風(fēng)力發(fā)電相關(guān)基礎(chǔ)知識第一頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五能量轉(zhuǎn)換風(fēng)能電能更進(jìn)一步風(fēng)能電能機(jī)械能第二頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五風(fēng)力發(fā)電基本原理：

用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn),再透過增速機(jī)將旋轉(zhuǎn)的速度提升,來促使發(fā)電。主要優(yōu)點(diǎn)：

第一，費(fèi)用低廉，建設(shè)周期短；第二，不需原料即可產(chǎn)生電力，除常規(guī)保養(yǎng)外，沒有其他消耗；第三，風(fēng)力是一種潔凈的自然能源，沒有環(huán)境污染問題。

第三頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五風(fēng)能發(fā)電的主要形式1、小型獨(dú)立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)單臺裝機(jī)容量約為100瓦-5千瓦，通常不超過10千瓦。風(fēng)力發(fā)電機(jī)＋充電器＋數(shù)字逆變器。因風(fēng)量不穩(wěn)定，須經(jīng)充電器整流，再對蓄電瓶充電。然后用有保護(hù)電路的逆變電源，把電瓶里的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成交流220V市電，才能保證穩(wěn)定使用。

2、并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變槳距控制、失速控制變極、變滑差、變速恒頻及低速永磁等新型發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)裝機(jī)容量可以達(dá)到600千瓦以上。不少國家建立了眾多的中型及大型風(fēng)力發(fā)電場，并實(shí)現(xiàn)了與大電網(wǎng)的對接。第四頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子葉片：捉獲風(fēng)，并將風(fēng)力傳送到轉(zhuǎn)子軸心。低速軸：風(fēng)電機(jī)的低速軸將轉(zhuǎn)子軸心與齒輪箱連接在一起。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相當(dāng)慢，大約為19至30轉(zhuǎn)每分鐘。齒輪箱：齒輪箱左邊是低速軸，它可以將高速軸的轉(zhuǎn)速提高至低速軸的50倍。高速軸：高速軸以1500轉(zhuǎn)每分鐘運(yùn)轉(zhuǎn)，并驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)：感應(yīng)電機(jī)或異步發(fā)電機(jī)。在現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)上，最大電力輸出通常為500至1500千瓦。

偏航裝置：借助電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)艙，以使轉(zhuǎn)子正對著風(fēng)。風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)本體和附件把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置發(fā)電機(jī)及電氣裝置把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能第五頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五第六頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五貝茲理論中的假設(shè)

——葉輪是理想的；——?dú)饬髟谡麄€(gè)葉輪掃略面上是均勻的；——?dú)饬魇冀K沿著葉輪軸線；——葉輪處在單元流管模型中，如圖。貝茲理論第七頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五流體連續(xù)性條件：S1V1=SV=S2V2第八頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五應(yīng)用氣流沖量原理葉輪所受的軸向推力：F=m(V1-V2)式中m=SV，為單位時(shí)間內(nèi)的流量質(zhì)量。葉輪單位時(shí)間內(nèi)吸收的風(fēng)能——葉輪吸收的功率為：P=FV=SV2(V1-V2)第九頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五2.動(dòng)能定理的應(yīng)用基本公式：E=1/2mV2（m同上）單位時(shí)間內(nèi)氣流所做的功——功率：P’=1/2mV2==1/2SVV2在

葉輪前后，單位時(shí)間內(nèi)氣流動(dòng)能的改變量：

P’=1/2SV(V21_V22)此既氣流穿越葉輪時(shí)，被葉輪吸收的功率。因此：SV2(V1-V2)=1/2SV(V21_V22)整理得：V=1/2(V1+V2)即穿越葉輪的風(fēng)速為葉輪遠(yuǎn)前方與遠(yuǎn)后方風(fēng)速的均值。第十頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五3.貝茲極限引入軸向干擾因子進(jìn)一步討論。令：V=V1(1-a)=V1–U則有：V2=V1(1-2a)其中：a——軸向干擾因子，又稱入流因子。U=V1a——軸向誘導(dǎo)速度。當(dāng)a=1/2時(shí)，V2=0，因此a<1/2。又V<V1，有1>a>0。a的范圍：?>a>0第十一頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五——由于葉輪吸收的功率為P=P’=1/2SV(V21_V22)=2SV13a(1-a)2

令dP/da=0，可得吸收功率最大時(shí)的入流因子。解得：a=1和a=1/3。取a=1/3，得Pmax=16/27(1/2SV13)注意到1/2SV13是遠(yuǎn)前方單位時(shí)間內(nèi)氣流的動(dòng)能——功率第十二頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五由空氣動(dòng)力學(xué)特性可知,通過葉輪旋轉(zhuǎn)面的風(fēng)能不能全部被葉輪吸收利用,可以定義出一個(gè)風(fēng)能利用系數(shù)CP。于是最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax為：Cpmax=Pmax/(1/2SV13)=16/270.593此乃貝茲極限。第十三頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五葉素理論第十四頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五第十五頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五第十六頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五第十七頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五基本思想將葉片沿展向分成若干微段——葉片元素——葉素；視葉素為二元翼型，即不考慮展向的變化；作用在每個(gè)葉素上的力互不干擾；將作用在葉素上的氣動(dòng)力元沿展向積分，求得作用在葉輪上的氣動(dòng)扭矩與軸向推力。第十八頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五還有另一個(gè)重要的參數(shù)葉尖速比λ,即葉輪的尖速度與風(fēng)速之比:風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)匹配問題第十九頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五第二十頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五風(fēng)能利用系數(shù)Cp不是一個(gè)常數(shù),它隨著風(fēng)輪轉(zhuǎn)速以及風(fēng)輪葉片(攻角、槳距角等)變化不同風(fēng)速下的風(fēng)輪輸出機(jī)械功率隨風(fēng)輪轉(zhuǎn)速而變化。對于每一風(fēng)速總存在一個(gè)最大輸出功率點(diǎn)第二十一頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五第二十二頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五第二十三頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五永磁同步發(fā)電機(jī)性能數(shù)學(xué)模型稀土永磁直流發(fā)電機(jī)功率和轉(zhuǎn)矩可寫為:第二十四頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五第二十五頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五第二十六頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五從理論上講,要想使風(fēng)力機(jī)達(dá)到最佳的匹配,就應(yīng)使配套發(fā)電機(jī)功率-轉(zhuǎn)速曲線與曲線A重合,使轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線與曲線B重合。通過對發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)做出調(diào)整，使得兩組曲線盡量匹配。調(diào)整方法：1、調(diào)整繞組：繞組匝數(shù)、線徑等2、調(diào)節(jié)磁場：磁通量等第二十七頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五風(fēng)輪輸出功率控制方式失速控制在轉(zhuǎn)速不變的條件下，風(fēng)速超過額定植后，葉片發(fā)生失速，將輸出功率限制在一定范圍內(nèi)。失速定義由于氣流沖角過大而造成壓氣機(jī)葉片背弧上附面層嚴(yán)重分離，以致壓氣機(jī)性能嚴(yán)重下降甚至喪失功能的現(xiàn)象。第二十八頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五變槳距調(diào)節(jié)變速風(fēng)機(jī)中，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速可變，即葉尖速度可變。低于額定風(fēng)速時(shí)保持槳距不變，和風(fēng)速保持比例關(guān)系，即保持在最佳葉尖速比，數(shù)值在6~8之間，以獲得最佳功率系數(shù)。高風(fēng)速時(shí)，對葉片的槳距角控制以限制風(fēng)輪的氣動(dòng)效率。最佳槳距角在額定風(fēng)速以下為零，額定風(fēng)速以上槳距角對風(fēng)速增大而增大。第二十九頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五并網(wǎng)發(fā)電機(jī)工作方式恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)——失速控制變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)——變槳距調(diào)節(jié)從風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行原理可知，這就要求風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速正比于風(fēng)速并保持一個(gè)恒定的最佳葉尖速比，從而使風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能