低風阻大升力風力發電機的設計探討

祁巖

摘 要：為了將風力發電機在工作的過程中遇到額風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阻力進行發電的發電機。這種發電機在各個葉片之間通過架安裝與葉片截面相似的導風板，在葉片風阻力進行極小的增加后對葉片的捕風面積進行大幅度的增加。進而使葉片的升力與風力的利用率進行大幅度的提升，擁有良好的發展前景，筆者依據多年經驗總結相關見解，提供給相關人士，供以借鑒。

關鍵詞：風力發電機；葉片；導風板

風力發電機多是由葉片、轉子和定子等部件構成的軸流式風力機，安裝在桿塔上面，在風力的帶動下轉動進而產生電能，其中的葉片一般都是根據流體力學上的原理進行設計，截面為一側平直另一側突起的“機翼型”當氣流通過兩個側面時，當氣流通過兩個側面時凸起的一側因為風通過的路線較長，所以流速高壓力小于平直的一側，因此就會產生由平直面指向凸起面的升力，推動風力機轉動。

1、小型風力發電機組基本構成

低風速風力發電機組由于需要盡量減少其單位發電量的造價與葉片規格的限制，使得無法安裝復雜并且價格較高的葉片擾流器和變槳機構等設備。單臺低風速風力發電機組主要由機艙，葉輪、機艙、桿塔、風電監控系統、卸荷裝置、整流裝置、逆變裝置、蓄電池等組成。

葉輪系統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成。機艙系統前端安裝葉輪，內部裝有傳動軸，傳動軸連接發電機，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。

2、風力發電機上的設計原理

所謂“低風速”，指的是在海拔10m的高度上年平均風速不超過5.8m/s，相當于4級風。低風速風能不太適合采用采用大型風力發電機組進行發電。監控系統作為風機發電機組的核心部分之一，對機組安全、穩定、經濟運行起著重要作用。特別是低風速風機系統，需要同時兼顧中高速下風機的運行穩定。本文介紹一種低風速風力發電機組風場的監控系統的設計。

風力機的葉片數目越多與氣流接觸面積越大，獲得的升力就越大。可是，由于葉片在轉動時會對氣流形成阻力，阻礙氣流的通過，可見，葉片的數目太多或者轉速太快都會妨礙風力機的工作。為了解決這對矛盾，現有風力發電機的葉片多為三支，并且限制了轉速。研究發現，葉片分布以及轉動均在一個圓內，圓的半徑越小其圓周越短，因此，相鄰葉片的端部距離遠遠大于根部的距離，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，對風的阻力很小，特別是在葉片轉速較低的情況下，適當增加葉片，氣流通過的空隙仍很充足。可是，由于葉片的根部接在轉子上，不能只在外端增加葉片，因此，限制了葉片的數量，也就是限制了風力的利用率。

設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，在風阻增幅極小的前提下，增加葉片的受風面積，葉片的升力及風力的利用率大幅提高的低風阻大升力風力發電機。上述目的是由以下技術方案實現的：研制一種低風阻大升力風力發電機，包括桿塔、葉片、轉子、定子，其特點是：所述葉片中部設有支撐架，支撐架上裝有導風板，導風板的截面為機翼形，即一側為平面側，另一側為凸面側，導風板與葉片的安裝方向一致，即導風板與氣流摩擦而產生的升力方向和葉片與氣流摩擦產生的升力方向相一致。其中葉片有四種結構形式：第一種結構形式：所述葉片有三支，葉片中部裝有一圈環狀支撐架，兩支葉片之間的支撐架上裝有三片導風板第二種結構形式：所述葉片有三支，葉片中部裝有兩圈環狀支撐架，兩支葉片之間的外圈支撐架上裝有兩片導風板，內圈支撐架中間裝有一片導風板。所述導風板的徑向長度：葉片長度不大于1∶40。第三種結構形式：所述葉片有三支，葉片長度40～55m，葉片中部裝有兩圈環狀支撐架，兩支葉片之間的外圈支撐架上裝有兩片長度1～2m的導風板，內外兩圈支撐架的中間裝有一片長20～25m的導風板。第四種結構形式：所述葉片有三支，葉片長度40～55m，葉片中部裝有兩圈環狀支撐架，兩支葉片之間的兩圈支撐架的中間裝有一片長20～35m的導風板。

3、設計方法與步驟

低風阻大升力設計上的總體構思是在風力發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風板，在葉片風阻增加極小的前提下大幅度的增加葉片的捕風面積。

3.1與傳統設計相似的發電機

其中，有幾種可以進行選擇的方案，一種是與現在的經常可以見到的風力發電機相似的設計，也是由桿塔、轉子、定子與葉片等部件構成，不同的設計體現在葉片的中部設有支撐架，而支撐架的形式較多，一種是環狀的支撐架，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構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，以合理的結構對支撐架進行安裝，可以增加葉片的穩定性，甚至是可以對葉片上的用料與自重進行適當的降低，支撐架上應裝有倒風板。

導風板沿支撐環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，這種導風板的長度應在1m以上。顯然，導風板與風力機的軸心距離可以很遠，與兩側的葉片之間也有很大的距離空間，所以，在現有風力發電機正常的轉速下，導風板以后的風阻增加極小，而導風板帶來的升力卻可以大幅度的增加，這時，風力發電機的工作效率顯著的提高了。

3.2兩圈環支撐架設計風力發電機

這種風力發電機在結構上的設計與前面提到的基本一致，不同的是葉片有三只，在葉片的中部設有兩圈環形支撐架，在每兩只葉片中間。外圈支撐架裝有兩片導風板，內圈的支撐架裝有一片導風板，導風板的長度與葉片的長度是小于1：40。這樣的結構可以使導風板相互的錯開，在通風上的性能較好，遇到的風阻上也會很小。而升力上的幅度仍然很可以保持的很大。

3.3加導風板式的發電機

這種風力發電機在葉片上的數量是三支，葉片上的長度但是40至50m，葉片中間裝有兩圈環狀支撐架，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的導風板，這樣發電機在進行發電的過程中產生升力的葉片面積相當于增加了一倍，大量的實驗證明，這種結構上的效果也是非常讓人滿意的。

4.結語

通過研制一種低風阻大升力風力發電機，在風力發電機的各個葉片之間安裝截面相似的導風板，在葉片風阻增加極小的前提下，將葉片之間的捕風面積進行大幅度的增加。本設計的好處就是發電機的葉片數目增加，但是與轉子連接的葉片數目不進行改動，葉片下部的縫隙很大，風阻上的增幅就會極小。葉片的升力與風力的利用上得到大幅度的提升，應用前景十分可觀。所以科學家應積極的進行研究，并在技術上的不斷更新中選擇出一個最好的風力發電技術。

參考文獻：

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[2]葛俊旭.兆瓦級垂直軸風力發電機組的關鍵技術研究[D].浙江大學2010