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第三节风力机的基本参数与基本理论

教学

课题

风力机的基本参数与基本理论

课题

类型

新授

课时

安排

上课

时间

2013年3月28日

教

学

目

标

1.理解并掌握风力机的基本理论；

2.理解并掌握风力机的性能参数。

教学

重点

风力机的性能参数

教学

难点

风力机的基本理论

辅助

资源

复习引入

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手段

教学过程

师生互动

活动设计

一、贝兹理论

第一个关于风轮的完整理论是山哥廷根研究所的A·贝茨建立的。

贝兹理论是应用一元定常流动的动量方程，来讨论理想状态下的风力发电机的最大风能利用系数。贝兹理论的假设条件如下：

⑴风轮流动模型可简化成一个单元流管；

⑵风轮没有锥角、倾角和偏角，这时风轮可简化成一个平面桨盘, ；

⑶风轮叶片旋转时没有摩擦阻力；对通过风轮的气流没有阻力。

⑷风轮前未受扰动的气流静压和风轮后的气流静压相等，即P1=P2 ，气流速度的方向无论在风轮前后还是通过时都是沿着风轮轴线的；

⑸作用在风轮上的推力是均匀的。

二、风力机性能参数

1.风轮直径与扫掠面积

风轮直径是风轮旋转时的外圆直径，用D表示。风轮直径大小决定了风轮扫掠面积的大小以及叶片的长度，是影响机组容量大小和机组性价比的主要因素之一。

风轮从自然风中获取的功率为：

式中 P—风力发电机组设计（额定）风况输出电功率（kW）

ρ—空气密度，一般取标准大气状态；（kg/m3）

V1—设计风速（风轮中心高度）（m / s）

D—风轮直径（m）

Cp— 风能利用系数。在计算时，一般应取额定风速下的Cp值。

风轮直径增加，其扫掠面积成平方增加，其获取的风功率也相应增加。早起的风电机组直径很小，额定功率也相对较低，大型兆瓦机组的风轮直径在70-80米范围。

2.轮毂高度

风轮高度是指风轮轮毂中心离地面的高度，也是风电机组设计时要考虑的一个重要参数，由于风剪切特性，离地面越高，风速越大，具有的风能也越大，因此，大型风电机组的发展趋势是轮毂高度越来越高。但是轮毂高度增加，所需塔架的高度也相应增加。当塔架高度达到一定水平时，设计、制造、运输和安装等方面都将产生新的问题，也导致风电机组成本的相应增加。

3.风轮转速、叶尖速比

风轮叶片尖端线速度与风速之比称为叶尖速比。下图是一个风力机的叶轮，u是旋转的风力机风轮外径切线速度，，v是风进叶轮前的速度，叶尖速比

其中，R是风轮的最大旋转半径，或叶尖半径，单位m；

为风轮角速度，单位rad/s

V为风速，单位m/s

尖速比是风力发电机组的一个重要设计参数，通常在风力发电机组总体设计时提出。首先，尖速比与风轮效率是密切相关的，只要风力发电机没有超速，运转处于较高尖速比状态下的风力发电机，风轮就具有较高的效率。对于特定的风轮，其尖速比不是随意而定的，它是根据风力发电机组的类型、叶尖的形状和电机传动系统的参数来确定的。不同的尖速比意味所选用或设计的风轮实度具有不同的数值。设计要求的尖速比，是指在此尖速比上，所有的空气动力学参数接近于它们的最佳值，以及风轮效率达到最大值。

在同样直径下，高速风力发电机组比低速风力发电机组成本要低，由阵风引起的动负载影响亦要小一些。另外，高速风力发电机组运行时的轴向推力比静止时大。高速风力发电机组的起动转矩小，起动风速大，因此要求选择最佳的弦长和扭角分布。如果采用变桨距的风轮叶片，那么在风轮起动时，变距角要调节到较大值，随着风轮转速的增加逐渐减小。当确定了风力发电机组尖速比范围之后，要根据风轮设计风速和发电机转速来选择齿轮箱传动比，最后进行尖速比的计算，确定其设计参数。

4.叶片数

一般风轮叶片数取决于风轮的尖速比。目前用于风力发电一般属于高速风力发电机组，即＝4～7 左右，叶片数一般取 2～3。用于风力提水的风力机一般属于低速风力机，叶片数较多。叶片数多的风力机在低尖速比运行时有较低的风能利用系数，即有较大的转矩，而且起动风速亦低，因此适用于提水。而叶片数少的风力发电机组的高尖速比运行时有较高的风能利用系数，且起动风速较高。另外，叶片数目确定应与实度一起考虑，既要考虑风能利用系数，也要考虑起动性能，总之要达到最多的发电量为目标。由于三叶片的风力发电机的运行和输出功率较平稳，目前风力发电机采用三叶片的较多。

5.实度

风力机叶片的总面积与风通过风轮的面积（风轮扫掠面积）之比称为实度比（容积比），是风力机的一个参考数据。

左图为水平轴风力机叶轮，S为每个叶片对风的投影面积，B为叶片个数，R为风轮半径，为实度，

右图为升力型垂直轴风力机叶轮，C为叶片弦长，B为叶片个数，R为风轮半径，L为叶片长度。垂直轴风力机叶轮的扫掠面积为直径与叶片长度的乘积，为实度

实度是和尖速比密切相关的另一个重要设计参数。对风力提水机，因为需要转矩大，因此风轮实度取得大；对风力发电机，因为要求转速高，因此风轮实度取得小。自起动风力发电机组的实度是由预定的起动风速来决定的，起动风速小，要求实度大。通常风力发电机组实度大致在5%~20%这一范围。

实度的大小的确定要考虑以下两个重要因素：一是风轮的力矩特性，特别是起动力矩，二是风轮的转动惯用量及电机传动系统特性决定。

6.额定风速、切入风速和切出风速

额定风速是指风电机组达到额定功率时对应的风速，额定风速的大小直接影响到机组的总体构成和成本，额定风速取决于风电机组所在区域的风能资源分布，需要事先掌握平均风速及其出现的频率。可以参照风速条件，按一定的原则评估确定风速。

切入风速指风电机组开始并网发电的最低风速，决定了机组在低风速条件下的性能。

切出风速则主要用于极端风速条件下对机组进行停机保护。当风速达到切出风速时，机组将实施制动停机。

7.翼型及其升阻比

翼型的选取对风力发电机组的效率十分重要。风在叶片翼型上产生的升力与阻力之比称为翼型的升阻比，用L/D表示，即

式中，是升力系数；是阻力系数。

翼型的升力/阻力比（L/D）值愈高，则风力发电机组的效率愈高。

在攻角到达临界值之前，升力随攻角的增加而增加，阻力随仰角的增加而减小。当攻角增加到某一临界值时，升力突然减小而阻力急剧增加，此时风轮叶片突然丧失支撑力，这种现象称为失速。

风力机种类	叶片剖面翼型	尖速比（）	升阻比（L/D）
风力抽水机	平板型曲板型风帆型	1	10 20～40 10～25
微、小型风力发电机	普通翼型风帆型扭曲型	3～4 3～4 5～7	20～50 10～40 30～80
中、大型风力发电机	扭曲型	5～15	50～100