低風(fēng)阻大升力風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)探討

祁巖

摘 要：為了將風(fēng)力發(fā)電機(jī)在工作的過(guò)程中遇到額風(fēng)阻大效率低的問(wèn)題進(jìn)行解決，研制出了一種可以不對(duì)各個(gè)葉片根部的密度進(jìn)行增加，又可以利用葉片端部空間的低風(fēng)阻力進(jìn)行發(fā)電的發(fā)電機(jī)。這種發(fā)電機(jī)在各個(gè)葉片之間通過(guò)架安裝與葉片截面相似的導(dǎo)風(fēng)板，在葉片風(fēng)阻力進(jìn)行極小的增加后對(duì)葉片的捕風(fēng)面積進(jìn)行大幅度的增加。進(jìn)而使葉片的升力與風(fēng)力的利用率進(jìn)行大幅度的提升，擁有良好的發(fā)展前景，筆者依據(jù)多年經(jīng)驗(yàn)總結(jié)相關(guān)見(jiàn)解，提供給相關(guān)人士，供以借鑒。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)；葉片；導(dǎo)風(fēng)板

風(fēng)力發(fā)電機(jī)多是由葉片、轉(zhuǎn)子和定子等部件構(gòu)成的軸流式風(fēng)力機(jī)，安裝在桿塔上面，在風(fēng)力的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而產(chǎn)生電能，其中的葉片一般都是根據(jù)流體力學(xué)上的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，截面為一側(cè)平直另一側(cè)突起的“機(jī)翼型”當(dāng)氣流通過(guò)兩個(gè)側(cè)面時(shí)，當(dāng)氣流通過(guò)兩個(gè)側(cè)面時(shí)凸起的一側(cè)因?yàn)轱L(fēng)通過(guò)的路線(xiàn)較長(zhǎng)，所以流速高壓力小于平直的一側(cè)，因此就會(huì)產(chǎn)生由平直面指向凸起面的升力，推動(dòng)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

1、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基本構(gòu)成

低風(fēng)速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由于需要盡量減少其單位發(fā)電量的造價(jià)與葉片規(guī)格的限制，使得無(wú)法安裝復(fù)雜并且價(jià)格較高的葉片擾流器和變槳機(jī)構(gòu)等設(shè)備。單臺(tái)低風(fēng)速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要由機(jī)艙，葉輪、機(jī)艙、桿塔、風(fēng)電監(jiān)控系統(tǒng)、卸荷裝置、整流裝置、逆變裝置、蓄電池等組成。

葉輪系統(tǒng)主要由定制的三片玻璃鋼葉片及葉片與機(jī)艙前部的連接裝置構(gòu)成。機(jī)艙系統(tǒng)前端安裝葉輪，內(nèi)部裝有傳動(dòng)軸，傳動(dòng)軸連接發(fā)電機(jī)，傳動(dòng)軸安裝一套剎車(chē)裝置。機(jī)艙下部安裝于桿塔頂部，通過(guò)兩臺(tái)電機(jī)完成機(jī)艙的順或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

2、風(fēng)力發(fā)電機(jī)上的設(shè)計(jì)原理

所謂“低風(fēng)速”，指的是在海拔10m的高度上年平均風(fēng)速不超過(guò)5.8m/s，相當(dāng)于4級(jí)風(fēng)。低風(fēng)速風(fēng)能不太適合采用采用大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電。監(jiān)控系統(tǒng)作為風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)組的核心部分之一，對(duì)機(jī)組安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起著重要作用。特別是低風(fēng)速風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，需要同時(shí)兼顧中高速下風(fēng)機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定。本文介紹一種低風(fēng)速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)場(chǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

風(fēng)力機(jī)的葉片數(shù)目越多與氣流接觸面積越大，獲得的升力就越大?？墒?，由于葉片在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)氣流形成阻力，阻礙氣流的通過(guò)，可見(jiàn)，葉片的數(shù)目太多或者轉(zhuǎn)速太快都會(huì)妨礙風(fēng)力機(jī)的工作。為了解決這對(duì)矛盾，現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片多為三支，并且限制了轉(zhuǎn)速。研究發(fā)現(xiàn)，葉片分布以及轉(zhuǎn)動(dòng)均在一個(gè)圓內(nèi)，圓的半徑越小其圓周越短，因此，相鄰葉片的端部距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于根部的距離，也就是說(shuō)，葉片的底部密度較大，對(duì)氣流的阻力也比較大，而葉片的端部距離較遠(yuǎn)，對(duì)風(fēng)的阻力很小，特別是在葉片轉(zhuǎn)速較低的情況下，適當(dāng)增加葉片，氣流通過(guò)的空隙仍很充足。可是，由于葉片的根部接在轉(zhuǎn)子上，不能只在外端增加葉片，因此，限制了葉片的數(shù)量，也就是限制了風(fēng)力的利用率。

設(shè)計(jì)的目的是提供一種既不增加葉片根部的密度，又能利用葉片端部的空間，在風(fēng)阻增幅極小的前提下，增加葉片的受風(fēng)面積，葉片的升力及風(fēng)力的利用率大幅提高的低風(fēng)阻大升力風(fēng)力發(fā)電機(jī)。上述目的是由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：研制一種低風(fēng)阻大升力風(fēng)力發(fā)電機(jī)，包括桿塔、葉片、轉(zhuǎn)子、定子，其特點(diǎn)是：所述葉片中部設(shè)有支撐架，支撐架上裝有導(dǎo)風(fēng)板，導(dǎo)風(fēng)板的截面為機(jī)翼形，即一側(cè)為平面?zhèn)?，另一?cè)為凸面?zhèn)?，?dǎo)風(fēng)板與葉片的安裝方向一致，即導(dǎo)風(fēng)板與氣流摩擦而產(chǎn)生的升力方向和葉片與氣流摩擦產(chǎn)生的升力方向相一致。其中葉片有四種結(jié)構(gòu)形式：第一種結(jié)構(gòu)形式：所述葉片有三支，葉片中部裝有一圈環(huán)狀支撐架，兩支葉片之間的支撐架上裝有三片導(dǎo)風(fēng)板第二種結(jié)構(gòu)形式：所述葉片有三支，葉片中部裝有兩圈環(huán)狀支撐架，兩支葉片之間的外圈支撐架上裝有兩片導(dǎo)風(fēng)板，內(nèi)圈支撐架中間裝有一片導(dǎo)風(fēng)板。所述導(dǎo)風(fēng)板的徑向長(zhǎng)度：葉片長(zhǎng)度不大于1∶40。第三種結(jié)構(gòu)形式：所述葉片有三支，葉片長(zhǎng)度40～55m，葉片中部裝有兩圈環(huán)狀支撐架，兩支葉片之間的外圈支撐架上裝有兩片長(zhǎng)度1～2m的導(dǎo)風(fēng)板，內(nèi)外兩圈支撐架的中間裝有一片長(zhǎng)20～25m的導(dǎo)風(fēng)板。第四種結(jié)構(gòu)形式：所述葉片有三支，葉片長(zhǎng)度40～55m，葉片中部裝有兩圈環(huán)狀支撐架，兩支葉片之間的兩圈支撐架的中間裝有一片長(zhǎng)20～35m的導(dǎo)風(fēng)板。

3、設(shè)計(jì)方法與步驟

低風(fēng)阻大升力設(shè)計(jì)上的總體構(gòu)思是在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的各個(gè)葉片之間通過(guò)支撐架安裝和葉片截面相似的導(dǎo)風(fēng)板，在葉片風(fēng)阻增加極小的前提下大幅度的增加葉片的捕風(fēng)面積。

3.1與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相似的發(fā)電機(jī)

其中，有幾種可以進(jìn)行選擇的方案，一種是與現(xiàn)在的經(jīng)?？梢砸?jiàn)到的風(fēng)力發(fā)電機(jī)相似的設(shè)計(jì)，也是由桿塔、轉(zhuǎn)子、定子與葉片等部件構(gòu)成，不同的設(shè)計(jì)體現(xiàn)在葉片的中部設(shè)有支撐架，而支撐架的形式較多，一種是環(huán)狀的支撐架，材上可以選擇鋼筋或是鋁合金管制作，也可以選擇玻璃的鋼管。

在生活中比較常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式是兩個(gè)葉片之間的支撐架的兩端都是固定在葉片的中部，以合理的結(jié)構(gòu)對(duì)支撐架進(jìn)行安裝，可以增加葉片的穩(wěn)定性，甚至是可以對(duì)葉片上的用料與自重進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕档?，支撐架上?yīng)裝有倒風(fēng)板。

導(dǎo)風(fēng)板沿支撐環(huán)圓周的徑向長(zhǎng)度與葉片的長(zhǎng)度不大于1：40。對(duì)于長(zhǎng)度40m的葉片來(lái)說(shuō)，這種導(dǎo)風(fēng)板的長(zhǎng)度應(yīng)在1m以上。顯然，導(dǎo)風(fēng)板與風(fēng)力機(jī)的軸心距離可以很遠(yuǎn)，與兩側(cè)的葉片之間也有很大的距離空間，所以，在現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常的轉(zhuǎn)速下，導(dǎo)風(fēng)板以后的風(fēng)阻增加極小，而導(dǎo)風(fēng)板帶來(lái)的升力卻可以大幅度的增加，這時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作效率顯著的提高了。

3.2兩圈環(huán)支撐架設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)

這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)與前面提到的基本一致，不同的是葉片有三只，在葉片的中部設(shè)有兩圈環(huán)形支撐架，在每?jī)芍蝗~片中間。外圈支撐架裝有兩片導(dǎo)風(fēng)板，內(nèi)圈的支撐架裝有一片導(dǎo)風(fēng)板，導(dǎo)風(fēng)板的長(zhǎng)度與葉片的長(zhǎng)度是小于1：40。這樣的結(jié)構(gòu)可以使導(dǎo)風(fēng)板相互的錯(cuò)開(kāi)，在通風(fēng)上的性能較好，遇到的風(fēng)阻上也會(huì)很小。而升力上的幅度仍然很可以保持的很大。

3.3加導(dǎo)風(fēng)板式的發(fā)電機(jī)

這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)在葉片上的數(shù)量是三支，葉片上的長(zhǎng)度但是40至50m，葉片中間裝有兩圈環(huán)狀支撐架，在兩支葉片之間，兩圈支撐架的中間裝有一片長(zhǎng)度為20至35m的導(dǎo)風(fēng)板，這樣發(fā)電機(jī)在進(jìn)行發(fā)電的過(guò)程中產(chǎn)生升力的葉片面積相當(dāng)于增加了一倍，大量的實(shí)驗(yàn)證明，這種結(jié)構(gòu)上的效果也是非常讓人滿(mǎn)意的。

4.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研制一種低風(fēng)阻大升力風(fēng)力發(fā)電機(jī)，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的各個(gè)葉片之間安裝截面相似的導(dǎo)風(fēng)板，在葉片風(fēng)阻增加極小的前提下，將葉片之間的捕風(fēng)面積進(jìn)行大幅度的增加。本設(shè)計(jì)的好處就是發(fā)電機(jī)的葉片數(shù)目增加，但是與轉(zhuǎn)子連接的葉片數(shù)目不進(jìn)行改動(dòng)，葉片下部的縫隙很大，風(fēng)阻上的增幅就會(huì)極小。葉片的升力與風(fēng)力的利用上得到大幅度的提升，應(yīng)用前景十分可觀。所以科學(xué)家應(yīng)積極的進(jìn)行研究，并在技術(shù)上的不斷更新中選擇出一個(gè)最好的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。

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