第一講風(fēng)力機的類型與結(jié)構(gòu)
從能量轉(zhuǎn)換的角度看, 風(fēng)力發(fā)電機組由兩大部分組成。其一是風(fēng)力機, 它的功能是將風(fēng)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(fēng)力機的類型和結(jié)構(gòu)。
1 風(fēng)力機的類型

風(fēng)力機的種類和式樣很多, 難以一一盡述。但由于風(fēng)力機將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C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,一類為垂直軸風(fēng)力機。
111 水平軸風(fēng)力機

向裝置來保持風(fēng)輪迎風(fēng)。而下風(fēng)向風(fēng)力機則能夠自動對準(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, 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)力機垂直軸風(fēng)力機的風(fēng)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(fēng),因而當(dāng)風(fēng)向改變時,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)計簡化。垂直軸風(fēng)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(fēng)中為一臺離地面幾十米高的水平軸風(fēng)力機進行維修服務(wù)的人員來說, 無疑是一個值得高度評價的特點。
垂直軸風(fēng)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(jié)構(gòu)是S 型風(fēng)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(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,因為受偏轉(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)力機風(fēng)能利用系數(shù)低于高速垂直軸或水平軸風(fēng)力機,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。它是法國人G1J 1M1Darrieus 于1925 年發(fā)明的, 1931 年取得專利權(quán)。當(dāng)時這種風(fēng)力機并沒有受到注意,直到20 世紀(jì)70 年代石油危機后,才得到加拿大國家科學(xué)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(fēng)力機的主要競爭者。達(dá)里厄風(fēng)力機有多種形式, 如圖123 所示的?型、H 型、Δ 型、Y 型和菱形等?；旧鲜侵比~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,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(fēng)
輪, ?型轉(zhuǎn)子比H 型轉(zhuǎn)子的掃掠面積要小一些。