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

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

向裝置來保持風輪迎風。而下風向風力機則能夠自動對準風向, 從而免除了調(diào)向裝置。但對于下風向風力機, 由于一部分空氣通過塔架后再吹向風輪, 這樣, 塔架就干擾了流過葉片的氣流而形成所謂塔影效應, 使性能有所降低。
112 垂直軸風力機垂直軸風力機的風輪圍繞一個垂直軸旋轉(zhuǎn), 如圖
122 所示。其主要優(yōu)點是可以接受來自任何方向的風,因而當風向改變時,無需對風。由于不需要調(diào)向裝置,使它們的結構設計簡化。垂直軸風力機的另一個優(yōu)點是齒輪箱和發(fā)電機可以安裝在地面上, 這對于一個往往需要在一片呼嘯的大風中為一臺離地面幾十米高的水平軸風力機進行維修服務的人員來說, 無疑是一個值得高度評價的特點。
垂直軸風力機可分為兩個主要類別, 一類是利用空氣動力的阻力作功,典型的結構是S 型風輪。它由兩個軸線錯開的半圓柱形葉片組成, 其優(yōu)點是起動轉(zhuǎn)矩較大,缺點是由于圍繞著風輪產(chǎn)生不對稱氣流,從而對它產(chǎn)生側(cè)向推力。對于較大型的風力機,因為受偏轉(zhuǎn)與安全極限應力的限制, 采用這種結構形式是比較困難的。S 型風力機風能利用系數(shù)低于高速垂直軸或水平軸風力機,在風輪尺寸、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,最典型的是達里厄(Darrieus) 型風力機。它是法國人G1J 1M1Darrieus 于1925 年發(fā)明的, 1931 年取得專利權。當時這種風力機并沒有受到注意,直到20 世紀70 年代石油危機后,才得到加拿大國家科學研究委員會(National Research Council) 和美國圣地亞(Sandia) 國家實驗室的重視, 進行了大量的研究。現(xiàn)在是水平軸風力機的主要競爭者。達里厄風力機有多種形式, 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 型風輪和?型風輪為典型。葉片具翼型剖面, 空氣繞葉片流動產(chǎn)生的合力形成轉(zhuǎn)矩。H 型風輪結構簡單, 但這種結構造成的離心力使葉片在其連結點處產(chǎn)生嚴重的彎曲應力。另外, 直葉片需要采用橫桿或拉索支撐,這些支撐將產(chǎn)生氣動阻力,降低效率。
?型風輪所采用的彎葉片只承受張力, 不承受離心力載荷, 從而使彎曲應力減至最小。由于材料可承受的張力比彎曲應力要強,所以對于相同的總強度,?型葉片比較輕, 且比直葉片可以以更高的速度運行。但?型葉片不便采用變漿距方法實現(xiàn)自起動和控制轉(zhuǎn)速。另外,對于高度和直徑相同的風
輪, ?型轉(zhuǎn)子比H 型轉(zhuǎn)子的掃掠面積要小一些。