风力发电：风力机的机理和结构

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1、第一编#风力发电新技术与发电系统设计应用基础$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$第三章#风力机的机理和结构第一节#风力机的工作原理风力机经过!%%%年的发展过程!现在已有很多种型式!如图’#"所示"其中有的是老式风力机!现在不再使用#有的是现代风力机!正为人们广泛利用#有的正在研究之中"尽管风力机的型式各异!但它们的工作原理是相同的!即利用风轮从风中吸收能量!然后再转变成其他形式的能量"一、风力机的种类尽管风力机多种多样!但归纳起来!可分为两类$+水平轴风力机

2、!风轮的旋转轴与风向平行!如图’#"%A&所示#,垂直轴风力机!风轮的旋转轴垂直于地面或气流方向!如图’#"%R&所示"图’#"#风力机%A&水平轴风力机#%R&垂直轴风力机’)+’第一编#风力发电新技术与发电系统设计应用基础$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$!一"水平轴风力机水平轴风力机可分为升力型和阻力型两类!升力型旋转速度快"阻力型旋转速度慢!对于风力发电"多采用升力型水平轴风力机!大多数水平轴风力机具有对风装置"能随风向改变而转动!对小型风力机"这种

3、对风装置采用尾舵"而对于大型的风力机"则利用风向传感元件及伺服电动机组成的传动机构!风力机的风轮在塔架前面的称上风向风力机"风轮在塔架后面的则称下风向风力机!水平轴风力机的式样很多"有的具有反转叶片的风轮#有的在一个塔架上安装多个风轮"以便在输出功率一定的条件下减少塔架的成本#有的利用锥型罩"使气流通过水平轴风轮时集中或扩散"因此加速或减速#还有的水平轴风力机在风轮周围产生旋涡"集中气流"增加气流速度!!二"垂直轴风力机垂直轴风力机在风向改变时无需对风"在这点上相对水平轴风力机是一大优点"它不仅使结构设计

4、简化"而且也减少了风轮对风时的陀螺力!利用阻力旋转的垂直轴风力机有几种类型"其中有利用平板和杯子做成的风轮"这是一种纯阻力装置#H型风机"具有部分升力"但主要还是阻力装置!这些装置有较大的启动力矩"但尖速比较低"在风轮尺寸$重量和成本一定的条件下"提供的功率输出较低!达里厄式风轮是法国54L4:4达里厄于"(世纪’%年代发明的!在!%世纪+%年代"加拿大国家科学研究院对此进行了大量的研究"现在是水平轴风力机的主要竞争者!达里厄式风轮是一种升力装置"弯曲叶片的剖面是翼型"它的启动力矩低"但尖速比可以很高"对

5、于给定的风轮重量和成本"有较高的功率输出!现在有多种达里厄式风力机"如-形$&形$f形和.形等!这些风轮可以设计成单叶片$双叶片$三叶片或多叶片!其他形式的垂直轴风轮有美格劳斯效应风轮"它由自旋的圆柱体组成!当它在气流中工作时"产生的移动力是由于美格劳斯效应引起的"其大小与风速成正比!其他形式的垂直轴风轮有的使用管道或旋涡发生器塔"通过套管或扩压器使水平气流变成垂直方向"以增加速度#有些还利用太阳能或燃烧某种燃料"使水平气流变成垂直方向气流!二、风力机的气动基础风力发电机组主要利用气动升力的风轮!气动升力

6、是由飞行器的机翼产生的一种力"如图’#!所示!从图可以看出"机翼翼型运动的气流方向有所变化"在其上表面形成低压区"在其下表面形成高压区"产生向上的合力"并垂直于气流方向"如图’#’所示!在产生升力的同时也产生阻力"风速因此有所下降!现在做一个升力和阻力试验!把一块板子从行驶的车中伸出来"只抓住板子的一端"板子迎风边称做前缘!把前缘稍稍朝上"会感到一种向上的升力"如果前缘朝下一%)&%第一编#风力发电新技术与发电系统设计应用基础$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$

7、$图’#!图’#’点!会感到一个向下的力!在向上和向下的升力之间!有一个角度!不产生升力!称做零升力角"在零升力角时!会产生很小的阻力"阻力向后拉板子!使板子成(%T!前缘向上!这时阻力已大大增加"如果车的速度很大!板子可能从手中吹走"为了说明升力和阻力是同时产生的!将板子的前缘从零升力角开始慢慢地向上转动!开始时升力增加!阻力也增加!但升力比阻力增加的快得多#到某一个角度之后!升力突然下降!但阻力继续增加"这时的攻角大约是!%T!这时的机翼$即现在试验的板子%已经失速"在这个试验中!将会看到在某些特定的

8、攻角下!升力比阻力大得多!升力就是设计高效风力机的动力"翼型的高升力区&低阻力区对风力机设计是十分重要的!翼型的升力&阻力曲线如图’#)所示"图’#)#翼型的升力!阻力曲线达里厄垂直轴风力机如图’#"$R%所示!它的功率轴是垂直于风向的"大家都见过帆船可做环形运动!但坐在帆船上时!可以看到风帆在开始有一面受风的作用!并做弯曲运动!当帆船弯曲运动到一定角度时!另一面受风!继续做弯曲运动"达里厄风力机的工’)(’第一编#风力发电新