風(fēng)力發(fā)電講座

第一講風(fēng)力機(jī)的類型與結(jié)構(gòu)
從能量轉(zhuǎn)換的角度看, 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由兩大部分組成。其一是風(fēng)力機(jī), 它的功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能;其二是發(fā)電機(jī),它的功能是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。本講首先介紹風(fēng)力機(jī)的類型和結(jié)構(gòu)。
1 風(fēng)力機(jī)的類型

風(fēng)力機(jī)的種類和式樣很多, 難以一一盡述。但由于風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的主要部件是受風(fēng)力作用而旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪,因此,風(fēng)力機(jī)依風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)及其在氣流中的位置大體上可分為兩大類: 一類為水平軸風(fēng)力機(jī),一類為垂直軸風(fēng)力機(jī)。
111 水平軸風(fēng)力機(jī)

向裝置來保持風(fēng)輪迎風(fēng)。而下風(fēng)向風(fēng)力機(jī)則能夠自動(dòng)對準(zhǔn)風(fēng)向, 從而免除了調(diào)向裝置。但對于下風(fēng)向風(fēng)力機(jī), 由于一部分空氣通過塔架后再吹向風(fēng)輪, 這樣, 塔架就干擾了流過葉片的氣流而形成所謂塔影效應(yīng), 使性能有所降低。
112 垂直軸風(fēng)力機(jī)垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪圍繞一個(gè)垂直軸旋轉(zhuǎn), 如圖
122 所示。其主要優(yōu)點(diǎn)是可以接受來自任何方向的風(fēng),因而當(dāng)風(fēng)向改變時(shí),無需對風(fēng)。由于不需要調(diào)向裝置,使它們的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡化。垂直軸風(fēng)力機(jī)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是齒輪箱和發(fā)電機(jī)可以安裝在地面上, 這對于一個(gè)往往需要在一片呼嘯的大風(fēng)中為一臺(tái)離地面幾十米高的水平軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行維修服務(wù)的人員來說, 無疑是一個(gè)值得高度評價(jià)的特點(diǎn)。
垂直軸風(fēng)力機(jī)可分為兩個(gè)主要類別, 一類是利用空氣動(dòng)力的阻力作功,典型的結(jié)構(gòu)是S 型風(fēng)輪。它由兩個(gè)軸線錯(cuò)開的半圓柱形葉片組成, 其優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大,缺點(diǎn)是由于圍繞著風(fēng)輪產(chǎn)生不對稱氣流,從而對它產(chǎn)生側(cè)向推力。對于較大型的風(fēng)力機(jī),因?yàn)槭芷D(zhuǎn)與安全極限應(yīng)力的限制, 采用這種結(jié)構(gòu)形式是比較困難的。S 型風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)低于高速垂直軸或水平軸風(fēng)力機(jī),在風(fēng)輪尺寸、重量和成本一定的情況下提供的功率輸出較低,因而用作發(fā)電缺乏競爭力。另一類是利用翼型的升力作功,最典型的是達(dá)里厄(Darrieus) 型風(fēng)力機(jī)。它是法國人G1J 1M1Darrieus 于1925 年發(fā)明的, 1931 年取得專利權(quán)。當(dāng)時(shí)這種風(fēng)力機(jī)并沒有受到注意,直到20 世紀(jì)70 年代石油危機(jī)后,才得到加拿大國家科學(xué)研究委員會(huì)(National Research Council) 和美國圣地亞(Sandia) 國家實(shí)驗(yàn)室的重視, 進(jìn)行了大量的研究?，F(xiàn)在是水平軸風(fēng)力機(jī)的主要競爭者。達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)有多種形式, 如圖123 所示的?型、H 型、Δ 型、Y 型和菱形等。基本上是直葉片和彎葉片兩種, 以H 型風(fēng)輪和?型風(fēng)輪為典型。葉片具翼型剖面, 空氣繞葉片流動(dòng)產(chǎn)生的合力形成轉(zhuǎn)矩。H 型風(fēng)輪結(jié)構(gòu)簡單, 但這種結(jié)構(gòu)造成的離心力使葉片在其連結(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生嚴(yán)重的彎曲應(yīng)力。另外, 直葉片需要采用橫桿或拉索支撐,這些支撐將產(chǎn)生氣動(dòng)阻力,降低效率。
?型風(fēng)輪所采用的彎葉片只承受張力, 不承受離心力載荷, 從而使彎曲應(yīng)力減至最小。由于材料可承受的張力比彎曲應(yīng)力要強(qiáng),所以對于相同的總強(qiáng)度,?型葉片比較輕, 且比直葉片可以以更高的速度運(yùn)行。但?型葉片不便采用變漿距方法實(shí)現(xiàn)自起動(dòng)和控制轉(zhuǎn)速。另外,對于高度和直徑相同的風(fēng)
輪, ?型轉(zhuǎn)子比H 型轉(zhuǎn)子的掃掠面積要小一些。