風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片數(shù)目與風(fēng)能利用率_圖文

1、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片數(shù)目與風(fēng)能利用率曹連芃摘要:介紹風(fēng)輪實(shí)度大小對(duì)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行特性的影響, 為什么現(xiàn)在風(fēng)力發(fā)電機(jī) 多為“一根桿子三根針”的結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵字:風(fēng)輪,風(fēng)輪實(shí)度,葉尖速比,風(fēng)能利用系數(shù) , 一根桿子三根針,實(shí) 度比 , 風(fēng)能,風(fēng)力發(fā)電機(jī)圖 1是我們常見的風(fēng)力發(fā)電機(jī)外觀圖, 它有三個(gè)葉片, 三個(gè)葉片與輪轂構(gòu)成 風(fēng)輪, 風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的發(fā)電機(jī), 由于風(fēng)輪的轉(zhuǎn)軸是水平的, 故稱為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。 圖 1-水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)我們看到絕大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)是三個(gè)葉片,這是為什么?在談這個(gè)問題之前,先介紹一個(gè)有關(guān)風(fēng)力機(jī)葉片數(shù)目的概念風(fēng)輪實(shí)度。 風(fēng)力機(jī)葉片(在風(fēng)向投影的總面積與風(fēng)通過風(fēng)輪的面積(風(fēng)輪掃掠面積之

2、比 稱為實(shí)度(或稱實(shí)度比、容積比 ,是風(fēng)力機(jī)的一個(gè)參考數(shù)據(jù)。圖 2是幾種水平軸風(fēng)力機(jī)葉輪,繪有單葉片、雙葉片、三葉片、多葉片四種風(fēng)輪的示意圖,風(fēng)輪實(shí)度的計(jì)算方法如下:S 為每個(gè)葉片對(duì)風(fēng)向的投影面積, R 為風(fēng)輪半徑, B 為葉片個(gè)數(shù), 為實(shí)度比=BS/R2 圖 2-單葉片至多葉片的風(fēng)輪實(shí)度在圖 2中從單葉片到三葉片的風(fēng)輪實(shí)度比小,是低實(shí)度風(fēng)輪, 12葉片的風(fēng) 輪實(shí)度比高,是高實(shí)度風(fēng)輪。從圖中看三個(gè)細(xì)細(xì)的葉片似乎讓大多數(shù)風(fēng)都漏掉了, 為什么不采用多葉片風(fēng) 輪以便接受更多風(fēng)能呢。我們通過圖 3來做簡單的解釋:圖上部分是風(fēng)通過普通三葉片的氣流示意 圖, 氣流通過葉輪做功后速度減慢, 由于速度變慢氣流

3、體積有所增大, 就有圖中 所示的氣體發(fā)散的流動(dòng)曲線。 圖 2下部分是風(fēng)通過多葉片的氣流示意圖, 多葉片 大大增加了氣體通過的阻力, 氣流會(huì)分開繞過葉輪流向后方, 只有部分氣流通過 葉輪做功, 由于阻力大, 通過葉片的風(fēng)速也會(huì)降低得較多, 所以葉輪實(shí)際得到的 風(fēng)功率減少了,這就是多葉片風(fēng)力機(jī)得不到更多風(fēng)能的重要原因。圖 3-三葉片與多葉片的氣流示意圖能不能不讓氣流繞過葉輪呢,那只有將葉輪安裝在管道內(nèi)(圖 4 ,為保證 氣流不繞流的進(jìn)入管道必須在管道前設(shè)巨大的風(fēng)壩,這樣氣流就不會(huì)繞過葉輪, 進(jìn)入管道內(nèi)還會(huì)加速。 圖 4-風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)渦輪示意圖 在風(fēng)道內(nèi)的葉輪就可做成多葉片的, 甚至再增加一級(jí)風(fēng)輪葉片

4、來提高風(fēng)能利 用率, 如果僅從風(fēng)壩前風(fēng)速與單個(gè)風(fēng)輪面積來計(jì)算風(fēng)能利用系數(shù)有可能超過貝茨 極限。 但建立巨大的風(fēng)壩會(huì)使成本大大增加, 難以實(shí)際應(yīng)用, 除非有現(xiàn)成的物體 或建筑物充當(dāng)風(fēng)壩。低實(shí)度少葉片風(fēng)輪是不是讓絕大部分氣流漏掉了呢?也不是。 低實(shí)度風(fēng)力機(jī) 運(yùn)轉(zhuǎn)速度較高, 葉片線速度較風(fēng)速高許多倍, 可掃過大部分通過的氣流, 使大部 分通過的氣流都推動(dòng)葉片運(yùn)轉(zhuǎn), 沒經(jīng)過葉片的僅是少部分, 使大部分風(fēng)能得到利 用。選取多少葉片合適,國內(nèi)外做了大量實(shí)驗(yàn),圖 5是從單葉片到五葉片水平 軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)曲線圖。 橫坐標(biāo)是葉尖速比, 葉尖速比是風(fēng)輪葉片尖端 線速度與進(jìn)風(fēng)輪前的風(fēng)速之比; 縱坐標(biāo)是風(fēng)能利

5、用系數(shù), 風(fēng)能利用系數(shù)是風(fēng)力機(jī) 獲得的功率與通過風(fēng)力機(jī)葉片掃掠面積的風(fēng)功率的比值。從風(fēng)能利用系數(shù)曲線圖中看到 5葉片到 3葉片都有較高的最大風(fēng)能利用系 數(shù), 但 5葉片與 4葉片葉在最大風(fēng)能利用系數(shù)時(shí)尖速比范圍較小 (即可用風(fēng)速范 圍較小 。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)希望轉(zhuǎn)速高,在較寬的風(fēng)速范圍都能獲得高的風(fēng)能利 用系數(shù), 也就是要能在較寬的葉尖速比范圍工作, 而且以合適的高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn), 所 以二、 三、 四葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)常用的選擇, 用得最多的是三葉片, 這也就是 “一 根桿子三根針”的結(jié)構(gòu)。當(dāng)然選擇三個(gè)葉片還有風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、制造成本、噪音、外觀等原因。 圖 5-單葉片到五葉片的風(fēng)能利用系數(shù)曲線圖多葉

6、片風(fēng)輪的實(shí)度大, 風(fēng)能利用率相對(duì)低一些, 在圖 6中左側(cè)示意多葉片風(fēng)輪的風(fēng)能利用系數(shù)曲線,它的葉尖速比范圍也小(不超過 2 。但多葉片風(fēng)輪也 有優(yōu)點(diǎn), 同樣直徑的風(fēng)輪比少葉片風(fēng)輪輸出力矩大得多, 而且低風(fēng)速起動(dòng)能力很 強(qiáng),所以在農(nóng)村抽水、碾磨中用得較多。在風(fēng)速穩(wěn)定的地區(qū)特別是低風(fēng)速地區(qū), 根據(jù)不同用途,采用 4至 8個(gè)葉片的風(fēng)力機(jī)有可能獲得較好的風(fēng)能利用效果。 圖 6-雙葉片到多葉片的風(fēng)能利用系數(shù)示意圖以上分析同樣適合垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。 圖 7是升力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)外觀圖。 圖 7-垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)有三個(gè)垂直于地面的葉片, 三個(gè)葉片與垂直于地面的轉(zhuǎn)軸構(gòu)成風(fēng)輪， 風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)下面的發(fā)電機(jī)。下面是三個(gè)葉片垂直軸風(fēng)輪的實(shí)度示 意圖 圖 8垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪實(shí)度圖 C 為葉片截面的弦長，B 為葉片個(gè)數(shù)，R 為風(fēng)輪半徑，L 為