风力发电功率和叶尖速比.docx
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风力发电功率和叶尖速比
、风轮机的功率及风能利用系数
(一)穿过风轮桨田打掠就的风能
设:
、,一讯速〔耗求扰动气涼的渝速匚米,秒;
D一风轮总逾.米*
A——风轮叶片扫掠面积,米S
p—空气密度*千克/米寫
则腋位时间内穿过风轮打掠面积的动謹•即功率PA(见图5-2)为;
Pa=^A・『=软)[/宀千克•米「秒'(5-1>
(二)风能利用条数(;
凤能利用系數G
单一位时何内转变为风轮机械能的风惜
一弔位时间内穿过M轮桨叫担掠面A的全祁风蛙
_风轮的输出功孤
—输入風轮nnwTS孔
=上=忙(5-2)
卩卡"
凤龍利用系数曇衰SE凤轮机效率的重要参數*它衰明风轮机从风中获得的有用能录
的比例.根据贝茨理论•风能利用系数的量大備为0*593。
关于贝茨最大值的推导耻本章
第七也
术平轴凤轮机的q-工2〜厲乩
垂]X轴风轮机的q-工lfl
风能利用系数又称功率菱数I
【三)风轮的功率
珂轮的功率即指转变为机披能的功率
卩=C「今人•*<5-3)
由式f5—U和(5—3)可以看出*
1.当v=#数.pxD(即当风速一定时•凤轮的功率和风轮直轻的平方成正比几£当0=常数・poci(即当风轮直轻固定时•凤轮的功率和凤遽的立方成正比)•£当城轮竟径、闽速不变対•风轮的功率与—嵌正比“丄凤轮功率和风轮叶片数无关“但与空raj度成正比.
三、风轮机的叶尖速比(高速性系数)
在凤速为V时十凤轮叶片尖瑞的线速度与该闲速之比称为风轮的高罐性系数“高谨性系数可农灭为;
ujR
武中z--高速tt系数;
s——风轮在风迷可时的鹿转角罐度心=药■弧度-秒b()
纽R--讯轮叫片尖处的线速/¥*弧度•榨t・米*
n转速、转/分。
由旣可知、高速叫奈数纯反映存•定风速下凤轮转速高低的參数・高速牲系數又称叫尖速比TSRi
四’凤轮机的转矩系数
凤轮的功率也可以用現轮的转矩与其庭转角逮度的翼积来喪禾"即
P=N4■u>
式中M-转範■千克•耒*
w-——旋转角產度*弧度・秒=
已知风轮的功家1〉一专―
所以
P™M•ay=晋pl?
V3•Co
ftf
或M•u>=y-pK1vs•Cp
rilll八2M2M⑷R
则©=叭珅=耐・p
=•—=CM•X(5—5)
R•A•v2•v
定义CM=—丛一(5-6)
称为转矩系数,则M=g・(少RAv2),即当风轮尺寸(R),固定时•任-定风速F,Cm是一个反映转矩大小的系数.
五、风能利用系数、转知系数与叶尖速比的关系
可见・G及Cm皆足入的函数・即G=f(入).Gthf(入八此函数关系可以迪过计畀或实验得出•也可以用曲线表示•如图5—3及图5—4所示.
图$—3傀轮机的风陡利用系数
与叶尖速比育先系曲纯
用5—4风轮机的转矩系数与
叶尖速比的关系曲线
图5-5凤轮机功率系数与叶尖速比的关系
图风轮机转距系数与叶尖速比的关系
(一)功率转速特性曲线
C知1〉=与A・V?
・CpCP=f(X)
为风轮血成后•八一用数・p=・常数•故专风速-疋时(、一常数)•则P就足I;的函数.而G足入的函数•入又是反映K-ilio的大小的•故可以得出P=f(n)的关系曲线1<-7农小低速及高速风轮机的功率一转速特性的钱图中数字代表不同洪速讥果秒)卜的特'件・HV6>V5>v(>Vj>V2>V1'
(二〉转矩一转速特性曲线
C知转矩X1-CM号A・R・V2.aA、R、P为常数,又知CM-f(k).则当风速定时J
(v=#数,・\1就足入的函数•而入反映了转速的大小•所以同样可以得出M=f(n)的曲
图57久轮机的功叱一转速特性曲线
线•如图58所示」
I13^5^78^10
田二8弋轮机芮站血一昶匪廿mu线
那出丁呱轮机的籾妒转速特果再相到风轮机所拖刃的机械彳用于裁电系统的发电机或用于泵水黍统曲水泵〉的转爪转谑特性曲琏■就可以分析半两者联接组咸为个第疣时的持性•这就是研究凤轮机转坯一转速特性曲线的目的补
七、风能利用系数最大值(贝茨)理论
质量为m的物体,以速度v运动时,该物体的动能为:
K=-7Jnv:
(5-7)
■
现设在与空气流方向垂直的某处取一載面积为A的任意戡血•如图3—9折示•剿在单庖讨间(厨秒》内通过此戴血的气竹体枳流址V为,
图5-9单傥叶刚内通过薩临A的气体怵机
V=vA(5—即
设穹气沼哎为严则时淹于此休积的宇气流的网猷为:
pV=p*Av(S——日)
故卩・Av即代农4单位时阖内18过楼面A的空吒流所具有的歲量■也可称为J#量涼率•此质量渍率所其有的动鹿则为’
(5-10)
I>d対式所表明的是单位时间{每杪)内Siil战inA的空T流阳具“的动能.所以也就是功帑.
与此相似・如杲设®mA为忍轮机瞳转时叶片所扫掠的面积•则单位时闾内通过风轮机打掠ifii积m咐弋流的动鹿.也却风轮机的功率p,糕为t
凤雜机从风中銀取了能Wrin便凤减速了•凤轮后冏的%建比凤轮前Ilf]的凤速歿
低.理论仆枷iI⑼风轮后曲的风颯为进入风轮扫掠血以蔺的凤罐〔即未扰动凤速〕的斗
□
川风轻呵获阳帕人能氐凤轮本身Fl流功的空代中吸收的;」.iyv的堤度•所以枸效的
馳流率应是卩宀寺川此凤轮机自流动的"中卿的最大能里也即可转变为ff用的机械功率I’的沁农值•卩“为t
式<&-12>表明风轮从凤中所能获取的能就占通过风轮扫掠『II的亡部比论的比例的
门\U1:
.^...-..-.q'uh;i-•丄」““.■.,■«山:
\^i'i乐&匚认!
1''i.1.:
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也称良茨蝕大值。
实际上■从实R込转的凤城机匕所测得的机威功率•其功率系数很少超过40%夕在凤力发电茶统或凤力泵水寮统屮•风输机的机械功率再转换成电功率或水泵功率的・#1于传动猛賈及发电机或水泵本身需消耗•配分功半*实际可用的功寧又进一步減小匚此外”凤轮机在凤场中还受到凤谑和凤向波动的彫响•可用功率将进步械小“
八、风轮机的输出功率曲线
如前所述•风轮机的输岀功率可农示成瞬时风速(通常采用短时期内风遠的平均值宋代表)的函数•如式(5-3)所示•即:
卩=丄卩・A・S・G
由于风轮机在风场中受到风速及风向波动的彫响•便凤轮机输出的可用功率进一步
■k,考虑到此因素,风轮机的输出功:
式j进•步写成:
股耳7T0.7左右•按鹽贝茨理论・Cp的域大佰为59.3%・('**・q~0.593X0.7~0.415^41%・ffD实际I:
真正从风轮机所获得的机K功率很少超过通过风轮机桨叶打掠面内凤能的40%.
设:
v,—凤轮机的起始风速.即凤轮机在人于此凤速时开始输岀功率;
v,——凤轮机的额定风逑.即风轮机在此网速卜•输出额定功率:
v0——风轮机的截止风速•即风轮机在此风速下被刹住。
这样•凤轮机的输出功率依风速的变化可分为三政•即:
Vi 当VrVV,时.P=l〉r=4~p・.«・£・((? 「”) 当v>vo时,P=0 若以图老表示风轮机的输出功率依风速的变化情况•则如图5-10Q)及图5-104)所示•理论匕存风迷低十釉定风速(聞vVvJ时•凤轮机的辎出功率应与风速成/E关系变化•如图5-10(a)所示;但实际匕风轮机仅4风理高于起始风速(即v>vj时・/产工净功<输出功率)•而在起始凤速与额尢风速Z间(卬、•i弓VrZ间〉•风轮机的输出功率曲线有着不同的形状.而比中线性特性与风场中获得的试验数据较接近•而□•应用尼来比较方便•如图5—10(b)所示。 在图5-10中•在风速大于额定风速但低于截止风速(即vr 对于线竹•输出功率曲线•可求出风轮机的输岀功净为: 国5—10(町轮机理坦输出 功率曲絞 in(h)输 岀功幸曲域 (5-13J 利用式4 因而 13>i»ru求出不同风速冋轮机的g•朮值,即* 甘一w o*,\*vH,*? )1'■„j'i*A•vT•(tt*ii1vr* Zf*Z尸FVj_叫 ..z.、;v—wr... (_p•T^v= 九、风轮机的输出能量及可利用率 在第一章已亓小一W注的频邯分布(第五节)及风理的持軾嗣何分布[第人芳八现乂了解了风轮机的功瘵输出曲线•将这两膏箱合起来就可以讣1#出某个风场固定时阖内风轮机的输出険量及其可利'llf.JA轮机的输出能量可以用计算法*也叮旦用團术袪得出, (一)计畀法 利用凤速的额集井布.町ft得荐种不同凤速F的吹风时数,从功牢输出曲线h可以获知不同风逋卞相应的输出功率•这样就可i|算出不同風逋卜束•凤速吹凤时数内所对横的输出能量t即某一凤連下風轮机的输出功率世与谀风娃持续吹凤时间的義积八粽所有不同凤速下对险的站汕龍柿郴加就可得到凤轮机的总输出能■.若设風速的願率井■»i<<-•、W2■: : 1、•..5十'|生时间周期内w轮机的总输汨 '二亠 <陀X%对潇Nl饲上耳092*5巾卩 ⑷T%阿X丽可希丽=鱼昨血 : 曲%」g牡芈山储AM郵嚼馨題 窒宙储血期1#轴M(三〉 屈卿劉站: HIT5T嘗葡阳輪讯李裁*召遜樽国: RSF豳僭書写询闻去舉國 口¥會请巫毎旳阿関P更导邕解諛怡・唸HIM*毋需昏藕吊用聊帼’賈無II时T靜F祈来诃询冃血隣”轉劭屮骅屈1H徘VH*肘興啊尹狒'劇创券齊承科対書險毎解•谢垦阳血瑕坐園屮 钢耶书乌闸M玄矗E軒刊TM•「卿「汀『和寫刪妙爭低网瞬豺融电啓》 菩劭亦界唧用审AW卜转些闵【[一名用 为剁fflwwiftwx«^«r(<fffi®rsi)Mf5BW? i询邮业卒囿和矗牡确'屮岖炉)口一£谢呻“輛冊弘專何冋一索虹率对槪箭邮片岳同刊爲肆蕪恻琳,窮(#斗誓用嗨末虹稠肄花 飞出影躺1诽令莊出妙讷爲溜[坐如wui—匕図酹・奮W44胖出嗨嘩吐凹划冊出塑‘翌划屮黑盈蟄网弔BT矍何縣葺胡車嗨弭P •(些峯印攀彗衙〕矗tejMWAt审tt■! 無冊旧H•汇心嗣为川®5亂凶书袈壮也〉興側辟禅卅$国)翳耶芈书闻朝羁轩範馆卑5 I血點拆仙曲剽帛琳胡田聲讪案眾辿圈山睪卫阖 (二) (9L—S1AP*(A)paJcT+AP*(AJ•A)dxii= \P"1岛)J*if1-片卩■('}J*{A*打$: I_/[ 上旳巨过(引一弟辛HT靈主権肛屮尊與觀脳聊tel? 翌悩-||驛睡翌牺第慶菲型•畀羽鳞陲曲螂#甲*阪阳瞬阳1#聃留車郵莊班馆即毎甲dr出谢(⑴何一各園呵輛卯車莊屮弊哺I#轴忖H尊酱曲’宙聽南吐艮¥鞠韩? (刮前何了涯与煎何巒禅丑謎>r瀬均朋醉'誓黑审肚仙w射讪岸: 攻小辛<^I-S)中“刀•3旧、腐=包 ’闺.辛出樟「乩7闻单申计归冉噩 当民轮机IflU.ti-•;速趙过虫轮机的|(1岖連范禺,JR足发电机癸然丿U掉员荷.则乩介S致风轮机超遇•甚至迢戍凤壮札的損坏出此风轮机Tjlie11功前止风轮机超速的保护装丙•以达列I眾制风轮超速的门的.不制风轮甩违的方法上箜冇两种.一是利用乍气动力阳力的方法: •是设法减小从轮的迎g血枳(也即是便风轮假侧)水平柚风轮机的保护装富*叶尖阳尼板、扰淹3LJK桨机构以及比轮侧倫或I口机构"风轮机的保护装賈主复足B1尼板・ (一〉叶尖阴尼板 叶尖闪尼板是安装N水平轴虫轮叶片尖部的R1尼故国.当风轮疋常运轻时•它与叶片的件川相同.能产生升力;f凤轮趙速时.则ff习绕风轮叶片纵向ma转曲侑•与凤轮旋料平血成乖直位置•故能「T阳力.从山便风皐•i卜* (二)扰流器 流胃是安装在风轮叶片上距叶尖£叶片K贬位買上的阳尼装賈,勻凤轮iH«i_ □ 知时•扰i«■器的两个端面分别弓叶片IFulfil速时•则张开蘇伸到叶片外臥这样山十它与风轮龌转平曲乖克•产生了阳力•从向件凤轮转速降卜* 上述两的动ft•股是靠风轮4'的离心力血动作•也有根裙风轮转,傅号由液缸传动系统或机械(! 尼製覽动h#j.前者称为帔-的,为 主动式的. (二)顺桨机构 所ifi颗桨是指凤轮叶片弦长方向与凤向一致•也即风轮叶片的冲角趋近事升力的状•风轮叶片顺桨也属于凤轮变桨为拧制的•和分•即根据凤速或转速的倩号•通过液压畫距或机械变原机构来实现风轮的藤桨既可用在大风或甩负荷时的紧急停片雄保护竹川.也町用护风轮机的停机= (四)风轮侧備或上仰机构 水平轴14轮机也何利用风轮偏侧机构、风轮上仰机构或安装在闻轮机传动轴上的紧急制动闸*实现趙速保护.关于风轮個侧的方法询面C介绍过。 风轮L仰机构般只用于小型风轮机中%急制动闸在水甩风轮机中分手动和白动制动两种.W者皆是利用抱闸和于的原理BW5-I7衣示这两种抱闸刹午的从理。 IB5-17小甲4轮机紧急制动闸示掠用
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- 风力 发电 功率 叶尖 速比