水平轴风力机的空气动力学与风力发电原理.ppt

风能利用基础,风能是一种取之不尽、用之不竭、对大气无污染、不破坏生态平衡的自然资源。矿物能源是目前人类社会的主体能源，为人类的文明、进步做出了巨大贡献。但是，矿物能源总是有限的，是不可再生的能源。,可以预见，人类在利用矿物能源、推进现代文明的同时，将面临能源与资源枯竭、污染环境、破坏生态平衡等一系列问题。大规模开发利用风能、太阳能等清洁、可再生能源，是人类社会保持长久繁荣和永续发展的重大课题。,风的形成,风是跟地面大致平行的空气流动，是由于气压分布不均匀产生的。大气是存在于地球周围，包围着地球，自地球表面以上直至数万米范围内的物质。,在气象学上，一般把垂直方向的大气运动称为气流，水平方向的大气运动称为风。风是人类最常见的自然现象之一，它们由太阳的热辐射而引起的“空气流动”，所以风能是太阳能的一种表现形式。,太阳对地球表面不均衡地加热，造成了大气层中温度差。有温度差就会产生压力差，压力差就使大气运动形成风。当太阳加热地球一面的空气、水面和大地时，地球的另一面通过向宇宙空间的热辐射而冷却，地球每日不停地转动，使其整个表面都轮流经历这种加热和散热的周期变化。,由于地球表面轴线相对于太阳的倾斜角度有着季节性的变化，从而造成了地球表面加热能量日常分布的季节性变化。,在赤道附近，地球所吸收的太阳能要比两极附近多得多，较轻的热空气在赤道附近上升，并向两极流动；而较重的冷空气作为替代，从两极移向赤道。这就是大气环流运动。,在北半球，地球自西向东的自转，使向北流动的空气折而朝东，使向南流动的空气折而朝西。当向北流动的空气到达北纬30时，它几乎已经折向正东了，因为这种风是从西边吹来的，故称之为“盛行西风”。,空气倾向于在北纬30偏北一点位置上积累起来，造成了这一带地区的高压带和温和的气候，从这个高压地区，一些空气向南流动，并由于地球的自转而被偏折向西，形成了全世界海员所称呼的那种“信风”。,信风指在赤道两边的低层大气中，北半球吹东北风，南半球吹东南风，这种风的方向很少改变，也叫做“贸易风”。类似的效应导致了在纬度高于50地区的“极区东风”。,在赤道的南方，地球的自转将向南流动的空气折向朝东，而向北流动的空气折向朝西，故在南半球也有类似的盛行西风、信风和极区东风的情况。全球性气流的模式如图1所示。,图1 地球大气环流,由于陆地的比热比海洋小，所以白天陆地上的气温比海面上的空气温度上升得更快，这样，陆地上较热的空气就膨胀上升，而海面上较冷的空气便流向陆地，以补充上升的热空气，这种吹向陆地的风称为“海风”。,在夜间，其风向恰恰相反，因为陆地比海洋冷却得更快，所以陆地上的冷空气流向海面以补充上升的热空气，这种从陆地吹向海洋的风，称之为“陆风”。它在中纬度地区可以从海洋线深入内陆50km多；而在热带地区则可深入内陆远至200km多。海风，陆风的形成过程如图2所示。,图2 海陆风形成的原因,在多山地区也会出现类似的地方性风。白天因为山顶比山谷热得早，所以山顶上的空气变轻上升，山谷里冷而重的空气就沿着山坡流向山顶以补充上升，这种由山谷吹向山顶的风称为“山谷风”。夜间则发生相反的过程，亦即风从山顶吹向山谷。山谷风的形成过程如图3所示。,图3 山谷风形成的原因,风向与风速,风是一种矢量，它通常用风向与风速这两个要素来表示。,风向,风向是由风吹来的方向确定。如果风是从西边吹来的，则称为西风。风向可以由风向标给出，从风向标相对于罗盘方位固定臂的位置，可很容易地看出风的方向。风向必须转动灵活，且要水平安装在四周空旷的地区，通常高出地面10m。,观测陆地上的风向，一般采用16个方位（观测海上的风向通常采用32个方位），即以正北为零，顺时针每转过22.5为一个方位，如图4表示。,图4 风向的16个方位,N北 E东 S南 W西 NE东北 SE东南 SW西南 NW西北 NNE东北偏北 ENE东北偏东 ESE东南偏东 SSE东南偏南 SSW西南偏南 WSW西南偏西 NW西北偏西 NNW西北偏北,风速要用风速仪测量。它表示单位时间内流过的距离，单位是m/s或km/h。由于风速大小变化时而平缓，时而剧烈，于是在实用中就有瞬时风速与平均风速这两个概念。,前者可以用风速仪在极短时间（0.51.0s）内测得,后者实际上是某一时间间隔内各瞬时风速的平均值,因此就有日平均风速、月平均风速、年平均风速等。国际上把风力等级分为12级。风力等级B与风速V（m/s）的关系为：,风速在一天之中都在发生变化。地面上一般是夜间风弱，白天风强；高空却是夜间风强，白天风弱。海拔较高的山顶是白天风弱，夜间风强；沿海地带是白天风强，夜间风弱。,风速在一年四季都在发生变化。一年之中由于地球表面高压区、低压区的变动，风的速度与方向也在发生变化。一般来说，夏季的平均风速要比其它季节平均风速低。,风速频率，又称风速的重复性，它是指一个月或一年的周期中发生相同的时数，占这段时间总时数的百分比。将风速频率乘以全年小时数8760，即得到一年中某一风速的小时数。,风特性,自然界的风是很复杂的，对风能开发利用有直接影响。 风能随时间变化 风能随高度变化 区域和当地地形对风能的影响,风能随时间变化,每个地方的风特性可用风玫瑰图表示。图5表示某气象站测得的风玫瑰图。在这个图上，每根直线的长度表示在一年内这个方向的风的时间百分数(风向指向圆心)，每个圆或圆弧表示的时间为总时间的5%。在每根直线的端点的数字表示这个方向风速的平均值。,图5 风玫瑰图,例如，西北方向的风，全年占11%，平均风速为6.7米/秒。南风，全年占15%，平均风速为5.7米/秒。所有的直线的总长度为100%。,图6为能量玫瑰图。这个图是从16个方向的风速立方之后分别取的平均值。图6的能量玫瑰图对应于图5的风玫瑰图。每根直线的长度代表那个方向的风能百分数。所有的直线的总长度为100%。值得注意的是：风玫瑰图不同于风能玫瑰图。如西北方向的风占全年时间的11%，但平均风能为21%。,图6 能量密度玫瑰,风能随高度变化,在地球表面1006000米的范围内。风速一般随高度增加而增大。气象学家把这个范围做大气边界层。把风速随高度变化的图形叫风速剖面。在风速剖面上，风速变化很小，只受最大的地形影响，如山的影响。,图7 三个高度的风速时间曲线,图7表示在15、30和100m的平面上空风速变化。此图表明：在一个很短时间内，风速是不规则的。在低高度的瞬时风速大于较高高度的风速也是常见的。,图8 不同高度的速度时间曲线,图8表示在十个不同高度上一天以内各个时间的平均。除最下的两条曲线外，其他数据都是用气球测得的。在不同高度上，平均值变化最大的时间是在白天。在一天以内，平均风速随高度增加。,在图8每条曲线上，计算出平均值，并以高度作纵坐标，可以得到图9的平均风速分布，即该地的风速剖面。利用这条曲线，可以找到600m和1100m高度的风速。这两个高度在图上用箭头表示，顺着箭头向下看，找到相应的橫坐标得到的风速分别是7m /s和8m /s。知道风速剖面之后，有助于选取风力机的最佳高度。,图9 风速剖面,风速剖面的形状与三个因素有关： A.地面是否平坦； B.空气流过地表面时摩擦力的大小。例如，城市，乡村和海洋的地面摩擦力不同，因此风速剖面也不同(图10)。 C.气流流经路线的温差以及通过大气的温度。,图10 地表上高度与风速的关系,大都市中心地带 有森林覆盖的乡镇、 平原、沿海 城市郊区 地带,地面高度（m）,区域和当地地形对风能的影响,我国幅员辽阔，地形十分复杂。局部地形对风能有很大影响。这种影响在总的风能资源图上显示不出来，需要根据具体情况进行补充测量和分析。,水平轴风力机空气动力学,为了学习风力机相关的空气动力学知识，需要先了解一些流体动力学，特别是飞行器空气动力学知识。 风力机是一种从风中吸取动能的装置。通过动能的转移，风速会下降，但是只有那些通过风轮圆盘的空气才会受到影响。,假设将受影响的空气与那些没有经过风轮圆盘、没有减速的空气分离出来，那么就可以画出一个包含受到影响的空气团的边界面，该边界面分别向上游和下游延伸，从而形成一个横截面为圆形的长的气流管（如图11所示）。,图11 风力机吸收能量的流管,如果没有空气横穿边界面，那么对于所有的沿气流管流向位置的空气质量流量都相等。但是因为流管内的空气减速，而没有被压缩，所以流管的横截面积就要膨胀以适应减速的空气。,风力机的存在导致上游剖面接近风轮的空气逐渐减速以至于当空气到达风轮圆盘时其速度已经低于自由流风速了。风速的降低导致了流管膨胀，因为其速度没有对气体或通过气体来做功，所以气体的静压将上升以吸收其动能的减少。,当空气经过风轮圆盘时显然有静压降存在，以至于空气离开风轮时其压力会小于大气压力。空气流就会以减小的速度和静压向下游前进这个气流域被称为尾流。,最终，为了保持平衡，下游远端尾流的静压要与大气压保持一致。动能的消耗使静压增加，从而导致风速进一步降低。因此在上游剖面远端和尾流远端之间，静压没有发生变化，但是有动能减少。,贝茨（Betz）理论,贝茨理论的建立，是假定风轮是“理想”的，全部接受风能（没有轮毂），叶片无限多，对空气流没有阻力。空气流是连续的，不可压缩的，叶片扫掠面上的气流是均匀的，气流速度的方向不论在叶片前或叶片后都是垂直叶片扫掠面的（或称平行风轮轴线的），这时的风轮称为“理想风轮”。,设风轮前方的风速为 , 是实际通过风轮的风速， 是叶片扫掠后的风速，通过风轮叶片前风速面积为 ，叶片扫掠面的风速面积为 ，风轮扫掠后的风速面积为 。,风吹到叶片上所做的功是将风的动能转化为叶片转动的机械能，则必有 ， 。,图12 贝茨（Betz）理论计算简图 叶片前的风速； 风经过叶片时的速度； 风经过叶片后的速度； 叶片前风速的面积； 风经过叶片时的面积； 风经过叶片后的面积,于是 风单位时间作用在叶片上的力由动量定理求得 式中： 空气当时的密度，kg/m3； 单位时间流过的空气质量，kg。,风轮所接受的功率为 经过风轮叶片的风的动能转化 式中： 单位时间流过的空气质量。,因此，风作用在风轮叶片上的力F和风轮输出的功率N分别为,风速 是给定的， 的大小取决于 ，是 的函数， 对微分求最大值，得 令其等于0，求解方程，得,求Nmax得 令 =0.593为 ,称作贝茨功率系数 （或称作理想风能利用系数）,有,而 正是风速为 的风能,故 =0.593说明风吹在叶片上,叶片所能获得的最大功率为风吹过叶片扫掠面积风能的59.3%.贝茨理论说明,理想的风能对风轮叶片做功的最高效率是59.3%。,风轮圆盘理论,将吸收能量转化为可用能量的方式取决于风力机的设计。多数风力机采用带有许多叶片的旋翼，叶片绕垂直于旋翼面且平行于风向轴线的角速度进行旋转。,叶片扫过形成一个圆盘，依靠叶片的空气动力设计在圆盘前、后形成压力差，该压力差造成尾流轴向动量的损失。伴随轴向动量损失的是一种可以通过连接在风轮轴的发电机收集起来的能量，正像风轮受到推力一样，在旋转方向的转矩可以被收集起来。,发电机对旋转速度恒定的气流施加一个大小相等、方向相反的转矩，该转矩对发电机做功并转化为电能。,旋涡理论,风轮旋转工作时，流场并不是简单的一维定常流动，而是一个三维流场，这个三维流场可看成由三个方向的一维定常流动组成的。研究指出：风轮工作时，在流场中形成三种涡流。,一种是由于气流流经旋转的风轮，通过叶尖部的气流迹线为螺旋线，在流场中形成螺旋涡流；同样在轮毂附近有同样的涡流形成中心涡流；另外，气流通过叶片时，由于翼叶上下表面压力不同，也形成涡流，这个涡流叫做边界涡流。,正因为涡流的存在，流场中轴向和周向速度发生变化，所以在贝茨理论的基础上引入诱导因子。,图13 风轮的涡流系统,风轮叶片理论,在顺翼展的方向，作用于风轮叶片半径为、长度为的展向叶素上气动升力（和阻力）是由通过叶素扫过的圆环的气体轴向动量变化率和角动量变化率产生的。另外，作用于叶素上的力是由空气动力升力和阻力来提供，这种力是由关联尾流旋转速度的压力降引起的。,由于在接近圆盘的地方无旋转气流，就像引起轴向动量变化一样，由旋转尾流导致的圆盘顺风面压力的减少是以阶跃压降的形式出现的。由于在远下游的尾流仍然在旋转，所以旋转引起的压力降也就存在，也就不会对轴向动量改变有影响。,叶素理论,叶素理论的研究是将叶片沿展向分成微元段，每个微元段称为一个叶素。这里假设作用在每个叶素上的力相互之间没有干扰，叶素本身可以视为一个二元翼型。研究风轮的受力情况，一般以叶素为研究对象，分析叶素上所受的的力和力矩，然后沿翼展方向积分，即可求得风轮上所受的力和力矩。具体叶素受力情况如图所示：,图14 翼型在气流中的受力分析,叶素-动量定理,叶素-动量定理的基本假定是：作用于叶素上的力仅与通过叶素扫过的圆环的气体的动量变化有关。因此，假定通过临近圆环的气流之间不发生径向相互作用严格地说，唯一正确的条件是轴流诱导因数沿径向不变。,实际上，轴流诱导因数很少是相同的，但LOCK（1924）关于气流通过螺旋桨的实验表明径向独立的假定是可以接受的。 关于叶素-动量定理需要补充一点：只有叶片具有均匀的环量，即均匀时，该理论才适用。,水平轴风力机空气动力学基础,当风吹过风力机时，风轮就会旋转，从风中获得能量。造成风轮转动有两种方法，一种是利用阻力，另一种利用气动升力。,图15 简单风力提水装置,图17 作用在叶片上的力,图18 叶片翼型上压力分布,图19 翼型的升力、阻力曲线,风轮的性能指标,输出功率 尖速比 风力发电机的转矩系数 升力系数(Cl)和阻力系数(Cd),输出功率,风的动能与速度的平方成正比。当一个物体使空气速度变慢时，空气中的动能部分转变成物体上的压力能。整个物体上的压力就是作用在这个物体上的力。功率是力和速度的乘积。这也可用于风轮的功率计算。,风轮输出功率可以利用下面的公式表示风力机风轮从风中吸收的功率： 式中： -风能利用系数 ； -风轮扫掠过的面积，m2 ； -空气密度,kg/m3； -风速,m/s 。,风能利用系数,风力机能够从自然风中得到的能量百分比，称为风能利用系数（Rotor Power coefficient）,可用下式表示： 其中: 实际得到的输出功率,W ； 风轮扫掠过的面积，m2 ； 空气密度,kg/m3 ； 风速,m/s 。,图20 几种典型风轮的效率,尖速比,表示风力机性能的数值称为T.S.R(Tip Speed Ratio),它定义为风力机叶片叶尖速度和风速的比值，称为叶尖速度比（或高速性能系数），简称尖速比,表示为： 式中： 旋转角速度，rad/s； R 风轮的半径，m； n 风轮转速，r/min; V 风速，m/s。,风力发电机的转矩系数,风力发电机通过叶片捕获风能，将风能转换为作用在轮毂上的机械转矩，风轮的功率也可以用风轮的转矩与其旋转角速度的乘积来表示，即,风力机风轮从风中吸收的功率： 式中： -风能利用系数 ； -风轮扫掠过的面积，m2 ； -空气密度,kg/m3； -风速,m/s 。,将上述两式联立得： ； 另设转矩系数 ； 则： 。,升力系数(Cl)和阻力系数(Cd),Cl和Cd随攻角的变化 升力系数曲线由直线和曲线两部分组成。与Clmax对应的im点称为失速点，超过失速点后，升力系数下降，阻力系数迅速增加。负攻角时，Cl也成曲线形，Cl通过一最低点Clmin。阻力系数曲线的变化则不同，它的最小值对应一确定的攻角值。,(1)弯度的影响,翼型的弯度加大后，导致上、下弧流速差加大，从而使压力差加大，故升力增加；与此同时，上弧流速加大，摩擦阻力上升，并且由于迎流面积加大，故压差阻力也加大，导致阻力上升。,(2)厚度的影响,翼型厚度增加后，其影响与弯度类似。同一弯度的翼型，厚度增加时，对应于同一攻角的升力有所提高，但对应于同一升力的阻力也较大，使升阻比有所下降。,埃菲尔极线,为了便于研究问题，可将Cl和Cd表示成对应的变化关系曲线，称为埃菲尔极线(图21)。其中直线OM的斜率是 当 值较大时，效率是较高的。,风力机风轮的气动设计,把风能转化成机械化能是由风力机的风轮完成的，因此，风轮设计极为重要。,风力机空气动力学的基本概念,叶片翼型的几何形状与空气动力特性 风轮的组成部件，主要是叶片。风力发电机的风轮，一般是由2-3片叶片组成的。为了理解叶片的功能，即它们是怎样将风能转变成机械能的，必须懂得有关翼型的空气动力学知识。,l,A,N,M,i,图22 叶片的剖面形状,V,B,V,翼型的尖尾点B为后缘，圆头上A点称为前缘。连接前、后缘的直线AB= ,称为翼弦。AMB为翼型上表面，ANB称为翼型下表面。从前缘到后缘的虚线叫做翼型的中张线。迎角 是翼型与来流速度矢量之间的夹角。,下面考虑风吹过叶片时所受的空气动力。翼剖面上的压力分部如图23所示。上表面压力为正，下表面压力为负，下表面压力为正。合力如图24所示。,高压,低压,图24 翼剖面上的合力,图23 翼剖面上的压力,合力可用下式表达： 式中： 空气密度，kg/m3； 叶片面积=叶片长翼型，m2； 总的气动力系数。,这个力可以分解为两个分力： 垂直于气流速度的分力升力 平行于气流速度的分力阻力,和 可用下式表示： 和 分别别为翼型的升力系数和阻力系数。由于这两个力互相垂直，所以,翼剖面的升力系数和阻力系数随攻角而变化（见图25、图26）。,图25 翼剖面的升力系数随攻角变化的曲线,图26 翼剖面的阻力系数随攻角变化的曲线,风轮空气动力学的几何定义,首先介绍与风轮有关的几何定义。 风轮轴：风轮旋转运动的轴线。 旋转平面：与风轮轴垂直，叶片在其旋转的平面。 风轮直径：风轮扫掠面的直径。,叶片轴：叶片纵向轴，绕此轴可以改变叶片相对于旋转平面的偏转角（安装角）。 在半径r处的叶片截面：叶片与直径r并以风轮轴为轴线的圆柱相交的截面（图27）。 安装角或桨距角：在半径r0处翼型的弦线与旋转面的夹角（图28）。,图27 在半径r处的叶片截面 图28 安装角,叶素特性,风轮叶片在半径 处的一个基本单元称叶素，其长度为 ，弦长为 ，安装角为。这个叶素在旋转平面内的速度| |= 。如果把 当作流过风轮的轴向速度，则空气相对叶片的速度为 ，如图29所示。I是 和风轮旋转平面的夹角，称为倾角。,图29 翼型参数关系,翼型的确定,在设计风轮叶片时，必须事先选择好翼型。根据给出的各种翼型查表得出作图用数据对弦长的百分比。如果设计者确定了弦长，就可通过简单的计算作出正确的翼型图。,变速变距机组控制系统构成,控制系统是风电机组安全运行的大脑指挥中心，控制系统的安全运行就是机组安全运行的保证，各类机型中，变速变距型风电机组控制技术较复杂，其控制系统主要由三部分组成：主控制器、桨距调节器、功率控制器（转矩控制器）。系统构成如图30所示。,图30 变速变距风电机组控制系统构成图,主控制器主要完成机组运行逻辑控制，如偏航、对风、解缆等，并在桨距调节器和功率控制器之间进行协调控制。,桨距调节器主要完成叶片节距调节，控制叶片桨距角，在额定风速之下，保持最大风能捕获效率，在额定风速之上，限制功率输出。,功率控制器主要完成变速恒频控制，保证上网电能质量，与电网同压、同频、同相输出，在额定风速之下，在最大升力桨距角位置，调节发电机、叶轮转速，保持最佳叶尖速比运行，达到最大风能捕获效率，在额定风速之上，配合变桨距机构，最大恒功率输出。,小范围内的抑制功率波动，由功率控制器驱动变流器完成，大范围内的超功率由变桨距控制完成。,