風電機組及控制系統1內容基礎導論E-WT風力發電機組控制風光互補發電系統控制2基礎導論●歷史、現狀與發展趨勢●風力機的基本理論●風力發電機組控制系統3風力機空氣動力學基礎

風力發電機工作過程描述

風力發電機（以下簡稱風力機）是一種將風能轉換為電能的能量轉換裝置。4風力機的系統圖：

風電力進一步有：風電力

風力發電機

傳動系

發電機

葉輪5空氣動力學的基本概念

空氣動力學主要研究空氣流過飛行器外部時的運動規律。流線氣體質點：體積無限小的具有質量和速度的流體微團。流線：——在某一瞬時沿著流場中各氣體質點的速度方向連成的一條平滑曲線。——描述了該時刻各氣體質點的運動方向：切線方向。——一般情況下，各流線彼此不會相交。——流場中眾多流線的集合稱為流線簇。如圖所示。繞過障礙物的流線:——當流體繞過障礙物時，流線形狀會改變，其形狀取決于所繞過的障礙物的形狀。67——不同的物體對氣流的阻礙效果也各不相同。我們考慮這樣幾種形狀的物體，它們的截面尺寸相同，但對氣流的阻礙作用（用阻力系數度量）各異。8阻力與升力

當氣流與物體有相對運動時，氣體對物體有平行于氣流方向的作用力——阻力。現在來定性地考察一番飛機機翼附近的流線。當機翼相對氣流保持圖示的方向與方位時，在機翼上下面流線簇的疏密程度是不盡相同的。考察二維翼型氣體流動的情況。根據流體運動的質量守恒定律，有連續性方程：A1V1=A2V2=A3V3其中A、V分別表示截面積和速度。下標1、2、3分別代表前方或后方、上表面和下表面處。——上翼面突出，流場橫截面面積減小，空氣流速增大，V2>V1。而由伯努利方程：

9P=P0+1/2*V2必使P2<P1，即壓力減小。——下翼面變化較小，幾乎保持原來的大氣壓。

結論：由于機翼上下表面所受的壓力差，使得機翼得到向上的作用力——升力。10貝茲理論貝茲理論中的假設

——葉輪是理想的；——氣流在整個葉輪掃略面上是均勻的；——氣流始終沿著葉輪軸線；——葉輪處在單元流管模型中，如圖。11

——流體連續性條件：S1V1=SV=S2V22.應用氣流沖量原理葉輪所受的軸向推力：F=m(V1-V2)式中m=SV，為單位時間內的流量質量。葉輪單位時間內吸收的風能——葉輪吸收的功率為：P=FV=SV2(V1-V2)12動能定理的應用基本公式：E=1/2mV2（m同上）單位時間內氣流所做的功——功率：P’=1/2mV2==1/2SVV2在

葉輪前后，單位時間內氣流動能的改變量：

P’=1/2SV(V21_V22)此既氣流穿越葉輪時，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)即穿越葉輪的風速為葉輪遠前方與遠后方風速的均值。13貝茲極限引入軸向干擾因子進一步討論。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——軸向誘導速度。討論：——當a=1/2時，V2=0，因此a<1/2。又V<V1，有1>a>0。a的范圍：?>a>0

14——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是遠前方單位時間內氣流的動能——功率，并定義風能利用系數Cp為：Cp=P/(1/2SV13)于是最大風能利用系數Cpmax為：Cpmax=Pmax/(1/2SV13)=16/270.593此乃貝茲極限。15葉素理論一、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；作用在每個葉素上的力互不干擾；將作用在葉素上的氣動力元沿展向積分，求得作用在葉輪上的氣動扭矩與軸向推力。二、葉素模型端面：——槳葉的徑向距離r處取微段，展向長度dr。——在旋轉平面內的線速度：U=r。16翼型剖面：——弦長

C，安裝角。——設V為來流的風速，由于U的影響，氣流相對于槳葉的速度應是兩者的合成，記為W。17——定義W與葉輪旋轉平面的夾角為入流角，記為，則有葉片翼型的攻角為：=-。三、葉素上的受力分析在W的作用下，葉素受到一個氣動合力dR，可分解為平行于W的阻力元dD和垂直于W的升力元dL。另一方面，dR還可分解推力元阻力元dF和扭矩元dT，由幾何關系可得：dF＝dLcos+dDsin

dT＝r(dLsin-dDcos)18由于可利用阻力系數CD和升力系數Cl分別求得dD和dL:

dL

=1/2

C