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1、第25卷第4期能源技术Vol.25No.42004年8月ENERGYTECHNOLOGYAug.2004清洁能源与新能源形形色色的风力机辛士红,汪建文(内蒙古工业大学能源与动力工程学院,内蒙古呼和浩特010062)摘要:介绍了各种风力装置的原理和特征,除了常见的水平轴风机外,对各种垂直轴风机也有较详细的介绍,文章还对一些新的风机,例如旋风式风机、建筑风机的发展潜力作了分析。关键词:风力机;各种形式;风能中图分类号:TK83文献标识码:B文章编号:10057439(2004)04016104TheVarietyofWindTurbineXINShi
2、hong,WANGJianwen(EnergyandDynamicEngineeringCollege,InnerMongoliaPolytechnicUniversity,InnerMongoliaHuhehaote010062,China)风力机是把风能转化为机械能、电能或者是热能的一种机械。很古以前,人们就学会利用风车带动石磨、水车,甚至锯木器。19世纪末电的发明,为风能的利用开拓了新的应用前景。自从1890年丹麦政府制订了风力发电计划以来,经历了一个多世纪的发展,风力发电技术已逐步成熟和推广,到2002年低全世界风电装机总量3100万kW,成为当今最有竞争力的替代
3、常规能源的可再生能源之一。世界各国研制的风力机的形态和种类很多,对于目前比较成熟的风力机,通常按主轴的方向分为两大类:一类为水平轴风力机,一类为垂直轴风力机。另外,还有一些比较特殊的类型,如扩压型和旋风型,[1]图1水平轴风力机现在尚处于探索性研究,没有大规模地推广应用。1水平轴风力机水平轴风力机的结构特征是风轮的旋转平面与风向垂直,旋转轴和地面平行,如图1所示。风力机的主要部件有叶片、传动轴、齿轮变速箱、发电机、尾翼和塔架等。风轮上的叶片与旋转平面成一角度(即安装角);叶片数目的多少,视风力机的用途而定:用于发电的风力机叶片数大多为2片或3片,用于风力提水的风力机一般为1
4、2~24片。叶片数多的风力机通常为低速风力机,在风速较低时有较高的风能利用系数和较大的转矩,并且由于它的起动图2多叶片风力提水机力矩大,起动风速低,因而适用于提水,如图2。叶大型化,而且高速旋转对传动机构要求低,因此在风片数少的风力机通常为高速风力机,由于轻便容易速较高时有较高的风能利用系数,适用于风力发电。161辛士红等:形形色色的风力机水平轴式风力发电机是目前技术最成熟、生产应用最广泛的一种风力发电机。目前,10kW以下的风力发电机,特别是几百瓦的充电式微型风力发电机绝大多数是水平轴式的。水平轴式风力发电机又可分为两种:一种是为上风向风力发电机见图3。风轮在塔架的前面
5、迎风旋转,迎风面的调整依靠尾翼;另一种是下风向风力发电机见图4,它的风轮在塔架的后面,叶片的阻力可以保证迎风面的正确取向,但是风先经过塔架,再到风轮,会影响风力机出力。由于尾翼结构并不复杂,因此,目前大量生产的是上风向风力机。图5垂直轴风力机而启动性能良好。但是它的转速低,并且在运行中围绕着风轮会产生不对称气流,从而产生侧向推力,特别是对于较大型的风力机,因为受偏转与安全极限应力的限制,采用这种结构形式是比较困难的。S型风力机风能利用系数低于水平轴风力机,由于它的转速不高,也低于高速型的其他垂直轴风力机,因图3上风向风力机而用作发电缺乏竞争力。升力型垂直轴风力机利用翼型的升
6、力做功,最典型的是由与萨窝纽斯同时代的法国人戴瑞斯(GJDarrieus)首创的戴瑞斯型(Darrieustype)风力机。根据风叶的形状,戴瑞斯型风力机又有多种形式,如图7所示的型、H型、型、Y型和形等,其中以H型风轮和型风轮最为典型。戴瑞斯型风力机的转速高,旋转惯性大,结[2,3]构相对简单,适合大型风力机。图4下风向风力机2垂直轴风力机垂直轴风力机的特征是旋转轴与地面垂直,风轮的旋转平面与风向平行,如图5。它具有几个突出的优点:一是风轮机塔架结构简单;二是发电机传动机构和控制机构等装置在地面或低空,从而给操作和维修带来了方便;三是叶片容易制造,成本低;四是叶
7、轮运行时不受风向的影响,所以不需要迎风图6萨窝纽斯型风力机装置,大大简化了结构。由于风能的特点是风力的不稳定,时大时小,时垂直轴风力机也可分为两个主要类别,一类称有时无,风力机的启动特性就显得特别重要,但戴瑞为阻力型,另一类称为升力型。典型的阻力型有S斯型风力机的启动转矩小,启动性能差,必须靠其他型风轮,即由芬兰人萨窝纽斯(Savonius)在20世纪动力启动,达到要求的转速才能正常运行。因此,这20年代发明的萨窝纽斯型(Savoniustype),它由两个种风力机大都需要具有启动机构和离
