风力机的类型与工作原理

1. 风力机的类型与工作原理 • 风力机经过二千年的发展过程，现在已经有多种型式。尽管风力机形式各异，但它们的工作原理是相同的，即利用风力机从风中吸收能量，然后人们根据不同的需要，再转变成电能、机械能或热能等。

2. 风力机的类型 • 风力机分为两类： • 水平轴风力机---风轮的旋转轴与风向平行 • 垂直轴风力机---风轮的旋转轴垂直于地面或气流方向

3. 水平轴风力机 • 水平轴风力机可以是升力装置(即升力驱动风轮)，也可以是阻力装置(阻力驱动风轮)。设计者一般喜欢利用升力装置，因为升力比阻力大得多。

4. 另外，阻力装置一般运动速度没有风速快；升力装置可以得到较大的尖速比(风轮叶片尖端速度与风速之比)，因此输出功率与重量之比大，价格和功率之比较低 。

5. 水平轴风力机的叶片数量可以不同，从具有配平物的单叶片风力机，到具有很多叶片(最多可达50片以上)的风力机均可见到。水平轴风力机的叶片数量可以不同，从具有配平物的单叶片风力机，到具有很多叶片(最多可达50片以上)的风力机均可见到。 • 有些水平轴风力机没有对风装置，风力机不能绕垂直于风的垂直轴旋转，一般说来，这种风力机只用于有一个主方向风的地方。

6. 而大多数水平轴风力机具有对风装置，能随风向改变而转动。大的风力机的对风装置，利用对风敏感元件。而大多数水平轴风力机具有对风装置，能随风向改变而转动。大的风力机的对风装置，利用对风敏感元件。 • 有些水平轴风力机的风轮,在塔架的前面迎风旋转,称为上风式风力机；而在塔架后面的，称为下风式风力机。

7. 水平轴风力机式样很多：有的具有反转叶片的风轮；有的在一个塔架上安装多个风轮，以便在输出功率一定的条件下，减少塔架的成本；有的利用锥形罩，使气流通过水平风轮时，集中或扩散，因此使之加速；水平轴风力机式样很多：有的具有反转叶片的风轮；有的在一个塔架上安装多个风轮，以便在输出功率一定的条件下，减少塔架的成本；有的利用锥形罩，使气流通过水平风轮时，集中或扩散，因此使之加速；

8. 水平轴风力机 单叶 双叶 三叶

9. 水平轴风力机 多叶提水机 自行车多叶

10. 水平轴风力机 下风式 上风式 风帆翼式 昂菲尔地——昂多 Enfield-Andreau

11. 水平轴风力机 多风轮 反转叶片 横向萨瓦里欧斯型

12. 水平轴风力机 扩压式 集流式 横向桨叶型

13. 垂直轴风力机 • 垂直轴风力机在风向改变时，无需对风。在这点上，相对水平轴风力机是一大优点。这使结构简化，同时也减少了风轮对风时的陀螺力。

14. 利用阻力旋转风轮的垂直轴风力机有几种类型，其中有利用平板和杯子做成的风轮，这是一种纯阻力装置。S型风轮，具有部分升力，但主要还是阻力装置。利用阻力旋转风轮的垂直轴风力机有几种类型，其中有利用平板和杯子做成的风轮，这是一种纯阻力装置。S型风轮，具有部分升力，但主要还是阻力装置。 • 这些装置有较大的起动力矩(和升力装置相比)，但尖速比较低。在风轮尺寸、重量和成本一定的情况下，提供的功率输出较低。

15. 达里厄式风轮是法国G.J.M.达里厄于十九世纪二十年代发明的。在20世纪70年代初，加拿大国家科学研究院进行了大量的研究，现在是水平轴风力机的主要竞争者。达里厄式风轮是法国G.J.M.达里厄于十九世纪二十年代发明的。在20世纪70年代初，加拿大国家科学研究院进行了大量的研究，现在是水平轴风力机的主要竞争者。

16. 达里厄型风轮是一种升力装置，弯曲叶片的剖面是翼型，它的起动扭矩低，但尖速比可以很高，对于给定的风轮重量和成本，有较高的功率输出现在有多种达里厄风力机，如φ形、△形、Y形、◇形等。这些风轮可设计成单叶片、双叶片、三叶片或多叶片。达里厄型风轮是一种升力装置，弯曲叶片的剖面是翼型，它的起动扭矩低，但尖速比可以很高，对于给定的风轮重量和成本，有较高的功率输出现在有多种达里厄风力机，如φ形、△形、Y形、◇形等。这些风轮可设计成单叶片、双叶片、三叶片或多叶片。

17. 其它形式的垂直轴风轮有美格劳斯效应风轮，它由自旋的圆柱体组成。当它在气流中工作时，产生的移动力是由于美格劳斯效应引起的,其大小与风速成正比。

18. 其它形式的垂直轴风轮有的使用管道或旋涡发生器塔，通过套管或扩压器使水平气流变成垂直方向，以增加速度。有些还利用太阳能或燃烧某种燃料。其它形式的垂直轴风轮有的使用管道或旋涡发生器塔，通过套管或扩压器使水平气流变成垂直方向，以增加速度。有些还利用太阳能或燃烧某种燃料。

19. 垂直轴风力机 萨瓦里欧斯式 平板型护罩型 多叶萨瓦里欧斯型 杯子式

20. 垂直轴风力机 自旋式 涡轮式 △—达里厄 φ—达里厄

21. 垂直轴风力机 萨瓦里欧斯/ φ—达里厄型 分裂式 萨瓦里欧斯式 美格劳斯型 翼型式

22. 垂直轴风力机 文式管式 导风式 光照式 集涡式

23. 特殊型风力发电机 • 特殊型风力发电机多属于组合型，种类多，水平轴风力发电机有的具有反转叶片的叶轮；有的在一个塔架上安装多个叶轮，以便在输出功率一定的条件下，减少塔架的成本。

24. 30kW双叶轮风力发电机2001年2月安装运行，后一叶轮直径大于前一叶轮，前一叶轮内侧风速大幅度下降、外侧风速增加了10%以上，利用外侧风速增加使整机空气动力效率增加。30kW双叶轮风力发电机2001年2月安装运行，后一叶轮直径大于前一叶轮，前一叶轮内侧风速大幅度下降、外侧风速增加了10%以上，利用外侧风速增加使整机空气动力效率增加。

25. 浓缩风能型风力机是在叶轮前方设收缩管，在叶轮后方设扩散管，在叶轮周围设置包括增压弧板在内的浓缩风能装置。浓缩风能型风力机是在叶轮前方设收缩管，在叶轮后方设扩散管，在叶轮周围设置包括增压弧板在内的浓缩风能装置。

26. 当自然风通过浓缩风能装置流经叶轮时，是被加速、整流，流速均匀化后的高质量的气流，因此，此风力机，叶轮直径小、切入风速低、噪音低、安全性高、发电量大。当自然风通过浓缩风能装置流经叶轮时，是被加速、整流，流速均匀化后的高质量的气流，因此，此风力机，叶轮直径小、切入风速低、噪音低、安全性高、发电量大。

27. 浓缩风能型风力发电机

28. 旋风型风力发电装置是一种人工制造的旋风来推动叶轮叶片使其旋转的风力发电装置，如图2.3。这种装置有一个象几十层楼那样高的空心塔体，迎风面打开，背风面关闭，风就进入塔体，然后风相对于塔中心旋转，形成旋涡并向上运动。此时，做内向运动的空气便获得了越来越大的速度，使旋涡增强。最后，空气流成为一个急速旋转的空气团从塔顶逸出，与吹过塔顶的风相互作用，推动叶轮旋转发电。这种风力发电装置能发出数兆瓦的电力。旋风型风力发电装置是一种人工制造的旋风来推动叶轮叶片使其旋转的风力发电装置，如图2.3。这种装置有一个象几十层楼那样高的空心塔体，迎风面打开，背风面关闭，风就进入塔体，然后风相对于塔中心旋转，形成旋涡并向上运动。此时，做内向运动的空气便获得了越来越大的速度，使旋涡增强。最后，空气流成为一个急速旋转的空气团从塔顶逸出，与吹过塔顶的风相互作用，推动叶轮旋转发电。这种风力发电装置能发出数兆瓦的电力。

29. 2001年11月在阿根廷已安装，功率为30千瓦，可以给30家住户供电。2001年11月在阿根廷已安装，功率为30千瓦，可以给30家住户供电。

30. 种设备有两个螺旋桨，一前一后，外面有集风套包裹。通常前面的螺旋桨会阻挡后面螺旋桨接受风力，但是设计师设计了双层集风套，也是一前一后，后面的一个套管在第二个螺旋桨后面形成低压区，加强了叶片受力，旋转速度增加。由于没有减速齿轮箱，造价降低，维修费用也随之降低。新型发电机风能利用率高达60%，传统的风力发电机利用率只有30%。在不通电网的孤立的农庄和边防哨所这种设备很有使用前途。阿根廷风力协会的专家说，按照这个设计思想，可以使用3个4个螺旋桨，风能利用率还可以提高。种设备有两个螺旋桨，一前一后，外面有集风套包裹。通常前面的螺旋桨会阻挡后面螺旋桨接受风力，但是设计师设计了双层集风套，也是一前一后，后面的一个套管在第二个螺旋桨后面形成低压区，加强了叶片受力，旋转速度增加。由于没有减速齿轮箱，造价降低，维修费用也随之降低。新型发电机风能利用率高达60%，传统的风力发电机利用率只有30%。在不通电网的孤立的农庄和边防哨所这种设备很有使用前途。阿根廷风力协会的专家说，按照这个设计思想，可以使用3个4个螺旋桨，风能利用率还可以提高。

31. 巴林世贸中心上的风力发电机 • 在巴林王国麦纳麦市中心的中央商务区，俯瞰着阿拉伯湾的，是2座传统阿拉伯“风塔”形状的塔楼，这就是2008年4月完工的巴林世贸中心。

32. 在50层、高240米的办公塔楼之间安装了3台水平轴发电风车，使世贸中心成为世界上首先为自身持续提供可再生能源的摩天大楼。这3台发电风车每年约能提供1200兆瓦时(120万度)的电力，大约相当于300个家庭的用电量。在50层、高240米的办公塔楼之间安装了3台水平轴发电风车，使世贸中心成为世界上首先为自身持续提供可再生能源的摩天大楼。这3台发电风车每年约能提供1200兆瓦时(120万度)的电力，大约相当于300个家庭的用电量。

33. 设计塔楼的英国阿特金斯公司巧妙地借助空气动力学原理加以弥补。大楼的椭圆形截面使它们中间区域的空间陡然变窄，构造成一个负压区域，将塔间的风速提高了约30%；而塔楼设计成风帆般的外形，起到导风板的作用，引导向陆地吹来的风通过两塔之间。这样的处理还使原本斜向的来风改变方向，沿着塔间的中线吹拂。设计塔楼的英国阿特金斯公司巧妙地借助空气动力学原理加以弥补。大楼的椭圆形截面使它们中间区域的空间陡然变窄，构造成一个负压区域，将塔间的风速提高了约30%；而塔楼设计成风帆般的外形，起到导风板的作用，引导向陆地吹来的风通过两塔之间。这样的处理还使原本斜向的来风改变方向，沿着塔间的中线吹拂。 • 这3台风力发电机发出的电力只相当于世贸中心所需能量的11-15%。

35. 发电风车满负荷时的转子速度为每分钟38转，通过安置在引擎舱的一系列变速箱，让发电机以每分钟1500转的转速运行发电。设计的最佳发电状态在风速15-20米/秒时，约为225千瓦。风机转子的直径为29米，是用50层玻璃纤维制成的。在风力强劲，或需要转入停顿状态时，翼片的顶端会向外推出，增加了转子的总力矩，达到减速目的。风力机能承受的最大风速是每秒80米，能经受4级飓风(风速每秒69米以上)。

36. 水平轴风力机空气动力学基础 • 当风吹过风力机时，风轮就会旋转，从风中获得能量。造成风轮转动有两种方法，一种是利用阻力，另一种利用气动升力。

37. 图15是简单风力提水装置，图上有一个降落伞，通过钩子挂在缆子上，当风吹过时，它可把井中的一桶水提起来。实际上，这就相当于风力机。这里，降落伞的拉力很重要，是由阻力引起的。图15是简单风力提水装置，图上有一个降落伞，通过钩子挂在缆子上，当风吹过时，它可把井中的一桶水提起来。实际上，这就相当于风力机。这里，降落伞的拉力很重要，是由阻力引起的。

38. 图15 简单风力提水装置

39. 图16是阻力型风力机工作原理，可以看出，有一扇板对着风的，在这块板上，风产生的阻力较大。而在中心轴的另一边，那块板子是顺着的，阻力较小。这样，机器就绕中心轴转动。这就是阻力风力机的工作原理。

40. 图16 阻力型风力机工作原理

41. 所谓气动升力是由飞行的机翼产生的一种力。从图17可以看出，绕机翼翼型运动的气流方向有所变化，在其上表面形成低压区，在下表面形成高压区，产生向上的合力，并垂直于气流方向(图18)。所谓气动升力是由飞行的机翼产生的一种力。从图17可以看出，绕机翼翼型运动的气流方向有所变化，在其上表面形成低压区，在下表面形成高压区，产生向上的合力，并垂直于气流方向(图18)。

42. 图17 作用在叶片上的力

43. 图18叶片翼型上压力分布

44. 在产生升力的同时，也产生了阻力，风速有所下降。从(图19)可以看出升力、阻力和迎角的关系。在产生升力的同时，也产生了阻力，风速有所下降。从(图19)可以看出升力、阻力和迎角的关系。

45. 图19 翼型的升力、阻力曲线

46. 风轮的性能指标 • 输出功率 • 尖速比 • 风力发电机的转矩系数 • 升力系数(Cl)和阻力系数(Cd)

47. 输出功率 • 风的动能与速度的平方成正比。当一个物体使空气速度变慢时，空气中的动能部分转变成物体上的压力能。整个物体上的压力就是作用在这个物体上的力。功率是力和速度的乘积。这也可用于风轮的功率计算。

48. 风轮输出功率可以利用下面的公式表示风力机风轮从风中吸收的功率：风轮输出功率可以利用下面的公式表示风力机风轮从风中吸收的功率： 式中： --风能利用系数 ； --风轮扫掠过的面积，m2 ；--空气密度,kg/m3； --风速,m/s 。

49. 因风力与速度的平方成正比，所以风的功率与速度的三次方成正比。如果风速增加1倍，风的功率便增加为原来功率的8倍。这在风力机中是一个极为重要的概念。风力机的风轮是从空气中吸收能量的，而不是像飞机螺旋桨那样，把能量投入空中去。因风力与速度的平方成正比，所以风的功率与速度的三次方成正比。如果风速增加1倍，风的功率便增加为原来功率的8倍。这在风力机中是一个极为重要的概念。风力机的风轮是从空气中吸收能量的，而不是像飞机螺旋桨那样，把能量投入空中去。

50. 所以当风速加倍时，风轮从气流中吸收能量要增加8倍。当风速增大3倍时，吸收的能量增大到原来能量的27倍。由于这个原因在确定风力机的安装位置和选择风力机型号时，都必须考虑这个因素。所以当风速加倍时，风轮从气流中吸收能量要增加8倍。当风速增大3倍时，吸收的能量增大到原来能量的27倍。由于这个原因在确定风力机的安装位置和选择风力机型号时，都必须考虑这个因素。