水平轴风力机的特点与应用

水平轴的应用比较广泛。为了使风向正对风轮的回转平面,一般需要有调向装置进行对风控制。

1.荷兰式风力机

该风力机于12世纪初荷兰人发明,因此被称为“荷兰式风车”。曾在欧洲(特别是荷兰、比利时、西班牙等国)广泛使用,其最大直径超过20m。这可能是出现最早的水平轴风力机。

荷兰式风车有两种：一种是风车小屋能跟随风向一起转动,如图2.4(a)所示；另一种是安装风车的屋顶能跟随风向转动,如图2.4(b)所示。

图2.4　荷兰式风车

2.螺旋桨式风力机

螺旋桨式水平轴风力机是目前技术最成熟、生产量最多的一种。这种风力机的翼型与飞机的翼型类似,一般多为双叶片或三叶片,也有少量用单叶片或四叶片以上的。

风力发电使用最多的就是螺旋桨式风力机,其外观如图2.5所示。

3.多翼式风力机

多翼式风力机(也称多叶式风力机),其外观如图2.6所示,一般装有20枚左右的叶片,是典型的低转速扭矩风力机。

美国中、西部的牧场多用它来提水,在墨西哥、澳大利亚、阿根廷等地也有相当数量的应用。19世纪曾经多达数百万台。

美国风力涡轮公司最近研究的自行车车轮式风力机,也是一种多翼式的风力机,48枚中空的叶片做放射状配置,性能比过去的多翼式风力机大有提高。

图2.5　螺旋桨式风力机

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图2.6　多翼式风力机

图2.7　离心甩出式风力机原理图

4.离心甩出式风力机

图2.7为离心甩出式风力机的原理图,这种风力机采用空心叶片,当风轮在气流的作用下旋转时,叶片空腔内的空气因受离心力作用而从叶片尖端甩出,并“吸”来气流从塔架底部流入。与风力发电机耦合的空气涡轮机安装在塔底内部,利用风轮旋转在塔底造成的加速气流推动空气涡轮机,驱动发电机发电。

这个设计是法国人安东略(Andreau)发明的,因此也称Andreau式风力机。这是一种不直接利用自然风的独特设计,因结构比较复杂,通道内空气流动的摩擦损失大,所以装置的总体效率很低。第二次世界大战后,英国的弗里特电缆公司1953年曾经建造过这种风力机,它由一个高26m的空心塔和一个直径24.4m的开孔风轮组成。以后再没有人制造。

5.涡轮式风力机

透平式风力机也称涡轮式风力机,如图2.8所示,其结构型式与燃气轮机和蒸汽轮机类似,由静叶片和动叶片组成。由于这种风力机的叶片短,强度高,尤其适用于强风场合,例如南极和北极地区。

6.压缩风能型风力机

这是一种特殊设计的风力机,根据设计特点,又可分为集风式(在迎风面加装喇叭状的集风器,通过收紧的喇叭口将风能聚集起来送给风轮)、扩散式(在背风面加装喇叭状的扩散器,通过逐渐放开的喇叭口降低风轮后面的气压)和集风扩散式(同时具有前两种结构)。

该装置利用装在风力机叶轮外面的集风器或扩散筒(图2.9),提高经过风轮的空气密度,或者增加风轮两侧的气压控,从而提高风能吸收的效果。但这种结构的风力机还有安装和成本上的问题需要解决。

图2.8　涡轮式风力机

图2.9　压缩风能型风力机