垂直轴风力机与水平轴风力机的对比分析

垂直轴风力机与水平轴风力机的论述

风力发电行业

目录

1风力机叶片概述 (3)

1.1升力 (3)

1.2攻角 (4)

1.3节距角控制和失速控制 (5)

1.4阻力 (6)

1.5叶片升力阻力比 (7)

1.6叶尖速度 (7)

2风力机的类型 (8)

2.1垂直轴风力机 (8)

2.2水平轴风力机 (10)

3垂直轴风力机 (13)

4水平轴风力机 (17)

5叶片的几何设计 (20)

6叶片的数量 (20)

6.1三叶片风力机 (21)

6.2双叶片风力机 (23)

6.3单叶片风力机 (25)

6.4五叶片风力机 (26)

7叶片类型比较 (27)

8单叶片、双叶片和三叶片风力机的优缺点 (28)

1风力机叶片概述

风力机叶片也称为机翼，每一种风力机叶片的设计都不同，要理解机翼需熟悉一些专用词汇，如升力、阻力、升力阻力比、失速、攻角和转矩。这部分解释了风力机叶片与飞机的螺旋桨的相似性，并且这样的设计如何将风能转为电能，通过熟悉这些词汇来理解风力机叶片设计与应用技术。

1.1 升力

升力被定义为：空气流过叶片时，在其上方产生了一个低压区，从而使得它上低压区的出现是因为空气在机翼上方流过的距离比下方长，因为同样的空气流过上下两面，所以产生压差。下图表示了空气流过机翼产生升力的情况。机翼上方的压力小于下方，产生了机翼的升力，这种升力也用于飞机机翼使得飞机上升，空气越快地流过机翼，升力就越大。

当风流过风力机叶片时，也产生如同升力一样的效果，使得风力机叶片旋转。简单地讲，空气流过风力机叶片的上方（圆面）产生低压区，压差使得风推动叶片平的一面而拉动圆的一面，所以叶片开始向低压区转动。另一个思考方式是当风吹过叶片，叶片以叶片前缘向着叶片旋转方向的方式转动。下图所示为风力机叶片的前缘和尾缘。

风越大，压差越大，叶片旋转越快，获取的动能越多，这个能量通过叶片被固定的机械轴转化为旋转能量。在一些风力机中，发电机被安放在轴的另一端；而另一些风力机中叶片驱动的转轴也许被连在一个动力传送装置上，而后者第二个转轴驱动发电机。当升力增加时，叶片更容易地在空中旋转。

1.2 攻角

风向与叶片截面弦线形成的角度称为攻角，如图a所示，当风直接流过叶片时，攻角为零；当叶片的前部向上转动时，攻角增加，如图b所示，此时升力增加；当叶片转到能产生最大升力时，如图c所示，攻角最大，这个角度称为临界攻角。当攻角增大到临界攻角时，风力机叶片开始失去转换风能的能力。

下图左所示为一个可获取最大风能的叶片，此时叶片和转子都最快地旋转。叶片节距角可被调整，下图右示为叶片的节距角改变以至于叶片的前缘直接对着风，而尾缘背着风。这个位置，风力机叶片获取风能的最小，所以叶片不旋转。当风力机处于维护期间时

叶片处于该图所示的这种位置，并且采用制动措施保持叶片不旋转。

1.3 节距角控制和失速控制

风力机设计者使用失速的概念来控制叶片的最大速度防止发电机过载。失速发生时叶片几乎是平的，不再有升力。风力机受限于它所处地域的最大和最小风速。有时候例如暴风雪等极端恶劣的气候环境会产生强风，当有强风时，叶片加速旋转，发电机的输出会增加到某一个值，此时发电机过载并且被损坏。有两个基本方法来控制叶片的速度：节距角控制和失速控制。当在强风时使用节距角来控制叶片速度时，风力机上的控制系统使用一些风速仪表如风速计来测量风速，控制器根据风速数据把叶片节距角调整到叶片开始失速的一个点，此时风力机叶片产生越来越少的转矩，叶片开始减速，就好像风速减慢一样（有时称其为叶片收桨）。如果使用节距

角可变的叶片，叶片速度就会慢慢降低直到叶片的狭窄剖面面临进风，叶片不再获取风能。

在一些风力机中，节距角控制是被动的，因此无论何时它的转速变得过大时，叶片将会运行于开始失速的工作点。可以利用被动的节距角控制防止风力机超速。

有些风力机使用失速的概念。在有失速装置的风力机上，叶片在运转时不会调整，相反地，它们被锁定在一个位置，称为固定节距角。失速是通过叶片的基本设计完成的，它使叶片在风速超过某一个安全速度时自然而然地失速。这个设计使得叶片在风速低于设定风速时获取最大量的风能，当风速变高时叶片失速。

1.4 阻力

阻力是机翼在空气中旋转时阻碍机翼转动的力。下图所示机翼在空中旋转，阻力叶片向左旋转，阻力施加于叶片前缘并且与风向相同阻碍机翼试图使其停转。需要说明的是当叶片转动时，其前缘对着风吹来的方向。阻力可用阻力系数表示，它是一个无量纲的数。通常情况下，风力机叶片用于计算阻力的部分是叶片的前缘，因为它直接对着风。设计者试图设计出阻力最小的叶片，如果可以使阻力很小，叶片将会更好地把风能转化为电能。当阻力增加时，叶片的效率下降。

一台风力机叶片的典型阻力系数为0.04，而相比下汽车典型的阻力系数为0.3。虽然风力机叶片的阻力系数基本保持不变，但当风速增加时，其承受的阻力也会增加。阻力系数越小，空气动力效率越高。

1.5 叶片升力阻力比

升力阻力比是升力值阻力值之比，大的升力和小的阻力可以提供大的升力阻力比。升力阻力比越大，叶片把风能转化为机械能的效率就越高，这样发电机就产生更多的电能。大部分风力机在接近叶顶处都有最高的升力阻力比，叶片如此设计，因此在连接中心的区域叶片有更大的质量更高的力度，而接近叶顶的地方质量要减少因此升力增加阻力降低。

叶片的阻力不是固定的，当风速增大时，升力和阻力都以风速二次方的关系增大，当空气变得稠密，产生的阻力也增加。这意味着当空气变冷变得更加稠密时，它产生的阻力也增加。当风力机安装在空气稀薄的高海拔地区时，阻力要比低纬度地区低。当湿度增加或如果下雨或下雪时阻力也增加，意味着尽管因为叶片设计而造成的阻力损失不变，但阻力大小将持续改变。

1.6 叶尖速度

叶尖是叶片旋转时速度最快的叶片顶端部分，相反地，叶片连接中心的地方最靠近转轴，是叶片旋转时速度最慢的地方。叶尖速度是叶片顶端在空气旋转时的测量线速度，因为叶尖转动最快，它承受叶片旋转时，由于离心力造成的相当大的作用力，所以设计者必须注意到风力机可以应付的每一个叶片的最大叶尖速度和可估计的最大风速。