風(fēng)力發(fā)電原理課件：風(fēng)力發(fā)電的基本原理-

風(fēng)力發(fā)電的基本原理【本章教學(xué)目標(biāo)】熟悉大氣環(huán)流、季風(fēng)環(huán)流，掌握我國季風(fēng)環(huán)流的形成，熟悉海陸風(fēng)、山谷風(fēng)的形成，了解風(fēng)級；掌握測風(fēng)系統(tǒng)組成、風(fēng)速和風(fēng)向測量方法；理解風(fēng)能的特點(diǎn)，熟悉中國風(fēng)能資源分布特點(diǎn)，掌握風(fēng)能豐富區(qū)分布；理解風(fēng)特性，掌握平均風(fēng)速和風(fēng)向、湍流度；了解風(fēng)速隨時(shí)間變化規(guī)律，掌握風(fēng)速隨高度變化規(guī)律；掌握風(fēng)能公式。3.1工作原理風(fēng)能資源決定于風(fēng)能密度和可利用的風(fēng)能年累積小時(shí)數(shù)。風(fēng)能密度是單位迎風(fēng)面積可獲得的風(fēng)的功率，與風(fēng)速的三次方和空氣密度成正比關(guān)系。風(fēng)能作為一種無污染和可再生的新能源有著巨大的發(fā)展?jié)摿Γ貏e是對沿海島嶼，交通不便的邊遠(yuǎn)山區(qū)，地廣人稀的草原牧場，以及遠(yuǎn)離電網(wǎng)和近期內(nèi)電網(wǎng)還難以達(dá)到的農(nóng)村、邊疆，作為解決生產(chǎn)和生活能源的一種可靠途徑，有著十分重要的意義。圖3.1大型風(fēng)電場圖3.2現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本組成3.1.1風(fēng)輪

風(fēng)輪是把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的重要部件，它由兩只(或更多只)螺旋槳形的風(fēng)輪組成。當(dāng)風(fēng)吹向葉片時(shí)，葉片上產(chǎn)生氣動(dòng)力驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。葉片的材料要求強(qiáng)度高、重量輕，目前多用玻璃鋼或其它復(fù)合材料(如碳纖維)來制造。3.1.2發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)是把由風(fēng)輪得到的恒定轉(zhuǎn)速，通過升速傳遞給發(fā)電機(jī)均勻運(yùn)轉(zhuǎn)，把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?.1.3塔架

塔架是支承風(fēng)輪、尾翼和發(fā)電機(jī)的構(gòu)架。3.2風(fēng)力發(fā)電基本理論3.2.1貝茨（Betz）理論世界上第一個(gè)關(guān)于風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪葉片接受風(fēng)能的完整的理論，是1919年由德國的A·貝茨（Betz）建立的。貝茨理論的建立，是假定風(fēng)輪是“理想”的?！袄硐腼L(fēng)輪”是指風(fēng)輪全部接受風(fēng)能，假設(shè)沒有輪轂，葉片無限多，氣流通過風(fēng)輪時(shí)沒有阻力，空氣流是連續(xù)的，均勻的，不可壓縮的，氣流速度的方向不論在葉片前或流經(jīng)葉片后都是垂直葉片掃掠面的（或稱平行風(fēng)輪軸線的），具體條件如下：(1)風(fēng)輪沒有錐角、傾角和偏角，全部接受風(fēng)能(沒有輪轂)，葉片無限多，對空氣流沒有阻力；(2)風(fēng)輪葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)沒有摩擦阻力；風(fēng)輪前未受擾動(dòng)的氣流靜壓和風(fēng)輪后的流靜壓相等，即

；(3)風(fēng)輪流動(dòng)模型可簡化成一個(gè)單元流管，如圖3.3所示；(4)作用在風(fēng)輪上的推力是均勻的。圖3.3貝茨理論簡圖圖3.4風(fēng)輪的葉素3.2.2葉素理論1889年，RichardFroude提出葉素理論。葉素理論是從葉素附近流動(dòng)來分析葉片上的受力和功能交換。圖3.5葉剖面和氣流角、受力關(guān)系3.2.3渦流理論另一種計(jì)算風(fēng)輪氣動(dòng)性能的理論就是渦流理論。渦流理論的優(yōu)點(diǎn)在于考慮通過風(fēng)輪的氣流誘導(dǎo)轉(zhuǎn)動(dòng)。風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)工作時(shí)，流場并不是簡單的一維定常流動(dòng)，而是一個(gè)三維流場，見圖3.6所示。理論考慮風(fēng)輪后渦流流動(dòng)，并假定：①忽略葉片翼型阻力和葉梢損失的影響；②忽略有限葉片數(shù)對氣流的周期性影響；③葉片各個(gè)徑向環(huán)斷面之間相互獨(dú)立。圖3.6風(fēng)輪渦流示意圖圖3.8a）風(fēng)能利用系數(shù)特性圖3.8b）無因次扭矩特性3.2.3動(dòng)量理論

動(dòng)量理論是WilliamR