第一篇：风电基础技术知识

1第一篇：风电基础技术知识第一章风能资源概述第一节：风向与风速•风是大气的运动。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•大气的运动本质上是由太阳热辐射引起的。因此，风能是太阳能的一种表现形式。•地球表面上，受太阳加热的空气较轻，上升到高空；冷却的空气较重，倾向于去补充上升的空气。这就导致了空气的流动——风。全球性气流、海风与陆风、山谷风的形成大致都如此。•风向与风速是确定风况的两个重要参数一、风向•风向——来风的方向。通常说的西北风、南风等即表明的就是风向。•陆地上的风向一般用16个方位观测。即以正北为零度，顺时针每转过22.5°为一个方位。•风向的方位图图示如下。二、风速•风速——风流动的速度，用空气在单位时间内流经的距离表示，单位：m/s或km/h。风速是表示气流强度和风能的一个重要物理量。风速和风向都是不断变化的。•瞬时风速——任意时刻风的速度。——具有随机性因而不可控制。2——测量时选用极短的采样间隔，如1s。•平均风速——某一时间段内各瞬时风速的平均值。如日平均风速、月平均风速等。1、风速的周期性变化•风速的日变化：一天之中，风速的大小是不同的：——地面（或海拔较低处）一般是白天风速高，夜间风速较低。——高空（或海拔较高处）则相反，夜间风强，白天风弱。其逆转的临界高度约为100~150m。•风速的季节变化：一年之中，风的速度也有变化。在我国，大部分地区风的季节性变化规律是：春季最强，冬季次之，夏季最弱。2、影响风速的主要因素•垂直高度：由于风与地表面摩擦的结果，越往高处风速越高。定量关系常用实验式表示：V=V0(H/H0)nV—高度H处的风速。V0—高度H0处的风速，测得。n—地表摩擦系数，或地表面粗糙度。取值范围：0.1（光滑）~0.4（粗糙）。•地理位置海面上的风比海岸大，沿海的风比内陆大得多。•障碍物风流经障碍物后，将产生不规则的涡流，使风速降低。但随着远离物体，这种涡流逐渐消失。当距离大于10倍物体高度时，涡流可完全消失。启示：在障碍物附近设置风力机或多排设置风力机时的位置。3第二节：风资源描述的基本理论一、风向频率•任意点处的风向时刻都在改变，但在一定时间内多次测量，可以得到每一种风向出现的频率。•风向频率的计算方法——选择观测的时间段，如月、季、年；——记录每个风向出现的次数ni，及总观测次数n；——某风向的风向频率=ni/n×100二、风速频率对于风力机的安置处，有两个重要的描述风资源的参数：年平均风速和风速频率。•在计算风率时，通常把风速的间隔定为1m/s；•风速在某一时间段平均，如10分钟；•按风速的大小，落到哪个区间，哪个区间的累加值加1。•把个区间出现的次数除以总次数即得风速频率。根据风况曲线通常可以看出：•一年之中有多少时间低于起动风速而无法起动？•有多少小时可以达到额定出力？•取多大的切出风速较合适？可见，风频特性和风况曲线是开发风能的重要原始资料和依据。4三、风能与风能密度•风能——风的动能。•计算一年中风能的大小，要考虑风速的分布情况，而不能简单使用年平均风速。•年有效风能——起动风速到切出风速之间的风能。•有效风能密度——年有效风能除以年有效风速的持续时间。5第二章风力机空气动力学基础序言风力发电机工作过程描述风力发电机（以下简称风力机）是一种将风能转换为电能的能量转换装置。风力机系统结构风电传动系发电机叶轮传动系发电机叶轮控制系统6第一节：空气动力学的基本概念一、流线气体质点：体积无限小的具有质量和速度的流体微团。流线：——在某一瞬时沿着流场中各气体质点的速度方向连成的一条平滑曲线。——描述了该时刻各气体质点的运动方向：切线方向。——一般情况下，各流线彼此不会相交。——流场中众多流线的集合称为流线簇。如图所示。绕过障碍物的流线:——当流体绕过障碍物时，流线形状会改变，其形状取决于所绕过的障碍物的形状。不同的物体对气流的阻碍效果也各不相同。考虑这样几种形状的物体，它们的截面尺寸相同，但对气流的阻碍作用（用阻力系数度量）各异。1.110.341.330.470.0447二：阻力与升力阻力：当气流与物体有相对运动时，气流对物体的平行于气流方向的作用力。升力：先定性地考察一番飞机机翼附近的流线。当机翼相对气流保持图示的方向与方位时，在机翼上下面流线簇的疏密程度是不尽相同的。——根据流体运动的质量守恒定律，有连续性方程：A1V1=A2V2+A3V3其中A、V分别表示截面积和速度。下标1、2、3分别代表前方或后方、上表面和下表面处。——根据伯努利方程：P=P0+1/2*V2有：气体总压力=静压力+动压力=恒定值考察二维翼型气体流动的情况。——上翼面突出，流场横截面面积减小，空气流速增大，即V2V1。而由伯努利方程，必使：P2P1，即压力减小。——下翼面变化较小，V3≈V1，使其几乎保持原来的大气压，即：P3≈P1。结论：由于机翼上下表面所受的压力差，使得机翼得到向上的作用力——升力。三、翼型的气动特性1、翼型的几何描述前缘与后缘：OB翼弦C8翼弦：OB，长度称为弦长，记为C。——弦长是翼型的基本长度，也称几何弦。——此外，翼型上还有气动弦，又称零升力线。中弧线：翼型内切圆圆心的连线。对称翼型的中弧线与翼弦重合。上翼面：凸出的翼型表面。下翼面：平缓的翼型表面。厚度：翼弦垂直方向上上下翼面间的距离。——厚度分布：沿着翼弦方向的厚度变化。弯度：翼型中弧线与翼弦间的距离。——弯度分布：沿着翼弦方向的弯度变化。2、作用在机翼上的气动力重要概念：攻角气流速度与翼弦间所夹的角度，记做，又称迎角。RLMVC由于机翼上下表面所受的压力差，实际上存在着一个指向上翼面的合力，记为R。9——阻力与升力：R在风速上的投影称为阻力，记为D；而在垂直于风速方向上的投影称为升力，记为L。——气动力矩：合力R对（除自己的作用点外）其它点的力矩，记为M。又称扭转力矩。为方便使用，通常用无量刚数值表示翼剖面的气动特性，故定义几个气动力系数：升力系数：CL=L/(1/2V2C)阻力系数：CD=D/(1/2V2C)气动力矩系数：CM=M/(1/2V2C2)此处，L、D、M分别为翼型沿展向单位长度上的升力、阻力和气动力矩。3、翼剖面的升力特性用升力系数Cl随攻角变化的曲线（升力特性曲线）来描述。如图。CLCLmax0CT说明：在0～CT之间，CL与呈近似的线性关系，即随着的增加，升力L逐渐加大。当=CT时，CL达到最大值CLmax。CT称为临界攻角或失速攻角。当Ct时，CL将下降。当=0(0)时，CL=0，表明无升力。0称为零升力角，对应零升力线。104、翼剖面的阻力特性CDCDminCDmin5、极曲线在风力机的设计中往往更关心升力h和阻力的比值——升阻比L/D以及最佳升阻比。通过极曲线（又称艾菲尔曲线）来讨论。CLmaxCLCT有利CDminCDCDmin0CD0说明：——极曲线上的每一点对应一种升阻比及相应的攻角状态，如0、CDmin、CT等。——为了得到最佳升阻比，可从原点作极曲线的切线，由于此时的夹角最大，故切点处的升阻比CL/CD=tg最大，对应的攻角为最有利攻角有利。6、压力中心11压力中心：气动合力的作用点，为合力作用线与翼弦的交点。——作用在压力中心上的只有升力与阻力，而无力矩。——压力中心的位置通常用距前缘的距离表示，约在0.25倍弦长处。7、雷诺数对翼型气动力特性的影响关于雷诺数——层流与紊流：两种性质不同的流动状态。雷诺数是用来界定两种状态的判据。——雷诺数的表达形式：Re=VC/——临界雷诺数Recr：ReRecr层流ReRecr紊流——雷诺数的物理意义：惯性力与粘性力之比。雷诺数的影响考虑对NACA翼型升力曲线和阻力曲线的影响。随着雷诺数的增加：——升力曲线斜率，最大升力系数与失速攻角均增加；——最小阻力系数减小；——升阻比增加。第二节：叶轮空气动力学基础一、几何描述叶轮轴线：叶轮旋转的轴线。旋转平面：桨叶扫过的垂直于叶轮轴线的平面。叶片轴线：叶片绕其旋转以改变相对于旋转平面的偏转角——安装角（重要概念）。半径r处的桨叶剖面：距叶轮轴线r处用垂直于叶片轴线的平面切出的叶片截面。12安装角：桨叶剖面上的翼弦线与旋转平面的夹角，又称桨距角，记为。半径r处叶片截面的几何桨距：在r处几何螺旋线的螺距。可以从几个方面来理解：——几何螺旋线的描述：半径r，螺旋升角。——此处的螺旋升角为该半径处的安装角r。——该几何螺旋线与r处翼剖面的弦线相切。——桨距值：H=2rtgr二、贝兹理论1、贝兹理论中的假设——叶轮是理想的；——气流在整个叶轮扫略面上是均匀的；——气流始终沿着叶轮轴线；——叶轮处在单元流管模型中，如图。——流体连续性条件：S1V1=SV=S2V2132.应用气流冲量原理叶轮所受的轴向推力：F=m(V1-V2)式中m=SV，为单位时间内的流量质量。叶轮单位时间内吸收的风能——叶轮吸收的功率为：P=FV=SV2(V1-V2)3、动能定理的应用基本公式：E=1/2mV2（m同上）单位时间内气流所做的功——功率：P’=1/2mV2==1/2SVV2在叶轮前后，单位时间内气流动能的改变量：P’=1/2SV(V21_V22)此既气流穿越叶轮时，被叶轮吸收的功率。因此：SV2(V1-V2)=1/2SV(V21_V22)整理得：V=1/2(V1+V2)即穿越叶轮的风速为叶轮远前方与远后方风速的均值。4、贝兹极限引入轴向干扰因子进一步讨论。令：V=V1(1-a)=V1–U则有：V2=V1(1-2a)其中：a——轴向干扰因子，又称入流因子；U=V1a——轴向诱导速度。讨论：——当a=1/2时，V2=0，因此a1/2。又VV1，有1a0。a的范围：½a014——由于叶轮吸收的功率为P=P’=1/2SV(V21_V22)=2SV13a(1-a)2令dP/da=0，可得吸收功率最大时的入流因子。解得：a=1和a=1/3。取a=1/3，得Pmax=16/27(1/2SV13)注意到1/2SV13是远前方单位时间内气流的动能——功率，并定义风能利用系数Cp为：Cp=P/(1/2SV13)于是最大风能利用系数Cpmax为：Cpmax=Pmax/(1/2SV13)=16/270.593，此乃贝兹极限。三、叶素理论1、基本思想将叶片沿展向分成若干微段——叶片元素——叶素；视叶素为二元翼型，即不考虑展向的变化；作用在每个叶素上的力互不干扰；将作用在叶素上的气动力元沿展向积分，求得作用在叶轮上的气动扭矩与轴向推力。2、叶素模型端面：——桨叶的径向距离r处取微段，展向长度dr。——在旋转平面内的线速度：U=r。翼型剖面：——弦长C，安装角。——设V为来流的风速，由于U的影响，气流相对于桨叶的速度应是两者的合成，记为W。15旋转平面——定义W与叶轮旋转平面的夹角为入流角，记为，则有叶片翼型的攻角为：=-。3、叶素上的受力分析在W的作用下，叶素受到一个气动合力dR，可分解为平行于W的阻力元dD和垂直于W的升力元dL。另一方面，dR还可分解推力元阻力元dF和扭矩元dT，由几何关系可得：dF＝dLcos+dDsindT＝r(dLsin-dDcos)由于可利用阻力系数CD和升力系数Cl分别求得dD和dL:dL=1/2CLW2CdrdD=1/2CDW2Cdr，故dF和dT可求。将叶素上的力元沿展向积分，得：——作用在叶轮上的推力：F=dF——作用在叶轮上的扭矩：T=dT——叶轮的输出功率：P=dT=T16第三章风力机的机械设计第一节：叶轮由轮毂和相连接的叶片组成。讨论要点：——轮毂与桨叶的连接型式——轮毂材料与检验——桨叶的强度计算一、轮毂与桨叶的连接型式1、固定连接（刚性连接）三叶片叶轮大多用此连接方式。制造成本低，较少维护，无磨损。但要承受所有来自叶