风力发电机叶片数目与风能利用率
风力发电机叶片数目与风能利用率
曹连芃
摘要：介绍风轮实度大小对风力机运行特性的影响，为什么现在风力发电机多为“一根杆子三根针”的结构。
关键字：风轮，风轮实度，叶尖速比，风能利用系数,一根杆子三根针，实度比,风能，风力发电机
图1是我们常见的风力发电机外观图，它有三个叶片，三个叶片与轮毂构成风轮，风轮转轴带动机舱内的发电机，由于风轮的转轴是水平的，故称为水平轴风力发电机。
图1－水平轴风力发电机
我们看到绝大多数风力发电机是三个叶片，这是为什么？
在谈这个问题之前，先介绍一个有关风力机叶片数目的概念——风轮实度。风力机叶片（在风向投影）的总面积与风通过风轮的面积（风轮扫掠面积）之比称为实度（或称实度比、容积比），是风力机的一个参考数据。
图2是几种水平轴风力机叶轮，绘有单叶片、双叶片、三叶片、多叶片四种
风轮的示意图，风轮实度的计算方法如下：
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
σ=BS/πR2
图2－单叶片至多叶片的风轮实度
在图2中从单叶片到三叶片的风轮实度比小，是低实度风轮，12叶片的风轮实度比高，是高实度风轮。
从图中看三个细细的叶片似乎让大多数风都漏掉了，为什么不采用多叶片风轮以便接受更多风能呢。
我们通过图3来做简单的解释：图上部分是风通过普通三叶片的气流示意图，气流通过叶轮做功后速度减慢，由于速度变慢气流体积有所增大，就有图中所示的气体发散的流动曲线。图2下部分是风通过多叶片的气流示意图，多叶片大大增加了气体通过的阻力，气流会分开绕过叶轮流向后方，只有部分气流通过叶轮做功，由于阻力大，通过叶片的风速也会降低得较多，所以叶轮实际得到的风功率减少了，这就是多叶片风力机得不到更多风能的重要原因。
图3－三叶片与多叶片的气流示意图
能不能不让气流绕过叶轮呢，那只有将叶轮安装在管道内（图4），为保证气流不绕流的进入管道必须在管道前设巨大的风坝，这样气流就不会绕过叶轮，进入管道内还会加速。
图4－风道内的风涡轮示意图
在风道内的叶轮就可做成多叶片的，甚至再增加一级风轮叶片来提高风能利用率，如果仅从风坝前风速与单个风轮面积来计算风能利用系数有可能超过贝茨极限。但建立巨大的风坝会使成本大大增加，难以实际应用，除非有现成的物体或建筑物充当风坝。
低实度少叶片风轮是不是让绝大部分气流漏掉了呢？也不是。低实度风力机运转速度较高，叶片线速度较风速高许多倍，可扫过大部分通过的气流，使大部分通过的气流都推动叶片运转，没经过叶片的仅是少部分，使大部分风能得到利用。
选取多少叶片合适，国内外做了大量实验，图5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，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。
从风能利用系数曲线图中看到5叶片到3叶片都有较高的最大风能利用系数，但5叶片与4叶片叶在最大风能利用系数时尖速比范围较小（即可用风速范围较小）。由于风力发电机希望转速高，在较宽的风速范围都能获得高的风能利用系数，也就是要能在较宽的叶尖速比范围工作，而且以合适的高转速运转，所以二、三、四叶片是风力发电机常用的选择，用得最多的是三叶片，这也就是“一根杆子三根针”的结构。当然选择三个叶片还有风力机结构强度、制造成本、噪音、外观等原因。
图5－单叶片到五叶片的风能利用系数曲线图
多叶片风轮的实度大，风能利用率相对低一些，在图6中左侧示意多叶片风
轮的风能利用系数曲线，它的叶尖速比范围也小（不超过2）。但多叶片风轮也有优点，同样直径的风轮比少叶片风轮输出力矩大得多，而且低风速起动能力很强，所以在农村抽水、碾磨中用得较多。在风速稳定的地区特别是低风速地区，根据不同用途，采用4至8个叶片的风力机有可能获得较好的风能利用效果。
图6－双叶片到多叶片的风能利用系数示意图
以上分析同样适合垂直轴风力发电机。图7是升力型垂直轴风力发电机外观图。
图7－垂直轴风力发电机
升力型垂直轴风力机有三个垂直于地面的叶片，三个叶片与垂直于地面的转
轴构成风轮，风轮转轴带动下面的发电机。下面是三个叶片垂直轴风轮的实度示意图
图8－垂直轴风力机风轮实度图
C为叶片截面的弦长，B为叶片个数，R为风轮半径，L为叶片长度，σ为实度比。垂直轴风力机叶轮的扫掠面积为直径与叶片长度的乘积，
σ=BCL/2RL= BC/2R
实际的垂直轴风力发电机多是3个或4个叶片，也有2个或5个叶片的结构。