2021风能转换技术进展.docx

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1、风能转换技术进展目录第 1 章水平轴风力发电机空气动力学 11. 1 空气动力学的基本问题51. 1 1 风功率密度 61 1 2 风速随机性和平均功率 71 1 3 风速沿地面高度分布 81 1 4 尾流阵影响 91 1 5 湍流风对功率影响 101 1 6 容量系数和具体产量 111. 2 无偏航情况的动量理论分析111. 2 1 入流模型和分析1 2 2 推力和功率系数 12 131 2 3 尾流扩张 141 2 4 湍流尾流和涡环状态 151 3 存在偏航误差的动量理论分析 151 4 最大风能转换效率 181 5 水平轴风力发电机典型功率曲线 191. 6 水平轴风力发电机的叶素模型

2、211. 6 1 入流模型与分析 211 6 2 求解 CT 和 Cp 231. 7 水平轴风力发电机的叶素动量理论1. 7 1 叶素动量理论入流模型及分析 24 241 7 2 最佳的水平轴风力发电机: 理想的叶片扭角和锥度设计 261 8 理解运行参数相互依存的关系 281 9 非理想因素和叶尖损失 311 10 偏航情况下的诱导因素 331 11 水平轴风力发电机翼型 351. 12 水平轴风力发电机涡旋尾流模型381 12 1 控制方程 401 12 2 关联叶片求解 401. 12 3 自由涡流模型计算结果 411. 13 非稳态气动特性对水平轴风力发电机的影响44风能转换技术进展1

3、 13 1 衰减频率 451. 13 2 非稳态翼形理论 451 13 3 动态失速 451 14 瞬态偏航效应 481 15 塔架干扰效应 491. 16 先进的空气动力学模型511. 16 1 Navier- Stokes 方程 511. 16 2 Euler 与混合 CFD 方法 521 17 本章回顾 53参考文献54作者简介58第 2 章风环境分析及风力发电机运行592. 1 风 况 特性592 1 1 边界层效应 592 1 2 风速分布2 1 3 能量密度 60 622 2 风力发电机的速度- 功率响应 622. 3 能 量 模型642 4 结论 67参考文献68作者简介68第

4、3 章海上风资源评估进展693. 1 高级海上风资源观测693 1 1 Hvsre 测试结果 703 1 2 Horns Rev 测试结果 723 1 3 Nysted 海上测试结果 733 2 海上风资源空间观测 753 2 1 合成孔径雷达 753 2 2 散射仪 783 2 3 中尺度模拟 803. 3 讨论和结论82参考文献84作者简介86第 4 章短期风能预测874. 1 预测的类型4 2 点预测模型 87 894 2 1 仅基于发电测量的模型 894 2 2 基于物理关系的模型 91目录4 2 3 同时运用检测量和物理信息的模型 934 3 概率预测模型 954 3 1 百分位数回

5、归4 3 2 气象集成预报 96 974 3 3 方案的产生 994. 4 升尺度方法1004 5 评估 1004 5 1 点预测 1014 5 2 概率预报 1024 6 文献参考 104参考文献作者简介 105 107第 5 章风力发电机载荷分析1085. 1 风力发电机载荷起源1085 2 平均风速的影响 1095 3 风切变载荷 1105 4 叶片经过塔架引起的载荷 1125 5 尾流引起的载荷 1145 6 湍流引起的载荷 1165 7 波浪载荷 1185 8 载荷设计认证 1195 9 认证标准 1195 10 疲劳载荷分析5 11 极限载荷分析 124 1275. 12 典型的设

6、计条件128参考文献作者简介 130 131第 6 章风力发电机功率控制策略1326 1 控制策略 1336. 1 1 恒速风力发电机 1336 1 2 变速风力发电机 1336 1 3 被动失速控制 1346 1 4 变桨控制 1356 1 5 主动失速控制 1356 2 控制系统 1366 2 1 传感器 1376 2 2 控制器 1386 2 3 执行器 1386 2 4 安全系统 138风能转换技术进展6 3 主控制回路 1396 3 1 转矩控制 1396 3 2 变桨控制 1406 3 3 偏航控制 1406 3 4 外部电网 1406 3 5 SCADA 1406 4 风力发电机

7、建模 1406. 5 结论和未来研究144参考文献作者简介 145 146第 7 章海上风电场并网技术1477 1 并网要求 1477 1 1 低电压穿越 1477. 1 2 频率范围和频率控制 1477 1 3 无功能力和电压控制 1477 2 并网方法 1487 2 1 HVAC 连接 1497 2 2 LCC HVDC 连接 1497 2 3 VSC HVDC 连接 1537 2 4 供选择的方案 1557 3 案例研究 1567. 4 连接选择方式的对比1577. 4 1 输电网标准适应性 1587 4 2 功率损失 1587 4 3 总体成本 1587 5 结论 159参考文献作者简

8、介 159 160第 8 章小型风力发电机1618. 1 基本性能参数1638 2 起动性能 1658 3 偏航行为和陀螺载荷 1678 4 过速保护 1708 5 控制系统 1718 6 塔架及其安装 172参考文献作者简介 174 175第 1 章水平轴风力发电机空气动力学J Gordon Leishman符号表A风轮盘面积, m2a轴向诱导因子, vi / VCd翼型剖面阻力系数Cd0翼型剖面零升力阻尼系数Cl翼型剖面升力系数Cl翼型剖面升力曲线斜率, rad - 1CP功率系数, P / 0 5AV3CT推力系数, T / 0 5AV3c翼型弦长, mFPrandtl 叶尖损失因子k折

9、合频率, c / 2Vkx纵向入流权重因子ky侧向入流权重因子Nb叶片数目PW输出功率, kWR风轮半径, mRe雷诺数, V c / r旋涡方位矢量, mr叶片无因次径向位置r0无因次叶根位置T风轮推力, Nt时间, sV速度矢量, ms - 1Vex扰流速度矢量, ms - 1Vind诱导速度因子, ms - 1V自由流速度矢量, ms - 1XTSR叶尖速度比x, y, z笛卡儿坐标直角坐标, ( m, m, m)第 1 章水平轴风力发电机空气动力学9攻角, rad偏航角, ()v涡流强度, m2 s - 1尾涡寿命, radtip叶尖变桨角度, ()tw叶片扭角, ()诱导损失因子叶尖

10、速比, R / V黏度, kg m - 1 s - 1运动黏度, m2 s - 1空气密度, kg m - 3实度, Nb c / R诱导攻角, rad方位角, rad旋转速度, rad s - 1缩略语BEM叶素动量理论CFD计算流体力学FVM自由涡方法NWS正常工作状态TSR叶尖速度比TWS湍流VRS涡环WBS风机制动状态本章回顾了水平轴风力发电机的空气动力学特性。 风力发电机的空气动力学相当复杂, 其基本运行原理是通过风在叶片上产生气动力使其旋转从而捕获风能, 并将这一能量转化为风力发电机主轴的转动能量。 被捕获的能量通过齿轮箱传递到发电机, 通过电网系统最终输送到用户。水平轴风力发电机

11、有一水平的旋转轴和两片或三片定向安装在塔架上风向 或下风向的叶片。 一台现代兆瓦级的商业水平轴风力发电机如图 1- 1 所示, 它同数百台其他风力发电机安装在一个风电场中。 一般来说, 现代水平轴风力发电机的发电量在 1 5MW 之间。 其他类型的风力发电机, 如垂直轴风力发电机, 最常见的是 Darrieus 风力发电机1,2 , 细长弯曲的叶片与旋转轴连接, 旋转轴与地面垂直。 本章不对垂直轴风力发电机空气动力学作讨论 ( 尽管垂直轴风力发电机也有一些优点), 原因主要在于这类风力发电机的空气动力学效率较低, 当面对商业风力发电机发电要求越来越大的尺寸规模时其缺乏足够的吸引力。图 1- 1

12、 现代三叶片上风向水平轴风力发电机 ( 图中风向由右向左)本章的主要目的是从空气动力学角度来描述水平轴风力发电机的运行性能 特征, 概述空气动力学分析方法的基本原理, 讨论关键设计参数对性能的影响, 并展示典型的空气动力学载荷和功率输出的特性。 新兴的空气动力学预测方法, 如计算流体动力学 ( CFD), 使空气动力学预测能力得到了重大提升, 本章对此作了简要的讨论。 本章的基本目标是展示水平轴风力发电机特有的空气动力学问题, 并以此解释在精确预测空气动力学载荷和评估功率输出特性时仍存在的许多困难。 特别地, 理解和预测湍流风的影响、 变化的边界层、 偏航的气流影响、 塔架 ( 塔影) 的干扰

13、及风力发电机下游方向不稳定涡流的影响都是空气动力学技术挑战的一部分。为了高效地捕获更多风能, 现代水平轴风力发电机的规模也变得更大 ( 通常直径超过 50m)。 这使得风力发电机叶片变得更长、 更柔性, 在空气动力学和惯性载荷的作用下可发生弯曲和扭转。 因此, 完善空气动力学与结构动力学的耦合方法成为越来越重要的工程目标。 在这方面, 眼前的问题是开发出合理的空气动力学模型, 以此满足在附着流和失速条件下预测不稳定的叶片气动载荷, 并紧密地把空气动力学模型和结构动力学 ( 如有限元) 耦合起来, 以及用风模型对旋转叶片的载荷和气弹响应给出更准确的预测。 只有这样, 水平轴风力发电机的性能特征才

14、可以达到所需准确度的预测。总之, 耦合和合理整合有效的空气动力学模型到设计问题 ( 即旋转叶片的结构动力学、 风模型、 叶片变桨和偏航控制器、 传动力、 发电机等) 的各方面成为改进水平轴风力发电机设计的基础。 为此, 已经开发了几种综合的计算机模型 ( 或叫设计代码) 见 Manwell 等3 , 其对这些方法进行综合概述。 然而, 这些代码对水平轴风力发电机叶片载荷和功率输出的预测不如期待的效果好。 这一问题在最近对一台已经在大风洞测试过的综合性风力发电机的叶片载荷和性能特性预测中得到了反应见 Fingersh 等4 。 这一实验提供了一个获得叶片载荷和功率输出测量的方法, 该方法避免了通

15、常在风电场实验中测量结果存在的不确定性的问题。 同时, 该实验为最终解决典型的模型问题提供了特有的数据库。 在盲研究中, 来自 8 种不同预测方法 ( 其中包括几种被称为 “ 先进的” 空气动力学方法) 的结果如图 1- 2 所示详细介绍见 Simms 等5 和 Coton等6 。 通过图 1- 2 可以看出, 尽管在最简单稳态风没有偏航的工况下, 各预测方法结果仍存在较大差异, 这也表明了当前各种建模方法存在的重大缺陷。图 1- 2 通过几种预测方法与实测值比较, 预测水平轴风力发电机的整体性能仍然需要改进 ( 实验条件是 5m 长风力发电机在非偏航状态下, 在大型风洞下测试)让人意想不到的

16、是, 这些预测方法在风电场测试中的结果与风洞实验结果相比同样令人失望甚至更糟。 这样导致的后果就是风力发电机在特定的运行环境中, 有不可预期的载荷产生, 随之导致结构的疲劳问题, 降低机械的可靠性, 减小功率输出, 以及更高的运行费用。 因此, 水平轴风力发电机被证明很难与其他类型能源竞争, 尤其是化石燃料资源, 如煤、 碳、 气。 要将模拟预测能力提升到与风电场运行测试的真实载荷更吻合的水平, 仍需对水平轴风力发电机空气动力学子系统 ( 相互依赖的耦合作用) 进行更多的基础研究。然而, 最近 10 年, 随着对风力发电机叶片上空气动力学的基本理解和风特征研究的一些进展, 我们目睹了风力发电机

17、技术许多新的发展。 正因为如此, 如今工程领域对叶片载荷和功率输出特征的预测能力得到了重大提高, 这也为设计先进的拥有更高空气动力学效率、 可靠性更好的风力发电机增加了自信, 同时这一过程也伴随 ( 甚至是减少) 费用的产生。 社会越来越意识到能源的有限性和化石燃料的燃烧将对环境持续影响 ( 包括环境污染和气候变暖), 这就要求开发出更好的用于工程应用的风力发电机。 因此, 风力发电机在净电功率生产中发挥着越来越重要的作用, 当前发电能力以平均每年 20% 的速度增长7-9 。在美国、 德国、 西班牙、 印度, 风能利用的增长尤其显著。 然而, 风能仍然仅仅是世界总能源需求的很少一部分。 这一

18、情况也将在未来随着社会逐渐注意化石燃料的局限性而得到改变。1 1空气动力学的基本问题如本书所讨论, 水平轴风力发电机设计是一门多学科综合技术, 涉及空气动力学、 结构动力学、 材料分析学、 材料学、 气象学, 这些专业学科需要控制系统分析人员、 电气工程师和土木工程师的参与。 然而, 水平轴风力发电机性能好坏的关键在于空气动力学设计, 如风力发电机的整体尺寸, 叶片扭曲的大小和形状, 弦长的分布, 需要使用的翼型剖面, 预期的载荷和效率的高低, 所需的最大功率输出等。 在这方面, 风力发电机空气动力学的模拟已经覆盖整个传统的旋转翼型分析范围, 这些理论很多来自于直升机领域10 。水平轴风力发电

19、机空气动力学建模的一般方法是综合法, 以最合理的数学模型表示各构成要素的空气动力学问题。 分析类型经过从经典动量理论到叶素模型 ( BE) 和叶素动量 ( BEM) 理论, 通过叶素模型与非定常空气动力学模型和预定尾迹或涡流理论 ( FVM) 相结合。 所得到的各叶素模型整合到一起, 作为整体载荷和风力发电机的性能预测。 因此, 这需要所有的这些子模型能有效耦合, 而由于耦合过程无法唯一定义, 即使使用相同的叶素模型也会表现出不同的预测结果 ( 见图 1- 2)。 显然, 这一问题应当受到设计团队的重点关注。查阅公开的风能资料显示, 水平轴风力发电机的各种技术问题都已以某种方式得以解决, 需要

20、注意的是, 如今工程设计使用的许多模型都基于经验假设而建立。 不幸的是, 基于经验的方法相较与预测方法来说是一种事后解释, 通常这样的模型可能会被用到具体的风力发电机上。 因为这一缺点, 经验模型没有为工程师提供灵活的数学工具以辅助设计新的性能更好的风力发电机。 新的研究工作正在研究更准确的、 可应用于实际的分析模型, 例如使用基于 Euler 和Navier- Stokes 方程数值解法的涡尾流理论和 CFD 模型。 然而, 这些类型的模型对水平轴风力发电机设计的影响是有限的, 部分原因是计算的复杂性和较长的设计周期, 而且它们没有被接受作为验证或认证的设计工具。 由于数值计算方法的迅速成熟

21、, 计算机的计算速度更快、 内存更大, 因此作为设计实践的组成部分, 现代空气动力学方法最终将会得到认可。同时, 在不久的将来, 首要目标必须是通过持续的基础研究逐步改善 ( 或消除) 当前各种形式预测模型存在的局限性, 并通过测试进行有效性论证, 使叶片载荷和风力发电机性能特性能够得到可信的预测。 只有如此, 风能才能成为环境友好型能源生产的经济增长点1 1 1风功率密度为满足所需的能源生产要求, 在设计水平轴风力发电机之前, 首先要评估其安装场地的风能量。 风能量取决于地理位置、 四季风的特性、 风力发电机离地面的高度、 上游地形的类型和其他因素 ( 例如风力发电机相对其他风力发电机的位置

22、)。 因此, 必须提前 ( 多年) 在目标风电场测量得到详细的风数据, 以便收集足够的信息来对风力发电机的有关大小和配置做出合理的工程和经济决策。可以很容易地评估稳定、 均匀风速 V 中的风动能。 每单位面积的质量入流率为 m = V , 单位时间面积风中包含的动能为KE = 1 mV 2 = 1 V 3(1- 1)dt22以上结果被称为风功率密度, 它等于假设风力发电机可完全吸收风中所有可用能量时的功率。 例如, 在标准海平面条件下对于典型的风速为 10m / s 的风力发电机, 风功率密度为21 | V | 3 = 0 5(1 225)(10)3 0 6kW / m2(1- 2)这一风功率

23、密度显然相当温和。 式 (1- 2) 表明, 一台水平轴风力发电机必须增大直径以吸收足够的功率才能满足其经济成本。作为一种可再生能源, 通常根据风功率级别对风进行分类, 级别的范围从 1 级 ( 最低) 到 7 级 ( 最高), 风功率级别基于平均风速和风功率密度而划分。 大多数经济性好的风电场都为4 级及4 级以上风功率地区, 当在风电场距地面一固定位置处 ( 通常被定义为 50m 或约 164ft) 测量时, 其风功率密度范围为 0 4 0. 5kW / m2 。事实上, 即使风力发电机的空气动力学和机械效率都较高其也仅可能提取风中能量的一部分, 特别当风力发电机实际运行场地比考虑的理想场

24、地差时情况更是如此。 在风力发电机从风中提取功率的过程中也会消耗一部分能量, 如克服叶片诱导和旋转损失以及机械效率损失 ( 变速器、 变速箱等)。 这些损失可通过工程设计降到最低, 通常可达到最大理论提取功率的 20% 30% 。从风中捕获的平均功率PW 可表示为2PW = 1 ACP V 3(1- 3)式中, A 为叶片的扫略面积; CP 为功率系数 ( 将在后面介绍); 为机械效率( 总是小于 1)。 式 (1- 3) 假定风速保持为V , 无湍流和风轮运行平面强度不变。 一台现代风力发电机组 CP 的典型值接近 0 5 ( 理论上 CP 最大值为 0 593), 大约是 0 90, 其在

25、最好的情况下只可以利用约 50% 风能 ( 平均每年一般可以捕获 20% 40% 的风能)。 然而, 这并不意味着风力发电机只有 50% 的效率, 与理想性能相比, 一台现代水平轴风力发电机组当其安装在在没有其他风力发电机干扰条件下时其效率可达 80% 。式 (1- 3) 还表明, 必须将风力发电机组安装在风速 ( 平均) 足够大的场地。 即使在多风风电场 ( 即 5 级及以上风电场), 风能经济的发电方式是把数十甚至数百台风力发电机组安装在同一风电场。 随着现代海上商业风力发电机的发展, 目前风力发电机直径已达到 150m (492ft), 可生产高达 10MW 的功率,仅一台大型风力发电机

26、就可供应有 2000 个家庭的小镇用电需求。 未来的技术挑战在于继续改善各种规模风力发电机的性能和效率, 使它们能在风力条件范围更广泛的风电场运行, 如平均风速较低 ( 但减少远程和接近电网) 的风电场, 同时这也使得风力发电机组的可靠性更高和成本更低。1. 1 2风速随机性和平均功率影响水平轴风力发电机组空气动力学性能的一个重要考虑因素是风速不恒定, 以及风在风轮上的时间和空间也不相同, 如图 1- 3 所示。 众所周知风特性的不确定性(如风廓线和湍流) 可能导致严重低估风力发电机的极限载荷, 如叶片、 主轴、 支撑塔筒、 齿轮箱和传输系统载荷等, 这也常导致这些机械部件中的一个或多个过早失

27、效。 从历史上看, 风力发电机组在这方面的可靠性还不够好。 然而, 以最小化载荷为目的的风力发电机设计将大幅地增加叶片重量和制造成本, 这也使得风力发电机的经济性降低。图 1- 3 风力发电机在空间和时间都变化的大气边界层风速下运行基于对选定风电场风速的长期测量, 用概率统计分布 p( V ) 模拟不稳定的( 但空间平均) 的风速。 通常用曲线拟合测得的数据函数瑞利或威布尔方程表示风速分布概率。 瑞利概率方程的最简形式为p( V ) = V exp - V 2 (1- 4) 2 V2 4 V 式中, V 为指定的平均风速。 这一方程模拟了典型的风谱形式, 但它并非完整的描述。 另一种表示是威布

28、尔方程, 为一两参数方程, 它给出了稍好的实际风谱特征3,11,12 。由 p( V ) 可知, 功率输出方程可写为20PW = 1 A p( V) CP V3 dV(1- 5)积分并把式 (1- 4) 代入, 平均功率变为PW = 3CP R2 V3(1- 6)式中, R 为风轮的半径; CP 为平均功率系数 (尽管 CP 随几个相互影响的参数变化而变化, 如后面所示)。 式 (1- 6) 通常称为 “ 一二三” 方程, 该式表明, 平均输出功率正比于空气密度、 风轮半径的二次方、 风速的三次方 见式 (1- 3)。 风电场 (它可能是高的山川或高原地区) 的海拔和空气的温度都将影响流过风力

29、发电机的空气密度, 即使名义上风速出现的概率相同, 其实际功率输出也将时刻改变。1 1 3风速沿地面高度分布由于受大气边界层的影响, 风轮圆盘平面的平均风速将被进一步降低, 从而降低平均输出功率。 正确考虑这一问题对风力发电机安装场地的选择很重要, 并决定了为捕捉到足够的风能其所需的安装高度。风速随高度的空间变化通常使用标准功率法的时间平均湍流边界层流动来模拟, 因此V ( h) = V ( h) h1 / 7(1- 7)ref href 式中, href 为距地面的参考高度, 按照惯例通常为 10m (32 8ft)。 由式 (1- 6 )可以看出, 输出功率随V3 增加而增加, 这意味着,

30、 当在边界层运行时, 水平轴风力发电机的输出功率随 h3 / 7 增加而增加。 鉴于这样的结果, 显然将风力发电机置于塔架更高的位置将捕获更多可利用的风能。 然而, 要实现这个目标将面对一些其他问题, 包括确保足够的塔架强度和刚度 ( 重量、 安装、 成本问题), 控制在高塔顶部的叶轮旋转结构的动态响应 ( 刚度问题), 塔架和风力发电机叶片在风电场的安装成本 ( 这可能需要大型起重机和熟练的工人队伍)。ln更好的风廓模型是采用对数法, 其引入粗糙度长度 z0 , 用以表征上游边界层地形的影响, 因此, 平均风廓模型改写为V ( h) = V ( href ) h z0 ln href (1-

31、 8) z0 如图 1- 4 所示, 结果为采用这一模型生成的代表性风廓。 z0 的标准值已定义, 其可从多个文献得出3,12 , 这些值有助于解释在改进的风廓模型中树木和建筑物 ( 或任何其他上游干扰) 的影响。 另有其他类型风廓模型, 如大山或脊顶风电场, 该类地形会加快风的流动和/ 或改变其整体特征 ( 即改变时间平均风廓和其湍流谱), 并且还可以解释安装在附近其他风力发电机对其的影响, 即尾流干扰或者 “ 阵列” 影响。图 1- 4 在不同类型地形下, 具有代表性的风速轮廓线1 1 4尾流阵影响为了更经济的利用风能, 通常几台水平轴风力发电机布置在一起以形成一个风电场, 如图 1- 1

32、 和图 1- 5 所示。 一个典型的风电场根据其能源利用水平可以布置数十到数百台风力发电机组。 显然, 从图 1- 5 可知, 来自较远上风向风力发电机组的尾流将会影响风在下风向风力发电机组的流动, 典型的结果是在流入的风廓上产生较大的失真和湍流。 这被称为尾流阵干扰效应, 并且可能导致叶片载荷增加以及能量捕获损失。图 1- 5 海上风电场的尾流阵列影响, 尾流中含有大量水蒸气 ( 来源: Uni- Fly A / S, Vattenfall Windkraft, Erik slot,英国风能协会, 威斯敏斯特, 2008 年 6 月 4 日)第 1 章水平轴风力发电机空气动力学59通过风力发

33、电机场地的优化选择来尽量减少这些不利影响是设计经济性风 电场面临的主要挑战之一; 由于相邻风力发电机间距很小, 风电场气动干扰使功率损失可能高达 20% 。 总的干扰损失同时还依赖于风的方向性。 尾流阵影响引起的功率损失在风向发生变化时相较于全方位时更为显著, 在这种情况下尾流阵影响更大、 更持久。要理解尾流阵影响就必须正确理解风力发电机下游的漩涡尾迹, 研究它是如何影响风速轮廓线并增加风电场区域的湍流强度的。 这是一个很难的空气动力学问题, 但研究是有必要的, 因为尾流阵影响不仅导致了显著的发电波动性和不确定性, 而且增加了叶片载荷及其振动的不稳定性, 降低了机械零部件的寿命。 在将来, 需

34、要研发包含侧向和垂向湍流风梯度模型以更好预测水平轴风力发电机的载荷。1 1 5湍流风对功率影响风的湍流特性是风力发电机不稳定载荷产生的原因之一, 并最终将会对叶片产生影响。 同时, 湍流引起的负载变化足以严重到引起电功率输出的不良波动, 以及结构和传动系统的问题。 目前已使用风速计在不同风电场测试, 并已将所获取的数据发展为用于各种预测分析类型的统计模型。首要层次为对评估水平轴风力发电机功率输出效果的预测, 通常将风速表示为平均风速部分V 加上一个瞬时或波动部分 v( t), 即V ( t) = V + v( t)(1- 9)将湍流强度 Iv 以波动风速的方均根表示如下:=vI 1VT v(

35、t)2 dt 1 / 2(1- 10)0式中, T 为测量湍流的时间间隔 ( 通常为 10min)。 在实际中, Iv 值在 0 1 V 到0. 3 V 之间变化。 通常在风力发电机上游有建筑物、 树或其他障碍物时取更大的值。 Iv 强度随着地面高度 h 变化而变化, 且高度增加值减少。 此外, Iv 通常在低风速比高风速的幅度更大。 由于这些显著变化, 必须经常使用实际测量的湍流谱来更好地预测拟建风电场的能量产量。V若假设在湍流时风速波动基本不改变功率系数 CP 值的大小, 那么在湍流风条件下可以找到一个功率输出近似值。 已经知道功率输出随风速的三次方变化, 因此在湍流下, 这一结果变为 3

36、 = ( V + v)3(1- 11)v这里上划线表示平均值。 给出 Iv 的展开方程为V3 = V3 (1 + 3I2 )(1- 12)于是伴随湍流风波动的等效平均功率可表示为PW = 1 ACP(1 + 3I2 ) V3(1- 13)2v因此, 若假设 CP是常数, 以 Iv = 0 1 这个典型值为例, 风力发电机的平均功率输出仅有 3% 的变化。虽然上述分析表明湍流风仅导致相当微弱的输出功率变化, 但对于考虑一个具体风电场功率生产所潜在的经济效益, 湍流强度仍然是一个决定因素。 一些风电场相比其他风电场的测量数据, 显现出更高的湍流强度和不同的风廓, 主要是因为上游地形等的影响, 这些

37、都必须适当地纳入对整体能量生产水平的评估。 当处理不稳定叶片载荷大小、 整机及塔架整体振动强度时, 湍流也将是一个重要的考虑因素。1. 1 6容量系数和具体产量平均输出功率, 也即是PW , 根据以上讨论的所有因素 ( 空气动力学效率、大气边界层、 湍流风、 离地面的高度、 尾流阵效应、 机械和电效率等) 导出容量系数, 定义为 =容量系数PW ( h,IV,p,)额定功率(1- 14)它为风力发电机在给定时间内实际生产的功率与假设在同一时间运行在额 定能力时产生功率的比值。 然而, 能量输出的更精确测量是具体产量, 它根据风力发电机圆盘每单位面积捕获的能量给出了风力发电机年功率输出; 这个量

38、通常是以 kWh / ( m2 年) 来计量。容量系数的精确预测和具体产量对评估风电场的整体经济性尤其重要, 这一过程将包括根据在目标场地测量的风数据适当地设计风力发电机组的大小13 。容量系数通常需要评估在 0 5 或更大值以确保现代风电场可实现商业化, 此时,风力发电机规模和它的预期功率和效率特性进入设计和决策制定周期。然而, 其他因素, 例如机械特性、 风力发电机类型和设计的可靠性, 连同它的维护成本, 也被考虑为合理布置和运行风电场以满足总体经济性的因素。尚不明确的因素是风电场到主要输电线和公用电网的距离。 许多多风地区, 尤其是美国, 正是距离主要的电网系统太远使得这些地区很难发展成

39、具有成本效益的风电场。1 2无偏航情况的动量理论分析水平轴风力发电机的空气动力学分析首先可通过经典动量理论实现。 该理论在没有湍流的均匀流场中定义最大功率极限, 可以给出任意指定风速下风力发电机的最大功率水平。 动量理论也成为更多其他先进风力发电机组空气动力学分析方法的基础, 因此这一基础理论 ( 包括其局限性) 应被正确理解。动量理论在 1930 年被应用于转子系统分析, 主要由Lock、 Betz 和Glauert 提出, 被应用于翼型飞机、 直升机叶片和风车, 但是这一理论通常归功于Glauert14,15 。 由于动量理论基于假设理想的、 无粘的、 不可压缩的流动, 相比于诱导流动没有

40、损失, 它也可被用于确定水平轴风力发电机组能量转化的上限, 即达到定义和测量空气动力学效率的目的。 通过该基准效率定义所有类型的风力发电机的性能水平构成好的工程设计的基础。1 2 1入流模型和分析在无偏航偏差情况下, 水平轴风力发电机的入流模型如图 1- 6 所示。 上游无穷远处平均风速为 V , 旋转平面的平均诱导速度 ( 或者诱导入流) 为 vi。 定义在风力发电机下游方向测量的速度为正值。 需要注意的是, 由于风力发电机从风中获得能量使得下游的平均风速减小, 尾流边界扩展以保证质量守恒。图 1- 6 水平轴风力发电机无偏航入流下动量理论分析模型在风力发电机圆盘平面, 净速度为 V - vi。 在距风力发电机较远处的下游, 相应的速度为 V - w。 通过圆盘的质量流动速率m为m = A( V - vi)(1- 15)通过圆盘后气流动量的改变与在风力发电机上产生的推力关系式为T = mV - m( V - w)(1- 16)展开这一方程, 得出推力与尾流的速度损失之间的关系, 即T = mV - mV + mw = mw(1- 17)水平轴风力发电机的输出功率可通过引