風電技術(shù)基礎[1]風力發(fā)電原理

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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,*,*,*,中能聯(lián)創(chuàng)夏暉,風力發(fā)電原理,1,風力發(fā)電原理,風中蘊含的能量,風電機組將風的動能轉(zhuǎn)化為機械能并進而轉(zhuǎn)化為電能。從動能到機械能的轉(zhuǎn)化是通過葉片來實現(xiàn)的，而從機械能到電能則是通過,發(fā)電機,實現(xiàn)的。,動能,空氣的質(zhì)量,空氣密度隨著空氣壓力的增大而增大，隨著溫度的升高而減?。?冷空氣比熱空氣密度大（熱氣球升空就是利用的這個原理）。在普通大氣壓力和,20C,溫度的

2、條件下每立方米空氣的質(zhì)量是,1.204 kg,；在,-10C,的溫度下，每立方米空氣重,1.342 kg,，比常溫下重了,11%,。也就是說，同樣的風速同樣的風電機，,-10 C,冷風比,20 C,熱風能夠多產(chǎn)生,11%,的電能。,單位體積的空氣，密度大的比密度小的要重，也含有更多的能量。高壓地區(qū)（,1020hPa,）的空氣密度比低壓地區(qū)（,980hPa,）的空氣密度大，單位體積重量也大。,2,風力發(fā)電原理,一臺,2MW,的風電機葉片半徑在,40,米左右。在普通空氣密度下，溫度,10C,，風速,6,米,/,秒（,=21 km/h,）的情況下，風電機的功率是,780KW,。在這個風速下，每秒流經(jīng)

3、風電機的空氣是,43,噸。其中所蘊含的能量相當于一輛小型貨車（,2.5,噸重）開,90,公里,/,小時的時候，或者一臺小轎車（,700,公斤）開,170,公里,/,小時的時候的能量。,當風速達到,18,米,/,秒（,=65,公里,/,小時）的時候，每秒流經(jīng)風電機的空氣大約是,110,噸。風速增長到,3,倍，但風的功率卻要增長到,3,的,3,次方倍，也就是,27,倍。這個時候風的功率大約是,21,兆瓦。,3,風能轉(zhuǎn)化為機械能,升力型和阻力型風力機,風會對切割它移動方向上的任意面積,A,形成一個力，這個力就是阻力。阻力型機器利用阻力產(chǎn)生動力。,4,阻力型風力機,阻力與下面的參數(shù)成比例關系：,風速,

4、U,的平方,切割面積,A,該面積的阻力系數(shù),C,D,空氣密度,5,阻力型風力機,6,古波斯的風力機,7,阻力型風力機,1922,年，芬蘭工程師,S.J.,Savonius,發(fā)明了,Savonious,風機,8,阻力型風力機,風杯風速儀也是利用阻力原理來實現(xiàn)的。風杯風速計上風杯的,C,D,-,值分別是,1.33,和,0.33,（迎風時和背風時）。風杯迎風時的阻力要比背風時的阻力大很多，所以風杯風速計才會迎風旋轉(zhuǎn)。,通過阻力定律來運動的轉(zhuǎn)子無法轉(zhuǎn)動的比風速更快（增速值小于,1,），屬于,亞風速轉(zhuǎn)子,。這種轉(zhuǎn)子能量損失較大，,功率系數(shù),（流體動力學上的作用參數(shù)）非常小。（波斯風車大概,0.17,，風

5、杯風速計大概,0.08,）,9,升力型風力機,水平軸,HAWT,丹麥理念,上風向恒轉(zhuǎn)速風輪、,失速功率控制、,葉尖氣動剎車機械剎車,10,升力型風力機,垂直軸風力機,VAWT,達里厄,Darrieus,11,升力型風力機,水平軸,HAWT,美國多葉片,12,Ref:,www.ifb.uni-stuttgart.de/doerner/edesignphil.html,13,升力型風力機,根據(jù)伯努利方程，在同一高度上，葉片的底面或者頂面的動態(tài)壓力和靜態(tài)壓力和平衡。由于頂端的空氣流動比底端的快，從而使頂端產(chǎn)生低壓，而底部產(chǎn)生高壓：這就是飛機飛行的原理，也是風電機葉片轉(zhuǎn)動的原理。,14,貝茨理論,風電

6、機葉片無法將風能量的,100%,轉(zhuǎn)化為機械能。風電機的轉(zhuǎn)化效率是有極限的。,德國物理學家阿爾伯特貝茨,(1885-1968),在,1920,年計算了風電機轉(zhuǎn)化效率的最大可能值，并在,1926,年公開發(fā)表。,理論風能利用系數(shù),（,Betz,極限）,15,貝茨的假定條件,理想風輪：無輪轂、無限多葉片、氣流流過風輪無阻力；,氣流流過風輪是均勻的，在風輪前后的速度為軸向。空氣是不可壓縮的。,16,基本原理,風能利用系數(shù),c,p,:,17,基本原理,風電機功率,:,c,p,依賴以下因素,:,尖速比,:,葉片葉尖線速度與風速的比值；,葉片數(shù)量：,2-3,片,葉片角度：攻角,翼型設計：優(yōu)良的翼型提高效率,18,基本原理,理想,Betz,效率,19,C,P,曲線,20,基本原理,：實際各種風機效率,理想值,One blade,Two,blades,Three,blades,Darrieus,Dutch-Type,American,21,