江南体育2.2.1 风轮在静止情况下叶片的受力情况 在安装风力机叶片时，必须对每支叶片按同一旋转方向，以叶片自身轴为轴转过一个给定的角度，即使每个叶片的翼弦与风轮旋转平面（风轮旋转时桨叶所扫过的平面）形成一个角度 ， 称为安装角。

　　从风力机得到最大的能量输出。风速超过额定风速后，图中出现了两条曲线，上面一条表示可能达到的 ，下面的曲线为实际运行情况中的 。

　　上图中的曲线仅对一种转速（ ）有效。如果转速改变，由于 改变引起功角变化，因而也就改变了给定风速下的 。为了设计上的方便，需要一条单一的曲线，它即能适用于风速的变化，也能适用于转速的变化，这就意味着需要把风速和转速结合成一个单一的变量，即风力机的叶尖速度 与风速v之比，称为叶尖速比。它是风力机的重要设计参数。

　　我国风力机技术研究得到了迅速发展，先后研制了55kW、200kW、300kW、600kW和750kW等大中型并网型风力机。

　　600kW、 750kW风力机机组已实现商品化，1.0MW、1.3MW正在进行产业化工作。

　　已研制机型均属于定转速失速控制型风力机，变速恒频型风力机尚在开发研究中，兆瓦级机组也尚处于研究阶段。

　　Nordex 250 风力机桨叶弯矩 (上：准稳态近似，下：动态失速模型)

　　攻角迅速变化的情况下动态失速模型对升力系数的修正 （汕头大学在NSFC资助下完成）

　　国际上风力机专用翼型的研究始于80年代中期， 、瑞典和丹麦等风能技术发达国家都发展各自的翼型系列。

　　目前我国风电场建设的基本情况和特点是： 具有巨大的发展潜力，需要进一步开发和建设。 总装机容量仅占全国电网总容量的0.07%。

　　我国并网型风力机组绝大部分是国外机组，其中丹麦占67%。德国占21%，国产机组仅占1%。

　　我国风电场单位容量的综合 约为1万元/kW，发电成本约为0.4~0.6元/kW.h，尚不具备商业化生产的条件，需要 上大力扶持。江南体育

　　随着风力机单机容量的大型化，以商业应用为目标的各种新概念风力机得到了重视，对比传统的定转速失速控制型风力机和变桨距控制风力机，主要有以下特征： 变转速控制，以跟踪最佳效率 变桨距控制，以降低构件载荷 桨叶独立变桨距，以满足大直径风轮的需要 大挠度柔性桨叶，以降低风轮重量改善受力情况 采用双馈发电机，以满足并网发电的要求

　　紊流引起的随机载荷在风力机设计中的重要性现在得到了广泛的认同，由于紊流风速变化可以达到稳态风速的量级，研究可以正确反映紊流时空结构的风场紊流模型对风力机疲劳载荷和极端载荷的确定具有重要意义。

　　基于叶素动量理论的风轮空气动力学模型仍然是风轮气动计算的基础，但在处理动态过程时存在较大的局限性。下列模型是动态空气动力学当前研究的热点问题：

　　早期风力机设计假定稳态风速，并对风场剪切效应和塔影效应进行模拟。简化模型虽然可以较好地计算风力机周期性载荷，但无法计算由风场紊流引起的随机载荷。

　　图中，由于大气紊流和风电场风力机尾流的影响，在50度和240度方向有强烈的风速波动。

　　目前，我国大型风力机技术主要走引进消化技术国产化的道路，基础研究投入不足，与国际研究水平相比仍有较大差距。

　　现代风力机由各种部件和子系统组成，涉及广泛的领域，包括自然风流动，转子气动力学、控制系统、机械系统、和电力系统等。另一方面，风力机有不同于通常机械系统的特性： 动力源是随机性很强的自然风， 桨叶经常运行在失速工况， 传动系统的动力输入异常不规则， 疲劳负载高于通常旋转机械几十倍。 对于这样的强随机性气动过程，存在一些有待研究的基础科学问题。

　　垂直轴风力机可分为两个主要类别：利用空气阻力做功的，如S型风轮；利用翼型升力做功的，如达里厄（Darrieus)型风力机，这种风力机目前是水平轴风力机的主要竞争者。

　　各种风力机的原理与结构总的来说是大同小异的，这里简单介绍水平轴风力机的结构和组成。

　　我国陆地上可开发风能储量有2.53亿kW，而沿海水深2m至15m海域的可开发风能储量有7.5亿kW，约为陆上风能资源的3倍。

　　20年来，风力机平均单机容量提高20倍，兆瓦级风力机已成为当前主流机型。

　　变转速变桨距型风力机的气动力学问题：主要包括动态气动研究和气动优化理论研究。

　　气弹稳定性问题：主要包括大型柔性桨叶弹性变形与非定常气动力间的耦合关系研究，气动弹性稳定性特征方程和判据准则的研究。

　　极端载荷分析问题：主要包括实际动态过程模拟研究，随机载荷分析，和可靠性设计理论研究。

　　水平轴风力机的风轮围绕一个水平轴旋转，工作时，风轮的旋转平面与风向垂直，风轮上的叶片径向安装，与风轮的旋转平面成一角度 （锥角）。

　　垂直轴风力机的风轮围绕一个垂直轴旋转，其优点是可以接受来自任何方向的风，无需调向装置。同时，齿轮箱和发电机可以安装在地面上。

　　主要研究内容： 气弹稳定性分析：研究风力机空间运动、弹性变形与非定常气动力间的相互耦合关系，建立系统气动弹性稳定性特征方程和判据准则，实现风力机系统可靠的气动弹性稳定性分析。

　　振动模态分析：采用有限元模态分析方法在复杂构件实体建模上虽然有一定难度，但研究表明它是一种适合风力机系统振动模态分析的有效方法。

　　还有一种可以获得良好性能的方法，即风力机采取变速运行方式。通过控制输出功率的方法，使风力机的转速随风速的变化而变化，两者之间保持一个恒定的最佳比值，从而在很大的风速范围内均可使叶片各处以最佳的功角运行。

　　2.3.1 贝兹（Betz）理论 风轮的作用是将风能转化为机械能。由于流经风轮前后的风速不可能为零，因此风所拥有的能量没有完全被吸收。那么风轮究竟能够吸收多少风能呢？贝兹假设了一种理想风轮，即假设：

　　b. 功角的影响图中为叶片升力系数与阻力系数随功角变化的曲线。随着攻角 由零逐渐增大， 由某一数值开始呈线性变化。当攻角到达某一临界功角时 ，升力系数达到最大值 。当 时，开始随功角增加而

　　下降，故也称为失速功角。阻力系数曲线的变化与升力系数曲线有所不同，它有两个特征参数，即最小阻力系数和与其对应的功角。阻力系数通常是功角的二次函数。

　　我国在风力机翼型研究方面开展了卓有成效的工作。 中国气动力研究与发展中心对风力机桨叶常用的30种翼型进行了大量的风洞实验，取得了-10°～180°大攻角气动数据。

　　汕头大学在NSFC资助下对风力机翼型气动性能及优化进行了系统的探讨，通过翼型风洞实验和分析计算，已经掌握了新系列翼型的几何外形数据和气动性能数据，并建立了数据库。该数据库解决了非标准翼型的插值计算问题并支持流行的NACA系列翼型和 FFA-W系列翼型，并且可进一步扩充。

　　2004年底，已有528MW的新增风电容量投入建设。估计到2005年底，全国的装机容量将会超过1000MW。

　　中国风电利用的特点： 在风力资源丰富或较丰富的边远地区、缺电地区，以发展小型或中型独立运行的风电系统为主。 在风力资源丰富，电网通达的地区，风力发电则作为一种清洁的可再生能源，补充和逐步替代部分常规能源，以发展大型风电场为主。

　　1、风轮没有锥角、倾角和偏角，风轮可简化成一个平面桨盘（没有轮毂，叶片无穷多）。

　　3、气流速度的方向在通过风轮前后都是沿风轮轴线、作用在风轮上的推力是均匀的。

　　右图示出了空气流经桨叶的流线图和风轮前后的速度及压力变化。由于风轮在旋转，使气流产生落差，在靠近风轮处及风轮后某一距离处的气流速度有所降低。同时，靠近风轮处的空气压力增高，通过风轮后急剧下降，形成某种程度的真空，随后真空度逐渐减弱，恢复原来的压力。

　　广东是中国的经济大省，也是最早发展风电的省份之一。它在经济基础、发展经验和 能力等方面都有得天独厚的优势。大力发展风电这种清洁的可再生能源，对广东省的经济、环境＆社会等都会大有益处。

　　在积极的 支持下，到 年，广东风电可实现20GW的装机量。如果这个目标成为现实，广东每年风力发电将会达到350亿kWh，相当于广东省2003年电力需求的17％，也相当于香港一年的电力供应。同时，每年可因此减少2900万吨二氧化碳的排放。这个切实可行的目标显示了风力发电开发在广东的发展中将会扮演主要角色。

　　雷诺数愈小的流动，粘性作用愈大，反之亦然。雷诺数增加，翼型附面层气流粘性减小，最大升力系数增加，最小阻力系数减小，因而升阻比增加。

　　翼型的表面粗糙度，特别是前缘附近的表面粗糙度，对翼型空气动力特性有很大影响。右图所示为表面粗糙度对翼型阻力系数的影响。一般情况下，表面粗糙度增大使阻力系数增加，而对升力系数影响不大。

　　大多数情况下，要求风力机不论风速如何变化，转速总保持恒定或不超过某一限定值，为此采用了调速或限速装置。从原理上看大致有三类：

　　3. 变浆距调速（如图） 采用浆距控制除可控制转速外，还可以减小转子和驱动链中各部件的压力，并允许风力机在很大的风速下运行，因而运用越来越广泛。

　　现广东已在南澳、惠来和汕尾建设了风电场，南澳风电场为我国三大风电场之一，江南体育并开始规划建设20万千瓦海上风电场，这将使其成为全国最大风电场。

　　风力发电机组包含两大部分：将风能转换为机械能的风力机和将机械能转换为电能的发电机。

　　1.1 风力机的类型 风力机将风能转换为机械能的主要部件为受风力作用而旋转的风轮，依风轮的结构及其在气流中的位置大体上可分为两大类：一类为水平轴风力机，一类为垂直轴风力机。

　　右图所示为翼型升力系数对阻力系数的变化曲线，称为极曲线，线上每一点对应一个功角状态，图中OA代表与某一功角相应的总气动力系数 ，直线OA的斜率 即为该功角下的升阻比。当OA与该曲线相切时（此时A点为切点），升阻比最大。

　　、 不仅与翼型及其在气流中的位置有关，也与阻滞空气流动的粘性力（摩擦力）有关。这种粘性力可用雷诺数 表示为：

　　疲劳载荷计算：主要涉及风力机疲劳载荷分析设计，风力机实际动态过程模拟研究，疲劳破坏准则研究和复合材料疲劳性能研究。

　　极端载荷计算：主要涉及风力机极端载荷分析，风力机实际动态过程模拟研究，结构在各种极端载荷下强度、刚度分析。

　　准确的结构动力学分析是风力机设计的关键，必须对设计风力机在气动和机械载荷作用下的气动弹性稳定性，江南体育疲劳寿命和极端载荷下的准确的动力学分析计算，否则就会发生风力机由于失稳或结构疲劳而提前夭折，或极端载荷下损毁，甚至产生桨叶变形过大而撞击塔架等灾难。

　　结构动力学分析不单纯是是一个结构特性问题，要充分考虑气动力和结构弹性变形的相互作用。疲劳载荷分析和极端载荷分析更必须充分考虑风场的随机特性，江南体育建立正确的分析模型。

　　风力发电机的风轮一般由2～3个叶片和轮毂组成，其功能是将风能转换为机械能。 除小型风力机的叶片部分采用木质材料外，中、大型风力机的叶片都倾向于采用玻璃纤维或高强度复合材料。 叶片安装在轮毂上。轮毂是风轮的枢纽，也是叶片根部与主轴的连接件。

　　风能作为一种清洁的可再生能源在未来的能源系统中将发挥重要作用。 这种桨叶称为变桨距桨叶，而安装角一经装好就不能再变动的叶片称为定桨距式叶片。 它在经济基础、发展经验和 能力等方面都有得天独厚的优势。 它在经济基础、发展经验和 能力等方面都有得天独厚的优势。 3 风力机的气动力特性 我们取单位时间内风轮所能吸收的风能E与通过风轮旋转面的全部风能 之比为风能利用系数 ，即 世界上开展风力发电的前10个国家 从总体的发电容量来看： 、英国和中国的风电装机容量占该国总发电容量的百分比都少于1％（中国0. 德国占21%，国产机组仅占1%。 桨叶独立变桨距，以满足大直径风轮的需要 量就是为风轮所吸收并使风轮旋转的风能E，即 （摆振为其主要振动形式） 2 风轮在转动情况下叶片的受力情况 MOD-2型变桨距水平轴风力机的 随风速v变化的曲线、作用在风轮上的推力是均匀的。

　　为升力系数； 为阻力系数。 升力系数和阻力系数之比称为升阻比，以K表示：

　　升力是使风力机有效工作的力，阻力则形成对风轮的正面压力。为了使风力机很好地工作，需要具有能得到最大升力和最小阻力的翼型端面，也就是要求具有很大地升阻比K。

　　a. 翼型的影响 下图是三种不 同截面形状的 翼型在相同功 角下的升力和 阻力。

　　2.1 空气动力学的基本知识 2.1.1 升力和阻力 物体在空气中有相对运动时，物体将受到空气的作用力，称为空气动力。它一般由两部分组成：（1）物体表面各处气流的速度与压力不同，从而对物体产生合成的压力；（2）物体附面层内由于气流粘性作用产生的摩擦力。将整个物体表面这些力合成，即为空气动力。

　　风力和波力联合作用下的气动问题：相对于陆上风力机而言，海上风力机受波浪和风的双重作用，气动设计变得更加复杂，在疲劳载荷和极端载荷分析中必须考虑波力和风力的联合作用。

　　海上风力机基础结构设计理论问题：主要包括基础结构形式研究和各种基础结构在波力和风力的联合作用下的动力学研究。

　　在单位时间内，从风轮前到风轮后气流动能的变化 量就是为风轮所吸收并使风轮旋转的风能E，即

　　m为单位时间内流过风轮截面的空气质量 。 经过推导得到风轮可能吸收到的最大风能为：

　　这个最大能量只有在工作中毫无损失的风轮即理想风轮中才能得到，并转变为风轮的机械功。

　　我们取单位时间内风轮所能吸收的风能E与通过风轮旋转面的全部风能 之比为风能利用系数 ，即

　　绿色和平组织的“彩虹勇士”号行驶在丹麦的Middelgrunden海上风电场

　　尽管如此，由于风速是在经常变化的，为了适应不同的风速，可以随着风速的变化，调节整个叶片的安装角，从而有可能在很大的风速范围内均可以得到优良的气动力性能。这种桨叶称为变桨距桨叶，而安装角一经装好就不能再变动的叶片称为定桨距式叶片。

　　风力发电成本呈迅速降低趋势，已接近常规能源，是可与常规能源进行商业竞争的新能源

　　实际应用中常用风能利用系数 对叶尖速比 的变化曲线来表示该风轮的空气动力特性。

　　实际风轮利用系数曲线如图，风力机的风能利用系数及风轮将风能转变为机械能的效率与叶尖速比是密切相关的。风能利用系数 只有在叶尖速比 为某一定值 时最大。

　　变速运行的风力机，通过适当控制输出功率的方法，有可能使风力机在风轮叶尖速比与风速之比为恒定的最佳值情况下运转，从而使 在很大的风速变化范围内均能保持最大值，风能转换为机械能的效率问题有可能得到最佳解决。

　　当风速为 时，该风力机的 约为；当风速为 时，风轮利用系数为最大值 。该风力机的额定风速是 ，在这个风速时的风能利用系数 降到。设计使最大风能利用系数出现在低于额定风速处，有利于

　　中国风电开发的过程及其发展可以分为两个发展阶段：示范阶段（1986-1993）和商业化阶段（1993至今）。截止2004年底，中国已有43个风电场在运转，总共有1292台风电机组，764MW的装机容量。超过14个不同的省份发展了风电场。其中发展较好的前五位是：内蒙古（135MW）、辽宁（126MW）、新疆（113MW)、广东（86MW）和宁夏（55MW）。

　　目前，已有丹麦、荷兰、瑞典、英国和爱尔兰等5国家的共16个海上风电场在运行，装机数299台，总装机容量552MW。

　　地球上海岸线万公里，可供开发的风力资源极为丰富，研究表明，江南体育全世界可开发的海上风能达每年37万亿kWh。

　　由于风轮旋转时叶片不同半径处的线速度不同，因而对应于叶片各处的气流速度 在大小和方向上也都不同，如果叶片各处的安装角都一样，则叶片各处的实际功角都将不同，如图。这样的叶片不具备良好

　　的气动力特性。为了在整个叶片长度方向均能获得有利的功角数值，叶片的每一个截面的安装角随半径的增大而逐渐减小，如下图。这种具有变化的安装角的叶片称为螺旋桨型叶片，而各处安装角均相同的叶片称为平板型叶片。

　　中国陆上风能储量为253GW，离岸风能储量为750GW。而当前的装机容量仅占这个储量的％还少。

　　从总体的发电容量来看： 、英国和中国的风电装机容量占该国总发电容量的百分比都少于1％（中国0.07％，英国0.84％， 0.72％）。而西班牙和德国恰好相反，它们的风力发电比例相对较高，达到14～18％。在西班牙和德国，风电机组都是当地制造的，这一点勿庸置疑地促进了风力发电在该国取得成功。德国和西班牙的经验表面，激励策略以及相关的 在促进风电发展方面起着极其重要的作用。

　　动态尾流模型（Dynamic wake model） 桨叶负载变化导致尾流变化影响诱导速度的动态过程需要一定的迟延时间，而传统的平衡尾流模型或者刚性尾流模型都不能正确描述这一动态过程。

　　动态失速模型（Dynamic stall model） 在攻角急剧变化的流动情况下，动态失速攻角与稳态失速攻角相比有明显的滞后，因此动态失速模型又称为失速滞后模型。传统分析方法采用准稳态近似，低估了气动弹性对失速流动的阻尼作用，从而给出错误的结构振动计算结果。

　　若风轮旋转角速度为 ，则相对于叶片上距转轴中心r处的一小段叶片元（叶素）的气流速度 将是垂直于风轮旋转面的来流速度 与该叶片元的旋转速度 的矢量和， 如图。此时以角速度 旋转的桨叶，在与转轴中心相距r处的叶片元的功角，已经不是 与翼弦的夹角，而是 与翼弦的夹角了。

　　GE WIND ENERGY 最新研制的3.6MW风力机就是一个有代表性的大型风力机。 风轮直径104米 预弯柔性桨叶 三桨叶独立变桨距 变转速控制 双馈发电机

　　海面粗糙度小，海上风场湍流强度小、具有稳定的主导风向，且风速比沿岸陆上约高25％。

　　随着风力机的大型化，1.5兆瓦以上风力机在陆地上的运输和安装会遇到困难。

　　1、风轮没有锥角、倾角和偏角，风轮可简化成一个平面桨盘（没有轮毂，叶片无穷多）。 世界 海上风力发电潜能概览 在安装风力机叶片时，必须对每支叶片按同一旋转方向，以叶片自身轴为轴转过一个给定的角度，即使每个叶片的翼弦与风轮旋转平面（风轮旋转时桨叶所扫过的平面）形成一个角度 ， 称为安装角。 设计使最大风能利用系数出现在低于额定风速处，有利于 风力机技术的基础科学问题 翼型的表面粗糙度，特别是前缘附近的表面粗糙度，对翼型空气动力特性有很大影响。 2004年底，已有528MW的新增风电容量投入建设。 我们取单位时间内风轮所能吸收的风能E与通过风轮旋转面的全部风能 之比为风能利用系数 ，即 2 风轮在转动情况下叶片的受力情况 我们取单位时间内风轮所能吸收的风能E与通过风轮旋转面的全部风能 之比为风能利用系数 ，即 德国和西班牙的经验表面，激励策略以及相关的 在促进风电发展方面起着极其重要的作用。

　　风能作为一种清洁的可再生能源在未来的能源系统中将发挥重要作用。近十年来，世界风力发电以年增长率30%左右高速发展，到2005年底，世界风电总装机容量约为5932万千瓦，我国为126万千瓦。

　　风轮的平面形状与剖面几何形状同风力机空气动力特性密切相关，特别是剖面几何形状即翼型气动特性的好坏，直接影响风力机的风能利用系数。

　　气流绕风能叶片的流动是一个空间的三元流动。当叶片长度与其翼型弦长之比（展弦比）较大时，可以忽略气流的展向流动，而把气流绕叶片的流动简化为绕许多段叶片元（叶素）的流动，叶素间相互无干扰。当每个叶素的展向长度趋向无穷小时，叶素就成了翼型，空气绕叶素的流动就成了绕翼型的流动，即二元或平面流动。

　　NREL系列翼型能有效减小由于桨叶表面粗糙度增加而造成的风轮性能下降，并且能增加能量输出和改善功率控制

　　丹麦的RIS-A系列翼型在接近失速时具有最大的升阻比，并且具有对前缘粗糙度的不敏感性。

　　瑞典的FFA-W翼型族具有较高的最大升力系数和升阻比，并且在失速工况下具有良好的气动性能。目前，世界上最大的风力机桨叶生产商丹麦LM公司就在大型风力机上采用了FFA-W翼型。

　　下面以空气流过一平板为例， 说明升力和阻力的产生： 如图，由于平板上、下方所受 到的压力不同，压力的合力F即为平板在流动空气中所受到的空气动力，其方向垂直于板面。此力可分解为两个分力： 与气流方向垂直，使平面上升，称为升力；另一个分力 与气流方向相同，称为阻力。升力和阻力与叶片在气流方向的投影面积S、空气密度 及气流速度 的二次方成比例，即：