1、、風輪機的功率及風能利用系數（一）穿過風輪槳葉掃掠面的風能設d風速（指未擾動飛流的流速）米秒飛風輪直徑米；A風輪引片掃掠面枳.米，P空氣密度千克/米則單位時間內穿過風輪掃掠面積的動能，即功率PA（見圖5-2）為：圖52M輪掃&曲pa=-avJ,千克*米盯秒,（s-1）（二）風能利用系數c;風能利用系數Cp_單位時間內轉變為風輪機械能的風情一單位時間內穿過風輪槳葉掃掠面A的全部風髓_風輪的輸出功率一入網瓏一面兩的功率PP-=：=（5-2）r*旦A72八風能利用系數是表征風輪機效率的重要參數.它表明風輪機從風中驍得的有用能量的比例，根據員茨理論.M能利用系數的蛙大俏為0,5州關于貝茨最大俏的辯錚見

2、本有水牛軸風輪機的（:七d2-0+5.垂直軸風輪機的1；-0.3-0.4.風能利用系數又稱功率系數.風輪的功率即指轉變為機械能的功率由式（51）和1513）可以看出工1 .當,=常數”,x人即當其速定時34輪的功率和4輪扛徑的平方成正比葭2 .當1）=常數中hv即當雙輪H裕固定時.雙輪的功率和風速的M方成正比）,:3 .當風輪直徑、風速不變時,風輪的功率與Cp成正比。4 .風輪功率和風輪時片數無關,但與空氣密度成正比.三、風輪機的葉尖速比（高速性系數）在風速為v時.風輪葉片尖端的線速度與該風速之比稱為風輪的高速性系數.高速性系數可表示為式中A-高速性系數；5風輪在風速v時的旋轉角速度血=聶1,

3、瓠度秒UuR一風輪葉片尖處的線速度.弧度秒】米；力轉速轉K由此可知，高速性系數是反映在一定風速下風輪轉速高低的參數“高速性系數又稱葉尖速比TSR.四.風輪機的轉矩系數風輪的功率也可以用風輪的轉矩與其腕轉角速度的乘枳來表示.即P=M*oj式中M轉矩.F克米；s旋轉的速度.瓠度秒、已知風輪的功梃？=等口1八仁O1所以P=M，出=?/Cp或M3=/3QJ川2M2MuR則=CX（5-5）RA,v2-v定義Cm=-（5-6）-RAv2乙彌為轉矩系數,則m=Cm-（SRA、2）即當風輪尺寸（R）固定時.在一定風速下.Cm乙是一個反映轉矩大小的系數“五、風能利用系數、轉矩系數與葉尖速比的關系由以上分析知-x

4、或Cm=T可見及Cm皆是X的函數.即C=f（人），C“=f（入）,此函數關系可以通過計算或實驗得出，也可以用曲線表示，如圖53及圖54所示。圖53風輪機的風能利用系數與葉尖速比的關系曲線圖54風輪機的轉矩系數與葉尖速比的關系曲線L對于某風輪來說只是在人為某數值.即七時達到最大C：.值（3-）.如圖53所示.在入K七時（卜值下降.對應于最大Cp值（Cx）時的入值（h）稱標準高速性系數。上（一J相可于人=1時的轉V系數,即相對于標準高速性系數時的轉矩.n3.高速風輪與低速風輪的C0=f（入）曲線及Cm=f（人）曲線是不相同的.如圖5-5及圖56所小。低速風輪的入值范圍在12之間；高速風輪的入值范圍

5、在510之間.由圖可見.高速風輪的C,ax大于低速風輪的Cau但足低速風輪的轉矩系數遠遠大于高速風輪的轉矩系數,所以低速風輪的起動性能好。多葉片風輪屈于低速風輪，少葉片風輪屬于高速風輪.圖55風輪bL功率系數叮葉尖速比的關系圖5-6風輪機轉矩系數米葉尖速比的關系六、風輪機的功率一轉速特性曲線及轉矩一轉速特性曲線L）功率轉速特性曲線己知P=今Av3CPCP=f（X）當風輪制成后.A=常數,p=常數,故當風速一定時（v=常數）.則P就是Cp的函數.而Cp是人的函數.人又是反映轉速：的大小的故可以得出P=f（n）的關系曲線：圖57表示低速及高速風輪機的功率轉速特性曲線圖中數字代表不同風速v（米/秒）

6、卜的特性，且V6V5V4V3V2Vio（二）轉矩一轉速特性曲線知轉%M=Cm-A.R.，2.設A、R、p為常數,又知C、M=f（入）則當風速定時（v=常數）.M就是人的函數.而入反映了轉速的大小.所以同樣可以得出M=f（n）的曲P（功米）n（軸速）圖57風輪機的功率一轉速特性曲線線.如圖58所示。M1史KUJ3545678910M輔if】圖5-R時輪機的轉矩一轉速特性曲知速風整機得出了風輪機的轉矩一轉速特性曲線.如果再得到風輪機所推動的機械用于發電系統的發電機或用于泵水系統的水泵）的轉律轉速特性曲線,就可以分析當兩者聯接組成為一個系統時的特性這就是研究風輪機轉短一轉速特性曲線的目的.七、風能利

7、用系數最大值（貝茨）理論質量為m的物體，以速度v運動時，該物體的動能為：現設在3空氣流方向垂FI的某處取一域面積為A的任意截面.如圖39所示.則在單位時間（每秒內通過此截面的氣體體枳流埴V為圖S9單位時間內通過岐面A的標體體枳流量V=vA（5-8）設空氣密度為戶,則對應于此體枳的空氣流的質最為：I故Av即代我在單位時間內通過藏面A的，流率.此質顯流率所具有的動能則為1At?】-（PAQv=丁6空氣流所具有的質量,也可稱為質量，A*/（5-10）口V=p*A丫（5一9）因為式（510）所表明的是單位時間f怔秒）內流過因面A的空氣流所具有的動能,所以也就是功率，與此相似如果設截面A為風輪機旋轉時葉

8、片所掃掠的面積”則單位時間內通過風輪機掃掠面枳的空氣流的動能,也即風輪機的功率1、將為：P*=虧9*Av3（5-H）風輪機從風中獲取了能量.因而使風減速了，風輪后面的風速比風輪前面的風速要低.理論分析證明風輪后面的風速為進入風輪掃掠面以前的風速（即未擾動風速）的看時,風輪可獲得最大能艮風輪本身自流動的空氣”啰收的為言4V的速度,所以有效的質里流率應是h,Af.囚此風輪機白流動的空氣中執杼的攢大能M.-也即可轉變為仃用的機械功率P的最大值為*A一（5-12）2721式（51段明風輪從風中所能獲取的能量占通過風輪H掠面的全部風能的比例的最大值為梟也即59,3%,換句話%也即=。.5孫由于此值系由貝

9、茨首先導出.故也稱貝茨最大值.實際上,從實際運轉的風輪機上所測得的機械功率,其功率系數很少超過40%.在風發電系統或風力泉水系統中風輪機的機械功率再軾換成電功率或水泵功率時.由于傳動裝置及發電機或水泉本身需消耗一部分功率，實際可用的功率乂進一步減小。此外.風輪機在風場中還受到風速和風向波動的影響.可用功率將進一步減小.八、風輪機的輸出功率曲線如前所述風輪機的輸出功率可表示成瞬時風速：通常采用短時期內風速的平均值宋代表)的函數.如式(53)所示.即：由于風輪機在風場中受到風速及風向波動的影響.使風輪機輸出的可用功率進一步減小,考慮到此因素.風輪機的輸出功率公式可進步寫成：P=T7PAv3CpAV

10、3(CpT)一般7)在0.7左右,按照貝茨理論.Cp的最大值為39.3%.Ca-0.593X0.70.415%41%.而實際卜.真正從風輪機所獲得的機械功率很少超過通過風輪機槳葉掃掠面內風能的40%。設：M風輪機的起始風速.即風輪機在大于此風速時開始輸出功率；vr風輪機的額定風速.即風輪機在此風速卜輸出額定功率；v0一風輪機的截止風速.即風輪機在此風速下被剎住。這樣風輪機的輸出功率依風速的變化可分為三段.即：當ViVvOr時.P=JpA,V3(Cp,jp8V3乙當Vrvv。時.P=0若以圖形表示風輪機的輸出功率依風速的變化情況.則如圖510(a)及圖510(b)所示.理論上在風速低于額定風速(

11、即vVvr)時風輪機的輸出功率應與風速成立方關系變化.如圖510(a)所示；但實際上風輪機僅在風速高于起始風速(即vv=時才產生凈功(輸出功率).而在起始風速與額定風速之間(即vi與vr之間).風輪機的輸出功率曲線有著不同的形狀.而其中線性特性與風場中獲得的試驗數據較接近,而且應用起來比較方便.如圖510(b)所示。在圖510中.在風速大于額定風速但低于截止風速(即Vr*ffv）*dvIPr（v）dv（516）（二）圖示法用圖示法求風輪機的輸陽能量的步驟如下,1 .在風速持續時間分布曲線（圈5no）上定出起始風速（片）、額定風速（n）及截止風速人口）.并由曲線上找出相應的時間數（以標么值表示八

12、2 .按給定的起始風速.額定風速及截止風速,畫出相應的功率輸出特性曲線,如圖5INh）所示f按線性輸出功率曲線繪出3 藉助功率輸出特性曲線.將風速持續時間分布曲線換算成功率一時間分布曲線.如圖511口所示.則功率時間分布曲線”的加枳t陰影滯分）就代收廠帆輪機的轆町能量,圖5-H圖示法求風輪機的輸出能量德鳳迪持續時間分布曲線2功率輸出特性曲線頻，功率時間分布曲摘從圖示法可以看出,改變額定風速或起始風速，截止風速皆對風輪機的輸出能卑仃影響。起始風速越低.截止風速越高，則輸出總能量越多,同時額定風速選得合適才能使陰影曲積最大，圖示法的缺點是必須通過圖解枳分才能求出輸出能量,這是比較麻煩的，（三）風輪

13、機的可利用率風輪機好年的燈利用率可按卜式計算,即，可利用率一風輪機.當行時數x100%（5-17）8760式中8760全年的時數4365乂%）0十二、風輪機的保護裝置%風輪機I件時.如果風速超過風輪機的I作風速范圍.或是發電機突然甩抻負荷.則都會導致雙輪機也速.及至造成M輪機的損M、囚此風輪機都裝仃能自動防止風輪機制速的保護裝置.以達到用制雙輪足速的II的由削雙輪制速的方法主要仃網種.是利用空氣動力陽力的方法：是設法減小風輪的迎風而枳（也即是使風輪偏側）水平柏風輪機的保護裝置彳i葉尖陽尼，優流器、順槳機構以及風輪儲偏或I仰，風輪機的保護裝置主要是阻尼板.（一）葉尖阻尼板葉尖陽尼板足安裝在水平軸

14、風輪葉片尖部的陽尼裝司當風輪正常運行時.它。葉片的作用相同他產生升力,當風輪超速時.則圍繞風輪葉片縱向軸戰轉90角.與風輪旋M平面成垂直位置.故iII用力.從而使風輪轉速降卜.來：（二）擾流器擾流器是安裝在風輪葉片上距葉尖上葉片氏度位置上.的阻尼裝時當M輪正常運O轉時擾流器的兩個端血分別與葉片IF衣面地合,當風輪超速時則張開延伸到葉片外血.這樣由它與風輪旋轉平血垂克.產生了陽力.從血使風輪轉速降卜來上述兩種印尼裝置的31般是靠風輪，動時的離心力而動H.也“根據風輪轉速信號由糠壓傳動系統皤*傳動系線使粗尼裝置動作的靜者稱力接動式的，后者稱為主動式的。（三）順槳機構所謂順槳是指風輪葉片弦長方向與風

15、向致，也即風輪葉片的沖角趨近零升力的狀毒.風輪葉片順槳也屬于風輪變槳距控制的二部分.即根據風速或轉速的信號通過液小變距或機械變距機構來實現,風輪的勒槳既可用在大風或甩負荷時的緊急停下起保護作用.也可用于風輪機正常運行時的停機：（四）風輪側偏或上仰機構水平軸風輪機也仃利用風輪偏偏機構、風輪上仰機構或安裝在風輪機傳動附上的緊急制動閘來農現超速保護夫風輪偏儲的方法前血己介紹過。雙輪上仰機構帙只用于小型風輪機中緊急制動閘在小型風輪機中分F動和自動制動兩種.兩者皆是利用抱向剎乍的坡理.圖517表示這兩種抱同制不的原理。Bl5-17小：2機緊急機I圖5170是手動停車.人F向F拉剎乍繩則制動手車帶將剎車豉緊緊抱住而實現停乍；圖517（b）是自動停車.當風速超過限定的最大風速時.此時剎不風板被大風（1，地推動（如圖中脩頭所示方向）.從而帶動了利4/1H,而打桿則拉動剎車繩向卜并使制動剎4帶紫縈抱住到J突現白動停車II車風板面枳的大小與限定的最人風速值之間的配合關系可通過試驗方法確定.在中型或大型水平軸風輪機中的制動閘是由是由供油系統、制動阿卡鉗以及安裝在風輪主軸上的制動盤緞成如第二堂圖21所示.當大風超速時.由液原驅動的制動k鉗動斗將制動盤卡住.從而實現風輪機的fl動停彳，（五）阻尼板垂n粕風輪機