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
二、风轮机的功率及风能利用系数
（一）穿过凤轮桨iH扫掠廁的风能
设:
V——风速（描>k扰动气流的涼速》*米/秒飞
[>—风轮
A——风轮叶片扫掠ifilflL米2；
P—空代密度•十克/米»
则帕位时问内穿过凤轮扫掠他积的动能*即功率P八（见图5—"为；
ras-K凤轮扫掠丽
（二）风能利用系数
凤能刊用系數G
_单位时间内转变为风轮机械能的风惜
■单位时间内穿过凤轮桨叶扫掠面A的全》风能
_风轮的输出功
一期入风轮面内的功率
（S-2）
_"_r
"評'・『
凤能利用系数足农征PL轮机效率的璽耍參数•它表明风轮机从凤中获冯的育用陡童的比例.根据贝茨理论”風能利用系数的毘大值为0鳥93。
关于贝茨最大備的推导见本京
第匕节，
水平轴凤轮桃的匚；=氏2〜厲J垂口轴凤轮机的気三0.7-（11,风能利用系数又称功率兼数-
（二侃轮的功率
巩轮的功净即指转变为机《能的功率
山式"一门和帖一3）可以看啣中
1.肖v-ffi数7工1円即当凤速一定时*凤.轮的功+和凤轮丸待抽平方成F比）,
2.当D=當数寸OC-（即当確te苴冷网定附•処轮的功率和风速的衣力成iH比）',
3.当〕乱轮a往41速不变时.凤轮的期龍与G战I比，
①风轮」加龌和皿轮山I片数无关.但与空气老度lArtt.
三、风轮机的叶尖速比（高速性系数）
在凤連为¥时-風轮"1片尖瑞的线速度与该园姥之比称为凤轮的崗虺性系数“高罐性慕®可衣示为：
'V
式中Z——离速fe系数]
9
—1或轮在诫速VihiiTj®转曲速度，」产乎弧度-秒<0（>
K——风轮叶片尖处的弧度•和一】■米：
T]转迷+转分■-
空I
.贰「八ttK，八
所以
X—=77—11<5—1>
V'30V
由此可钿*高速性系fe是皮映在一定凤速卜■闻轮转速贏ffi的聲赴，I爲速性累數又称卅尖速比TSK.
四*凤枪机的转审系数
凤轮的功專也可凤轮的转迪耳且谨转用速堆的秦枳来我示,即
P=M*3
武中M转矩*「克*米i
旋转角速曜■弧度+松
已知凤,轮的功*F=弓"plFY*•（爲C・
定义
r_2M_2M61K
Ma.Rc、
=—=Cm•A
R•A•/•才*
J=M
才R.2
（5—5）
（5—6）
称为转矩系数■则M=Cm-（牙RAS几即当风轮尺寸（R>a定时•任一定风速下心是1个反映转矩大小的系数•
五、风能利用系数■扶矩系数与川尖速比的关系
由以上分析知.CpUCM•X
_Cr
可见.q及Gi皆绘入的因数•即G="入〉1«=｛（入）•此函数关系可以通过计算威实验得出•也可以用曲线表示-如图5—3及图5—4所示•
ffl5-3傀轮札的1^16利用系效与叶尖連比的关系曲线
用5—4凤轮机的转矩系ft与叶尖逮比的关条曲綬
t对丁某一风轮来说•只是在入为某一数值•即爲时.才达到最大（；值（（&Q.如图5—3所示•在入工爲时・Cp值下降.
对应于最大G值（（；„«）时的X值（入J称标准高速性系数.
2.（、叫.圧相对于入=九时的转矩系数•即相对于标准高連性系数时的转矩.
3.高&风轮与低速风轮的Cp=f（X）fttJ线及C„=f（X）tft；线是不相同的.如图5-5及图5-6所示。
低速风轮的入值范囤在1〜2之间，高速风轮的入值范在5-10之间.由图可见.高速风轮的C存辽大于低速风轮的C艸丄但是低速风轮的转矩系数远远大于高速风轮的转矩系数•所以低速风轮的起动性能好。
多叶片风轮《丁低速风轮•少叶片风轮《于高速风轮.
0.G
/
3叶片IM集式
2叶片离嫌按幫式
0.9
0.4
04
特兰1•f
0,2
0.1
£345678910ilJ£A
蓟0«叶府戒:
m5—5凤轮机功率朵弦与叶宾速比的关系
凤枪机理选效宰
3叶片《«桨式
a叶片壽黑J#«梁式
O.S
达里电虫
a4
0.}
0.2
0.I
3345S7891心i!
】2d
自H车耗式
I期5—&风轮机转矩系数与叶尖速比的关系
（一）功率转速特性曲线
|2知P-号A・-・CpCp=f半风轮te成后•八■常数・卩=常数.故出风速煜时（、r朋数八则P就足C.的函数.ifuCp足入的函数丄又是反映转速。
的大小的•故可以得出P=f5）的关系曲线。
ra5-7农不低速仪髙遠风轮机的功率一转速特性曲线.图屮数字代农不同风速V《來秒>卜的牯忤.nV6>V5>-V|>Vj>V;>V1_.
t-：
）转矩一转速特性曲线
己知转矩M_c„-^A-R-C设AJJp为常数•又知Cm—f（k）•则当风速定时
3=常数i・M就是A的函数•而k反映了轮速的大小•所叹同ff可以得出M=f（n）的曲
图5-7风轮机的功率一转速特性曲线
线•如国5—8所示.
闾•：
8皿竪机胃蚪仙一$「遽特fr訓找
冷出"轮UOj'H11=转速特nilh钱・如驶典用到轮帆所拖动苗91威，、用于发电泵统的£2电机或冃于規术灵址的水泵汀內列爪转速特性lit【线.就Rj〔分折为两着联接组咸为-牛証统时的拎性•这就足切f究庵轻机却沖一序r：
速特件iw钱的冃的.
七、风能利用系数最大值（贝茨）理论
质量为m的物体，以速度v运动时，该物体的动能为:
——J11V'
<5=7*
垠a在与咤7流方问ft的臬处取一就m出为占的任臣昶|[|||+如图3-9斯，」：
*蝴在申位対闸t毎秒>内通过此戡血的工佈休枳流址\-为,
曲5’【9取密行网内1*过戴|1||扎旳气$¥毎乍皿1牙
V-vA
栈y-弋鬲叮为L則炖战于此休枳的甲气流酮质为：
（■|V=ni'Av
rh
IS—!
；>般-Av即代衣4牟位时IhJ内通过崔戈1A加空4逹茁H仃[l'Jn.y.也训称为堆毎
I
W搴•此质量爭所打17的鬲Fit则治:
I用为A行一1fH所衣朋的是单付EHmn征秒）内流iX截皿IA的空H怖用T具fl的动能.所灯，也就尼劝申.
-J此*11似•如求设截丽A为讹轮机Sl转时叶片所1/1独的面积.则单位时间内遡过1<[轮机打掠IIIII枳m•亍气湎的剂淞•乜即UI轮机I忖功率将为t
」.一亍•八-V
风轮机MHM'Jk112f能戢.IMnift」坯irtUf,现轮乔山I的i乱辿比凤轮朮血的珂述故&=丸论仆折H岬1就轮后U-J"I速为进入风轮打掠山I以心（17班速[即未扰励风速）的寺
J
9
时•1'4轻（4#得M人能耐:
Ktl流剳們空气屮吸吹的为H石V的速度•所以仃效的
JJi试S率屉足“•A-（纟门”民此K轮机『1流功li勺它气屮获得的皿扎陡试■也即训覧嗖
"0
为fi用的机W功'母卩的员大佰d\_>为，,2..1,2,1.
仁」■n•—\fY“=1n•A•—V?
■•t=v>
3J"33
=护冷厂A2
弍笛一F"去明風轮从拥川所钱H<的“E司:
山通址K轮Jr掠an的±部Kfi£的比例的以A値为算也叩凶.3%.换f川舌丄也叩5仆=U.5以苗于此値杀山I贝茨首光寸出.股
/也松显茨赧k偵.
实际1一・从灾间込轲的凤霑（^机L斫测fj的机械珈—忑功率至数很少过过肚呀rr冈力痕电系吕*或风力泵木系络W„风一伦机旳HL蔽场率再H挽1龙电功率或胶泵罚率Hi,IIr传叨奥丙及发电机或忒泉本貝爲汹眈二「就分期半■史际|'1用的Q宰£进=步减小_机外■氓轮机aJA场中述屹到凤迪利凤帆波动的影响.可用功率将进减dv.
八、风轮机的输出功率曲线
如曲所述•风轮机的输出功率可农示成W时风速（通常采用短时期内风速的平均值宋代寿）的凶数.如式（5-3）所不•即，
P・一厂A-宀（；
曲于风轮机在风场屮受到风速及风向波动的影响•便冈轮机綸出的可用功率进一步减小•考虑到此I人I索•风轮机的输出功率公式对进一步写成：
V=可P♦A••Cp•r=•A•v'（Cp•1））
般T|rr0.7左右•按茨理论・Cp的域大值为59.3%・（、冲"・593X0.7q0.415^41%.而实际1:
aif从风轮机所获得的机械功率很少超过通过风轮机桨叶打掠面内凤確的40%.
V|
设：
V,——风轮机的始风遠.即凤轮机在人于此风速时开始输出功率；
V.——风轮机的额定风Ji*即风轮机在此风堆下输岀额定功率：
V。
——风轮机的截止风速•即风轮机在此风速F被列住。
这忏•凤轮机的输出功率依风速的变化可分为三段•即：
当v『VvVv。
时.
P=Pr=—p•A•V；•（Cp•Tp
P=0
:
bv>V。
时•
廿以图痒农示风轮机的输出功率依风速的变化情况.则如图5-10（3〉及图5-10UJ所示•却论卜.rr风迷低于斂定风速（即V们丈际1」4.轮机仅右风速高于起始风速（即v>Q时.才产生净功<输岀功率》・1帀在起始凤速与额尢风速Z间仃卩、P与、丫2间>・风轮机的输出功率曲线有看不同的形状.而疑中线性特性与风场中获得的试较数抵较接近.而fl应用趣来比较方便•如图510（h>所示.
在图5-10中•在风速大于额尢凤速但低于截止凤速（EPVr肘于线件«|出功率曲线•可求出冈轮机的输出功率为，
jy510（a）
国3—1创讪.風轮制I纯性揄
出珈扣111賞
<1—V,
扭川打弋（：
13》町以求岀平同!
乱速卜4L轮机怕W「时隊即:
V—7、
「八卄V—v,
J•仆=K「・计「•尹.丁£
九、风轮机的输出能量及可利用率
也第；H述的频率分布I第J1|V$.變凤連的H纵Hj何>>布:
八节亠规乂T帽7f\轮机的功*¥1出曲比・将这两百粘仟凡来就可"iI厲?
«■某午詞同止'时间内帆轻肌的恠出陸虽氏JI-■'］刈W1.K誓肌］：
」1出能砂臥川i：
V?
i.也I'Jy.,iij闰d:
也得出
（一川诵法
利用何注时顼歎分加*叫R稈斡岬不同心H的吹WA数+*功乂倫出沏线I"以it旬彳；冋H逮!
r41应曲输auJj4-•U秤；,<同订算出備同K速卜:
菜-H連吹H时蛀内听时的侖川能戢I即某風連卜卞L业帆的输出功部勺i妇观,i眉*垓吹凤时间的-亚枳•.擀所
仃不冋电谨F嗣鬧的¥t岀龍如IM加就训闻创凤轮H的皑输;h肚.乂设碱』闸堀率芬布曲駐“［■能M;内总戶逼如匸的斛析亍J即，
<-J3）
E—IV）*f＜V＞＜l\
试屮I：
为【q^机的耶i出奁|負.
如耐所述J血轮机只在屈Zij骰止凤述间込f诫时才6功举输岀■如果认为凤轮Fi：
!
的输出•〒一⑷ih）所示，即山血始一凤述到额丄J4,連2间-凤轮帆的输山功山零JfiW刊緬!
■＜伯*而祈钢i』船連到截十叹I速Z间錐持额宦输出功率不变+则式帖一mid写成*
L—心屮V）*f（V）・dvl>P,=I：
：
I?
：
'V*•ffv>*；ffV）•dv
（二＞图門〈法
用囲示法求叫純机的输出能量的y嘿如f':
I.杠凤速持纹剤间分布彩线C图5—卜氏出起始凤連O"■，额定风速2,卜及截11•尺速U-.H.（1:
11釧铁L找出相应的时側&（以标幺值去不｝一
T.戦給宦前屈抽凤速、珮注风速及截止随速.商伸:
棚啼的功F:
偷出W件仙我*4|1图5-11H门所-示『搖线件输出幼罕M纯绘出1
时I'n]I；布脑线K旳曲i枳（阴膨加外＞就代衷「皿轮机的輸;1【
玄蜡跚J;j魚输出特性11311线■将.14速M紘时同分拓NiF线挂U戍功率一时间分布曲线.如国「.一；Me＞忡I打、.则功淨能吊
N勺一M團示法求K轮机购俯出能嶺
taJ持菽田可寸布曲錢小丿瓦心愉出甘性曲弐2）功率时何廿估业一歿
从国示法町以看乩改变额宦I疽速或起箱锲速、S止帆赴皆対処轮机的输出能苹有业2响.聚邮凤逑胆低■戲止凤遠趣高r刚输11!
总龍帛越多，旬时瀰熾速逸得含适才能I吏阴谚囲积仪大：
图可I凤的峽虫足必颉迪过国帐f枳分■!
诫求間输岀fr^虽・这是比较”麻烦的
f三）W.轮机的吋利用奉
嵐枪机拂年的可利用率可按卜H汁A即；
<5-17>
SiGf'i
式屮SZ60——仝卡的时妆I茁弓＜21、
町利用軒=凤轮机£运疔时数,!
3%
填轮机」.你肘•如星风連趙过w轮机的一I:
作K越范国・或足发电机興然丿11掉负何.:
则都会导致风轮机超速・恵至造成風轮机的损坏•冈此风轮机槨装仃施口动阴止风轮机a速的保护1^置・以达到限制风轮丹速的n的.PR制风轮超速的方法is冇两种.一是利用字气动力阳力的方法，一足设法减小网轮的迎M.iii枳（也即足使风轮假侧）・氷平辆风轮机的保护装国为叶尖W尼板、扰AS、触桨机构以及风轮»倫或1：
口机构徐：
垂n轴贝轮机的保护装賈主姿足H1尼板.
（一＞叶尖R1尼板
叶尖阳尼板足安«亦水T轴风轮叶片尖部的RI尼装R.当凤轮正常运转时•它勺叶片的作用棚同.能产生升力严风轮超速时.则ffl绕风轮叶片纵向紬线«90*/ft.与凤轮fi转平・ito成垂貢位置•故能产生阳力.从rfu使风轮转連»卜*.
（二｝扰流器
扰《器足安装在只轮叶片上距叶尖斗叶片长/5位》上的阻尼装半风轮疋常运0
转时■扰iS器的两个端面分别与叶片I•下农面巫合：
半凤轮M速时•则张开逛忡到叶片外
曲•这样由于它与风轮旋转平ifiifn.产生了PH力•从向便凤轮转速降卜'來.
上述《种胆尼装置的动作一般足»风轮转动时的离心力rfu动件•也召根据叫轮转速1倩号由液压传劫系统或机械传动系统便阳尼装賣动fl的.gfis•称为te动式的・C者称为上动式的.
（Z＞顺桨机构
I所谓额桨是描风轮叶片技长方向与風向一致•也即冈*轮叶片的冲饰担近孝升力的状［占■风轮叶片腹桨也《于风轮变桨距捋制的二®分.即根期凤速戒转越的借号•通过液压变距或机W殛距机构来实现风轮的*貞桨既可出在犬以我电负ft时的紧急停车4；保护林用.也可用于轮机正常迖帝IM的停机，
（四）风轮M帕或上仰机构
水平轴園•轮机也育利用凤鬼《«机构、风轮上仰机构或安装在凤轮机传动轴丄的紧急制动闸*实现超連保护=关于风轮個侧的方法iWiSiLi介绍过.风轮匕仰机构般只用于小皑风轮机中急制动闸亦小空风轮机屮分动和n动制动两种.两看皆是利用抱W到乐的林理.阳5—17衣示这两种抱闸刹车的从理。
nl，
\剧车規
\一
Q—刹*Att
IB5-IZ小p何轮机儀哀制功W不怠na
冒5—17（叮EF动停牛：
.KF閻下拉刹车绳•则健动刹4匚带将剧t鼓紧紧抱住而实jftfTr*ra5-i7（i»/tn动停乍风速超过以宦的讯大拭a时.此时刹千凤板《大凤有力地推动（toW中头所示方向几从丽带动T?
>]V11杆.向杠村则抢动刹车绳向卜•井使制功刘弔帶累紧抱住別年最血实现口功停车.机饭凤板向枳的丈小与瞅足的址大风速偵Z间的配合关系可通过试脸方法确進.
在中里或大型水平轴凤轮机中的制动W足山液爪很油系统、制动闸卡钳以及安装在风轮主WI•的制动盘组成・如第一s«i2-1所示.•片大风超連时.由液爪犯动的制动k钳动fV将制动盘匸住•从而实现凤轮机的口动停吃.
（7门阳尼板
竜口轴畝轮机<例如达附厄型）的保护薮可上农足安装冇凤轮传动细I•的话总制动W及安装在城轮叶片上的阳尼板‘垂ft«凤轮机的制动M系统与水平轴的制动M系统原
理栩同.但除用液歩驱动外•济时也用电驰动万式.B1尼板足菲离心力动作的.*1大JAW速时•离心力增大到足以克服阳址板背血的弹黄拉«力肘，则ffl尼板打开，产生幅力.从闻便IA轮转煤降低.■般达咿，厄叫轮有2个成3个叶片，闵此这种风轮机l-.nHl2个或3个《尼板（■般毎个叶片上«卜阻圧板〉•但毎牛R1W板的艸«拉«力可以调整得不一样•这杆用皑板可以葡石凤速堆大（转au用局）而逐个打开.
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