风轮、风力发电机组、发电系统及风轮半径的确定方法与流程

本发明涉及风力发电技术领域，尤其是涉及一种风轮、风力发电机组、发电系统及风轮半径的确定方法。

背景技术：

目前风力发电机风轮的叶片设计基本通过翼型设计、气动外形设计和修形等步骤完成，但是，这样设计出来的叶片没有根据当地风况、机组出力等情况对叶片进行设计，因此不能实现风能转换的充分和应用的高效。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种风轮、风力发电机组、发电系统及风轮半径的确定方法，以解决现有技术中的风轮不能实现风能转换的充分和应用的高效的技术问题。

本发明提供了一种风轮，所述风轮的半径r，满足下列等式：

其中，n表示风力发电机组的单机额定出力，v1表示额定风速，

ρ表示空气密度，ne表示风轮的额定转速。

进一步地，包括轮轴以及安装于轮轴上的叶片。

进一步地，所述叶片的数量为多个，且多个所述叶片沿所述轮轴的周向均匀分布。

本发明还提供了一种风力发电机组，包括所述的风轮。

本发明还提供了一种发电系统，包括所述的风力发电机组。

本发明还提供了一种风轮半径的确定方法，包括以下步骤：

获取风力发电机组的单机额定出力n，获取本地的额定风速v1，获取本地的空气密度ρ，获取风轮的额定转速ne；

根据等式：计算得出风轮的半径r。

可选地，通过测风仪获取本地的额定风速v1。

可选地，根据风轮正常工作时，流过风轮的环状流体向风轮释放的功率ne的计算公式：得出风轮获得的总功率的计算公式，然后将风轮获得的总功率的计算公式整理得出：

其中，q表示流入风轮的叶片的空气的流量，v2表示空气流出风轮的叶片的初始绝对运动速度，w2表示空气流出风轮的叶片的初始牵连运动速度。

可选地，流过风轮的环状流体向风轮释放的功率ne的计算公式由公式ne＝eρgq得出，其中，e表示环状流体输送给风轮的叶片的能量。

可选地，环状流体输送给风轮的叶片的能量e的计算公式为：

其中，设空气流入叶片的初始绝对运动速度为v1，空气流入叶片的初始压力能头为p1，初始流入叶片的空气相对于零位能面的高度为z1；相应的，空气流出叶片的初始绝对运动速度为v2，空气流出叶片的初始压力能头为p2，初始流出叶片的空气相对于零位能面的高度为z2；环状流体流过风轮的叶片的过程中，损失的能量为∑h。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过考虑单机的额定出力、额度风速、空气密度及风轮转速等因素，以实现在风能利用率最高的情况下确定风轮的半径，使得风轮的叶片设计更合理，符合当地的实际需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中旋转动坐标系图；

图2为本发明实施例中单元体上的压力示意图；

图3为本发明实施例中单元体的几何关系图；

图4为本发明实施例提供的风轮的主视图；

图5为本发明实施例提供的风轮的左视图；

图6为本发明实施例提供的风轮的俯视图。

图中：

200-叶片；201-迎风面；202-背风面；203-轮轴；204-圆环。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

参见图1至图6所示，本发明实施例提供了一种风轮，该风轮的半径r，满足下列等式：

其中，n表示风力发电机组的单机额定出力，v1表示额定风速，

ρ表示空气密度，ne表示风轮额定转速。

该实施例中，风轮包括轮轴203以及安装于轮轴上的叶片200。叶片的数量为多个，且多个叶片沿轮轴的周向均匀分布。

该实施例提供的风轮，通过考虑单机的额定出力、额度风速、空气密度及风轮转速等因素，以实现在风能利用率最高的情况下确定风轮的半径，使得风轮的叶片设计更合理，符合当地的实际需求，可将风能利用率提高近5％，并减少了叶片设计环节，提高了叶片设计精度近10％。

本发明实施例还提供了一种风力发电机组，包括所述的风轮。

本发明实施例还提供了一种发电系统，包括所述的风力发电机组。

本发明实施例一种风轮半径的确定方法，该确定方法包括以下步骤：

步骤一、获得圆环状流体输送给风轮的能量公式；

设空气流入风轮的叶片的初始绝对运动速度为v1，空气流入叶片的初始相对运动速度为u1，空气流入叶片的初始牵连运动速度为w1，空气流入叶片的初始压力能头为p1，初始流入叶片的空气相对于零位能面的高度为z1；相应的，空气流出叶片的初始绝对运动速度为v2，空气流出叶片的初始相对运动速度为u2，空气流出叶片的初始牵连运动速度为w2，空气流出叶片的初始压力能头为p2，初始流出叶片的空气相对于零位能面的高度为z2；环状流体流过风轮的叶片的过程中(即空气在从叶片流入，并且从叶片流出的过程中)，损失的能量为σh，该损失的能量不包括传递给叶片的能量；本地的空气密度ρ也即流入风轮的叶片的空气的密度。

则，空气刚流入叶片间的能量e1为：

空气刚从叶片间流出的能量e2为：

考虑此过程中的能量损失σh，则圆环状流体输送给风轮的能量e为：

e＝e1-e2-σh(3)

将式(1)、(2)代入式(3)并整理，得：

圆环状流体输送给风轮的能量e也即空气传递叶片的能量，即传递给多个叶片的总能量。

步骤二、获得旋转动坐标系下能量转换方程

建立旋转动坐标系，参见图1所示，曲线l1为流场中的一条流线，其中，点j(x,z)为该流线上一点；点j所对应的单元体上的压力分布，参见图2所示，其中，p表示对单元体的作用面的压力；该单元体的几何参数关系，参见图3所示。过流线l1上j点的切线l2与坐标轴x交于点h；连接原点o与点j，并延长得到延长线l3。

过点j的单元体，设其压力作用面的面积为δa，则该单元体的体积dv为：dv＝δads。

设流场中流体(即空气)为理想流体，其密度为ρ，则该单元体的质量dm和重力g分别为：

dm＝ρdv＝ρδads(5)

g＝gdm＝ρgδads(6)

假设流场相对于动坐标系xoz流动，其流线l1上点j相对于坐标系xoz的流动速度为u；另外，还假设坐标系xoz以过点o且垂直于坐标系xoz所在的平面的转轴顺时针方向旋转，此情况下，点j的牵连运动速度为w，则得该单元体的惯性离心力ge和哥氏惯性力gg，惯性离心力的方向和哥氏惯性力的方向相互垂直；惯性离心力的方向和哥氏惯性力的方向的参见图1所示，单元体的惯性离心力ge和哥氏惯性力gg的大小分别为：

将单元体的重力、惯性离心力和哥氏惯性力分别沿过流线l1上点j的切线方向和垂直于该切线方向分解，参见图1所示。由于动坐标系对单元体产生的效应(惯性离心力和哥氏惯性力)已反映在单元体上，因此，该动坐标系对单元体而言已成为惯性系，用牛顿第二定理对其进行力学分析。在过流线l1上点j的切线方向应用牛顿第二定理，有：

参见图1所示，则：

将式(5)、(6)、(7)、(8)、sin∠ojh及cos∠ojh代入式(9)并整理，得：

由于所以式(10)可改写为：

式(11)即旋转动坐标系下环状流体的微分模型。

在式(11)中第二项(zdx-xdz)在闭合曲线l上的积分，可用格林公式表示为：

式中，d为闭合曲线l围成的面积，对流场中的点j而言，显然上式为0。因此，在点a对式(11)进行积分并整理，得：

式(13)即为旋转动坐标系下能量转换方程。

步骤三、建立风力发电风轮模型

在叶片的旋转平面内，以叶片的旋转中心为圆心的圆环状流体为例进行说明，该叶片包括迎风面201和背风面202，流体为空气；该圆环204的小圆的半径为r，该圆环的大圆的半径为r+dr；小圆沿叶片的旋转中心轴线拉伸后形成的圆柱面截得叶片的横截面为叶片的背风面曲线与叶片的迎风面曲线所围的图形，其中，叶片的背风面曲线的两端与叶片的迎风面曲线的两端相交形成的两个交点分别为叶片前缘点c和叶处后缘点e。空气从风轮的叶片的前缘点流入，并从风轮的叶片的后缘点流出。

根据式(13)，流经风轮的能量转换还可写为：

将式(14)代入式(4)并整理，得

考虑圆环内有：w1＝w2，所以式(15)可表示为：

由图6中的δabc得，并将代入式(16)并整理，得：

此即所考察的环状流体流过风轮时传递给风轮的能量。由此可看出，环状流体流过风轮时传递给风轮的能量只与此环状流体刚流出风轮的状态有关，即，只与此环状流体刚流出风轮(即从风轮的叶片的后缘点流出)的绝对运动速度、牵连运动速度和相对运动速度有关。

流过风轮的环状流体向风轮释放的功率：

因此，流过风轮的流体传递给风轮的功率只与此环状流体刚流出风轮的状态有关，具体来说，也就是只与此环状流体刚流出风轮的绝对运动速度、牵连运动速度和相对运动速度有关。

根据图6中δefg，由余弦定理，得

将式(19)代入式(18)，得

式(20)表示，风轮正常工作，流过风轮的环状流体向风轮释放的功率等于环状流体流量、流体密度、环缘处风轮叶片的牵连运动速度及环缘处流出流体的绝对运动速度在此点牵连运动速度方向投影的连乘积。

需要说明的是，风力发电风轮模型的建立及相关的公式，可以参见现有技术中的迎风面的出流切线倾角的确定方法。

步骤四、获得风轮的半径满足的等式：

若某风电场风力发电机组单机额定出力为n(单位为w)，当地额定风速为v1(单位为m/s)，空气密度为ρ(单位为kg/m³)，发电机额定转速及风轮额定转速均为ne(单位为r/min，即转每分)。

设待确定风轮的半径为r(单位为m)，则以v1速度通过风轮扫略面积的空气携带的能量nf为

该能量向风轮释放n的功率后剩余的能量δnf为

δnf＝nf-n(w)

设具有此能量的空气的速度为v2，该速度即空气流出叶片的初始绝对运动速度，则

所以

设风轮半径r处空气的牵连运动速度为w2，则

需要说明的是，在计算w2时，经过了单位换算，即由转每分换算成弧度每秒。

据式(20)，通过风轮上半径为r、径向宽度为dr的圆环微面积2πrdr的流动空气向风轮释放的微功率dne为：

则，风轮获得的总功率(即流过风轮的环状流体向风轮释放的功率)为

即

出力最大时，则

则

将δnf代入并整理得，

将相关数据代入，即可求得风轮半r。

本发明提供的风轮及风轮半径的确定方法，在叶片设计中的具体应用为：

以某风电场风力发电机组为例，要求单机额定出力n＝1.2m＝1.2×10⁶(w)，当地额定风速v1＝12(m/s)，空气密度ρ＝1.225(kg/m³)，发电机额定转速及风轮转速为ne＝15(r/min)。

以v1＝12m/s的速度通过风轮扫略面积的空气携带的能量nf为

该能量向风轮释放1.2m的功率后剩余的能量δnf为

δnf＝nf-n＝3325.062r²-1200000(w)

设具有此能量的空气的速度为v2，则

所以

设风轮半径r处空气的牵连运动速度为w2，则

据式(20)，通过风轮上半径为rr、径向宽度为dr的圆环微面积2πrdr的流动空气向风轮释放的微功率dne为

则，风轮获得的总功率为

即

出力最大时，则

则

所以

3.325062r⁹-1200r⁷-29442376372＝0

数值求解，得出风力发电风轮半径为：

r＝19.235(m)

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。