提高大型风力发电机组发电量的研究

内蒙古石油化工　２０１３年第２期　提高大型风力发电机组发电量的研究　孙建英　，刘志华　（１．内蒙占农业大学机电工程学院；２．呼和浩特热电厂，内蒙古呼和浩特０１００１０）　摘　要：风能不可能全部转化为机械能，风轮从自然界中所获得的能量是有限的，在风速不同的情　况下．以计算方法得出风力机输出、转子速度、功率系数和叶尖速比之间的关系，尽可能实现最大限度的　摘获Ｊ工乙能。　关键词：风力机；理论风能利用系数；发电机功率；　中图分类号：ＴＫ８３　文献标识码：Ａ　文章编号：１。０６—７９８１（２０１３）０２一ｏ０１６一Ｏ２　１　风力发电机组运行中的风力机　川　ｊ｛ｌ有能　，即风能，但自然界的风能不便于利　风力机就是一种能把风能转变成所需要的机　建立了著名的风能转化理论，即贝茨理论，下面作简　要介绍。　假定风轮是理想的，理想风轮的气流模型如下　图２所示。图中，Ｖ　是风轮上游的风速，Ｖ是通过风　轮的风速，Ｖ　是风轮下游的风速。通过风轮的气流　其上游截面为Ｓ　，下游截面为Ｓ：。由于风轮所获得的　能量是山风能转化得到的，所以Ｖ：必定小于Ｖ　，因　而通过风轮的气流截面积从上游至下游是增加的，　即Ｓ　大于Ｓ　。　械仃妊、　能、热能等　他形式能量的风能转换装置。　１．】　风能转换的基本原理——贝茨理论　人们通过长时问的科学实践发现，如果将一块　撕扳搁放在气流中，并且与气流方向呈一个角度Ｉ　（　你７ｌｌｌ角）时，作川在翼形上的气动力如图１所示：　Ｆ＿ｊ　Ｂ　图１作用在翼形上的气动力　Ｄ　则沿气流方向将产生一个正面阻力Ｆ和一个垂　Ｊ—Ｌ－ｔ　Ｃ流方向的升力Ｆ，其值分别山下式确定：　Ｆ【Ｊ一１／２ｃｄｐＳＶ　（１）　Ｆ　一１／２ＣｌＳＶ　（２）　图２理想风轮的气流模型　自然界中的空气流动可认为是不可压缩的，由　连续流动方程可得　ＳｌＶ１＝ＳＶ—Ｓ２Ｖ２　（３）　式ｌｌｌＩ：Ｃａ和Ｃ　——由实验得出的薄板随冲角Ｉ　而变化的阻力系数和升力系数；　Ｓ…＿＿薄板的面积；　由动地方程，可得作用在风轮上的气动力为　Ｆ—ＳＶ（Ｖ１一Ｖ２）　（４）　ｐ－－～空气的质量密度；　Ｖ～，　所以风轮吸收的功率为　Ｐ＝ＦＶ：ｐＳ　Ｖ２（Ｖ１一Ｖ２）　（５）　气流速度。　以风轮作为风能收集器的风力机，如果由作　故上游至下游动能的变化为　０．５ｐＳＶ（Ｖ１２一Ｖ２　）　（６）　川ｒ风轮叶片的阻力Ｆ而使风轮转动，称为阻力风　轮，哉１日传统的风车通常为阻力型风轮；若由升力Ｆ　ｍ　使风轮转动．则称为升力型风轮，现代风力机一般　那｝ｉ．］ｔｔｔｔ　力型风轮。无论采，｝】何种风轮，都不可能将　风能个部转化为机械能。德圆科学家贝茨于ｌ９２６年　收稿日期：２Ｏｌ２一ｎ一２５　由能量守恒定律，可知风轮吸收的功率（５）和一ｈ　游至下游动能的变化（６）相等，则有　Ｖ一０．５（Ｖｌ＋Ｖ２）　（７）　因此，作用在风轮上的力和提供的功率可写为　２０１３年第２期　孙建英等　提高大型风力发电机组发电量的研究　１７　Ｆ：０．５ｐＳＶ（Ｖ１　一Ｖ２　）　（８）　１　一０，２５ｐＳ（Ｖｌ　一Ｖ２。）（Ｖ１＋Ｖ２）　（９）　对于给定的上游速度Ｖ，可写出以Ｖ为函数的　功牢变化关系，将功率表达式Ｐ微分可得，当Ｖ　一　Ｖ　／３时，功率Ｐ可达到最大伍，即　Ｉ’　一８／２７ｐＳＶ　（１０）　将　Ｌ式除以气流通过扫风面Ｓ时所具有的动　能，可得到风轮的理论最大效率（或称理论风能利用　系数）　Ｔ）　ｌ－　１　ｍ　ａｘ　一　ｍｘ一　≈０・５９３　（１１）　上面所述就是著名的贝茨理论，它说明风轮从　ｆＩ然界　ｆＩ所获得的能量是有限的，理论上最大值为　０．５９３，＝ｌ乓损失部分可解释为留在尾迹中的气流旋转　动能。凶此，能量的转换将导致功率的下降，它随所　采ＪＩｊ的风力机和发电机的形式而异，其能量损失约　为坡＿人输出功率的１／３，也就是说，实际风力机的功　牢必定小：Ｊ：０．５９３。因此，风力机实际能得到的有用　功　牛‘足　Ｉ　一０．５ＣｐｐＳＶ１。０２）　式ｔｆＩ的ＣＰ是风力机的风能利用系数，它的值必　定小于贝茨理论极限值０．５９３。　１．２风力机的特征系数　为便于比较风力机的性能和结构特征，通常采　川以下无因次特征系数表示。　①风能利用系数Ｃ　风能利用系数的物理意义，是风力机的风轮能　够从自然风能中吸取能量与风轮扫过面积内未扰动　流所具风能的百分比。风能利用系数Ｃ可用下式　＆示　ｐ　Ｃｐ　（１３）　式。　Ｐ——风力机实际获得的轴功率，Ｗ；　ｐ——空气密度，ｋｇ／ｍ；　Ｓ——风轮扫风面积，ｉｎ　；　Ｖ——上游风速，ｍ／ｓ。　理慰风力机的风能利用系数Ｃ的最大值是０．　５【］３　即贝茨理沧极限值。Ｃ值越大，表示风力机能够　从ｆｊ然界ｔｆ—ｔ获取的能量百分比也越大，风力机的效　率越粥，即风力机对风能的利用率也越高。对实际应　川的风力机来说，风能利用系数主要取决于风轮叶　片的气动和结构设计以及制造工艺水平。　②叶尖速比　为了表示风轮运行速度的快慢，常用叶片的叶　尖　刷速度与来流风速之比米描述，称为叶尖速比　＾一—　７＿一　一一　７＿一　　（１４）１　／　式ｔ　ｎ——风轮的转速，ｒ／ｍ；　Ｒ一一叶尖的半径，１ＴＩ；　Ｖ——上游风速，ｍ／ｓ；　ｃｏ——风轮旋转角速度，ｒａｄ／ｓ。　⑧扭矩系数和推力系数　为便于把气流作用下同类风力机产生的扭矩和　推力进行比较，常以　为变量作为扭矩和推力的变　化曲线。扭矩系数用ＣＭ表示，推力系数用Ｃ　表示　Ｍ　２Ｍ　…、　Ｍ一　ｐＶ——２Ｓ　Ｌｌｂ　Ｊ　Ｆ　２Ｆ　一　一ｐＶ——２Ｓ　式中：Ｍ——扭矩，Ｎｍ；　Ｆ——推力，Ｎ。　高速风力机的输出功率大，扭矩系数小，适合于　风力发电；低速风力机的输出功率系数小，扭矩系数　大，适合于低速高扭矩的风力发电。　④工作风速与功率的关系　风力机的实际输出功率受到一些条件的限制。　风力机启动时，需要一定的最低扭矩，风力机的启动　扭矩不能小于这一最低扭矩。而启动扭矩主要与叶　轮安装角和风速有关，因此风力机有一个最低工作　风速。当风速超过技术上规定的最高值时，基于安全　方面的考虑Ｃ－ｋ要是塔架安全和风轮强度），风力机　应立即停车，所以每一风力机都要规定最高风速。风　力机达到标称功率输出时的风速称为额定风速　如果增大发电机的额定功率，可以更有效地利　用含能量大的高风速；如果提高风力机的工作风速，　在转速变化的情况下，功率按速度的三次方增加，但　受发电机额定功率的限制，不可增加的太多。为使供　电频率稳定和出于安全方面的考虑，风力机应尽可　能以稳定的或变化很小的转速工作。所以风力机就　不可能在任何风速下都以最佳的功率系数和叶尖速　比工作。在固定的额定转速下，ｃ值与　无关，而是　取决于风速Ｖ。应指出的是，风力机的额定工作风速　直接影响风力机的年输出能量，应根据风力机安装　位置的年平均可利用风速合理确定额定工作风速，　以达到最佳的能量生成。　［参考文献］　Ｅ１］　官靖远．风电场工程技术手册［Ｍ］．北京：机械　工业出版社，２００４，（３）：５１～２２４．　Ｅ２］　孔宪文，高峰．提高风力发电机组发电量的研　究［Ｊ］．东北电力技术，２００２．　［３］　王承煦，张源．风力发电［Ｍ］．北京：中国电力　出版社，２００２，（８）：１～８４．　［４］　叶启明．大型风力发电机组系统的结构与特点　［Ｊ］．科技信息，２００２．