1风力机叶片概述
风力机叶片也称为机翼,每一种风力机叶片的设计都不同,要理解机翼需熟悉一些专用词汇,如升力、阻力、升力阻力比、失速、攻角和转矩。这部分解释了风力机叶片与飞机的螺旋桨的相似性,并且这样的设计如何将风能转为电能,通过熟悉这些词汇来理解风力机叶片设计与应用技术。
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1.1升力
升力被定义为:空气流过叶片时,在其上方产生了一个低压区,从而使得它上低压区的出现是因为空气在机翼上方流过的距离比下方长,因为同样的空气流过上下两面,所以产生压差。下图表示了空气流过机翼产生升力的情况。机翼上方的压力小于下方,产生了机翼的升力,这种升力也用于飞机机翼使得飞机上升,空气越快地流过机翼,升力就越大。
当风流过风力机叶片时,也产生如同升力一样的效果,使得风力机叶片旋转。简单地讲,空
气流过风力机叶片的上方(圆面)产生低压区,压差使得风推动叶片平的一面而拉动圆的一面,所以叶片开始向低压区转动。另一个思考方式是当风吹过叶片,叶片以叶片前缘向着叶片旋转方向的方式转动。下图所示为风力机叶片的前缘和尾缘。
风越大,压差越大,叶片旋转越快,获取的动能越多,这个能量通过叶片被固定的机械轴转化为旋转能量。在一些风力机中,发电机被安放在轴的另一端;而另一些风力机中叶片驱动的转轴也许被连在一个动力传送装置上,而后者第二个转轴驱动发电机。当升力增加时,叶片更容易地在空中旋转。
1.2攻角
风向与叶片截面弦线形成的角度称为攻角,如图a所示,当风直接流过叶片时,攻角为零;当叶片的前部向上转动时,攻角增加,如图b所示,此时升力增加;当叶片转到能产生最大升力时,如图c所示,攻角最大,这个角度称为临界攻角。当攻角增大到临界攻角时,风力机叶片开始失去转换风能的能力。
下图左所示为一个可获取最大风能的叶片,此时叶片和转子都最快地旋转。叶片节距角可被调整,下图右示为叶片的节距角改变以至于叶片的前缘直接对着风,而尾缘背着风。这个位置,风力机叶片获取风能的最小,所以叶片不旋转。当风力机处于维护期间时叶片处于该图所示的这种位置,并且采用制动措施保持叶片不旋转。
1.3节距角控制和失速控制
风力机设计者使用失速的概念来控制叶片的最大速度防止发电机过载。失速发生时叶片几乎是平的,不再有升力。风力机受限于它所处地域的最大和最小风速。有时候例如暴风雪等极端恶劣的气候环境会产生强风,当有强风时,叶片加速旋转,发电机的输出会增加到某一个值,此时发电机过载并且被损坏。有两个基本方法来控制叶片的速度:节距角控制和失速控制。当在强风时使用节距角来控制叶片速度时,风力机上的控制系统使用一些风速仪表如风速计来测量风速,控制器根据风速数据把叶片节距角调整到叶片开始失速的一个点,此时风力机叶片产生越来越少的转矩,叶片开始减速,就好像风速减慢一样(有时称其为叶片收桨)。如果使用节距角可变的叶片,叶片速度就会慢慢降低直到叶片的狭窄剖面面临进风,叶片不再获取风能。