水平軸風力機的空氣動力學與風力發(fā)電原理

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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

2、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(nèi) 的 物 質(zhì) 。 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 大 氣 運 動稱 為 風 。 風 是 人 類 最 常 見

3、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(zhuǎn) 動 ， 使 其 整 個 表 面 都 輪 流 經(jīng)

4、 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 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

5、 轉(zhuǎn) ， 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(zhuǎn) 而 被 偏 折 向 西 ， 形 成 了

6、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(zhuǎn) 將 向 南 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

7、 。全 球 性 氣 流 的 模 式 如 圖 1所 示 。 東 北 信 風 東 南 信 風 西 風 西 風 極 區(qū) 東 風 極 區(qū) 東 風 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

8、 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(nèi) 陸 50km多 ； 而 在 熱 帶 地 區(qū)則 可 深 入 內(nèi) 陸 遠 至 200km多 。 海 風 ，陸 風 的 形 成 過 程 如 圖 2所 示 。 海 陸 地 海 風 白 天 陸 風 海 夜 間 陸 地 山 谷 山 風 山 谷 谷 風 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

9、 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 的 風 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 。 海 陸 地 海 風 白 天 陸 風 海 夜 間 陸 地 山 谷 山 風 山 谷 谷 風 圖 3 山 谷 風 形 成 的 原 因 風 向 與 風 速 風 是 一 種 矢 量 ， 它 通

10、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(zhuǎn) 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 向 ， 一 般 采 用 16個 方位 （ 觀 測 海 上 的 風 向 通 常 采 用 32個 方位

11、） ， 即 以 正 北 為 零 ， 順 時 針 每 轉(zhuǎn) 過22.5 為 一 個 方 位 ， 如 圖 4表 示 。 N NNE NNW NW WNW NE NN W E ENE S SSE SSW ESE WSW SW E W SE 圖 4 風 向 的 16個 方 位 風 速 要 用 風 速 儀 測 量 。 它 表 示 單 位 時間 內(nèi) 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

12、 間（ 0.5 1.0s） 內(nèi) 測 得 ,后 者 實 際 上 是某 一 時 間 間 隔 內(nèi) 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 ： 2386.0 BV 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

13、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) 8760， 即 得 到 一

14、 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 地 地 形 對 風 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(nèi) 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

15、 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 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

16、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(nèi) 。 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

17、 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(nèi) ， 風速 是 不 規(guī) 則 的 。 在 低 高 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(nèi) 各 個 時間 的 平 均 。 除 最 下 的 兩 條 曲 線 外 ， 其 他 數(shù)據(jù) 都

18、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(nèi) ， 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

19、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 ： 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

20、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 地 地 形 對 風 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 飛 行器 空 氣 動 力 學 知 識 。

21、風 力 機 是 一 種 從 風 中 吸 取 動 能 的 裝 置 。 通過 動 能 的 轉(zhuǎn) 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

22、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(zhì) 量 流 量 都 相等 。 但 是 因 為 流 管 內(nèi) 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 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

23、 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

24、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 ， 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

25、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 。 1v v2v 1ss2s 風 吹 到 葉 片 上 所 做 的 功 是 將 風 的 動 能 轉(zhuǎn) 化為 葉 片 轉(zhuǎn) 動 的 機 械 能 ， 則 必 有 ， 。2v 1v 2s 1s 圖 12 貝 茨 （ Betz） 理 論 計 算 簡 圖 葉 片

26、 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 1v v2v 1ss 2s1v 1s sv 2s 2v 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 氣 當 時 的 密 度 ， kg/m3； 單 位 時 間 流 過 的 空 氣 質(zhì) 量 ， kg。svvsvs 2211 )( 12 vvsvF sv 風 輪 所 接 受 的 功 率 為 經(jīng) 過 風 輪 葉 片 的 風 的 動 能

27、轉(zhuǎn) 化 式 中 ： 單 位 時 間 流 過 的 空 氣 質(zhì) 量 。)( 122 vvsvFvN )(21 2221 vvsvT TN 2 21 vvv sv 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 )(21 2221 vvsF )(41 212221 vvvvsN 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1v N 2vN )3v-v2v-(41 2221212 vsdvdN 12 31vv 2v 求 Nmax得 令 =

28、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 3131max 271621278 svsvN 2716 pC 31max 21 svCN p 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 對 風 輪葉 片 做 功 的 最 高 效 率 是 59.3%。121 sv 1v TCN pmaxpC 風 輪 圓 盤 理 論 將 吸 收 能 量 轉(zhuǎn) 化 為

29、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(zhuǎn) 。 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

30、， 在 旋 轉(zhuǎn) 方 向 的 轉(zhuǎn) 矩 可 以 被 收 集起 來 。 發(fā) 電 機 對 旋 轉(zhuǎn) 速 度 恒 定 的 氣 流 施 加 一 個 大小 相 等 、 方 向 相 反 的 轉(zhuǎn) 矩 ， 該 轉(zhuǎn) 矩 對 發(fā) 電機 做 功 并 轉(zhuǎn) 化 為 電 能 。 旋 渦 理 論 風 輪 旋 轉(zhuǎn) 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 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

31、 經(jīng) 旋 轉(zhuǎn) 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

32、 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 力來 提 供 ， 這 種 力 是 由 關 聯(lián) 尾 流 旋 轉(zhuǎn) 速 度 的壓 力 降 引 起 的 。 由 于 在 接 近 圓 盤 的 地 方 無 旋 轉(zhuǎn) 氣 流 ， 就 像引 起 軸 向 動 量 變 化 一 樣 ， 由 旋 轉(zhuǎn) 尾 流 導 致的 圓 盤 順

33、 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(zhuǎn) ， 所 以 旋 轉(zhuǎn) 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

34、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 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

35、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(zhuǎn) ， 從 風中 獲 得 能 量 。 造 成 風 輪 轉(zhuǎn) 動

36、 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 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(zhuǎn) 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(zhuǎn) 變 成 物 體

37、 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 。 321 VACP P PCAV 風 能 利 用 系 數(shù) 風 力 機 能 夠 從 自 然 風 中 得 到 的 能 量 百 分 比 ，

38、 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 ， m 2 ； 空 氣 密 度 ,kg/m3 ； 風 速 ,m/s 。P AVPCP 321 AV 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) ） ，

39、 簡 稱 尖 速 比 ,表 示 為 ： 式 中 ： 旋 轉(zhuǎn) 角 速 度 ， rad/s； R 風 輪 的 半 徑 ， m； n 風 輪 轉(zhuǎn) 速 ， r/min; V 風 速 ， m/s。 VnRVR 602 風 力 發(fā) 電 機 的 轉(zhuǎn) 矩 系 數(shù) 風 力 發(fā) 電 機 通 過 葉 片 捕 獲 風 能 ， 將 風 能 轉(zhuǎn)換 為 作 用 在 輪 轂 上 的 機 械 轉(zhuǎn) 矩 ， 風 輪 的 功率 也 可 以 用 風 輪 的 轉(zhuǎn) 矩 與 其 旋 轉(zhuǎn) 角 速 度 的乘 積 來 表 示 ， 即 MP 風 力 機 風 輪 從 風 中 吸 收 的 功 率 ： 式 中 ： -風 能 利 用 系 數(shù) ； -風 輪

40、掃 掠 過 的 面 積 ， m2 ； -空 氣 密 度 ,kg/m3； -風 速 ,m/s 。 321 VACP P PCAV 將 上 述 兩 式 聯(lián) 立 得 ： ；另 設 轉(zhuǎn) 矩 系 數(shù) ；則 ： 。 MP CVRVAR MC 22 22 VAR MCMV RVAR MCP 22 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

41、 時 ， Cl也 成 曲 線 形 ， Cl通 過 一 最 低 點Clmin。 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

42、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 。 dl cc /tan tan 風 力 機 風 輪 的 氣 動 設 計 把 風 能 轉(zhuǎn) 化 成 機 械 化 能

43、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(zhuǎn) 變 成 機 械 能 的 ， 必 須 懂 得 有 關 翼 型 的 空氣 動 力 學 知 識 。 lA N Mi 圖 22 葉 片 的 剖 面 形 狀V BV 翼 型 的 尖 尾

44、 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 。li 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 23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

45、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) 。 221 SVCF r rCS 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 LFdF 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dF 221 SV

46、CF LL 221 SVCF dd LFLC dC 222 dL FFF 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 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(zhuǎn) 運 動 的 軸 線 。 旋 轉(zhuǎn) 平 面 ： 與 風 輪 軸 垂 直 ， 葉 片 在 其 旋 轉(zhuǎn)的 平 面 。 風 輪 直 徑 ：

47、 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(zhuǎn) 平 面 的 偏 轉(zhuǎn) 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(zhuǎn) 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

48、， 其 長 度 為 ， 弦 長 為 ， 安 裝 角 為 。這 個 葉 素 在 旋 轉(zhuǎn) 平 面 內(nèi) 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 為 ， 如 圖 29所 示 。I是 和 風 輪 旋 轉(zhuǎn) 平 面 的 夾 角 ， 稱 為 傾 角 。rdr l v rN2V 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

49、 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(gòu) 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(diào) 節(jié) 器 、功 率 控 制 器 （ 轉(zhuǎn) 矩 控 制 器 ） 。 系 統(tǒng) 構(gòu) 成 如圖 30所 示 。 圖 30 變 速 變 距

50、風 電 機 組 控 制 系 統(tǒng) 構(gòu) 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(diào) 節(jié) 器 和功 率 控 制 器 之 間 進 行 協(xié) 調(diào) 控 制 。 槳 距 調(diào) 節(jié) 器 主 要 完 成 葉 片 節(jié) 距 調(diào) 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(zhì) 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(diào) 節(jié) 發(fā) 電 機 、 葉 輪 轉(zhuǎn) 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(gòu) ， 最 大恒 功 率 輸 出 。 小 范 圍 內(nèi) 的 抑 制 功 率 波 動 ， 由 功 率 控 制 器驅(qū) 動 變 流 器 完 成 ， 大 范 圍 內(nèi) 的 超 功 率 由 變槳 距 控 制 完 成 。