風輪模型設計與試驗

程 振，張新榮，劉成浩，陳俊杰

（中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130021）

1 概述

風能作為一種分布廣泛的、無污染的可再生能源，風能越來越受到人們的重視。空氣的流動就是風，風能所指的是風的動能。一定風速的風吹在靜止的的風力機葉片上做功并驅動發電機發電，將風能轉化為電能。文章介紹的是一種木質結構的風輪模型，它在實驗室模擬的風速下轉動并驅動直流發電機工作。

為深入探索風力發電原理，筆者實驗自制小型“定向木結構風力發電塔”，模型包括0.8 m高的塔身和直徑0.8 m的葉輪，葉輪在7檔風速下旋轉（特征風速6.8 m/s）。由于模型尺寸很小，制作材料為木材，在初步設計計算時各參數具體取值缺乏理論指導，所以只能通過模型的功率測試試驗，到最大功率時各個參數的取值，從而改進模型設計方案、提高模型的性能。

2 風輪模型設計方案

2.1 風輪理論有效功率P

風輪有效輸出功率計算：

式中：P——風力機輸出功率，W；ρ——空氣密度，kg/m3，取1.225；V——設計風速，取特征風速6.8 m/s為設計風速；R——風輪半徑，取0.4 m；η1——發電機效率；η2——傳動效率；Cp——風能利用系數。

由貝茨理論可知，理想風能對風輪葉片所做功的最高效率是59.3%，通常風力機風輪葉片接收風能的效率達不到最高，設計時風能利用系數范圍為0.25～0.45。由于風輪模型與發電機直接用轉盤相連接，η2可視為1。將η1η2視為整機效率，取值近于發電機效率，取為0.85。

風輪模型有效輸出功率計算結果，見表1。

表1 模型理論有效功率

2.2 風輪模型葉片外形設計

翼型對風力機葉片很重要，直接影響風輪的啟動及接收風能的效率。……