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风电技术基础风力发电原理

作者:lol菠菜 发布时间:2020-09-01 03:12 点击:

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  1 风力发电原理 ? ? 风中蕴含的能量 风电机组将风的动能转化为机械能并进而转化为电能。从动能到机械能的 转化是通过叶片来实现的,而从机械能到电能则是通过发电机实现的。 ? ? ? ? ? 1 1 动能 E ? mv 2 ? ?Adsv 2 2 2 空气的质量 空气密度随着空气压力的增大而增大,随着温度的升高而减小: ? 冷空气比热空气密度大(热气球升空就是利用的这个原理)。在普通大气 压力和20°C 温度的条件下每立方米空气的质量是 1.204 kg ;在 -10°C 的温度下,每立方米空气重 1.342 kg,比常温下重了11%。 也就是说,同 样的风速同样的风电机,-10 °C冷风比 20 °C热风能够多产生11%的电 能。 ?单位体积的空气,密度大的比密度小的要重,也含有更多的能量。高压地 区(1020hPa)的空气密度比低压地区(980hPa)的空气密度大,单位体 积重量也大。 中能联创-夏晖 2 风力发电原理 ? ? 一台2MW的风电机叶片半径在40米左右。在普通空气密 度下,温度10°C,风速6米/秒(= 21 km/h)的情况下, 风电机的功率是780KW。在这个风速下,每秒流经风电 机的空气是43吨。其中所蕴含的能量相当于一辆小型货 车(2.5吨重)开90公里/小时的时候,或者一台小轿车 (700公斤)开170公里/小时的时候的能量。 当风速达到18米/秒(= 65 公里/小时)的时候,每秒流 经风电机的空气大约是110吨。风速增长到3倍,但风的 功率却要增长到3的3次方倍,也就是27倍。这个时候风 的功率大约是21兆瓦。 中能联创-夏晖 3 风能转化为机械能 升力型和阻力型风力机 ? 风会对切割它移动方向上的任意面积A 形成一 个力,这个力就是阻力。阻力型机器利用阻力 产生动力。 ? 中能联创-夏晖 4 阻力型风力机 ? ? ? ? ? 阻力与下面的参数成比例关系: 风速 U 的平方 1 FD ? CD [ ? (U ? ?r ) 2 A] 切割面积 A 2 该面积的阻力系数 CD 空气密度 ρ 中能联创-夏晖 5 阻力型风力机 中能联创-夏晖 6 古波斯的风力机 中能联创-夏晖 7 阻力型风力机 1922年,芬兰工程 师 S. J. Savonius发 明了 Savonious风机 中能联创-夏晖 8 阻力型风力机 ? ? 风杯风速仪也是利用阻力原理来实现的。风杯风速计上风杯的CD-值分 别是1.33和0.33(迎风时和背风时)。风杯迎风时的阻力要比背风时的 阻力大很多,所以风杯风速计才会迎风旋转。 通过阻力定律来运动的转子无法转动的比风速更快(增速值小于1), 属于亚风速转子。这种转子能量损失较大,功率系数(流体动力学上的 作用参数)非常小。(波斯风车大概0.17,风杯风速计大概0.08) 中能联创-夏晖 9 升力型风力机 水平轴HAWT, 丹麦理念 ? 上风向恒转速风轮、 ? 失速功率控制、 ? 叶尖气动刹车+机 械刹车 中能联创-夏晖 10 升力型风力机 垂直轴风力机VAWT, 达里厄Darrieus 中能联创-夏晖 11 升力型风力机 水平轴HAWT, 美国多叶片 中能联创-夏晖 12 中能联创-夏晖 Ref: 升力型风力机 ? 根据伯努利方程,在同一高度上,叶片的底面或者 顶面的动态压力和静态压力和平衡。由于顶端的空 气流动比底端的快,从而使顶端产生低压,而底部 产生高压:这就是飞机飞行的原理,也是风电机叶 片转动的原理。 中能联创-夏晖 14 贝茨理论 ? ? ? 风电机叶片无法将风能量的100%转化为机械能。风电机的转化效率是有极限的。 德国物理学家阿尔伯特贝茨 (1885-1968) 在1920年计算了风电机转化效率的最 大可能值,并在1926年公开发表。 理论风能利用系数(Betz极限) 8 ? Av13 Pmax 16 27 ? max ? ? ? ? 0.593 1 3 1 3 ?v1 A ?v1 A 27 2 2 中能联创-夏晖 15 贝茨的假定条件 理想风轮:无轮毂、无限多叶片、气流流过风轮 无阻力; ? 气流流过风轮是均匀的,在风轮前后的速度为轴 向。空气是不可压缩的。 ? 中能联创-夏晖 16 基本原理 ? 风能利用系数 0.7 0.6 cp: 0.5 0.4 cp 0.3 0.2 0.1 0 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 v2/v1 c p max 16 ? ? 0.593 27 v2 1 ? v1 3 中能联创-夏晖 17 基本原理 ? 风电机功率: ? cp 1 3 Pw ? c p ?Av1 2 依赖以下因素: ?尖速比λ:叶片叶尖线速度与风速的比值; ?叶片数量:2-3片 ?叶片角度:攻角 ?翼型设计:优良的翼型提高效率 中能联创-夏晖 18 基本原理 理想Betz效率 中能联创-夏晖 19 CP – λ曲线 ? 中能联创-夏晖 20 基本原理:实际各种风机效率 理想值 c p max ? 0.593 Three blades American Darrieus Two blades One blade Dutch-Type 中能联创-夏晖

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