【正文】 遭嚴(yán)重破壞 12 颶風(fēng) Hurricane 326 33 陸上少見其摧毀力極大 23 理想風(fēng)能的利用 經(jīng)風(fēng)輪做功后的風(fēng)也有一定流速和動能因此風(fēng)的能量只能被部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能風(fēng)輪前后流場如圖 22 設(shè) 21 由伯努利方程 22 作用在風(fēng)輪上的軸向力 F A 23 A 24 式中 A —— 槳葉掃過的面積㎡ —— 空氣密度 P —— 風(fēng)輪機(jī)功率 KW —— 平均風(fēng)速 ms —— 輪前風(fēng)速 ms —— 輪后風(fēng)速 ms —— 輪前壓力 pa —— 輪后壓力 pa F —— 軸向力 N r —— 風(fēng)輪半徑 m 圖 22 風(fēng)輪前后流場 Fig2 2 Wind flow around 質(zhì)量流量 25 槳葉中的平均風(fēng)速等于輪前輪后風(fēng)速的平均值 26 從 風(fēng)能中可能提取的能量是進(jìn)出口風(fēng)的動能差 27 已知輸入風(fēng)輪的能量為 28 風(fēng)能利用系數(shù) 29 可能提取的能量 210 代入各值得 211 令 212 將式 212 代入下式得風(fēng)能利用系數(shù) 213 可由式 213 求得風(fēng)輪機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)的極值 進(jìn)口風(fēng)速是已知的對求導(dǎo)并令為零求得風(fēng)能利用系數(shù)為極大值時(shí)的輪后風(fēng)速 214 通過式 213 求得風(fēng)能利用系數(shù)的極大值為 0593 215 由式 210 得出最大理想可能利用的風(fēng)能為 216 理想風(fēng)輪機(jī)的能量密度 217 24 風(fēng)輪機(jī)基本參數(shù) 風(fēng)能指空氣運(yùn)動的動能一般用單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的能量即風(fēng)能密度來衡量風(fēng)能的大小 即 E 218 式中 A—— 風(fēng)輪掃掠面積 —— 風(fēng)速 ms —— 為空氣密度 kg 在本設(shè)計(jì)中取 125kg由式 218可知風(fēng)能的大小與空氣密度和通過的面積成正比與風(fēng)速的立方成正比 葉尖速比是風(fēng)輪葉尖線速度與風(fēng)速的比值 即 219 式中 R—— 為風(fēng)輪半徑 m —— 為風(fēng)輪角速度 rad —— 葉尖速比 根據(jù)動量守恒原理可知空氣作用在風(fēng)輪上的推力為 220 式中 A—— 為風(fēng)輪掃掠面積 —— 為通過風(fēng)輪的風(fēng)速因此代表了單位時(shí)間內(nèi)流過風(fēng)輪的空氣質(zhì)量 kg —— 為風(fēng)輪前方未受風(fēng)輪影響的來流風(fēng)速 ms —— 為尾流中達(dá)到壓力平衡后的風(fēng)速 ms 在風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)需 要確定一些參數(shù)可采用確定風(fēng)力機(jī)額定出力或選用最大能量輸出來計(jì)算設(shè)計(jì)點(diǎn)設(shè)計(jì)中占主導(dǎo)的風(fēng)速如果在實(shí)際中這一風(fēng)速不能得到充分利用產(chǎn)生損失也就說明設(shè)計(jì)存在問題也就是風(fēng)力機(jī)葉型設(shè)計(jì)有問題這也是風(fēng)力機(jī)的動力研究的本質(zhì)在空氣動力方面最重要的發(fā)展是研制新的風(fēng)力機(jī)葉片葉型以轉(zhuǎn)化更多的風(fēng)能如美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室 NREL 開發(fā)了一種新型葉片葉型試驗(yàn)表明新型葉片比早期的風(fēng)力機(jī)葉片轉(zhuǎn)化的風(fēng)能要大 20 以上目前設(shè)計(jì)的葉片最大風(fēng)能利用系數(shù)約為 047 左右而風(fēng)能利用系數(shù)的極限值是 0593 可見在葉片葉型的改進(jìn)上還有較大的發(fā)展空間采用柔性葉 片也是一個(gè)發(fā)展動向利用新型材料如新型工程塑料等進(jìn)行設(shè)計(jì)制造使其在風(fēng)況變化時(shí)能夠相應(yīng)改變它們的型面從而改善空氣動力響應(yīng)和葉片受力狀況增加可靠性和對風(fēng)能的轉(zhuǎn)化量另外還在開發(fā)新的空氣動力控制裝置．如葉片上的副翼它能夠簡單有效地限制轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度比機(jī)械剎車更可靠并且費(fèi)用低不變隨著風(fēng)速增加攻角相應(yīng)增大開始升力會增大到一定攻角后尾緣氣流分離區(qū)增大形成大的渦流上下翼面壓力差減小升力迅速減少造成葉片失速與飛機(jī)的機(jī)翼失速機(jī)理一樣自動限制了功率的增加 圖 23 槳葉失速前的狀態(tài)圖 Fig 2 3 Blade stall before the state chart 因此定槳距失速控制沒有功率反饋系統(tǒng)和變槳距角伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單部件少造價(jià)低并具有較高的安全系數(shù)缺點(diǎn)是這種失速控制方式依賴育葉片獨(dú)特的翼型結(jié)構(gòu)葉片本身結(jié)構(gòu)較復(fù)雜成型工藝難度也較大隨著功率增大葉片加長所承受的氣動推力大使得葉片的剛度減弱失速動態(tài)特性不易控制所以很少應(yīng)用在兆瓦級以上的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率控制上 2 變槳距角調(diào)節(jié) 變槳距角型風(fēng)力發(fā)電機(jī)能使風(fēng)輪葉片的安裝角隨風(fēng)速而變化風(fēng)速增大時(shí)槳距角向迎風(fēng)面積減小的方向轉(zhuǎn)動一個(gè)角度相當(dāng)于增大槳距角從而減小攻角風(fēng)力機(jī)功率相 應(yīng)增大 變槳距角機(jī)組啟動時(shí)可對轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制并網(wǎng)后可對功率進(jìn)行控制使風(fēng)力機(jī)的啟動性能和功率輸出特性都有顯著改善變槳距角調(diào)節(jié)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)在陣風(fēng)時(shí)塔架葉片基礎(chǔ)受到的沖擊較之失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組要小得多可減少材料降低整機(jī)質(zhì)量它的缺點(diǎn)是需要有一套比較復(fù)雜的變槳距角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)要求風(fēng)力機(jī)的變槳距角系統(tǒng)對陣風(fēng)的響應(yīng)速度足夠快才能減輕由于風(fēng)的波動引起的功率脈動 3 混合調(diào)節(jié) 這種調(diào)節(jié)方式是前兩種功率調(diào)節(jié)方式的組合在低風(fēng)速時(shí)采用變槳距角調(diào)節(jié)可達(dá)到更高的氣動效率當(dāng)風(fēng)機(jī)達(dá)到額定功率后使槳距角向減小的方向轉(zhuǎn)過一個(gè)角度相應(yīng)的攻角增大使 葉片的失速效應(yīng)加深從而限制風(fēng)能的捕獲這種方式變槳距調(diào)節(jié)不需要很靈敏的調(diào)節(jié)速度執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功率相對可以較小 26 風(fēng)輪迎風(fēng)技術(shù) 風(fēng)速的大小方向隨時(shí)間總是在不斷變化為保證風(fēng)輪機(jī)穩(wěn)定工作必須有一個(gè)裝置跟蹤風(fēng)向變化使風(fēng)輪隨風(fēng)向變化自動相應(yīng)轉(zhuǎn)動保持風(fēng)輪與風(fēng)向始終垂直這種裝置就是風(fēng)輪機(jī)迎風(fēng)裝置 221 222 式中 P—— 風(fēng)輪機(jī)輸出功率 KW —— 空氣密度 kg r —— 風(fēng)輪半徑 m —— 風(fēng)能利用系數(shù) —— 風(fēng)速 ms n —— 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速 rmin 由式 221和 222可知風(fēng)輪機(jī)的輸出功率與風(fēng)速立方成正比轉(zhuǎn)速與風(fēng)速一次方成正比因此風(fēng)速變化將引起出力和轉(zhuǎn)速的變化 風(fēng)輪迎風(fēng)裝置有三種方法尾舵法舵輪法和偏心法 風(fēng)向變化時(shí)機(jī)身上受三個(gè)扭力矩作用機(jī)頭轉(zhuǎn)動的摩擦力矩斜向風(fēng)作用于主軸上的扭力矩尾舵輪扭力矩與機(jī)頭質(zhì)量支持軸承有關(guān)決定于風(fēng)斜角距離 L 尾舵力矩由下式近似計(jì)算 223 式中 —— 尾舵升力阻力合力系數(shù)由實(shí)驗(yàn)曲線查 得 —— 尾舵面積 —— 風(fēng)輪的圓周速率 ms K—— 風(fēng)速損失系數(shù)約 075 L—— 尾舵距離 m 機(jī)頭轉(zhuǎn)動條件 224 尾舵面積 225 式中 —— 尾舵輪扭力矩 —— 機(jī)頭轉(zhuǎn)動的摩擦力矩 —— 斜向風(fēng)作用于主軸上的扭力矩 按上式設(shè)計(jì)的尾舵面積就可以保證風(fēng)輪機(jī)槳葉永遠(yuǎn)對準(zhǔn)風(fēng)向 舵輪法是用自動測風(fēng)裝置測定風(fēng)向按風(fēng)向偏差 信號控制同步電動機(jī)轉(zhuǎn)動風(fēng)輪此方法也可保證風(fēng)輪機(jī)槳葉永遠(yuǎn)對準(zhǔn)風(fēng)向 在本設(shè)計(jì)中把尾舵取消增加槳葉軸與圓盤角度到 7176。角這樣可以加大與斜向風(fēng)的接觸面積增大斜向風(fēng)對主軸的轉(zhuǎn)矩當(dāng)斜向風(fēng)的轉(zhuǎn)矩為零時(shí)風(fēng)輪機(jī)槳葉對準(zhǔn)風(fēng)向 27 風(fēng)電品質(zhì) 自然風(fēng)的速度和方向是隨機(jī)變化的風(fēng)能具有不穩(wěn)定性特點(diǎn)如何使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率穩(wěn)定是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的一個(gè)重要課題迄今為止已提出了多種改善風(fēng)電品質(zhì)的方法例如采用變轉(zhuǎn)速控制技術(shù)可以利用風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動慣量平滑輸出功率由于變轉(zhuǎn)速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用的是電力電子裝置當(dāng)它將電能輸送給電網(wǎng)時(shí)會產(chǎn)生變化的電力諧波并使 功率因素惡化 因此為了滿足在變轉(zhuǎn)速控制過程中良好的動態(tài)特性并能使發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)提供高品質(zhì)的電能發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間的電力電子接口應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能 a 在發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)上產(chǎn)生盡可能低的諧波電流 b具有單位功率因素或可控的功率因素 c使發(fā)電機(jī)輸出電壓適應(yīng)電網(wǎng)電壓的變化 d．向電網(wǎng)輸出穩(wěn)定的功率 e 發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩可控 此外當(dāng)電網(wǎng)中并人的風(fēng)力電量達(dá)到一定程度會引起電壓不穩(wěn)定一般建議不大于 10％特別是當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短時(shí)故障時(shí)電壓突降風(fēng)力發(fā)電機(jī)組就無法向電網(wǎng)輸送能量最終由于保護(hù)動作而從電網(wǎng)解列在風(fēng)能占較大比例的電網(wǎng)中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的突然解列會導(dǎo)致 電網(wǎng)的不穩(wěn)定因此用合理的方法使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電功率平穩(wěn)具有非常重要的意義 風(fēng)力發(fā)電對電網(wǎng)的不利影響可以用儲能技術(shù)來改善例如用超導(dǎo)儲能技術(shù)使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出電壓和頻率穩(wěn)定超導(dǎo)儲能系統(tǒng) SMESSupercon Ducting Magic Energy Storage Systems 代表了柔性交流輸電的新技術(shù)方向能吸收或者放出有功和無功功率來快速響應(yīng)電力系統(tǒng)需要另外飛輪儲能技術(shù)發(fā)展較為成熟具有使用壽命長功率密度和儲能密度高基本上不受充放電次數(shù)的限制安裝維護(hù)方便對環(huán)境無危害等優(yōu)點(diǎn) 圖 24 發(fā)電機(jī)恒頻技術(shù)方 案圖 Fig 2 4 Constant Frequency Generator technology program plan 力電子器件來調(diào)整轉(zhuǎn)子回路的電阻從而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率如 Vestas 公司的 V47 機(jī)組 雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī) 轉(zhuǎn)子通過雙向變頻器與電網(wǎng)連接可實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動根據(jù)風(fēng)速的變化實(shí)現(xiàn)恒頻控制流過轉(zhuǎn)子電路的功率僅為額定功率的 1025 只需要較小容量的變頻器并且可以實(shí)現(xiàn)有功無功的靈活控制如 DeWind公司的 D6機(jī)組 同步發(fā)電機(jī) 本配置方案的顯著特點(diǎn)是取消了增速齒輪箱采用風(fēng)力機(jī)對同步發(fā)電機(jī)的直接 驅(qū)動方式齒輪傳動不僅降低了風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率和產(chǎn)生噪聲也是造成系統(tǒng)機(jī)械故障的主要原因而且為了減少機(jī)械磨損還需要潤滑清洗等定期維護(hù)如 Enercon 公司的 E266 機(jī)組 3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)總體設(shè)計(jì) 風(fēng)力機(jī)主要是借著空氣流動轉(zhuǎn)動葉片以擷取風(fēng)的動能進(jìn)而轉(zhuǎn)換成有用的機(jī)械能或電能葉片轉(zhuǎn)子受風(fēng)吹而轉(zhuǎn)動來源于氣動力的作用 包括升力及阻力 對葉片產(chǎn)生轉(zhuǎn)動扭矩 任何種類風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的功率可用下式表示 風(fēng)輪機(jī)功率 P 31 風(fēng)輪半徑 A 輪 轂半徑為 05m 葉片和輪轂間距 005 m 其面積為 其風(fēng)輪的總面積為 3515 D 670m 32 葉尖速比 33 風(fēng) 輪 機(jī) 轉(zhuǎn) 速 n 34 式中 P—— 輸出功率指額定工況下輸出的電功率 WP 10KW 給定值 —— 空氣密度一般取大氣標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài) kg 125 kg 給定值 —— 設(shè)計(jì)的風(fēng)速風(fēng)輪中心高度處 ms 10ms 給定值 A—— 風(fēng)輪掃掠面積 —— 風(fēng)能利用系數(shù)＝ 05 給定值 n—— 風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速 n 50rmin 給定值 —— 傳動效率 —— 電效率 31 風(fēng)力機(jī)中心軸計(jì)算 中心軸參數(shù)計(jì)算 1 中心軸的軸頸估算 風(fēng)輪機(jī)功率 軸頸估算 31 由于軸段上有一個(gè)鍵槽估取主軸 d＝ 90 T＝ 32 額定功率 P 10kw 額定轉(zhuǎn)速 n 50rm