風速分布，即該地的風速剖面。利用這條曲線，可以找到600m和1100m高度的風速。這兩個高度在圖上用箭頭表示，順著箭頭向下看，找到相應的橫坐標得到的風速分別是7m /s和8m /s。知道風速剖面之后，有助于選取風力機的最佳高度。,,圖9 風速剖面,,風速剖面的形狀與三個因素有關：

11、 A.地面是否平坦； B.空氣流過地表面時摩擦力的大小。例如，城市，鄉(xiāng)村和海洋的地面摩擦力不同，因此風速剖面也不同(圖10)。 C.氣流流經(jīng)路線的溫差以及通過大氣的溫度。,,圖10 地表上高度與風速的關系,大都市中心地帶 有森林覆蓋的鄉(xiāng)鎮(zhèn)、 平原、沿海 城市郊區(qū) 地帶,地面高度（m）,區(qū)域和當?shù)氐匦螌︼L能的影響,我國幅員遼闊，地形十分復雜。局部地形對風能有很大影響。這種影響在總的風能資源圖上顯示不出來，需要根據(jù)具體情況進行補充測量和分析。,水平軸風力機空氣動力學,為了學習風力機相關的空氣動力學知識，需要先了解一些流體動力學，特別是

12、飛行器空氣動力學知識。 風力機是一種從風中吸取動能的裝置。通過動能的轉移，風速會下降，但是只有那些通過風輪圓盤的空氣才會受到影響。,,假設將受影響的空氣與那些沒有經(jīng)過風輪圓盤、沒有減速的空氣分離出來，那么就可以畫出一個包含受到影響的空氣團的邊界面，該邊界面分別向上游和下游延伸，從而形成一個橫截面為圓形的長的氣流管（如圖11所示）。,圖11 風力機吸收能量的流管,,如果沒有空氣橫穿邊界面，那么對于所有的沿氣流管流向位置的空氣質量流量都相等。但是因為流管內的空氣減速，而沒有被壓縮，所以流管的橫截面積就要膨脹以適應減速的空氣。,,風力機的存在導致上游剖面接近風輪的空氣逐漸減速以至于當空氣到達風輪圓盤

13、時其速度已經(jīng)低于自由流風速了。風速的降低導致了流管膨脹，因為其速度沒有對氣體或通過氣體來做功，所以氣體的靜壓將上升以吸收其動能的減少。,,當空氣經(jīng)過風輪圓盤時顯然有靜壓降存在，以至于空氣離開風輪時其壓力會小于大氣壓力。空氣流就會以減小的速度和靜壓向下游前進這個氣流域被稱為尾流。,,最終，為了保持平衡，下游遠端尾流的靜壓要與大氣壓保持一致。動能的消耗使靜壓增加，從而導致風速進一步降低。因此在上游剖面遠端和尾流遠端之間，靜壓沒有發(fā)生變化，但是有動能減少。,貝茨（Betz）理論,貝茨理論的建立，是假定風輪是“理想”的，全部接受風能（沒有輪轂），葉片無限多，對空氣流沒有阻力。空氣流是連續(xù)的，不可壓縮的

14、，葉片掃掠面上的氣流是均勻的，氣流速度的方向不論在葉片前或葉片后都是垂直葉片掃掠面的（或稱平行風輪軸線的），這時的風輪稱為“理想風輪”。,,設風輪前方的風速為 , 是實際通過風輪的風速， 是葉片掃掠后的風速，通過風輪葉片前風速面積為 ，葉片掃掠面的風速面積為 ，風輪掃掠后的風速面積為 。,,風吹到葉片上所做的功是將風的動能轉化為葉片轉動的機械能，則必有 ， 。,圖12 貝茨（Betz）理論計算簡圖 葉片前的風速； 風經(jīng)過葉片時的速度； 風經(jīng)過葉片后的速度； 葉片前風速的面積； 風經(jīng)過葉片時的面積； 風經(jīng)過葉片后的面積,,于是 風單位時間作用在葉片上的力由動量定理求得 式中： 空

15、氣當時的密度，kg/m3； 單位時間流過的空氣質量，kg。,,風輪所接受的功率為 經(jīng)過風輪葉片的風的動能轉化 式中： 單位時間流過的空氣質量。,,因此，風作用在風輪葉片上的力F和風輪輸出的功率N分別為,,風速 是給定的， 的大小取決于 ，是 的函數(shù)， 對微分求最大值，得 令其等于0，求解方程，得,,求Nmax得 令 =0.593為 ,稱作貝茨功率系數(shù) （或稱作理想風能利用系數(shù)）,有,,而 正是風速為 的風能,故 =0.593說明風吹在葉片上,葉片所能獲得的最大功率為風吹過葉片掃掠面積風能的59.3%.貝茨理論說明,理想的風能

16、對風輪葉片做功的最高效率是59.3%。,風輪圓盤理論,將吸收能量轉化為可用能量的方式取決于風力機的設計。多數(shù)風力機采用帶有許多葉片的旋翼，葉片繞垂直于旋翼面且平行于風向軸線的角速度進行旋轉。,,葉片掃過形成一個圓盤，依靠葉片的空氣動力設計在圓盤前、后形成壓力差，該壓力差造成尾流軸向動量的損失。伴隨軸向動量損失的是一種可以通過連接在風輪軸的發(fā)電機收集起來的能量，正像風輪受到推力一樣，在旋轉方向的轉矩可以被收集起來。,,發(fā)電機對旋轉速度恒定的氣流施加一個大小相等、方向相反的轉矩，該轉矩對發(fā)電機做功并轉化為電能。,旋渦理論,風輪旋轉工作時，流場并不是簡單的一維定常流動，而是一個三維流場，這個三維流場

17、可看成由三個方向的一維定常流動組成的。研究指出：風輪工作時，在流場中形成三種渦流。,,一種是由于氣流流經(jīng)旋轉的風輪，通過葉尖部的氣流跡線為螺旋線，在流場中形成螺旋渦流；同樣在輪轂附近有同樣的渦流形成中心渦流；另外，氣流通過葉片時，由于翼葉上下表面壓力不同，也形成渦流，這個渦流叫做邊界渦流。,,正因為渦流的存在，流場中軸向和周向速度發(fā)生變化，所以在貝茨理論的基礎上引入誘導因子。,,圖13 風輪的渦流系統(tǒng),風輪葉片理論,在順翼展的方向，作用于風輪葉片半徑為、長度為的展向葉素上氣動升力（和阻力）是由通過葉素掃過的圓環(huán)的氣體軸向動量變化率和角動量變化率產(chǎn)生的。另外，作用于葉素上的力是由空氣動力升力和阻

18、力來提供，這種力是由關聯(lián)尾流旋轉速度的壓力降引起的。,,由于在接近圓盤的地方無旋轉氣流，就像引起軸向動量變化一樣，由旋轉尾流導致的圓盤順風面壓力的減少是以階躍壓降的形式出現(xiàn)的。由于在遠下游的尾流仍然在旋轉，所以旋轉引起的壓力降也就存在，也就不會對軸向動量改變有影響。,葉素理論,葉素理論的研究是將葉片沿展向分成微元段，每個微元段稱為一個葉素。這里假設作用在每個葉素上的力相互之間沒有干擾，葉素本身可以視為一個二元翼型。研究風輪的受力情況，一般以葉素為研究對象，分析葉素上所受的的力和力矩，然后沿翼展方向積分，即可求得風輪上所受的力和力矩。具體葉素受力情況如圖所示：,圖14 翼型在氣流中的受力分析,葉

19、素-動量定理,葉素-動量定理的基本假定是：作用于葉素上的力僅與通過葉素掃過的圓環(huán)的氣體的動量變化有關。因此，假定通過臨近圓環(huán)的氣流之間不發(fā)生徑向相互作用嚴格地說，唯一正確的條件是軸流誘導因數(shù)沿徑向不變。,,實際上，軸流誘導因數(shù)很少是相同的，但LOCK（1924）關于氣流通過螺旋槳的實驗表明徑向獨立的假定是可以接受的。 關于葉素-動量定理需要補充一點：只有葉片具有均勻的環(huán)量，即均勻時，該理論才適用。,水平軸風力機空氣動力學基礎,當風吹過風力機時，風輪就會旋轉，從風中獲得能量。造成風輪轉動有兩種方法，一種是利用阻力，另一種利用氣動升力。,圖15 簡單風力提水裝置,,圖17 作用在葉片上的力,圖18

20、 葉片翼型上壓力分布,圖19 翼型的升力、阻力曲線,風輪的性能指標,輸出功率 尖速比 風力發(fā)電機的轉矩系數(shù) 升力系數(shù)(Cl)和阻力系數(shù)(Cd),輸出功率,風的動能與速度的平方成正比。當一個物體使空氣速度變慢時，空氣中的動能部分轉變成物體上的壓力能。整個物體上的壓力就是作用在這個物體上的力。功率是力和速度的乘積。這也可用于風輪的功率計算。,,風輪輸出功率可以利用下面的公式表示風力機風輪從風中吸收的功率： 式中： --風能利用系數(shù) ； --風輪掃掠過的面積，m2 ； --空氣密度,kg/m3； --風速,m/s 。,風能利用系數(shù),風力機能夠從自然風中得到的能

21、量百分比，稱為風能利用系數(shù)（Rotor Power coefficient）,可用下式表示： 其中: 實際得到的輸出功率,W ； 風輪掃掠過的面積，m2 ； 空氣密度,kg/m3 ； 風速,m/s 。,圖20 幾種典型風輪的效率,尖速比,表示風力機性能的數(shù)值稱為T.S.R(Tip Speed Ratio),它定義為風力機葉片葉尖速度和風速的比值，稱為葉尖速度比（或高速性能系數(shù)），簡稱尖速比,表示為： 式中： 旋轉角速度，rad/s； R 風輪的半徑，m； n 風輪轉速，r/min; V 風速，m/s。,風力發(fā)電機的轉矩系

22、數(shù),風力發(fā)電機通過葉片捕獲風能，將風能轉換為作用在輪轂上的機械轉矩，風輪的功率也可以用風輪的轉矩與其旋轉角速度的乘積來表示，即,,風力機風輪從風中吸收的功率： 式中： --風能利用系數(shù) ； --風輪掃掠過的面積，m2 ； --空氣密度,kg/m3； --風速,m/s 。,,將上述兩式聯(lián)立得： ； 另設轉矩系數(shù) ； 則： 。,升力系數(shù)(Cl)和阻力系數(shù)(Cd),Cl和Cd隨攻角的變化 升力系數(shù)曲線由直線和曲線兩部分組成。與Clmax對應的im點稱為失速點，超過失速點后，升力系數(shù)下降，阻力系數(shù)迅速增加。負攻角時，Cl也成曲線形，Cl通過一最低點Cl

23、min。阻力系數(shù)曲線的變化則不同，它的最小值對應一確定的攻角值。,(1)彎度的影響,翼型的彎度加大后，導致上、下弧流速差加大，從而使壓力差加大，故升力增加；與此同時，上弧流速加大，摩擦阻力上升，并且由于迎流面積加大，故壓差阻力也加大，導致阻力上升。,(2)厚度的影響,翼型厚度增加后，其影響與彎度類似。同一彎度的翼型，厚度增加時，對應于同一攻角的升力有所提高，但對應于同一升力的阻力也較大，使升阻比有所下降。,埃菲爾極線,為了便于研究問題，可將Cl和Cd表示成對應的變化關系曲線，稱為埃菲爾極線(圖21)。其中直線OM的斜率是 當 值較大時，效率是較高的。,風力機風輪的氣動設計,把風能轉化成機械化

24、能是由風力機的風輪完成的，因此，風輪設計極為重要。,風力機空氣動力學的基本概念,葉片翼型的幾何形狀與空氣動力特性 風輪的組成部件，主要是葉片。風力發(fā)電機的風輪，一般是由2-3片葉片組成的。為了理解葉片的功能，即它們是怎樣將風能轉變成機械能的，必須懂得有關翼型的空氣動力學知識。,l,A,N,,M,i,,圖22 葉片的剖面形狀,V,B,V,,翼型的尖尾點B為后緣，圓頭上A點稱為前緣。連接前、后緣的直線AB= ,稱為翼弦。AMB為翼型上表面，ANB稱為翼型下表面。從前緣到后緣的虛線叫做翼型的中張線。迎角 是翼型與來流速度矢量之間的夾角。,,下面考慮風吹過葉片時所受的空氣動力。翼剖面上的壓力分部如圖2

25、3所示。上表面壓力為正，下表面壓力為負，下表面壓力為正。合力如圖24所示。,,高壓,低壓,圖24 翼剖面上的合力,圖23 翼剖面上的壓力,,合力可用下式表達： 式中： 空氣密度，kg/m3； 葉片面積=葉片長翼型，m2； 總的氣動力系數(shù)。,,這個力可以分解為兩個分力： 垂直于氣流速度的分力升力 平行于氣流速度的分力阻力,,和 可用下式表示： 和 分別別為翼型的升力系數(shù)和阻力系數(shù)。由于這兩個力互相垂直，所以,,翼剖面的升力系數(shù)和阻力系數(shù)隨攻角而變化（見圖25、圖26）。,圖25 翼剖面的升力系數(shù)隨攻角變化的曲線,圖26 翼剖面的阻力系數(shù)隨攻角變化的曲線,風輪空氣動力

26、學的幾何定義,首先介紹與風輪有關的幾何定義。 風輪軸：風輪旋轉運動的軸線。 旋轉平面：與風輪軸垂直，葉片在其旋轉的平面。 風輪直徑：風輪掃掠面的直徑。,,葉片軸：葉片縱向軸，繞此軸可以改變葉片相對于旋轉平面的偏轉角（安裝角）。 在半徑r處的葉片截面：葉片與直徑r并以風輪軸為軸線的圓柱相交的截面（圖27）。 安裝角或槳距角：在半徑r0處翼型的弦線與旋轉面的夾角（圖28）。,,圖27 在半徑r處的葉片截面 圖28 安裝角,葉素特性,風輪葉片在半徑 處的一個基本單元稱葉素，其長度為 ，弦長為 ，安裝角為。這個葉素在旋轉平面內的速度| |= 。如果把 當作流過風輪的軸向速度，則空氣相對葉片的速度

27、為 ，如圖29所示。I是 和風輪旋轉平面的夾角，稱為傾角。,,圖29 翼型參數(shù)關系,翼型的確定,在設計風輪葉片時，必須事先選擇好翼型。根據(jù)給出的各種翼型查表得出作圖用數(shù)據(jù)對弦長的百分比。如果設計者確定了弦長，就可通過簡單的計算作出正確的翼型圖。,變速變距機組控制系統(tǒng)構成,控制系統(tǒng)是風電機組安全運行的大腦指揮中心，控制系統(tǒng)的安全運行就是機組安全運行的保證，各類機型中，變速變距型風電機組控制技術較復雜，其控制系統(tǒng)主要由三部分組成：主控制器、槳距調節(jié)器、功率控制器（轉矩控制器）。系統(tǒng)構成如圖30所示。,,圖30 變速變距風電機組控制系統(tǒng)構成圖,,主控制器主要完成機組運行邏輯控制，如偏航、對風、解纜等，并在槳距調節(jié)器和功率控制器之間進行協(xié)調控制。,,槳距調節(jié)器主要完成葉片節(jié)距調節(jié)，控制葉片槳距角，在額定風速之下，保持最大風能捕獲效率，在額定風速之上，限制功率輸出。,,功率控制器主要完成變速恒頻控制，保證上網(wǎng)電能質量，與電網(wǎng)同壓、同頻、同相輸出，在額定風速之下，在最大升力槳距角位置，調節(jié)發(fā)電機、葉輪轉速，保持最佳葉尖速比運行，達到最大風能捕獲效率，在額定風速之上，配合變槳距機構，最大恒功率輸出。,,小范圍內的抑制功率波動，由功率控制器驅動變流器完成，大范圍內的超功率由變槳距控制完成。,