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【转载】风力发电机为什么使用三片叶轮?  

2016-07-15 17:03:25|  分类: 风能发电 |  标签: |举报 |字号 订阅

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风,来无影、去无踪,是无污染的新能源,一台单机容量为1兆瓦的风电装机与同容量火电装机相比,每年可减排2000吨二氧化碳、10吨二氧化硫、6吨二氧化氮。而我国的风资源相当丰富,虽然没有全部利用立起来,但是也一直在努力中。

近年来,风力发电厂越来越多的被建立起来,比如,达坂城风力发电厂、木兰风力发电厂、大钦岛风力发、如东风力发电厂等,你随处都可以看到。不知道你有没有这样一个疑问,为什么所有的风力发电,都只有三个叶片呢?

其实,包括本人在内对这个也是有疑惑的,下面就为大家说明一下,为什么风力发电会选择三个叶片,而不是二个、四个、五个或者更多的叶片呢?

专家论证观点:

首先,从风轮实度分析,如下图:

图:描述的是单叶片到多叶片的风轮实度,S为每个叶片对风向的投影面积,R为风轮半径,B为叶片个数,σ为实度比;它们的关系是---σ=BS/πR?。

图:描述的是风通过低实度和高实度叶片的气流示意图,通过上图可以看出,并不是实度越高越好,同理,也就是说并不是叶轮数量越多越好 其次,从风能利用率来分析,如下图:

图:描述的是各种风机的风能利用系数的比较,根据动量理论,理想的风能利用系数是0.593,通上图可以看到,现代三叶风机的风能利用系数已经达到了最高水平,约为0.48~0.49,当然,经过对叶片形状的设计优化现在已经能够达到0.5甚至更高。

那么为什么选择三叶呢?我们首先假定叶片设计为定量,排除这个设计变量后,如下图:

通过实度对比我们发现并非叶片越多越好,所以上图只对从1叶到5叶进行对比来说明,上图是从单叶片到五叶片水平轴风力机的风能利用系数曲线图,横坐标是叶尖速比,叶尖速比是风轮叶片尖端线速度与进风轮前的风速之比;纵坐标是风能利用系数(功率系数),风能利用系数是风力机获得的功率与通过风力机叶片扫掠面积的风功率的比值。

从上图看可以看出随着叶片数量的增加,风能利用的系数也在增加,但是在从3叶到4叶到5叶的增加的幅度相比于1叶到2叶到3叶的增加小的多的多,从成本角度讲,这是得不偿失的。

多叶片的优势在于较大的力矩转化率,但从能量转化率来讲,4叶和5叶的效率却低于3叶风机。主要原因在于多叶风机由于阻力较大,造成了相当部分干扰叶片旋转的扰流,从而降低了能量的转化率。所以选择3叶比4叶或者5叶好的多。

那为什么3叶片相比2叶片是个更好的选择。专家们进行比较后发现,在同等风速的条件下,2叶风机的转速明显高于3叶风机,而由于快速旋转,两叶风机会产生很大噪音,杂乱的声音听起来像在飞机场,人们肯定是不会喜欢生活在飞机场附近,所以我们要最大程度上降低运转速度来降低风机运转产生的噪音。

再者,由于叶片快速运行时离心力会增加,因此中心轴和叶片需要更加结实能够抵抗增加的离心力,同样这也需要增加成本,所以三叶涡轮机在转速相对二叶较低下的情况下能产生更多能量,而三叶涡轮机成本比四叶涡轮成本低,所以三叶涡轮机设计是最好的选择。

综上分析,可以简单归纳如下:

在大于等于3片时,叶片增加已经很难再提高效率反而会进一步增加成本;叶片数目少于3片时,虽然节省了叶片,但在结构上,则必需相应增强且可利用小时数下降,同样增加成本、降低了效益。


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