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bdlhz618的博客

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个人简历 具有深厚的专业理论知识和丰富的实践经验,勤于思考,富于创新,在长期的工作实践中,始终注重研究和探索,通过多年的艰辛努力和实验,在技术革新与发明创造方面有所突破,研制成功《风力飞行器》(201110319692.2)。《调桨长的万向风车》(201210393482.2)。

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信不信由你(3)  

2014-02-21 00:01:42|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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信不信由你(3

——从理论上分析调桨长的万向风车比螺旋桨风车效率高

风力机的效率是指风通过风轮扫掠面积时,把一部分动能传给风力机,把风轮接受的风的动能与通过风轮扫掠面积的全部风的动能的比值称为风能利用系数(也称风力机风能利用效率),根据贝茨理论,风力机的最大风能利用系数是59%,风能利用系数是衡量风力机性能的主要指标。 

各种形式的风轮接受风力的风能利用系数是不同的,阻力型风力机的风能利用系数较低(一般不超过25%),升力型风力机的风能利用系数较高(一般在30%~45%)。风力发电机组除了风轮的风能利用系数外,还有机械传动系统效率、发电机效率等,这些效率的乘积就是风力发电机的全效率。

那么,为什么升力型风力机的风能利用系数高于阻力型风力机的风能利用系数呢?

我们知道,升力型风力机是通过风车叶片的特殊形状(翼型),按着流体力学、空气动力学原理,使风能变成了升力,然后又通过支架的杠杆作用变成旋转的力矩推动风车旋转;阻力型风力机是通过阻力,产生旋转力矩,然后推动风车旋转。那么是不是利用升力效率就高,利用阻力效率就低呢?如果这样,那么升力不就可以称为高级力量,而阻力就是低级力量了吗?当然不是。因为只有能量有高级能量(例如机械能)和低级能量(例如热能),而力是没有高低之分的。所以,升力阻力都是力,升力型风车如果调节不当,也可能效率还不如阻力型风车,利用升力,只是开拓了提高效率的可能性。

本人认为,升力型风力机的风能利用系数高于阻力型风力机的风能利用系数的原因在于升力型风力机可以引入正反馈,而阻力型风车则完全不能引入正反馈。

要想明白这个道理,只要这样想象一下,风力机在风场中受到风力的作用后,就会有旋转的力矩使风车开始旋转,而转速一定是逐渐增加的,它就相当于风力机的一个输出信号。能不能把这个输出信号引回到输入端,再变成力矩信号作用在风车上形成正反馈呢?这就是问题的关键。升力型风力机是完全可以的,因为转速的增加使风轮与周围空气的相对速度增加,相当于风速增加,升力就增加,用杠杆引回到输入端,就可以使风轮转速进一步增加,从而形成了正反馈;然而阻力型风车,风轮转速的增加,使风轮线速度与风速之差减小,阻力减小,完全不能形成正反馈。

由此可见,升力型风力机利用升力形成正反馈,只要叶片的姿态调节得当,叶桨的杠杆作用调节得当,就能提高风能利用效率;而阻力型风车则完全不可能。

那么,是不是升力型风力机就无一例外的没有差别?当然也不是,因为风车构造不同,形成的反馈系数也会有很大差别。下面就来分析一下水平轴螺旋桨风车和调桨长的万向风车有哪些差别?

先看两张力分析图,然后再做一些简单的解释。(这一部分需要一定的风电知识和一定的想象力,对于有一定风电知识的风电发烧友来说,可能不成问题,但对没有深入研究风电的初学者来说,可能有一定困难。)

 信不信由你(3) - 风的力量 - bdlhz618的博客

 
信不信由你(3) - 风的力量 - bdlhz618的博客
 
 

15-1为水平轴螺旋桨风车由叶片顶端看下去的俯视图。图15-2是调桨长的万向风车由叶片顶端看下去的俯视图。

从图15-1可以看到,当水平轴螺旋桨风车线速度增加时,使攻角、升力的方向、大小都发生了变化,攻角减小使升力减小,使升力的方向向旋转力矩减少的方向偏转。这样一来,虽然线速度增加使升力增加但被上述原因削弱了不少,不能使反馈系数增加。

从图15-2可以看到,调桨长的万向风车线速度增加时,使攻角、升力的方向、大小都发生了变化,攻角减小使升力减小,相对风速W向弦线靠近,使与相对风速W垂直的升力的方向向翼型尾部方向偏转。但因叶桨是倾斜向上固定在底盘上的,通过叶桨的杠杆作用,升力方向的偏转,并不影响力矩的大小。这样一来,虽然线速度增加使升力增加且没有被削弱,而使反馈系数变大,这就从理论分析角度可以得出结论——调桨长的万向风车比螺旋桨风车效率高!

 

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