风电技术基础[1]风力发电原理

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1、Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,*,中能联创夏晖,风力发电原理,1,风力发电原理,风中蕴含的能量,风电机组将风的动能转化为机械能并进而转化为电能。从动能到机械能的转化是通过叶片来实现的，而从机械能到电能则是通过,发电机,实现的。,动能,空气的质量,空气密度随着空气压力的增大而增大，随着温度的升高而减小：,冷空气比热空气密度大（热气球升空就是利用的这个原理）。在普通大气压力和,20C,温度的

2、条件下每立方米空气的质量是,1.204 kg,；在,-10C,的温度下，每立方米空气重,1.342 kg,，比常温下重了,11%,。也就是说，同样的风速同样的风电机，,-10 C,冷风比,20 C,热风能够多产生,11%,的电能。,单位体积的空气，密度大的比密度小的要重，也含有更多的能量。高压地区（,1020hPa,）的空气密度比低压地区（,980hPa,）的空气密度大，单位体积重量也大。,2,风力发电原理,一台,2MW,的风电机叶片半径在,40,米左右。在普通空气密度下，温度,10C,，风速,6,米,/,秒（,=21 km/h,）的情况下，风电机的功率是,780KW,。在这个风速下，每秒流经

3、风电机的空气是,43,吨。其中所蕴含的能量相当于一辆小型货车（,2.5,吨重）开,90,公里,/,小时的时候，或者一台小轿车（,700,公斤）开,170,公里,/,小时的时候的能量。,当风速达到,18,米,/,秒（,=65,公里,/,小时）的时候，每秒流经风电机的空气大约是,110,吨。风速增长到,3,倍，但风的功率却要增长到,3,的,3,次方倍，也就是,27,倍。这个时候风的功率大约是,21,兆瓦。,3,风能转化为机械能,升力型和阻力型风力机,风会对切割它移动方向上的任意面积,A,形成一个力，这个力就是阻力。阻力型机器利用阻力产生动力。,4,阻力型风力机,阻力与下面的参数成比例关系：,风速,

4、U,的平方,切割面积,A,该面积的阻力系数,C,D,空气密度,5,阻力型风力机,6,古波斯的风力机,7,阻力型风力机,1922,年，芬兰工程师,S.J.,Savonius,发明了,Savonious,风机,8,阻力型风力机,风杯风速仪也是利用阻力原理来实现的。风杯风速计上风杯的,C,D,-,值分别是,1.33,和,0.33,（迎风时和背风时）。风杯迎风时的阻力要比背风时的阻力大很多，所以风杯风速计才会迎风旋转。,通过阻力定律来运动的转子无法转动的比风速更快（增速值小于,1,），属于,亚风速转子,。这种转子能量损失较大，,功率系数,（流体动力学上的作用参数）非常小。（波斯风车大概,0.17,，风

5、杯风速计大概,0.08,）,9,升力型风力机,水平轴,HAWT,丹麦理念,上风向恒转速风轮、,失速功率控制、,叶尖气动刹车机械刹车,10,升力型风力机,垂直轴风力机,VAWT,达里厄,Darrieus,11,升力型风力机,水平轴,HAWT,美国多叶片,12,Ref:,www.ifb.uni-stuttgart.de/doerner/edesignphil.html,13,升力型风力机,根据伯努利方程，在同一高度上，叶片的底面或者顶面的动态压力和静态压力和平衡。由于顶端的空气流动比底端的快，从而使顶端产生低压，而底部产生高压：这就是飞机飞行的原理，也是风电机叶片转动的原理。,14,贝茨理论,风电

6、机叶片无法将风能量的,100%,转化为机械能。风电机的转化效率是有极限的。,德国物理学家阿尔伯特贝茨,(1885-1968),在,1920,年计算了风电机转化效率的最大可能值，并在,1926,年公开发表。,理论风能利用系数,（,Betz,极限）,15,贝茨的假定条件,理想风轮：无轮毂、无限多叶片、气流流过风轮无阻力；,气流流过风轮是均匀的，在风轮前后的速度为轴向。空气是不可压缩的。,16,基本原理,风能利用系数,c,p,:,17,基本原理,风电机功率,:,c,p,依赖以下因素,:,尖速比,:,叶片叶尖线速度与风速的比值；,叶片数量：,2-3,片,叶片角度：攻角,翼型设计：优良的翼型提高效率,18,基本原理,理想,Betz,效率,19,C,P,曲线,20,基本原理,：实际各种风机效率,理想值,One blade,Two,blades,Three,blades,Darrieus,Dutch-Type,American,21,