任务四
风力发电的基本原理和基本理论

任务描述

风电机组通过叶轮吸收空气中的动能并将其转化为机械能进而转化为电能。通过本任务的学习，掌握与风力发电有关的空气动力学基本概念和理论，包括贝茨理论、叶素理论，并探讨其中的能量转换规律，掌握水平轴风力发电机组的结构和安装。

知识链接

1.风力发电的工作过程

风力发电机组的工作过程比较简单，最简单的风力发电机组可由风轮和发电机构成，风轮在风力的作用下旋转，把风的动能转变为风轮轴的机械能，如果将风轮的转轴与发电机的转轴相连，发电机在风轮轴的带动下旋转发电。现代风力发电的原理是空气流动的动能作用在风力机风轮上，推动风轮旋转，将空气的动力能转变成风轮旋转的机械能，风轮的轮毂固定在风力机轴上，通过传动系统驱动风力发电机轴及转子旋转，风力发电机将机械能转变成电能送给负荷或者电力系统，这就是风力发电的工作过程，如图1.24所示。

2.风力机设计基础

1）风力机空气动力学的几何定义

风力机空气动力学主要研究空气流过风力机时的运动规律。

（1）风轮的几何参数

有关风轮的几何参数如图1.25所示。

①风轮轴线：风轮旋转运动的轴线。

②旋转平面：与风轮轴垂直，叶片在旋转时的平面。

③风轮直径：风轮在旋转平面上的投影圆的垂直距离，如图1.26所示。

④风轮中心高：风轮旋转中心到基础平面的垂直距离，如图1.26所示。

⑤风轮扫掠面积：风轮在旋转平面上的投影圆面积。

⑥风轮锥角：叶片相对于和旋转轴垂直的平面的倾斜角，如图1.27所示。

⑦风轮仰角：风轮的旋转轴线和水平面的夹角，如图1.27所示。

⑧叶片轴线：叶片纵向轴线，绕其可以改变叶片相对于旋转平面的偏转角（安装角）

⑨风轮翼型（在半径 r 处的叶片截面）：叶片与半径为 r 并以风轮轴为轴线的圆柱相交的截面。

⑩安装角（桨矩角）：在叶片径向位置叶片翼型弦线与风轮旋转间的夹角 β 。

（2）翼形的几何参数

①前缘与后缘：翼型的尖尾点 B 称为后缘，圆头上的 O 点称为前缘。

②翼弦：连接前后缘的直线 OB 称为翼弦。 OB 的长度称为弦长，记为 C 。

③翼形上表面（上翼面）：凸出的翼形表面 OMB 。

④翼形下表面（下翼面）：平缓的翼形表面 ONB 。

⑤翼形的中弧线：翼形内切圆圆心的连线，对称翼形的中弧线与翼弦重合。

⑥厚度：翼弦垂直方向上下翼面间的距离。

⑦弯度：翼形中弧线与翼弦间的距离。

⑧攻角：气流相对速度与翼弦间所夹的角度，记作 α ，又称迎角、冲角。

2）流线概念

（1）气体质点：体积无限小的具有质量和速度的流体微团。

（2）流线：在某一瞬间沿着流场中各气体质点的速度方向连成的平滑曲线。流线描述了该时刻各气体质点的运动方向，一般情况下，各个流线彼此不会相交。

（3）流线簇：流场中众多流线的集合称为流线簇，如图1.29所示。

当流体绕过障碍物时，流线形状会改变，其形状取决于所绕过的障碍物的形状。不同形状的物体对气流的阻碍效果各不相同。

3）阻力与升力

（1）升力和阻力的实验。把一块板子从行驶的车中伸出，只抓住板子的一端，板子迎风边称为前缘。把前缘稍稍朝上，会感到一种向上的升力，如果把前缘朝下，就会感到一个向下的力，在向上和向下的力之间有一个角度，不产生升力，称为零升力角。在零升力角时，会产生很小的阻力。而升力和阻力是同时产生的，将板子的前缘从零升力角开始慢慢地向上转动，开始时升力增加，阻力也增加，但升力比阻力增加得快得多，到某一个角度后，升力突然下降、但阻力继续增加，这时的攻角大约为20°，板子已经失速。如图1.30所示。

（2）升力和阻力产生的原理。当气流与机翼有相对运动时，气体对机翼有垂直于气流方向的作用力——升力，以及平行于气流方向的作用力——阻力，如图1.30所示。当机翼相对气流保持图示的方向与方位时，在机翼上下面流线簇的疏密程度是不尽相同的。

①根据流体运动的质量守恒定律，有连续性方程：

式中， A ， v 分别表示机翼的截面积和气流的速度。下角标1，2，3分别代表远前方或远后方，上表面和下表面处。如图1.29所示。

②根据流体运动的伯努利方程，有

式中， P ₀ ——气体总压力；

P ——气体静压力。

下翼面处流场横截面面积 A ₃ 变化较小，空气流速 v ₃ ≈ v ₁ ，因此，静压力 P ₃ ≈ P ₁ 。

上翼面突出，流场横截面面积减小，空气流速增大， v ₂ > v ₁ ，使得 P _{2 <} P ₁ ，即压力减小。

机翼运动时，机表面气流方向有所变化，在其上表面形成低压区，下表面形成高压区，合力向上并垂直于气流方向。

在产生升力的同时也产生阻力，风速因此下降。

4）翼型的空气动力特性

（1）作用在机翼上的气动力

风力机的风轮一般由2~3个叶片组成。下面先考虑一个不动的翼型受到风吹的情况。

设风的速度为矢量 v ，风吹过叶片时在翼型面上产生压力如图1.31所示。上翼面压力为负，下翼面压力为正。它们的差实际上指向上翼面的合力，记为 F ， F 在翼弦上的投影称为阻力，记为 F _D ，而在垂直于翼弦方向上投影称为升力，记为 F _L ，合力 F 对其他点的力矩，记为气动力矩 M ，又称为扭转力矩。

合力 F 可用式（1.19）表示：

式中， ρ ——空气密度；

S ——叶片面积；

C ——总的气动力系数。

升力 F _L 为

阻力 F _D 为

（2）翼型剖面的升力和阻力特性

为方便使用，通常用无量纲数值表示翼剖面的启动特性，故定义几个气动力系数。

升力系数：

阻力系数：

翼型剖面的升力特性用升力系数 C _L 随攻角 α 变化的曲线（升力特性曲线）来描述，如图1.32（a）所示。

当 α =0°时， C _L >0，气流为层流。

当 α ₀ = α _CT （15°）左右， C _L 与 α 呈近似的线性关系，即随着 α 的增加，升力 F _L 逐渐加大，气流仍为层流。

当 α=α _CT 时， C _L 达到最大值 C _Lmax ， α _CT 称为临界攻角或失速攻角。 α > α _CT 时， C _L 将下降，气流变为紊流。

当 α=α ₀ 时（<0°）时， C _L =0，表明无升力。 α ₀ 称为零升力角，对应零升力线。

翼型剖面的阻力特性用阻力系数 C _D 随攻角 α 变化的曲线（阻力特性曲线）来描述，如图1.32（b）所示。

当 α > α _CDmin 时， C _D 随攻角 α 的增加而逐渐增大。

当 α=α _CDmin 时， C _D 达到最小值 C _Dmin 。

3.风力机基本理论

1）贝茨理论

（1）贝茨理论的假设

贝茨理论是世界上第一个关于风力机风轮叶片接受风能的完整理论，也是第一个关于风能利用效率的一个基本理论。它是1919年由贝茨建立的。贝茨理论的建立，首先假定风轮是“理想”的。“理想风轮”是指风轮全部接受风能，假设没有轮毂，叶片无限多，气流通过风轮时没有阻力，空气流是连续的、均匀的、不可压缩的，气流速度的方向无论在叶片前或流经叶片后都是垂直叶片扫掠面的，具体条件如下。

①风轮没有锥角、倾角和偏角，风轮叶片全部接受风能，叶片无限多，对空气流没有阻力。

②空气流是连续的，不可压缩的，气流在整个叶轮扫掠面上是均匀的。

③叶轮处在单元流管模型中，气流速度的方向不论在叶片前或流经叶片后都是垂直叶片扫掠面的。

假设风轮前方的风速为 v ₁ ，实际通过风轮的风速为 v ，叶片扫掠后的风速为 v ₂ ，通过风轮叶片前风速面积为 S ₁ ，叶片扫掠面的风速面积为 S 及扫掠后风速面积为 S ₂ 。风吹到叶片上所做的功等于将风的动能转化为叶片转动的机械能，则必有 v ₁ > v ₂ ， S ₂ > S ₁ ，如图1.33所示。

由流体连续性条件可得

（2）风轮受力及风轮吸收功率

应用气流冲量原理，风轮所受到的轴向推力：

式中， m=ρSv 为单位时间内通过风轮的气流质量， ρ 为空气密度，取决于温度、气压、湿度，一般可取1.225 kg/m ³ 。

风轮吸收的功率为

（3）动能定理的应用

应用动能定理，可得气流所具有的动能为

则风功率（单位时间内气流所做的功）为

在叶轮前后，单位时间内气流动能的改变量为

此即气流穿越风轮时，被风轮吸收的功率。

因此

整理得

即穿越风轮的扫风面的风速等于风轮远前方与远后方风速和的一半。

（4）贝茨极限

下面引入轴向干扰因子进一步进行讨论。

令

则有

式中， a ——轴向干扰因子，又称入流因子；

U ——轴向诱导速度， U=v ₁ a 。

讨论 a 的范围：

当 a = 时， v ₂ =0，因此 a < 。

又 v < v ₁ ，有1> a >0。

所以， a 的范围为 > a >0。

由于风轮吸收的功率为

令d P /d a =0，可得吸收功率最大时的入流因子。

解得 a =1和 a = 取 a = ，得

这里 是远前方单位时间内气流的功率，并定义风能利用系数 C _P 为

于是最大风能利用系数 C _{P max} 为

此乃贝茨极限，它表示理想风力机的风能利用系数 C _P 的最大值为0.593。对于实际使用的风力机来说，二叶片高性能风力机效率可达0.47，达里厄风力机效率可达0.35。 C _P 值越大，则风力机能够从自然风中获得的百分比也越大，风力机效率也越高，即风力机对风能利用率也越高。

2）叶素理论

（1）叶素理论的基本思想

①将叶片沿展向分成若干微段叶片元素，即叶素。

②把叶素视为二元翼型，即不考虑叶素在展向的变化。

③假设作用在每个叶素上的力互不干扰。

④将作用在叶素上的气动力元沿展向积分，求得作用在叶轮上的气动扭矩与轴向推力。

（2）叶素模型

①叶素模型的端面：在桨叶的径向距离 r 处取微段，展向长度d r ，在旋转平面上的线速度： U=rω 。

②叶素模型的翼型剖面：翼型剖面的弦长 C ，安装角 θ 。

假设 v 为来流的风速，由于 U 的影响，气流相对于桨叶的速度应是旋转平面内的线速度 U 与来流的风速 v 的合成，记为 W 。 W 与叶轮旋转平面的夹角为入流角，记为 φ ，则有叶片翼型的攻角为 α=φ - θ 。

③叶素上的受力分析，如图1.34所示。在 W 的作用下，叶素受到一个气动合力d R ，可分解为平行于 W 的阻力元d D 和垂直于 W 的升力d L 。

另一方面，d R 又可以分解为轴向推力元d F _n 和旋转切向力元d F _t ，由几何关系可得

扭矩元d T 为

由于可利用阻力系数 C _D 和升力系数 C _L 分别求得d D 和d L ：

故d R 和d T 可求。

将叶素上的力元沿展向积分，得

作用在叶轮上的推力为： R = ∫ d R

作用在叶轮上的扭矩： T = ∫ d T

叶轮上的输出功率： P = ∫ d Tω=ωT

任务实施

小型风力发电机组的安装

一、小型风力发电机组的结构

风力发电机组是一种将风能转换为电能的能量转换装置，由风力机和发电机两个部分组成。空气流动的动能作用在风力机风轮叶片上，推动风轮转速，将空气流动的动能转变为风轮旋转的机械能，再通过传动机构驱动发电机轴及转子的旋转，发电机将机械能转变为电能。

小型风力发电机结构简单（如图1.35所示），一般由导流罩、风轮（包括叶片和轮毂）、发电机、尾翼、塔架等组成。

①导流罩。起到减小风的阻力的作用。

②风轮一般由2~3个叶片和轮毂组成，叶片接受风能，转化为机械能。叶片多为玻璃纤维增强复合材料；轮毂是叶片根部与主轴的连接件，从叶片传来的力通过轮毂传到驱动的对象。轮毂有刚性轮毂和铰链式轮毂，刚性轮毂制造成本低、维护少、没有磨损，三叶片风轮一般采用刚性轮毂，是使用广泛的一种形式。

③发电机主要由定子和转子组成，通过切割磁力线将机械能转化为电能。在小型风力发电机组中，风轮和发电机之间多采用直接连接，省去了增速装置，从而降低制造成本。发电机一般采用交流永磁发电机、感应式发电机和直流发电机。

④尾翼的作用使风轮能随风向的变化而作相应的转动，以保持风轮始终和风向垂直。在小型风力发电机组中多采用尾翼达到对风的目的，因为尾翼结构简单、调向可靠。

⑤塔架是用来支撑风力发电机的重量，并使风轮回转中心据地面有一定的高度，以便风轮更好地捕捉风能。

二、安装小型风力发电机组

安装前要清理组装现场；熟悉风力发电机组的结构及组装技术要求；准备好组装工具和设备；将风轮叶片、轮毂、发电机、尾舵、尾舵梁、测风偏航机构、塔架和基础组装成水平轴永磁同步风力发电机组。操作步骤：

①将发电机安装在机舱内。

②安装轮毂和风轮叶片。在安装叶片时要注意风叶平衡，首先不要把螺栓拧得过紧，待全部拧上后调整两叶尖距离相等（允许误差为±5 mm），调整后，再按顺序依次拧紧螺栓。

③将基本成形的风力发电机安装在塔架上。

④将测风偏航机构装在尾舵梁上，尾舵梁上另一端固定在机舱上并装上尾舵。

实践训练

1.请说出以下部件的功能及作用。

2.结合小型风电机组的示意图，阐述风电机组的安装步骤、使用的工具材料。

3.测试三相输出电压以及输出电流，并记录有关数据。

4.安装过程记录，如有故障，请在下表中填写故障现象、故障原因及处理方法。

知识拓展

风能的其他用途

一、风力提水

风力提水是人类有效利用风能的主要方式之一，开发和应用风力提水机械对于节省常规能源，解决偏远地区提水动力不足的问题和促进农业的发展有着重要的现实意义。

风力提水是古老的风能利用，至少在1 000多年前中国就有了风力提水装置。据史书记载，我国曾先后发明过“走马灯式”和“斜杆式”等多种风力提水机，并在江苏、浙江、福建一带普遍用于农田排灌和延长提水，直到20世纪50年代我国还拥有几十万台各式风力提水机。

欧洲的风车发展据说是从中东传入的，16世纪荷兰大量使用风车排水，围海造田，成为举世闻名的人工“沧海变良田”。

18~19世纪，全世界风力提水机曾发展到数百万台，几乎遍及全球。在美洲西部大平原的开发中，风力提水作出了重大贡献，地中海沿岸也是当时技术文化进步的象征。风力提水之所以能在世界各地，特别是发展中国家得到较广泛的应用，其主要原因有以下几点。

①风力提水机结构可靠，制造容易，成本较低，操作维护简单。

②储水问题容易解决。

③风力提水机在低风速下工作性能好，对风速要求不严格。

④风力提水效益明显。

二、风力制热

随着社会发展对热能需要的增长，开发风力致热技术应用于生活采暖及农业生产等，具有广阔的发展前景。一方面，风力致热的能量利用率高，对风质要求低，风况变化的适应性强，储能问题也便于解决；另一方面，风力致热装置结构比较简单，且容易满足风力机对负荷的最佳匹配要求。

将风能转换为热能，一般通过三种途径：第一种是经过电能再转换为热能，即风能→机械能→电能→热能。第二种是通过热泵产生热能，即风能→机械能→空气压缩能→热能。第三种是直接热转换，即风能→机械能→热能。前两种是三级能量转换，而后一种只需二级能量转换。三种方式比较起来，第三种直接热转换方式无论在转换次数上还是能量流向上都具有优势。与风力发电和风力提水相比，风力直接致热有如下三个优点。

①系统总效率高。风力发电和风力提水系统的总效率一般不超过15%~20%，而风热直接转换系统的总效率可达30%。

②风轮工作特性与致热器工作特性匹配较理想。致热器的功率—转换特性曲线可呈2次或3次方关系变化，这与风轮工作特性的变化曲线比较相近，容易实现合理配套。

③该系统对风况质量要求不高，对不同的风速变化频率、不同的风速范围适应性较强。 FOnO/FW7s2dTWye1qaip1brLl+ckYrI+8Z1VKxMW5WRVnxFgRxKZ5Usepd45n3To