水平轴风力机的空气动力学与风力发电原理

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 。 东 北 信 风 东 南 信 风 西 风 西 风 极 区 东 风 极 区 东 风 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 。 海 陆 地 海 风 白 天 陆 风 海 夜 间 陆 地 山 谷 山 风 山 谷 谷 风 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 。 海 陆 地 海 风 白 天 陆 风 海 夜 间 陆 地 山 谷 山 风 山 谷 谷 风 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 。 N NNE NNW NW WNW NE NN W E ENE S SSE SSW ESE WSW SW E W SE 图 4 风 向 的 16个 方 位 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（ 0.5 1.0s） 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 ： 2386.0 BV 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 。 1v v2v 1ss2s 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 ， 。2v 1v 2s 1s 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 1v v2v 1ss 2s1v 1s sv 2s 2v 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。svvsvs 2211 )( 12 vvsvF sv 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 。)( 122 vvsvFvN )(21 2221 vvsvT TN 2 21 vvv sv 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 )(21 2221 vvsF )(41 212221 vvvvsN 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1v N 2vN )3v-v2v-(41 2221212 vsdvdN 12 31vv 2v 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 3131max 271621278 svsvN 2716 pC 31max 21 svCN p 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%。121 sv 1v TCN pmaxpC 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 。 321 VACP P PCAV 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 ， m 2 ； 空 气 密 度 ,kg/m3 ； 风 速 ,m/s 。P AVPCP 321 AV 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。 VnRVR 602 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 MP 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 。 321 VACP P PCAV 将 上 述 两 式 联 立 得 ： ；另 设 转 矩 系 数 ；则 ： 。 MP CVRVAR MC 22 22 VAR MCMV RVAR MCP 22 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 。 dl cc /tan tan 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 。 lA N Mi 图 22 叶 片 的 剖 面 形 状V BV 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 。li 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 。 221 SVCF r rCS 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 LFdF 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dF 221 SVCF LL 221 SVCF dd LFLC dC 222 dL FFF 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 。rdr l v rN2V 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 。