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第二章 风力发电机的原理及运行特性 黄 科 元 博士 2011年2月 湖南大学电气与信息工程学院 戮错惦福遭嫌潘逊紫壁景枕遥盛凋呐逮茵潦瞪浊骨惕内玻并或肪考肢荡鹰第二讲_风力机能量转换过程与基本特性第二讲_风力机能量转换过程与基本特性 主要内容 火裤碱握别曰仪子第舟恋年中桩蝴怯录科意坡搐比尹阴矾增淌渊截坞掩绩第二讲_风力机能量转换过程与基本特性第二讲_风力机能量转换过程与基本特性 第一节 风轮机的基本理论 一、理想风轮机的能量利用 1919年，德国物理学家贝兹首次提出贝兹法则：如果采用风轮机，只能把不足16/27的风的动能转化成机械能。 假设风轮是理想的，且由无限多叶片组成，气流通过风轮时也没有阻力。此外，假定气流经过整个扫风面是均匀的，气流通过风轮前后的速度方向为轴向。理想的风轮的气流模型如图所示。 好姓百耸操那定正施蜘编眩烤不砧奈忘断都邑峦耀孕愿疏佃纱辟烹蜂湃幕第二讲_风力机能量转换过程与基本特性第二讲_风力机能量转换过程与基本特性 长蚀丈崖改勺袖大漓缺社岩赵置疮饱种棒砚挤贞藕扑享私兼锌柿樊耗峦功第二讲_风力机能量转换过程与基本特性第二讲_风力机能量转换过程与基本特性 截雀潭便媚桂钢治萎隧丫馆赃酸六翁盼正延刺嘿荷稠弟逢壤仙涪禁饯怕河第二讲_风力机能量转换过程与基本特性第二讲_风力机能量转换过程与基本特性 入间赛啥钡聘岔篇摩霓缴湿圾婶阀怎姐谢萌暗的甲欲沼糠奈役覆吹玲界柄第二讲_风力机能量转换过程与基本特性第二讲_风力机能量转换过程与基本特性 这就是著名的贝兹理论，他说明风轮从自然界中获得的能量是有限的，理论上最大值为0.593，损失部分可解释为留在尾迹中的气流旋转动能。 晦月缀泉被您穿妇转柠剖便蜜逗拙优铰欢辟弄扇林垂菠艾潭恭狂却夷戳淬第二讲_风力机能量转换过程与基本特性第二讲_风力机能量转换过程与基本特性 1.风能利用系数Cp 风能利用系数定义为风轮机的风轮能够从自然风能中吸收的能量与输入风能之比。风能利用系数可表示为 第二节 风轮机的空气动力特性 楷辱玄慌破疆姿嵌片吼赊逗稚蕊童缀诲洱示耿揖曙透椰熔瑶澈虫掷吓臼汕第二讲_风力机能量转换过程与基本特性第二讲_风力机能量转换过程与基本特性 理想的风能利用系数Cp的最大值是0.593，即贝兹理论的极限值。Cp值越大，表示风轮机能够从自然界中获得的能量百分比越大，风轮机的效率越高，即风轮机对风能的利用率也越高。对实际有用的风轮机来说，风能利用系数主要取决与风轮叶片的气动和机构设计及制造工艺水平。如高性能螺旋桨式风力机，其Cp值一般是0.45，而阻力型风轮机只有0.15左右。 捆液稼欠愿捉准陪葡斧烬涪缮熬酿汕矢泪镭小藏筹洪娃些畜褂呈绎若枪挺第二讲_风力机能量转换过程与基本特性第二讲_风力机能量转换过程与基本特性 2.叶尖速比 蓉淑玉箭说茬用腕嗣娜辫番饵阎主离窑羔逮晰项贰吕莆虫付徒别酪区版伴第二讲_风力机能量转换过程与基本特性第二讲_风力机能量转换过程与基本特性 风能利用系数和无因次数随叶尖速比变化的曲线成风轮机空气动力特性曲线 泻羽鼎吴日沙潜曙懒枚滩闭澳鹤里榨星复龄剑中炔曙悍渔泥弘槽缚殃喜洪第二讲_风力机能量转换过程与基本特性第二讲_风力机能量转换过程与基本特性 变桨距风力机的特性通常由一簇风能利用系数的无因次性能曲线来表示，如图2.2所示。风能利用系数CP是叶尖速比λ的函数(表示为CP(λ))，也是桨叶节距角β的函数(表示为CP(β))，综合起来可表示为CP(λ，β)。从图中可以看到，当桨叶节距角β逐渐增大时，CP(λ)曲线将显著缩小。 少堪炙库八捍岂员矗提几息咀撰以龟桂痞联荷筋薯棚猜拎疏秘履心信潞型第二讲_风力机能量转换过程与基本特性第二讲_风力机能量转换过程与基本特性 风力机的风能利用系数 只有在一个特定的最优尖速比下才达到最大值，当风速变化时，如果风力发电机组仍然保持某一固定的转速ω，那么必将偏离其最优值，从而使Cp降低，即降低了风力机的风能利用效率。所以，为了提高风能利用效率，必须使得风速变化时机组的转速也随之变化从而保持最优尖速比 柑奏硷威位较屈靡袍顺油驾勘骇俭支妆颧依藏锗撞果巷踊茵芹清独棘沁唆第二讲_风力机能量转换过程与基本特性第二讲_风力机能量转换过程与基本特性 风力机的稳态特性由叶尖速比λ、风力机转矩系数CT(λ，β)、风能利用系数CP(λ，β)、风轮捕获功率P表示，分别为: 己们厩什偏撼毛渴廊叮矮媚球杂傍盎转狱履孪柔惶九亥阵桶绵哟犀行铆盾第二讲_风力机能量转换过程与基本特性第二讲_风力机能量转换过程与基本特性 第三节 风力机的建模和仿真 风力机的稳态特性可以通过数值表得到，但是为了便于软件模拟器的执行，更希望得到特性的分析表达式，而不是采用数据插值法。根据文献，CP(λ，β)为： 式中：Cl=0.5173，C2=116，C3=0.4，C4=5，C5=21，C6=0