小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案-文庫(kù)吧
2025-04-28 23:47 本頁(yè)面
【正文】 在圖35中，風(fēng)速矢量v=（0，V），葉片速度矢量u=（Usinθ,Ucosθ），風(fēng)對(duì)葉片的相對(duì)速度w=v+u，坐標(biāo)運(yùn)算后得w=（Usinθ，V+Ucosθ）。圖35 垂直風(fēng)力機(jī)動(dòng)力原理相對(duì)風(fēng)速的大小就是矢量w的模|w|，以表示w的單位矢量，表示u的單位矢量，則可以求出此時(shí)的攻角α，攻角就是相對(duì)風(fēng)速與葉片弦長(zhǎng)所在直線的夾角，按照矢量計(jì)算可推得： （）在風(fēng)力的作用下，葉片在攻角α?xí)r受到的升力和阻力可以按以下公式計(jì)算： （） （）將升力和阻力投影到風(fēng)輪切方向： （） （）其中Flt為Fl在切向的分量；Fdt為Fd在切向的分量。葉片受力分解如圖36所示[6]。圖36 垂直風(fēng)力機(jī)的葉素力學(xué)模型切向力的合力產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，葉片在位置角為θ時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為 （） 風(fēng)能利用率風(fēng)能利用系數(shù)Cp是表示風(fēng)力機(jī)效率的重要參數(shù)，由于風(fēng)通過(guò)風(fēng)輪的風(fēng)能不能完全轉(zhuǎn)化為風(fēng)輪機(jī)械能，其風(fēng)能利用率Cp為[7] （）其中Pm為風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械功率；Pw為風(fēng)力機(jī)輸入的風(fēng)能。目前大型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用率絕大部分是由葉片設(shè)計(jì)方計(jì)算得到的，一般在40%以上。由于之前一般都是利用葉素理論來(lái)計(jì)算垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用率，得出的結(jié)果不如水平軸，但是根據(jù)國(guó)外最新的實(shí)驗(yàn)表明垂直軸的風(fēng)能利用率不低于40%[8]，再加上水平軸風(fēng)力機(jī)受到風(fēng)向變化的影響，而垂直軸風(fēng)力機(jī)可以在任何風(fēng)速角下工作，因此有理由相信垂直軸風(fēng)力機(jī)的利用率能夠超過(guò)水平軸。 Cpλ功率特性曲線風(fēng)能利用系數(shù)Cp一般是變化的，它隨著風(fēng)速與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變化而變化，葉片尖端線速度與風(fēng)速之比叫做葉尖速比λ（），為了得到最佳的風(fēng)能利用率，一般根據(jù)Cpλ曲線來(lái)選擇合適的葉尖速比，如圖37所示。圖37 Cpλ曲線圖從圖37中看出，風(fēng)能利用率最高，Cp值有一個(gè)最大值，實(shí)際風(fēng)力機(jī)一般都達(dá)不到這么高的風(fēng)能利用率，所以我們先初定葉尖速比在λ=6，風(fēng)能利用率Cp=，具體的Cpλ圖還需根據(jù)具體的風(fēng)力機(jī)葉片試驗(yàn)及攻角調(diào)整來(lái)確定。 貝茨極限風(fēng)能利用系數(shù)縮短能達(dá)到的最大值就是貝茨極限，德國(guó)空氣動(dòng)力學(xué)家Albert Betz提出貝茨極限后,直到今天還沒(méi)有人能設(shè)計(jì)出超過(guò)這個(gè)極限的風(fēng)力機(jī)，該極限不是由于設(shè)計(jì)不足造成的，而是因?yàn)榱鞴懿坏貌辉谥聞?dòng)盤上游膨脹，使得自由流速比在圓盤處小，貝茨極限由一下微分方程得出[9]： （）式中a為氣流誘導(dǎo)因子。解微分方程可知當(dāng)a=1/3時(shí)，Cp最大，求得最大Cp=。 葉尖速比風(fēng)輪葉片尖端線速度與風(fēng)速之比稱為葉尖速比，升力型風(fēng)力機(jī)葉尖速比一般為3至8。在升力型風(fēng)力機(jī)中，葉尖速比直接反映了相對(duì)風(fēng)速與葉片運(yùn)動(dòng)方向的夾角，即直接關(guān)系到葉片的攻角，是分析風(fēng)力機(jī)性能的重要參數(shù)。葉尖速比計(jì)算公式為 （） 風(fēng)力機(jī)的功率及扭矩計(jì)算由福建省情資料庫(kù)中的圖像資料可以看出廈門地區(qū)地面平均風(fēng)速在4m/s～6m/s左右，如圖38所示。圖38福建省風(fēng)速分布從福建氣象網(wǎng)站（）24小時(shí)監(jiān)測(cè)的結(jié)果可以看出，廈門地區(qū)一天內(nèi)4級(jí)風(fēng)（約8m/s）出現(xiàn)的頻率最高，如圖39所示。圖39 廈門某日24小時(shí)風(fēng)速監(jiān)測(cè)圖風(fēng)力機(jī)的額定風(fēng)速按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GBT 139812009 小型風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)通用要求》：風(fēng)輪掃掠面積小于等于40m2的風(fēng)力機(jī)額定風(fēng)速Vn在6m/s～10m/s，我們將風(fēng)力機(jī)的風(fēng)速暫定為8m/s。風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)發(fā)電功率為300W，現(xiàn)在我們來(lái)計(jì)算通過(guò)該風(fēng)力機(jī)的總功率，按風(fēng)力機(jī)效率Cp=40%，則風(fēng)力機(jī)的輸入功率為 （）根據(jù)公式（）得掃風(fēng)面積為 （）式中 P為風(fēng)力機(jī)實(shí)際獲得總功率，W；ρ為空氣密度，kg/m3； kg/m3；S為風(fēng)輪的掃風(fēng)面積，m2；v為上游風(fēng)速，m/s。以上結(jié)果表明：通過(guò)風(fēng)功率為750W的風(fēng)力機(jī)組， m2，在風(fēng)速為8m/s的情況下發(fā)電功率為300W。風(fēng)輪高度與直徑的比值為風(fēng)輪的高徑比，應(yīng)該在輸出相同功率時(shí)葉片制造費(fèi)用最低的條件下，選擇高徑比，研究表明，高徑比為1附近時(shí)相同的材料掃風(fēng)面積最大，其中H為風(fēng)輪高度，D為風(fēng)輪直徑。由得到H=，D=，產(chǎn)生的掃掠面積基本上能符合要求。風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩[10]： （） 葉片選型葉片是利用氣流通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的壓力差使葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的部件，具有空氣動(dòng)力學(xué)特性，其設(shè)計(jì)質(zhì)量對(duì)整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其他零部件有這直接影響，因此葉片是風(fēng)力機(jī)的重要部件。葉片的設(shè)計(jì)目標(biāo)主要有：1. 良好的空氣動(dòng)力外形；2. 可靠地結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；3. 合理的葉片剛度；4. 良好的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性和啟動(dòng)穩(wěn)定性；5. 耐腐蝕、方便維修；6. 滿足以上目標(biāo)前提下，盡可能
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