風(fēng)力發(fā)電功率和葉尖速比

1、Pa=A/=gpDV,千克米2/秒 /O（5-1）（）穿過(guò)風(fēng)輪槳葉掃掠面的風(fēng)能設(shè)：V風(fēng)速（指未擾動(dòng)氣流的流速）米/秒；D風(fēng)輪宜徑.米；A風(fēng)輪葉片掃掠面積.米2；P空氣密度千克/米,則單位時(shí)何內(nèi)穿過(guò)風(fēng)輪掃掠血枳的動(dòng)能.即功率PA（見圖52）為：D-2Rffl5-2風(fēng)輪掃掠而輸入風(fēng)輪面內(nèi)的功率V P（二）風(fēng)能利用系數(shù)3風(fēng)能利用系數(shù)3,巾位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)輪機(jī)械能的風(fēng)怙單位時(shí)也r內(nèi)穿過(guò)雙輪槳叫掃掠面a的全部風(fēng)能風(fēng)輪的輸出功率風(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)中獲得的有用能最的比例.根據(jù)貝茨理論，風(fēng)能利用系數(shù)的最大值為0/”，關(guān)于貝茨最大值的推導(dǎo)見本章第七節(jié)。水平軸風(fēng)輪機(jī)的Cp-0

2、.20.5.垂h軸風(fēng)輪機(jī)的G，一。.3-0.4。風(fēng)能利用系數(shù)又稱功率系數(shù)。(三)風(fēng)輪的功率風(fēng)輪的功率即指轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的功率P=Cp-.A-(5一3)由式(51)和(53)可以看出，1 .當(dāng)v=常數(shù).1>8下(即當(dāng)風(fēng)速一定時(shí)風(fēng)輪的功率和風(fēng)輪江徑的平方成正比).2 .當(dāng)D=常數(shù).px/(即當(dāng)風(fēng)輪宜徑固定時(shí).風(fēng)輪的功率和風(fēng)速的立方成正比).3 .當(dāng)風(fēng)輪座徑、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)輪口|片數(shù)無(wú)關(guān),但與空氣密度成正比,作風(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)可裊示為：入=誣V式中入一高速性系數(shù)；O3風(fēng)輪在風(fēng)速V時(shí)的旋轉(zhuǎn)角速度&q

3、uot;弧度秒T；0()sR風(fēng)輪葉片尖處的線速度.弧度秒T米,n轉(zhuǎn)遞轉(zhuǎn)/分.27r.rg；pi、60"jtR.所以入=(5-4)v30v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)煒與其旋轉(zhuǎn)角速度的乘枳來(lái)衣，凡即P=M-u>式中M轉(zhuǎn)矩千克米；W旋轉(zhuǎn)角速度.弧度-秒T。已知風(fēng)輪的功率PnpD2/*6所以P=M-m=vpv3-CFo':JI2M73M定義R 人 一 今 UC _ MIm咨R.W2M O,RCijR _ 公x* =( M 入稱為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，則M=Cm（gRAv，即當(dāng)風(fēng)輪尺寸

4、（R）固定時(shí)，在一定風(fēng)速F,Cm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3=（1入或Cm=t可見.G，及Cm皆是A的函數(shù)即C°=f（入）.Cm=NM，此函數(shù)關(guān)系可以通過(guò)計(jì)兌或?qū)嶒?yàn)得出.也可以用曲線表示，如圖53及圖54所示.圖53雙輪機(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)系的綴1 .對(duì)于某一風(fēng)輪來(lái)說(shuō)只是在人為某一數(shù)值.即貓時(shí)才達(dá)到最人C,俏（；“），如圖53所示,在人注入a時(shí),Cj,值下降.對(duì)應(yīng)于最大Cp值（1z）時(shí)的X值（貓）稱標(biāo)準(zhǔn)高速性系數(shù)。2 .（不是相對(duì)于人=I時(shí)的轉(zhuǎn)矩系數(shù).即相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)高速性系數(shù)時(shí)的轉(zhuǎn)

5、矩,3 .高熱風(fēng)輪與低速風(fēng)輪的Q,=f（入）曲線及CM=f（入）曲線是不相同的如圖5-5及圖56所示。低速風(fēng)輪的入值葩困在12之間；高速風(fēng)輪的入值范圍在510之間。由圖可見.高速風(fēng)輪的C,碎大于低速風(fēng)輪的但是低速風(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)輪屬于低速風(fēng)輪,少葉片風(fēng)輪屬于高速風(fēng)輪，圖5-5風(fēng)輪機(jī)功率系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系圖56雙輪機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系（一）功率轉(zhuǎn)速特性曲線己知P=-5-A-V3-CpCP=f（X）當(dāng)風(fēng)輪制成后.A一常數(shù)p=常數(shù).故當(dāng)風(fēng)速一定時(shí)（、一常數(shù)）則P就是3的函數(shù).而Cp是入的函數(shù)人又是反映性速。的大小的故可以得出P=f（

6、n）的關(guān)系曲線1<-7發(fā)小低速及高速風(fēng)輪機(jī)的功率一轉(zhuǎn)速特性曲線圖中數(shù)字代表不同風(fēng)速v（米秒）卜的特'性,nV6>V5>Vi>Vj>v2>V1,（二）轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性曲線己知轉(zhuǎn)矩X1-CM-AR/.設(shè)A、R、p為常數(shù)，又知Cmf（Q.則與風(fēng)速定時(shí)（v一常數(shù)就是4的函數(shù)而人反映了轉(zhuǎn)速的大小,所以同樣可以得出M=f（n）的曲圖57雙輪機(jī)的功七一轉(zhuǎn)速野性曲線線.如圖58所示,If申】國(guó)，e凡輪機(jī)的知疝一必盅特mu線舒出了瓶粒機(jī)的機(jī)妒轉(zhuǎn)速特件也鰻,如果再得到風(fēng)輪機(jī)所推動(dòng)筮機(jī)械用手發(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)年轉(zhuǎn)速特性曲線.就可口分析為兩者聯(lián)接阻成為

7、個(gè)系統(tǒng)時(shí)的物件這就是研究風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)年一轉(zhuǎn)速特性曲餞的目的.七、風(fēng)能利用系數(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:E=-tjhv3(57)現(xiàn)設(shè)在與空氣流方向垂直的某處取一截面枳為A的任意截面，如圖39所示,剜在單色時(shí)間越秒)內(nèi)通過(guò)此截近的氣體體枳流柚V為，第5-9單儻時(shí)間內(nèi)通過(guò)魅面A的“倬憚根漉V=vA設(shè)空氣密文為戶則時(shí)位于此體積的牛氣流的質(zhì)量為工11V=p*Av(59)故FAv即代人在單位時(shí)間內(nèi)盍過(guò)截面A的空氣液所具有的質(zhì)量.也可稱為履量流辜.此質(zhì)量諦率所具有的動(dòng)饒則出1-L：.v)*J-o*A*v'<5I)4A因?yàn)槭剑?所表明的是單位時(shí)間f每杪）內(nèi)流過(guò)

8、鼠inA的空氣流尼丁具行的動(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)掃掠耐積的空氣流的即能.也即風(fēng)輪機(jī)的功率匕將為風(fēng)輪機(jī)從風(fēng)中來(lái)取了能量*因而使風(fēng)減速了.風(fēng)輪號(hào)制的風(fēng)速比風(fēng)輪前IM的風(fēng)速抬低理論分枷iI叫風(fēng)粒心囪的風(fēng)速為進(jìn)入風(fēng)輪掃掠曲以前的風(fēng)速即未擾引風(fēng)速）的士時(shí).風(fēng)花可獲用最大能磴，風(fēng)輪五身1I流動(dòng)的空氣中吸收的為.iv的速度,所以仃效的0(-質(zhì)量流率應(yīng)是p入生.因此風(fēng)輪機(jī)自流動(dòng)的空氣中獲得的最大能小也即可轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫闹湫倒β蕆的后k值，I：,Pn-tx%27式（5I力表明風(fēng)輪從鳳中所能獲取的能量由通過(guò)風(fēng)輪掃掠血的生部風(fēng)佬的比例的最I(lǐng)J

9、1：匕：.比.整句活11.上.J3.，'«山；心系由K茨！I二：；zf也稱貝茨最大值,實(shí)際上,從丈R：運(yùn)忖的風(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)力發(fā)電系統(tǒng)或風(fēng)力泵水系統(tǒng)中.風(fēng)輪機(jī)的m械功率再轉(zhuǎn)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)或水基本身需消梗就分功為實(shí)際可用的功事又進(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)步減小a八、風(fēng)輪機(jī)的輸出功率曲線如前所述風(fēng)輪機(jī)的輸出功率可我示成瞬時(shí)風(fēng)速（通常采用短時(shí)期內(nèi)風(fēng)速的平均值宋代表）的曲數(shù),如式（53）所示即：A3仁J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)

10、一步瓦考慮到此因素，風(fēng)輪機(jī)的輸出功.'式J迷步寫成:股）在0.7左右.按照貝茨理論,3的最大值為59.3%.（；小593X0.7%0.41541%，而實(shí)際上真正從風(fēng)輪機(jī)所獲得的機(jī)械功率很少超近通i1風(fēng)輪機(jī)槳葉掃掠面內(nèi)風(fēng)能的40%.設(shè)一風(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)開始輸出功率；v,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)的愉出功率依風(fēng)速的變化可分為三段.即：Vi<v<V,lb：.P=4"pAv3（CRT）oov3當(dāng)vrVV,時(shí).P=1=4-Av（Cp力當(dāng)v>vo時(shí)，P=0若以圖形

11、表示風(fēng)輪機(jī)的輸出功率依風(fēng)速的變化情況.則如圖5-10（a）及圖5-10所示.評(píng)論上在風(fēng)速低十粒定風(fēng)速（即v<%）時(shí)風(fēng)輪機(jī)的嫡出功率均與風(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4風(fēng)速高于起始風(fēng)速（即v>v,）時(shí)/1產(chǎn)生凈功<輸出功率）.而在起始風(fēng)速與額定風(fēng)速之間（卬vi4Vr之間）風(fēng)輪機(jī)的輸出功率曲線有著不同的形狀.而K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n,應(yīng)用起來(lái)比較方便.如圖510小）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v,O<v。）范闈內(nèi).認(rèn)為風(fēng)輪機(jī)的輸出功率P=Pr（即額定功率）維持不變，也即輸出恒功率.這可藉助風(fēng)輪機(jī)

12、的槳距調(diào)P來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于線性輸出功率曲線.可求出風(fēng)輪機(jī)的輸出功率為：Pf功畢1國(guó)51口作國(guó)輪機(jī)理想輸出功率面畿10（h）風(fēng)輪機(jī)就性摘出功率曲線利用式E13）可以來(lái)由不同園速卜風(fēng)輪機(jī)的門J可值,即1Vf*V*7JVE一rVI上而九、風(fēng)輪機(jī)的輸出能量及可利用率在第一事已介出了風(fēng)速的顫鄧分布（第五節(jié)）及風(fēng)速的持城的網(wǎng)分布（第六節(jié)八現(xiàn)乂了解了其輪機(jī)的功事輸出曲妹,格這兩者結(jié)合起來(lái)就可以計(jì)倬出某個(gè)風(fēng)場(chǎng)固定時(shí)間內(nèi)風(fēng)輪機(jī)的輸出能量及其可利用率風(fēng)輪機(jī)的懦出能量可以用計(jì)算法.也可以用鼠求法得出«（一）計(jì)算法利用風(fēng)速的頻率分布.可狹得各種不同風(fēng)迪下的吹風(fēng)時(shí)數(shù).從功率輸出曲毀卜川以獲知不同風(fēng)速卜相應(yīng)的軟陽(yáng)功

13、率.這樣就可計(jì)算出不同同速卜克風(fēng)速吹風(fēng)時(shí)效內(nèi)所對(duì)應(yīng)的輸出能量f即某一風(fēng)速下風(fēng)輪機(jī)的愉出功率苴與該風(fēng)速持續(xù)吹風(fēng)時(shí)間的乘枳格斯有不同風(fēng)速下對(duì)附的出中能M川加前可得到風(fēng)輪機(jī)的總輸出曲H；君設(shè)收速的頻率分缶一照流7入入風(fēng)光機(jī)的功車檢出打H：%，|，：c.則花一出定時(shí)間周期內(nèi)4輪網(wǎng)的總?cè)篐：能量可表不成如卜的解析式.即：E=jP<v>f(v)dv(515)式中E為風(fēng)為機(jī)的輸出能量.如前所述，風(fēng)輪機(jī)只在起始風(fēng)速與截止風(fēng)速間運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)才行功率輸出一如果認(rèn)為風(fēng)輪機(jī)的榆出功率曲線如圖510(b)所示.即由起始風(fēng)逑i額定風(fēng)速之間.風(fēng)輪機(jī)的輸出功率中零增加到額定俏,而在額定風(fēng)速到截止風(fēng)速之間維持額定輸出功率

14、不變.則式(515)可寫成：EI；：乂v)1()dvflf(v)(JV=f：;P(v)f(v)dv+Pr-：;f(v)dv(5-16)(二)圖示法用圖示法求風(fēng)輪機(jī)的輸出能量的步驟如下：1 .在風(fēng)速M(fèi)間分布曲線(圖5-U(a)，上定出起始風(fēng)速(匕八額定(速(vr)及截止風(fēng)速(V。>并由曲線上找出相應(yīng)的時(shí)間數(shù)(以標(biāo)么值表示).2 .按給定的起始風(fēng)速、檢定風(fēng)速及截止風(fēng)速.畫出由向內(nèi)一承修出特性曲:！.如圖5-11(b)所示(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(c)所示.則功率時(shí)間分布曲如卜的血枳(陰影部分)就代&am

15、p;了風(fēng)輪機(jī)的輸出能量.M5-11圖示法求應(yīng)輪機(jī)的晌出能量(a)風(fēng)趣持坡時(shí)間分布曲線b)勸速持出椅性曲線(c)功率時(shí)間分仇曲線從圖示法"J'以看出.改變領(lǐng)定帳速或起始M速、戰(zhàn)止風(fēng)速皆對(duì)風(fēng)輪機(jī)的輸出能量仃影響,也始風(fēng)速越低.截止風(fēng)速越高.則輸出總能量越多，同時(shí)額定儀速還得合適才能使陰影面積最大。圖示法的缺點(diǎn)是必須通過(guò)的解積分才能求HI瑜出能量.這是比較麻煩的.(三)風(fēng)輪機(jī)的可利用率風(fēng)輪機(jī)每年的可利用率可按下式計(jì)算,即：可利用率=風(fēng)輪機(jī)行時(shí)數(shù)X100%(5-17)8/00式中8760全年的時(shí)數(shù)(363X21)o當(dāng)風(fēng)輪機(jī)工作時(shí)如果風(fēng)速也過(guò)風(fēng)輪機(jī)的I作風(fēng)速范國(guó)成電機(jī)突然拒掉負(fù)荷.川乩

16、；：J致風(fēng)輪機(jī)超速.甚至造成風(fēng)輪機(jī)的損抹因此風(fēng)輪機(jī)部;IIIJ向止風(fēng)輪機(jī)區(qū)速的保護(hù)裝五以達(dá)到限制風(fēng)輪超速的n的。跟制風(fēng)輪均速的方法主要仃兩種.一足利用空氣動(dòng)力阻力的方法：是設(shè)法減小刈輪的迎風(fēng)血根（也即是使風(fēng)輪偏側(cè)）水平岫m輪機(jī)置仃葉尖用足板、擾流器、槳機(jī)構(gòu)以及風(fēng)輪偵偏或I.仰機(jī)構(gòu)等，垂直軸卜輪機(jī)的保護(hù)裝宵上嬖足阻尼板.（一）葉尖阻尼板葉尖明尼板是安裝在水平郁風(fēng)輪葉片尖部的阻尼裝置，當(dāng)風(fēng)輪正常運(yùn)弘時(shí).它虧葉片的作用相同.能產(chǎn)生升力，當(dāng)風(fēng)輪超速時(shí)則圍燒風(fēng)輪葉片縱向軸線轉(zhuǎn)90'4與風(fēng)輪旋林平,而成垂克位置.故能'卜阻力從而使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速口*（二）擾流器擾流器是安裝在風(fēng)輪葉片上距葉尖1葉片

17、長(zhǎng)度位置上的陽(yáng)心裝置：節(jié)風(fēng)輪F：_U轉(zhuǎn)時(shí),擾流器的兩個(gè)端面分別與葉片IF&面幣合：號(hào)風(fēng)輪超速時(shí).則張開延伸到葉片忤|面,這樣由于它與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平曲乖n,產(chǎn)生了陽(yáng).從二川"4輪轉(zhuǎn)速降卜來(lái)上述四種阻尼裝置的股是靠風(fēng)輪的離心出行根據(jù)風(fēng)輪轉(zhuǎn)的信號(hào)由液壓傳動(dòng)系£機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)使阻尼裝置動(dòng)»的。前看稱為被動(dòng)式的.卜；者稱為主動(dòng)式的.（三）順槳機(jī)構(gòu)所謂*i!架是指M輪葉片弦長(zhǎng)方向可風(fēng)向致也即風(fēng)輪葉片的神仙心近軍升力的狀態(tài).風(fēng)輪葉片福槳也置于風(fēng)輪變槳距櫛制的力,即根據(jù)風(fēng)速或"速的信號(hào).通過(guò)液壓變距或機(jī)幀變距機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)輪的頻槳既可用在大風(fēng)或mft荷時(shí)的緊急停車起保護(hù)

18、H用,也可用風(fēng)輪機(jī)正常運(yùn)行M的停機(jī).（四）風(fēng)輪側(cè)偏或上仰機(jī)內(nèi)水平軸風(fēng)輪機(jī)也育利用風(fēng)輪修例機(jī)構(gòu)、風(fēng)輪上仰機(jī)構(gòu)或安裝在風(fēng)輪機(jī)傳動(dòng)軸上的緊動(dòng)匣來(lái)實(shí)現(xiàn)超速保護(hù)關(guān)門4輪8側(cè)的方法諦面已介紹過(guò)。風(fēng)輪上仰機(jī)構(gòu)收只用于小型風(fēng)輪機(jī)中K急川動(dòng)向在小型風(fēng)輪機(jī)中分手動(dòng)和口動(dòng)制動(dòng)兩種,兩者皆是利用胞向剎車的原理。圖517衣示這四種抱閘剎車的取理。IB5-17小整閩輪機(jī)人急制動(dòng)吊不。圖圖517（a）；：戶動(dòng)停車人事向F拉剃4.J制動(dòng)副車帶將剎車1*16案抱化川現(xiàn)停車，圖517（國(guó)是門劫伶4,巧風(fēng)速超過(guò)限定的堆大風(fēng)逮時(shí)此一.1H板樓人從TF力地推動(dòng)（如圖中小人力向廠從前帶動(dòng)了剎車II、1.曲H桿則拉動(dòng)剎車?yán)K向卜并使動(dòng)剎車帶猛象抱住剎車段而實(shí)現(xiàn)門功停。刷年風(fēng)板面枳的大小與限定的垃大風(fēng)速值之間的配合關(guān)系可通過(guò)M依方法確定.在中型或大苗水平釉風(fēng)輪機(jī)中的制動(dòng)閘是由液壓供作系統(tǒng)、制動(dòng)用卡鉗以及安裝在風(fēng)輪上軸I的制動(dòng)設(shè)組成如第二It圖24所不二當(dāng)大風(fēng)