ch5 风力发电机组基础理论

1第五章风能和风力发电机组基础理论2第一节风向、风速和风的特性空气团运动速度的方向称为风向。风向可由风向标（一种围绕立轴旋转的金属片）等仪器指示出来。一风向空气永远不会静止，总是运动着的。空气流动的结果就是风。风由风向和风速确定。风杯式风速表和风向标机场用风袋3风向总是沿一条中间轴线波动。利用各个地方每日的记录，可画出一幅极线图，显示出各种风向发生时间的百分比（数字沿半径线标出）。径向矢量的长度要与该方向的平均风速成正比。这种图称为风玫瑰，既可画成一天中每个小时的，又可画成逐月的。分析比较一系列这样的图，就可以掌握一天或一年中风向的变化。北南西东10.4640.94二风速的测量1旋转式风速表风杯式风速表，由四个风杯与短轴连接组成的转子在球轴承上旋转。风速达到1～2m/s时，风杯式风速表就可以启动。风速由10m/s突然变到20m/s时，风速表记录到19m/s值的响应时间大约是1.3s。旋桨式风速表，叶片旋转平面始终对准风的来向。可保持其转速与风速间相当好的线性关系。52压力风速表D静压总压0.3D0.1D3D8～10D总压孔静压孔毕托管三孔测速管——平面测速2012pvp02()ppv五孔测速管——三维测速p2p3p1βp,v2112ppv在圆柱面上，2sinvvβ=45º22231(14sin45)2ppppv12()/vpp63热线风速仪温度增加，电阻增加。恒流式电流不变，置于气流中时，热线温度下降，电阻降低，且电阻与风速一一对应。恒温（恒电阻）式热线温度不变，置于气流中时，热线散热，要保证温度不变，需加大电流。电流与风速一一对应。7三风速等级由弗朗西斯.蒲福（FrancisBeaufort）制定，最近修订。风力等级风速风力强弱海面浪高(一般/最高)/m路上地面物征象/(km/h)/(m/s)01.00~0.2无风平静-无风平静；炊烟直上11~50.3~1.4软风-炊烟颤动；风标没有转动26~111.7~3.1轻风0.15/0.30人面感觉有风；树叶摇动；风标开始转动312~193.3~5.3微风0.60/1.00树叶及细枝不停摇动；旗子飘动420~285.6~7.8和风1.00/1.50沙土、纸盒、树叶被风吹起；细数干开始摇动529~388.0~10.6轻劲风1.80/2.50有树叶的小树开始摆动639~4910.8~13.6强风3.00/4.00大树干开始摇动；风使电线杆上的电线发出啸声750~6113.9~16.9疾风4.00/6.00整个大树被吹动；迎风行走吃力862~7417.2~20.6大风5.50/7.50细枝及细树干被吹断；迎风行走感觉很困难975~8820.8~24.2烈风7.00/9.75轻微结构受损；简易屋顶被吹走1089~10224.7~28.3狂风9.00/12.50树连根拔起；房屋结构受到严重破坏，陆上很少发生11103~11728.6~32.5暴风11.30/16.00路上少见；如有，则产生广泛破坏12118~13332.8~36.9飓风13.70通常发生在海洋上，路上绝少见，摧毁力极大13134~14937.2~41.414150~16641.7~46.115167~18346.4~50.816184~20151.1~55.817202~22056.1~61.18四大气环流大气环流主要是由两种自然现象引起：太阳辐射，地球自转。1太阳辐射赤道附近比两级地区热。2地球自转接近地面的冷空气由于惯性要偏向西方，而大气层上部的暖空气却要偏向东风。这引起北半球围绕低压区的反时针方向环流和南半球顺时针方向的环流。实际情况比较复杂。916000m7500m北极极圈南极极圈亚热带高压带赤道（低压）亚热带高压带极地东风风暴极峰西风信风东北东南信风西风风暴极峰极地东风60º30º0º30º60º赤道无风带大气层径向界面显示径向环流10五风的变化特性1日变化白天陆地温度比海洋升高得快，在沿海地区空气从海面吹来替补，形成为海风；夜间形成陆风。通常白天风大，夜间风小。2季变化地球表面高压区和低压区随季节移动，风速和风向在一年内总要变化。每年低压和高压区相对于太阳的位置会重复，因而观察到的周期变化与风特性的变化相似。113风切变在垂直于风向的平面内，风速随高度的变化。在大气边界层内，风速随高度的增加而增加，其分布曲线称为风速廓线。00()nvHvH0v——距地面H0(m)处的平均风速2000.04ln0.003(ln)0.24nzz0z——表面粗糙度一般H0取为10m，n的取值在0.1～0.4范围内。H和H0不应看作距土地表面的高度，而是距零风速平面的高度。地面类型z0/mn光滑（水面、沙、雪）略为粗糙（矮草、农作物、乡村地区）粗糙（树林、城市郊区）非常粗糙（城市、高大建筑）0.001～0.020.02～0.300.30～22～100.10～0.130.13～0.200.20～0.270.27～0.40124地形与障碍物对风能的影响（1）障碍物的影响各种障碍物极大地影响着风速廓线。有些地形对开发风能很有利，另一些则必须回避，因为会导致相当大的湍流或阻遏。风通过树、房屋等障碍物时，在其后缘产生很强的涡流。涡流扰流区的最大高度约为障碍物高度zH的2倍。当风力机叶片扫风最低点所处的高度是3zH时，障碍物高度对风力机的影响可以忽略。13（2）地形的影响山脊：比周围地区高出100～600m的很小的小山。坡度适宜又平行于海岸的山脊，尤其是当它们与盛行风向垂直而且表面裸露时，对开发风能十分有利。风越过山顶及其附近地区，会在很低的高度上有规律地加速。对于长而平缓的山脊，山顶处的风速可以相对增加40%、60%甚至80%。最合适的坡度为10º～22º。14六风的种类1阵风在离地面约1500m的高空，空气流动速度几乎不变，称为自由大气空气。在离地面1000～1500m的空气，尤其是接近地面的空气层，流动速度时大时小，称为阵风。阵风的表示：（1）发生阵风的时间（2）阵风系数GmaxmvGv最大风速平均风速152海陆风在海滨地区，白天风从海上吹向陆地，称为海风；晚上风从陆地吹向海上，称为陆风。两者合称为海陆风。特点：（1）海风比陆风强，海风速度最大可达5～6m/s，陆风一般只有1～2m/s。（2）范围小。水平范围内，在温带海风深入大陆约为15～50km；热带最大不超过100km。陆风浸入海上最远20～30km。对于垂直厚度，温带海风的垂直厚度约为几百米，热带也只有1～2km；最强的陆风厚度只有200～300m。16白天谷风夜晚山风3山谷风2~4m/s，有时可达7～10m/s174焚风当气流跨越山脊时，背风面上容易发生一种热而干燥的风，叫焚风。现象：山岭一侧是高气压，另一侧是低气压时，空气会从高压区向低压区移动。空气在移动途中遇山受阻，被迫上升，气压降低，空气膨胀，温度降低。空气每上升100m，气温下降0.6ºC。当空气上升到一定高度时，水汽遇冷凝结，形成雨雪落下。空气到达山脊附近后变得稀薄干燥，然后翻过山脊，顺坡下降，空气又变得紧密并出现增温现象。空气没下降100m，气温就会升高1ºC，空气沉降到山麓时，气温会大幅度升高。背风山坡刮炎热干燥的焚风时，迎风山坡常下雨或落雪。185干热风每年初夏，我国内陆地区气候炎热，雨水稀少，增温强烈，形成大陆热低压。在这个热低压周围，气压梯度随着气团温度的增加而加大，干热的气流就围着热低压旋转起来，形成一股又干又热的风。6旋风某地方温度较高，气流上升，气压降低，周围温度降低，密度较大，加上受热的空气从空中落下来，气压显著加大。这样空气就从四周气压高的地方想中心气压低的地方流来。同时地球在自转，空气中流动过程中逐渐偏离，使四周的冷空气围绕着低压区旋转起来。7龙卷风地面高温空气猛烈上升，高空低温空气急速下降，遇到很大的水平方向的风时产生涡旋，由小到大增强。19第二节风能和风能密度密度为ρ、速度为v、在时间t内垂直流过截面F的空气具有的风能E为一风能Fv2223m11112222EmvqtvFvtvFtv风能功率：单位时间内垂直流过截面F的空气拥有的做功能力312WFv（J）（W）20风能密度：流动空气在单位时间内垂直流过单位截面的风能二风能密度312wv（W/m2）平均风能密度：在T这一较长时间段内，将上式对时间积分后平均3011d2TwvTT一般30d2TwvTT（ρ为常数）21直接利用观测资料计算：在T这一较长时间段内，将上式对时间积分后平均32iinwvN时间数或E/(kW.h/m2/年)v/(m/s)012345678922理论可用风能：最理想的转化率CP（风力机的功率系数）与风能的乘积PP0dTECwTCwT一年内的可用风能为(kW.h/m2)三有效可用风能风由微风增加到“起动风速”vm时，风力机才开始做功。风速继续增加，风力机开始对外界输出功率，达到“额定风速”vN时，风力机输出额定功率。高于这个风速，由于调节系统控制，功率不变。风速达到“停机风速”vM，为保证机组的安全，超过这个风速必须停机，风力机不再输出功率。23t1t2t3vNvmvMt1t2t32m12v2N12v2M12v面积与风力机的效率的乘积为真正可用的风能平均有效风能密度：一年中有效风速vm～vN范围内的风能平均密度ew24我国有效风能功率密度25第三节风力发电机组种类与特征一风力发电机组分类以流体力学区分升力型阻力型以形状区分水平轴式垂直轴式以用途区分发电用驱动机械用以速度区分恒速式变速式26水平轴风力发电机组：风轮转轴与风向平行的风力发电机组。需要风轮始终保持面向风吹来的方向。上风向风力发电机组：水平轴风力发电机组的风轮在塔架的前面迎风旋转。可通过迎风控制装置的调节，使风轮时刻保持面向来风方向。下风向风力发电机组：水平轴风力发电机组的风轮在塔架的后面旋转。旋转面会自动产生面向风向的作用力，不需要迎风控制装置。1水平轴式和垂直轴式垂直轴风力发电机组：风轮转轴与风向成直角。对于任何方向的来风都可以旋转，不需要迎风转向装置。2728垂直轴式29水平轴式风机目前，水平轴三只桨叶的风电机组在大型风电机组种类中占主流。30第四节风力发电机组转动原理一升力与阻力升力：垂直于来流方向的作用力2LL2UFCA2DD2UFCAA——垂直于流动方向的面积阻力：平行于来流方向的作用力LL212FCUADD212FCUACD和CL与物体形状、攻角、Re等有关UFLFFDα攻角升力系数阻力系数升阻比：升力与阻力的比FL/FD(静止时)31翼型攻角α/(º)升力系数升阻比平板50.810曲面板(曲率10%)31.2550NACA441240.8120二升力型风力机希望作用在风力机叶片上的升力要大，而阻力应尽可能要小。螺旋桨型风力机采用的流线型叶片翼型，升阻比可达100以上。32三阻力型风力机萨沃纽斯型：将圆筒从中间纵向切开，把切开后形成的两个半圆筒相对，并在中心处拉开一段距离。UFD(凹)FD(凸)旋转凹面与凸面阻力系数不同，风力机会按一定方向旋转。物体形状阻力系数Re圆柱1.2103～105角柱2.0104凹半圆筒2.3104凸半圆筒1.2104椭圆柱0.6103～105凹半球1.33104凸半球0.3410433第五节风力发电机组的性能评价一功率系数单位时间内风轮从风中获得的能量为P，则功率系数为P312PCAU二力矩系数使风轮旋转的转矩（旋转力），称为力矩Q(N·m)，CQ称为力矩系数Q212QCAUR风轮半径34三推力系数风向后推叶轮的力称为推力T(N)，CT称为推力系数T212TCAU四叶尖速度比（尖速比）叶片尖端的速度（圆周速度）VR(m/s)与风速U之比λ称为叶尖速度比R2VRnUU螺旋桨型升力型风电机组的尖速比一般在3～10之间，而对于阻力型风力发电机组，一般λ≤135四实度风轮叶片的投影面积所占风轮面积的比例称为实度比2BSRB——叶片个数；S——叶片对风投影面积一般来说