水平轴升力型风力发电机叶片数量叶片倾角与输出功率的关系研究

聂建峰，柳博伟，何璟恒，程 霞，万泽华，于 晨，陈东生

(上海电力学院，上海 200090)

风机可分为水平轴风机和垂直轴风机。水平轴风机可分为升力型风机和阻力型风机，常见的风机，如当下正式用于发电的风力发电机都是属于水平轴升力型风力发电机。风机与发电机的组合即为风力发电机。文章中将着重介绍水平轴升力型风力发电机的原理，以及它的风叶数量、风叶倾斜角度与输出功率之间的关系。

1 实验原理介绍

1．1 风叶受力分析

风作为流体，流动时具有动能，所以风机在风的作用下，能将风的流动动能转化为风机轴的转动动能，从而带动发电机发生转动，产生电能。首先说明水平轴升力型风力发电机风力转化为转动动能的机制。

如图1所示为风流经叶片时的受力示意图，经过叶片上方的空气流速变快，相对压强变小，而叶片下方的风速几乎不变，以致相对压强几乎不变，这样风叶的上下两方即会产生压力差，使风叶受到一个沿右上方的力F，等效于向上的力FY(称为升力)和向右的力FX(称为阻力)的合力，从而推动叶片转动，将风能转化为风机轴的转动动能，最后把风的动能转化为电能［1-6］。

1．2 原理图

由于实际风机对风机高度、风的对流环境等方面的要求较高，本实验采用小型永磁体直流风力发电机模拟验证风机风叶数量，风叶倾角与输出功率之间的关系。在实验风速不变(8 m/s)的情况下，测量风叶数量为2片、3片、4片，倾斜角度为60°时，风机带动负载输出的电压和电流情况。在各组的测量中，调节负载电阻，将负载电阻从0Ω增大至200Ω，每隔20Ω测量一组值。直流发电机装有转速计T，在每组测量中，测定电压U(V)、电流I(mA)以及转速计的输出电压UT。

根据功率的计算公式:

可以得出一系列负载阻值下的输出功率。

此风机测速计的输出电压和转速n(min－1)之间存在关系:

可得到一系列负载阻值下的转速值。

由此可以得出输出功率与叶片数量、叶片倾角之间的关系曲线，此关系由输出功率——转速曲线直接反应。其实验原理如图2所示:

图2 电路原理图

2 实验内容及数据分析

2．1 风机风叶数量与输出功率之间的关系

根据以上原理，可得到如表1的一系列数据。由于数据的趋势具有相似性(见后文输出功率和风叶数量关系图)，这里只提供风速8 m/s，倾斜角度为60°时的原始数据:

表1

2．2 风机风叶顷角与输出功率之间的关系

所以根据所得到的数据，在固定风速8 m/s，倾斜角度为60°时，可得出如下所示的不同风叶数量对应的输出功率和转速之间的关系图，见图3。

图3 60°时输出功率与转速关系

此时，通过分析四张图，可以看出:1)．固定风速不变时，在每60°角度下，4片风叶对应最佳的输出功率，在角度偏大时，更能突出4片风叶的优越性;2)．不同角度对应着不同的输出功率，在8 m/s风速下，随着倾斜角度的增大，发电机的最大输出功率在增大;3)．在每条曲线的末端，都越来越趋近于与功率轴平行，说明风机已达到此风速下的最大转速。

但在实际生产应用时，常见的风机都为3个风叶，这看似与实验的结果不符。其实不然，实践证明，实际的风力发电机，在风叶从2片增加到3片时，发电效率(即风能的转化效率)大约增加4%左右，从3片增加到4片时，发电效率大约增加2%。实际生产中，由于风力发电机的风叶造价较高，2个百分点的效率增加并不足以弥补生产1个风叶产生的生产成本;最后，需要补充的一点是，实际的倾斜角度与电机输出功率间的关系，并不是始终随着倾斜角度的变大功率增加的，发电机的输出功率应先随倾角的增大而增大，后随倾角的增大而减小。

3 结 论

通过实验可以证明，风叶数量、倾斜角度与风力发电机的输出功率之间确实存在着某种关系，而且是非线性的，并不是由风叶数量的增加而成倍的增加，也不是随角度的增加而成倍的增加。实验中，当倾斜角度为60°、风叶数量为4片时可以达到风速8 m/s下风机的最佳工作状态，得到最大输出功率，由于实际生产应用不仅需要考虑发电效率的问题，还需要考虑到生产成本等一系列因素，例如多一个风叶而增加的几个百分点的效率，并不一定是值得的，关键是综合考虑因素以达到经济效益最大化。

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