小型垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)設計方案-文庫吧
2025-04-28 23:47 本頁面
【正文】 在圖35中，風速矢量v=（0，V），葉片速度矢量u=（Usinθ,Ucosθ），風對葉片的相對速度w=v+u，坐標運算后得w=（Usinθ，V+Ucosθ）。圖35 垂直風力機動力原理相對風速的大小就是矢量w的模|w|，以表示w的單位矢量，表示u的單位矢量，則可以求出此時的攻角α，攻角就是相對風速與葉片弦長所在直線的夾角，按照矢量計算可推得： （）在風力的作用下，葉片在攻角α時受到的升力和阻力可以按以下公式計算： （） （）將升力和阻力投影到風輪切方向： （） （）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 垂直風力機的葉素力學模型切向力的合力產(chǎn)生轉矩使風輪轉動，葉片在位置角為θ時產(chǎn)生的轉矩為 （） 風能利用率風能利用系數(shù)Cp是表示風力機效率的重要參數(shù)，由于風通過風輪的風能不能完全轉化為風輪機械能，其風能利用率Cp為[7] （）其中Pm為風力機輸出的機械功率；Pw為風力機輸入的風能。目前大型水平軸風力發(fā)電機的風能利用率絕大部分是由葉片設計方計算得到的，一般在40%以上。由于之前一般都是利用葉素理論來計算垂直軸風力機的風能利用率，得出的結果不如水平軸，但是根據(jù)國外最新的實驗表明垂直軸的風能利用率不低于40%[8]，再加上水平軸風力機受到風向變化的影響，而垂直軸風力機可以在任何風速角下工作，因此有理由相信垂直軸風力機的利用率能夠超過水平軸。 Cpλ功率特性曲線風能利用系數(shù)Cp一般是變化的，它隨著風速與風輪轉速變化而變化，葉片尖端線速度與風速之比叫做葉尖速比λ（），為了得到最佳的風能利用率，一般根據(jù)Cpλ曲線來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，風能利用率最高，Cp值有一個最大值，實際風力機一般都達不到這么高的風能利用率，所以我們先初定葉尖速比在λ=6，風能利用率Cp=，具體的Cpλ圖還需根據(jù)具體的風力機葉片試驗及攻角調整來確定。 貝茨極限風能利用系數(shù)縮短能達到的最大值就是貝茨極限，德國空氣動力學家Albert Betz提出貝茨極限后,直到今天還沒有人能設計出超過這個極限的風力機，該極限不是由于設計不足造成的，而是因為流管不得不在致動盤上游膨脹，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為氣流誘導因子。解微分方程可知當a=1/3時，Cp最大，求得最大Cp=。 葉尖速比風輪葉片尖端線速度與風速之比稱為葉尖速比，升力型風力機葉尖速比一般為3至8。在升力型風力機中，葉尖速比直接反映了相對風速與葉片運動方向的夾角，即直接關系到葉片的攻角，是分析風力機性能的重要參數(shù)。葉尖速比計算公式為 （） 風力機的功率及扭矩計算由福建省情資料庫中的圖像資料可以看出廈門地區(qū)地面平均風速在4m/s～6m/s左右，如圖38所示。圖38福建省風速分布從福建氣象網(wǎng)站（）24小時監(jiān)測的結果可以看出，廈門地區(qū)一天內(nèi)4級風（約8m/s）出現(xiàn)的頻率最高，如圖39所示。圖39 廈門某日24小時風速監(jiān)測圖風力機的額定風速按照國家標準《GBT 139812009 小型風力機設計通用要求》：風輪掃掠面積小于等于40m2的風力機額定風速Vn在6m/s～10m/s，我們將風力機的風速暫定為8m/s。風力機設計發(fā)電功率為300W，現(xiàn)在我們來計算通過該風力機的總功率，按風力機效率Cp=40%，則風力機的輸入功率為 （）根據(jù)公式（）得掃風面積為 （）式中 P為風力機實際獲得總功率，W；ρ為空氣密度，kg/m3； kg/m3；S為風輪的掃風面積，m2；v為上游風速，m/s。以上結果表明：通過風功率為750W的風力機組， m2，在風速為8m/s的情況下發(fā)電功率為300W。風輪高度與直徑的比值為風輪的高徑比，應該在輸出相同功率時葉片制造費用最低的條件下，選擇高徑比，研究表明，高徑比為1附近時相同的材料掃風面積最大，其中H為風輪高度，D為風輪直徑。由得到H=，D=，產(chǎn)生的掃掠面積基本上能符合要求。風力機轉矩[10]： （） 葉片選型葉片是利用氣流通過時產(chǎn)生的壓力差使葉輪轉動的部件，具有空氣動力學特性，其設計質量對整個風力發(fā)電系統(tǒng)及其他零部件有這直接影響，因此葉片是風力機的重要部件。葉片的設計目標主要有：1. 良好的空氣動力外形；2. 可靠地結構強度；3. 合理的葉片剛度；4. 良好的結構動力學特性和啟動穩(wěn)定性；5. 耐腐蝕、方便維修；6. 滿足以上目標前提下，盡可能
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