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bdlhz618的博客

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个人简历 具有深厚的专业理论知识和丰富的实践经验,勤于思考,富于创新,在长期的工作实践中,始终注重研究和探索,通过多年的艰辛努力和实验,在技术革新与发明创造方面有所突破,研制成功《风力飞行器》(201110319692.2)。《调桨长的万向风车》(201210393482.2)。

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调桨距不能解决基本问题  

2013-10-01 11:11:48|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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调桨距不能解决基本问题

阻力型风车的叶片,主要的作用就是对风产生阻力,所以一般是用薄片物质,诸如布或金属片,做成一定形状,在风中能够产生阻力就行了。

自从发明了升力型风车以后,为了让叶片能够产生升力,风车的叶片就做成了像船桨一样的长而上下叶面封闭的桨,其截面就称为翼型,翼型则有对称翼型、带弯度的翼型等等。如果把叶桨装在水平轴上并让风按一定速度通过叶桨,那么,叶桨上的一点就会在通过的风柱上画出一条螺旋线,所以一般就称这种风车为螺旋桨风车,而螺旋线的间距,就称为桨距。

螺旋桨风车叶桨桨距的大小,其实就是代表了叶桨弦线与旋转平面之间的夹角——桨距角的大小,调桨距也就是调桨距角。

那么,现有风电技术为什么要用调桨距的办法来调节风力发电机的输出功率和转速,而用这种方法是否可以解决风力发电中的基本问题呢?

下图是一台风力机桨叶的截面(翼型)受力分析图,该翼型弦线与风轮旋转平面的固定夹角β称为桨距角(本图桨距角为负值)。相对翼型的风速是外来风速v与翼型线速度u合成的相对风速w,相对风速w与翼型弦线间的夹角α是翼型的攻角。

 

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把受力分析图与不对称翼型的升力系数、阻力系数随攻角变化曲线图结合起来,我们可以看到,在外来风速v与翼型线速度u合成的相对风速w的三角形中,如果翼型线速度u不变,外来风速v增大,翼型的攻角α将增大,结合升力系数示意图可看到,升力将增大;反之,u不变,风速v减小,翼型的攻角α将减小,升力将减小。如果此时不加控制,那么风车的输出功率和转速,就完全只受风速的左右,风速v增大,升力将增大;风速v减小,升力将减小,升力只受风速控制。

然而,此时如果增大桨距角β,就会使攻角α减小;减小桨距角β,就会使攻角α增大,而桨距角β是受人为控制的,这样就可以用桨距角β来控制风力发电机的输出功率和转速了。所以,现有风电技术就用调桨距的办法来调节风力发电机的输出功率和转速。

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从理论上说,这种控制是可行的。但实践证明,这种控制是很不理想的,完全不能解决风力发电中的最基本的问题。

我们说,风车在把自然界的风能转换成机械能的过程中,有两个最基本的问题要解决:第一是安全问题,第二是稳定的问题。详细的说就是,风车在变幻莫测的风力场中,要保证运行安全,如果没有安全,那么一切将无从谈起。安全问题又包括两个方面,一是发电机不能因为风力过强,超过发电机的承受能力而烧毁;二是不能因为风力过强而损坏风车叶桨,或将风车吹倒;【据报道:9月23日,台风“天兔”登陆汕尾,而红海湾风电场则是此次台风的直接登陆点。“天兔”过境,让该风力发电场遭受重创,一些风电机组钢板厚度高达40毫米还是被大风拦腰截断。
       据了解,红海湾风电场总共有25台风电机组,其中有8台被拦腰折断,倒塌在地上,另外还有9台机组风叶被折断,剩余8台机组在外观上没有出现损毁现象,损毁情况要等到供电以后进行设备检修才能确定。据风电场吴总介绍,从目前估计,此次台风侵袭给该风电场造成的经济损失接近一个亿。】另外,风车虽然所处的环境变幻莫测,风力忽大忽小,但其所输出的电压、电流却应该基本稳定,不然就会成为不受欢迎的“垃圾电”。要么冲击电网,使电网瘫痪;要么穿越不过电网的低电压(低电压穿越问题),造成风力发电机大面积脱网(弃风问题)。

为什么用桨距角β来控制风力发电机的输出功率和转速是很不理想的,完全不能解决风力发电中的最基本的问题呢?

其实,这个问题只要用数学的方法,建立起对象的数学模型,再用经典控制理论或现代控制理论一分析,就一目了然了。当然这需要高深的数学理论,需要繁琐的分析过程,不是一般人可以理解和应用的,现在我们只从感性认识上分析一下,也可以看出,这一控制的不可行性。

首先,说说对象的可控制性。

我们要控制一个对象,首先要分析一下它的可控制性如何?反应过于激烈或者过于迟钝的对象都是不可控制的。一颗炸弹,点火就爆,根本不能控制;反之,俗话说的“顽固不化,固执己见”的,反应过于迟钝的,也不能控制。那么风力发电机这个对象如何呢?通过实验可以看到,它反应并不过于激烈:即使在台风下,也不是一下子达到很高转数,而是有个过程的;它反应也不过于迟钝:风速增加,转速就增加。所以,应该说,风力发电机系统是可以控制的。

由此看来,之所以用调桨距的办法控制风力发电机很不理想,不是风力发电机不可控,而是方法不当。

下面就谈谈控制方法。

要想控制灵敏有效,选择好的控制方法非常重要。如果选择的方法不当,不仅达不到控制目的,而且还可能带来危险。

先来看看用调桨距的办法有哪些缺点。

首先,调桨距的办法过于灵敏,换句话说,就是放大倍数太大。很小的桨距角变化,就能带来很大的升力变化(参见不对称翼型的升力系数、阻力系数随攻角变化曲线图)。这不仅使调桨距要费很大的力量才能完成,而且也使升力的变化不准确,不稳定,有使系统产生震荡的危险。

其次,桨距的可调范围很窄,只有-5度~17度,过大就可能进入失速区,使需要升力增加的时候,升力不增反降,给入网造成危险。

所以,在现有风电技术中,有变浆距调节转速功能的风力机,一般工作在变浆定速模式与变速变浆模式。变浆定速模式用在发电机直接并网的工作状态,因为发电机要与电网频率同步。变速变浆模式,就是指发电机在较低的风速较低的转速时就开始发电,转速随风速增加,一直到额定风速,此时虽未进入失速状态但仍可选择合适的浆距角以获得最大功率输出;当风速超过额定风速继续增加时则通过增大浆距角以保持转速稳定在额定转速,使输出功率稳定维持。而应用最多的,是在遇到强风时可把浆叶调为顺风状态以减小冲击,保护风力机安全。

与调桨距相反,用调浆长来控制风力发电机的输出功率和转速,即柔和又准确,一定会给风力发电带来崭新的局面,为风电发展开创出不一般的发展空间!

 

 

 

 

 

 

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