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风力发电蓄电池设计论文
2、 风力发电叶片设计基本概念及原理
2.1 风力发电机叶片的基本概念
从设计角度来看，风能发电机叶片外形的实质是从叶根到
叶尖径向位置上不同翼型按照不同弦长和扭角（安装角）分布组成。叶片的几何形状与风力发电机的空气动力特征密切相关，特别是叶片的剖面几何形状即翼型的气动性能关系到叶片气动特性的好坏，会直接影响到风力发电机的能量转换效率。 2.2 风机设计的相关理论 2.1.1、 贝茨理论
德国科学家
Betz最早提出了一种描述理想状态下的气体流
量模型，也称为贝茨模型，如下图所示，贝茨模型将风轮简化为一个圆盘，风轮所受的推力沿圆盘均匀分布，切圆盘上没有摩擦力，同时假设气流是不可压缩的水平均匀定常流，且风轮尾流不旋转，出于风轮前后远方的气流静压相等，以此来描述气流与风轮的作用关系。
设风轮前方远处的风速为V1，通过前轮时的实际速度为V，风轮后方远处的风速为V2，S1为气流再通过风轮前的横截面积，S2为气流通过后的横截面积。气流通过风轮产生机械能，其自身动能必然减少，因此V2小于V1，同时气流通过风轮后其横截面积增加，即S2＞S1。由于嘉定气流不可压缩，根据连续性条件有：
S1V1=SV=S2V2 （2.1）
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气流作用在风轮上的力可以由欧拉公式得出
F=ρSV(V1-V2) （2.2） 式中ρ为空气密度。 由此得出风轮所吸收的功率
P=FV=ρSV(V1-V2) （2.3） 流经风轮前后的动能变化量为
ΔT=1ρS(V1-V2) （2.4）
22
令式（2.3）和（2.4）相等得 V=
V1?V22 （2.5）
由此作用在风轮上的力及输出功率可表示为
F=1ρS(V1-V2) （2.6）
2
2
21 P=4ρ
S(V1-V2)(V1+V2) （2.7）
22
由于风轮前方气流速度V1是给定的，因此功率P的变化可以看成是V2的函数，将式（2.7）微分可得
1dP =4dV2ρS（V1-2V1V2-3V2) （2.8）
22
令
dP=0dV2解得V2=1V1，对应的功率为最大值。
3 代入式（2.7）得最大功率为 Pmax=
8ρ27SV1
3
（2.9）
定义风轮的风能利用系数Cp为风轮输出功率与气流通过风轮扫过面积时的动能的比值，则，
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Pmax1ρSV132 Cpmax=
=16≈0.593 （2.10）
27 叶片扫掠面积S的风能的59．3％。贝茨理论说明理想的风能对风轮叶片做功的最高效率是59.3％。通常风轮机风轮叶片接受风能的效率达不到59．3％，一般根据叶片的数量、叶片的翼形、功率等情况取0.25-0.45。 2.2.2 扩展的叶素一一动量理论
前面介绍的Betz理论是动量理论的简单模型，考虑到实际气流与风轮作用时会发生尾流旋转等效应，因此需要引入相关的诱导因子或干扰系数，同时结合叶素理论，可以进一步确定叶素几何参数，气流速度和气动载荷之间的关系，通过推导功率和风能利用系数的计算公式，为优化提供了理论依据。叶素几何及受力关系如图
需要说明的是，图中的 a, b是根据涡流理论引入的诱导因子或干扰系数，a称为轴向诱导因子，b称为周向诱导因子，它们的物理意义就是当气流通过风轮时其速度受风轮速度影响的程度。
定义轴向诱导因子a=V1,Va为风轮处产生的诱导速度。有 V=V1(1-a)， V2=V1(1-2a) （2.11）
Va - 7 -
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定义Vt为风轮叶片出的诱导速度，Vt=ωr，ω为风机叶片处周向诱导角速度，定义轴向诱导因子动角速度。
ωb=2Ω，其中Ω为风轮转
叶素几何及受力关系
从图中可以看出，通过风轮的轴向速度为V=V1(1-a)，相对于来流风速V1，减少了aV1，这部分就是风轮产生的同理，气流相对于风轮的切向速度变为（1+b)Ωr，多出的bΩr就是切向或轴向诱导速度。a，b两个参数是叶片气动外形设计的关键参数，用来计算叶素弦长和扭角。
2.2.2.1 叶素理论
叶素理论模型是应用空气动力学原理，对叶片二维剖面翼型载荷分析的一种简化方法。对风力机叶片进行叶素理论分析
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