1、流体力学报告电力系统中的流体力学 曹东宇20141292我国目前的电力系统情况： （ 1）随着我国国民经济的快速持续增长 ,特别是高耗能行业的高速增长 ,带动了对能源需求的全面高涨 ,特别是对电力需求的快速增长 ,这种局面造成了我国电力供需紧张。 （ 2） 电网间由于不能有效的联网也加剧了电力供需的不平衡。尤其是在经济相对发达的东南沿海地区 ,电力供应紧张的形势更加 严峻 。 （ 3）从我国的电力工业结构可以看到 , “ 北煤西水 ” 是中国电力布局的基本格局。煤电占 65.3%,水电占 23%, 风电仅仅占 7%。多少年来 ,中国一直在搞 “ 北煤南运 ” 和 “ 西电东输 ” ,就是为了协
2、调发电和用电的布局矛盾。 （ 4） 我国烟尘和二氧化硫的 排放量其中 70%和 80%分别来自煤的燃烧，我国也被国际社会批评没有采取有效措施以减少温室气体的 排放， 因此 ,中国非常需要发展新能源和 可再生能源 来解决电力的紧张。 流体力学横空出世了！这样 说：流体力学与电力系统简直简直是紧密相联的！ 发电 方式： 1.第一火力发电 (NO.1) 2.水力发电 (NO.2) 3.风力发电 (NO.3) 4.核电厂5.地热能发电 6.潮汐能发电 7.生物质能发电风力发电： 风电技术经过 20年的开发日臻成熟 , 其 运行可靠性和发电成本接近常规火电 ,迅速发展成为初具规模的新兴产业。目前我国的风
3、电装机总量年趋增加，发展态势良好。风力发电机设计： 1.风力发电 机由机头、转体、尾翼、叶片组成。叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能； 机头 里装有转子， 转子 是永磁体，定子绕组切割磁力线产生 电能 。2.现代 风轮设计一般采用新翼形设计 , 除按照传统要求在尖部采用薄翼型以满足高升阻力、根部采用厚翼型满足机械强度外 , 新翼形和传统的航空翼形有较大差别 :一般在叶轮尖部采用较低的最大升力系数 , 并减少尖部叶片弦长 , 以控制转子尖部的负荷。而在中部采用较高的升力系数 , 并增加叶片弦长，以达到
4、中等风速时的最佳风轮性能。这样的设计可使风轮年平均的能量输出大大增加。限制功率输出方式： 一般来说 ,在 12-16m/s的风速区 ,大型风力发电机的功率输出可达到额定值。超过此风速区 ,必须降低叶轮的能量捕获 ,使功率输出保持在额定容量附近 ,同时减少叶片承受负荷和整个风机受到的冲击 ,保证风机不受损害。当前普遍采用的限制功率输出方式有 以下 三 种 : a.失速调节 方式 , 依赖 于叶片独特的翼型结构 ,一般用于恒速运行的风力发电机中。在大风时 ,流过叶片背风面的气流产生紊流 ,降低叶片气动效率 ,影响能量捕获 ,产生失速 。b.变距调节 方式 ,是 通过改变叶片迎风面与纵向旋转轴的夹角
5、 ,从而影响叶片的升力和阻力 ,限制大风时风机输出功率的增加 , 优点 是 ,当风速达到一定值时 ,失速型风机必须停机 ,而变距型风机可以逐步变化到一个桨叶无负载的全翼展模式位置 ,避免停机 ,增加风机发电量。变距调节的缺点是对阵风反应要求灵敏 。c.主动失速混合失速 调节 ,这种 调节方式是前两种功率调节方式的组合，充分吸取了被动失速和桨距调节的优点，桨叶采用失速特性，调节系统采用变桨距调节 。湍流风场： 风力发电机的原理涉及空气动力学、结构力学、 材料力学 等等， 它们的相互作用会随着风力发电机组单机容量的增大变得更加 显著 。故系统动力学特性必须通过建立湍流风场模型来分析。 瑞 流风谱一
6、般用一个标准的平稳随机过程来描述 ，釆 用功率谱密度函数描述瑞流能量在频域内的分布，当前的瑞流风速谱大部分都是经验公式， Mann于 1994年提出了基于线性 N-S方程（粘性不可压缩流体动量守恒的运动方程）的波数谱。模拟了完整的同性中性层大气边界层瑞流 的结构，严格 满足质量守恒定律和 N-S方程 。经过 实践反复认证后，模型逐渐为业内 所 认可。 但其对于湍流中的风切变仍然不能很好的解释！湍流 风 场 的 难题 风切变 ：对风力发电有影响吗？ 当然有！风力发电机组运行时，由于受到来流风切变、偏航等不稳定气流因素影响，使得风轮在多数情况下处于非稳态的运行环境，风速值在整个叶片旋转扫掠面上是处处不同的，从而导致 风 电机组运行过程中产生非恒定的 转矩 ， 这不仅会引发风力机机械结构（叶片、塔架等）的振动，同时还将影响输出功率的 质量 ， 剧烈的风切变甚至可能导致风力机强烈振动，使得风力发电机组故障 停机 。 所以，对于大型的风力发电机组，风切变的影响 不容忽视 ！
