風(fēng)電技術(shù)基礎(chǔ)風(fēng)力發(fā)電原理

風(fēng)電技術(shù)基礎(chǔ)風(fēng)力發(fā)電原理1第1頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四風(fēng)力發(fā)電原理風(fēng)中蘊含的能量風(fēng)電機組將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化為機械能并進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電能。從動能到機械能的轉(zhuǎn)化是通過葉片來實現(xiàn)的，而從機械能到電能則是通過發(fā)電機實現(xiàn)的。動能空氣的質(zhì)量空氣密度隨著空氣壓力的增大而增大，隨著溫度的升高而減小：?冷空氣比熱空氣密度大（熱氣球升空就是利用的這個原理）。在普通大氣壓力和20°C溫度的條件下每立方米空氣的質(zhì)量是1.204kg；在-10°C的溫度下，每立方米空氣重1.342kg，比常溫下重了11%。也就是說，同樣的風(fēng)速同樣的風(fēng)電機，-10°C冷風(fēng)比20°C熱風(fēng)能夠多產(chǎn)生11%的電能。?單位體積的空氣，密度大的比密度小的要重，也含有更多的能量。高壓地區(qū)（1020hPa）的空氣密度比低壓地區(qū)（980hPa）的空氣密度大，單位體積重量也大。2第2頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四風(fēng)力發(fā)電原理一臺2MW的風(fēng)電機葉片半徑在40米左右。在普通空氣密度下，溫度10°C，風(fēng)速6米/秒（=21km/h）的情況下，風(fēng)電機的功率是780KW。在這個風(fēng)速下，每秒流經(jīng)風(fēng)電機的空氣是43噸。其中所蘊含的能量相當(dāng)于一輛小型貨車（2.5噸重）開90公里/小時的時候，或者一臺小轎車（700公斤）開170公里/小時的時候的能量。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到18米/秒（=65公里/小時）的時候，每秒流經(jīng)風(fēng)電機的空氣大約是110噸。風(fēng)速增長到3倍，但風(fēng)的功率卻要增長到3的3次方倍，也就是27倍。這個時候風(fēng)的功率大約是21兆瓦。3第3頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能升力型和阻力型風(fēng)力機風(fēng)會對切割它移動方向上的任意面積A形成一個力，這個力就是阻力。阻力型機器利用阻力產(chǎn)生動力。4第4頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四阻力型風(fēng)力機

阻力與下面的參數(shù)成比例關(guān)系：風(fēng)速U的平方切割面積A該面積的阻力系數(shù)CD

空氣密度ρ5第5頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四阻力型風(fēng)力機6第6頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四古波斯的風(fēng)力機7第7頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四阻力型風(fēng)力機1922年，芬蘭工程師S.J.Savonius發(fā)明了Savonious風(fēng)機8第8頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四阻力型風(fēng)力機

風(fēng)杯風(fēng)速儀也是利用阻力原理來實現(xiàn)的。風(fēng)杯風(fēng)速計上風(fēng)杯的CD-值分別是1.33和0.33（迎風(fēng)時和背風(fēng)時）。風(fēng)杯迎風(fēng)時的阻力要比背風(fēng)時的阻力大很多，所以風(fēng)杯風(fēng)速計才會迎風(fēng)旋轉(zhuǎn)。通過阻力定律來運動的轉(zhuǎn)子無法轉(zhuǎn)動的比風(fēng)速更快（增速值小于1），屬于亞風(fēng)速轉(zhuǎn)子。這種轉(zhuǎn)子能量損失較大，功率系數(shù)（流體動力學(xué)上的作用參數(shù)）非常小。（波斯風(fēng)車大概0.17，風(fēng)杯風(fēng)速計大概0.08）9第9頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四升力型風(fēng)力機

水平軸HAWT,丹麥理念上風(fēng)向恒轉(zhuǎn)速風(fēng)輪、失速功率控制、葉尖氣動剎車＋機械剎車10第10頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四升力型風(fēng)力機

垂直軸風(fēng)力機VAWT,達(dá)里厄Darrieus11第11頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四升力型風(fēng)力機

水平軸HAWT,美國多葉片12第12頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四Ref:www.ifb.uni-stuttgart.de/~doerner/edesignphil.html13第13頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四升力型風(fēng)力機根據(jù)伯努利方程，在同一高度上，葉片的底面或者頂面的動態(tài)壓力和靜態(tài)壓力和平衡。由于頂端的空氣流動比底端的快，從而使頂端產(chǎn)生低壓，而底部產(chǎn)生高壓：這就是飛機飛行的原理，也是風(fēng)電機葉片轉(zhuǎn)動的原理。14第14頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四貝茨理論風(fēng)電機葉片無法將風(fēng)能量的100%轉(zhuǎn)化為機械能。風(fēng)電機的轉(zhuǎn)化效率是有極限的。德國物理學(xué)家阿爾伯特貝茨(1885-1968)在1920年計算了風(fēng)電機轉(zhuǎn)化效率的最大可能值，并在1926年公開發(fā)表。理論風(fēng)能利用系數(shù)（Betz極限）

15第15頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四貝茨的假定條件理想風(fēng)輪：無輪轂、無限多葉片、氣流流過風(fēng)輪無阻力；氣流流過風(fēng)輪是均勻的，在風(fēng)輪前后的速度為軸向。空氣是不可壓縮的。16第16頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四基本原理風(fēng)能利用系數(shù)cp:17第17頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四基本原理風(fēng)電機功率:cp

依賴以下因素:尖速比λ:葉片葉尖線速度與風(fēng)速的比值；葉片數(shù)量：2-3片葉片角度：攻角翼型設(shè)計：優(yōu)良的翼型提高效率18第18頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四基本原理

理想Betz效率19第19頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四CP–λ曲線

20第20頁，共21頁，2023年，2月20