祁巖

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

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

風(fēng)力發(fā)電機多是由葉片、轉(zhuǎn)子和定子等部件構(gòu)成的軸流式風(fēng)力機，安裝在桿塔上面，在風(fēng)力的帶動下轉(zhuǎn)動進而產(chǎn)生電能，其中的葉片一般都是根據(jù)流體力學(xué)上的原理進行設(shè)計，截面為一側(cè)平直另一側(cè)突起的“機翼型”當(dāng)氣流通過兩個側(cè)面時，當(dāng)氣流通過兩個側(cè)面時凸起的一側(cè)因為風(fēng)通過的路線較長，所以流速高壓力小于平直的一側(cè)，因此就會產(chǎn)生由平直面指向凸起面的升力，推動風(fēng)力機轉(zhuǎn)動。

1、小型風(fēng)力發(fā)電機組基本構(gòu)成

低風(fēng)速風(fēng)力發(fā)電機組由于需要盡量減少其單位發(fā)電量的造價與葉片規(guī)格的限制，使得無法安裝復(fù)雜并且價格較高的葉片擾流器和變槳機構(gòu)等設(shè)備。單臺低風(fēng)速風(fēng)力發(fā)電機組主要由機艙，葉輪、機艙、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艙前部的連接裝置構(gòu)成。機艙系統(tǒng)前端安裝葉輪，內(nèi)部裝有傳動軸，傳動軸連接發(fā)電機，傳動軸安裝一套剎車裝置。機艙下部安裝于桿塔頂部，通過兩臺電機完成機艙的順或逆時針旋轉(zhuǎn)。

2、風(fēng)力發(fā)電機上的設(shè)計原理

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5.8m/s，相當(dāng)于4級風(fēng)。低風(fēng)速風(fēng)能不太適合采用采用大型風(fēng)力發(fā)電機組進行發(fā)電。監(jiān)控系統(tǒng)作為風(fēng)機發(fā)電機組的核心部分之一，對機組安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行起著重要作用。特別是低風(fēng)速風(fēng)機系統(tǒng)，需要同時兼顧中高速下風(fēng)機的運行穩(wěn)定。本文介紹一種低風(fēng)速風(fēng)力發(fā)電機組風(fēng)場的監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。

風(fēng)力機的葉片數(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)動時會對氣流形成阻力，阻礙氣流的通過，可見，葉片的數(shù)目太多或者轉(zhuǎn)速太快都會妨礙風(fēng)力機的工作。為了解決這對矛盾，現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電機的葉片多為三支，并且限制了轉(zhuǎn)速。研究發(fā)現(xiàn)，葉片分布以及轉(zhuǎn)動均在一個圓內(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，葉片的底部密度較大，對氣流的阻力也比較大，而葉片的端部距離較遠(yuǎn)，對風(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，氣流通過的空隙仍很充足?？墒?，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。上述目的是由以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：研制一種低風(fēng)阻大升力風(fēng)力發(fā)電機，包括桿塔、葉片、轉(zhuǎn)子、定子，其特點是：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)板的徑向長度：葉片長度不大于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20～35m的導(dǎo)風(fēng)板。

3、設(shè)計方法與步驟

低風(fēng)阻大升力設(shè)計上的總體構(gòu)思是在風(fēng)力發(fā)電機的各個葉片之間通過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)計相似的發(fā)電機

其中，有幾種可以進行選擇的方案，一種是與現(xiàn)在的經(jīng)?？梢砸姷降娘L(fēng)力發(fā)電機相似的設(shè)計，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。

在生活中比較常見的結(jié)構(gòu)形式是兩個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)對支撐架進行安裝，可以增加葉片的穩(wěn)定性，甚至是可以對葉片上的用料與自重進行適當(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)圓周的徑向長度與葉片的長度不大于1：40。對于長度40m的葉片來說，這種導(dǎo)風(fēng)板的長度應(yīng)在1m以上。顯然，導(dǎo)風(fēng)板與風(fēng)力機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)板帶來的升力卻可以大幅度的增加，這時，風(fēng)力發(fā)電機的工作效率顯著的提高了。

3.2兩圈環(huán)支撐架設(shè)計風(fēng)力發(fā)電機

這種風(fēng)力發(fā)電機在結(jié)構(gòu)上的設(shè)計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，在每兩只葉片中間。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)板的長度與葉片的長度是小于1：40。這樣的結(jié)構(gòu)可以使導(dǎo)風(fēng)板相互的錯開，在通風(fēng)上的性能較好，遇到的風(fēng)阻上也會很小。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

這種風(fēng)力發(fā)電機在葉片上的數(shù)量是三支，葉片上的長度但是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度為20至35m的導(dǎo)風(fēng)板，這樣發(fā)電機在進行發(fā)電的過程中產(chǎn)生升力的葉片面積相當(dāng)于增加了一倍，大量的實驗證明，這種結(jié)構(gòu)上的效果也是非常讓人滿意的。

4.結(jié)語

通過研制一種低風(fēng)阻大升力風(fēng)力發(fā)電機，在風(fēng)力發(fā)電機的各個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)面積進行大幅度的增加。本設(shè)計的好處就是發(fā)電機的葉片數(shù)目增加，但是與轉(zhuǎn)子連接的葉片數(shù)目不進行改動，葉片下部的縫隙很大，風(fēng)阻上的增幅就會極小。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)積極的進行研究，并在技術(shù)上的不斷更新中選擇出一個最好的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。

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