水平軸風(fēng)力機(jī)的工作原理

水平軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸是水平方向的，和地面與風(fēng)向基本平行。圖1是一個(gè)玩具風(fēng)車，在風(fēng)車桿上固定有軸座，軸座前方有輪轂，兩者通過(guò)風(fēng)車軸相連，輪轂可繞風(fēng)車軸自由旋轉(zhuǎn)。風(fēng)車有6個(gè)葉片，葉片固定在輪轂上，葉片與風(fēng)車軸垂直，葉片之間的夾角是60度，6個(gè)葉片與輪轂組成風(fēng)輪，每個(gè)葉片相對(duì)于風(fēng)輪平面有25度（或相近角度）的傾斜角度。當(dāng)風(fēng)車軸與來(lái)風(fēng)平行時(shí)，風(fēng)輪就會(huì)旋轉(zhuǎn)起來(lái)。

圖2左圖是風(fēng)車還未轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的氣流狀態(tài)，此時(shí)氣流從薄板葉片兩邊繞過(guò)，并在葉片后方形成渦流，葉片前方（相對(duì)畫(huà)面是下方）與后方會(huì)有較大的壓差，由于葉片并非垂直于風(fēng)向，氣流在葉片上產(chǎn)生的壓差合力F與風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸間有一個(gè)角度，該角度使F在葉片運(yùn)動(dòng)方向產(chǎn)生分力Ft，F(xiàn)t與此處風(fēng)輪圓周相切，推動(dòng)葉片向左方轉(zhuǎn)動(dòng)，于是風(fēng)車開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，F(xiàn)t也稱為切向力。

圖2中圖是風(fēng)車以中等速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的氣流狀態(tài)，此時(shí)的風(fēng)速仍為v，由于風(fēng)車已經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，薄板葉片該截面處的線速度為u，方向向左，于是葉片受到的來(lái)風(fēng)除了v外還有來(lái)自左方的氣流u，v與u的合成風(fēng)速為w，見(jiàn)下方矢量合成圖，相對(duì)風(fēng)速w是薄板葉片受到的真正來(lái)風(fēng)方向。圖的上方表示葉片此時(shí)的氣流狀態(tài)，由于來(lái)風(fēng)w的方向與葉片還有較大夾角，見(jiàn)下方矢量圖中的w與上方葉片的夾角，氣流流經(jīng)葉片時(shí)在葉片后方產(chǎn)生有渦流，葉片工作在失速狀態(tài)，雖有一定的升力但阻力也較大，其合成力為F，F(xiàn)在葉片運(yùn)動(dòng)方向產(chǎn)生分力Ft，F(xiàn)t推動(dòng)葉片向左方運(yùn)動(dòng)。

像小風(fēng)車這樣采用薄板葉片的風(fēng)力機(jī)很早就得到應(yīng)用，典型的是荷蘭風(fēng)車，早在13世紀(jì)荷蘭人就廣泛使用風(fēng)力機(jī)進(jìn)行抽水、輾磨谷物、加工大麥等工作。十八世紀(jì)末，荷蘭全國(guó)的風(fēng)車約有一萬(wàn)二千座，高高聳立的抽水風(fēng)車，使荷蘭從大海中取得近乎國(guó)土三分之一的土地，這是古代風(fēng)力機(jī)應(yīng)用創(chuàng)造的偉大奇跡，當(dāng)然這也得益于荷蘭一年四季盛吹西風(fēng)，才有如此動(dòng)力。后來(lái)蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)的發(fā)明與應(yīng)用逐漸淘汰了大部分風(fēng)車，目前荷蘭還有兩千余架各式各樣的風(fēng)車，由于利用的是自然風(fēng)力，沒(méi)有污染，其中許多仍在發(fā)揮作用。圖3是網(wǎng)絡(luò)上荷蘭風(fēng)車的照片。

下面是荷蘭風(fēng)車的動(dòng)畫(huà)。 動(dòng)畫(huà)格式.mp4；分辨率640×640。

玩具風(fēng)車的葉片是薄板，荷蘭風(fēng)車的葉片是繃緊的帆布（圖3中風(fēng)車葉片骨架上還未繃帆布），這些葉片都是平面的。該風(fēng)車的轉(zhuǎn)軸與地面基本平行，所以也是水平軸風(fēng)力機(jī)。

其實(shí)在中國(guó)漢代就有水平軸風(fēng)力機(jī)，在明代有文字描寫(xiě)“用風(fēng)帆六幅車水灌田者”，這種風(fēng)車稱為臥軸風(fēng)車或斜桿式風(fēng)車，上世紀(jì)40年代拍攝的電影《一江春水向東流》有這種風(fēng)車的場(chǎng)景，在1957年拍攝的電影《柳堡的故事》中也有這種風(fēng)車的鏡頭。直到上世紀(jì)90年代在連云港某鹽場(chǎng)還有10多臺(tái)臥軸風(fēng)車提取鹽水。遺憾的是那時(shí)我們沒(méi)有像荷蘭那樣保護(hù)古代技術(shù)與文化遺產(chǎn)，隨著農(nóng)業(yè)電氣化的普及，各種中國(guó)風(fēng)車到上世紀(jì)70年代基本絕跡。

下面是電影《柳堡的故事》中臥軸式風(fēng)車部分小段。

圖4是2臺(tái)臥軸風(fēng)車仿制品。

薄板葉片失速角小，容易進(jìn)入失速狀態(tài)，現(xiàn)代實(shí)際應(yīng)用的葉片是流線型的，葉片截面如同機(jī)翼截面，稱為翼型。翼型有一定厚度，強(qiáng)度大、升力大、阻力小。有關(guān)翼型的介紹見(jiàn)葉片的空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)課件。

圖5是翼型葉片在不同轉(zhuǎn)速下的受力示意圖，圖中翼型是葉片在風(fēng)輪某圓周上的截面，圖中風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸相對(duì)畫(huà)面是垂直方向，所以葉片的運(yùn)動(dòng)方向相對(duì)畫(huà)面是水平方向，來(lái)風(fēng)的方向相對(duì)畫(huà)面是向上，風(fēng)速為v。

圖中有3個(gè)工作狀態(tài)，左圖是風(fēng)輪靜止時(shí)的狀態(tài)，中圖是風(fēng)輪轉(zhuǎn)速較低時(shí)的狀態(tài)，右圖是風(fēng)輪以額定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)的狀態(tài)。三個(gè)狀態(tài)的氣流與受力分析狀況與圖2薄板葉片基本相同，這里就不再重復(fù)介紹了。

看一個(gè)風(fēng)力機(jī)的工作效率不是單看葉片受到的切向力Ft大小，在圖4中右圖的Ft約為中圖Ft的2倍，是不是輸出功率大2倍呢，我們還要看他們的轉(zhuǎn)速，右圖的切向速度u約為中圖u的2.5倍，也就是轉(zhuǎn)速大了2.5倍，所以說(shuō)右圖葉片做功是中圖葉片的5倍（2×2.5=5）。這只是個(gè)大約數(shù)，因?yàn)轱L(fēng)輪不同處的截面與角度不同，所受來(lái)風(fēng)也不同。

這種風(fēng)力機(jī)是靠葉片受到的升力推動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)做攻的，也稱為升力型風(fēng)力機(jī)。

使風(fēng)力機(jī)自動(dòng)朝向風(fēng)向稱為對(duì)風(fēng)（偏航）功能。小型風(fēng)力機(jī)普遍采用尾舵對(duì)風(fēng)，風(fēng)把尾舵吹向風(fēng)力機(jī)后方使風(fēng)輪面向風(fēng)，圖8中的迎風(fēng)式風(fēng)力機(jī)就是帶尾舵的風(fēng)力機(jī)。順風(fēng)式風(fēng)力機(jī)勿需任何裝置即可自動(dòng)對(duì)風(fēng)，稱之為自由偏航。 大中型風(fēng)力機(jī)采用專門的偏航裝置對(duì)風(fēng)，在后面的章節(jié)有相關(guān)介紹。

在風(fēng)力機(jī)的機(jī)艙底盤上安裝有主軸承、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、偏航裝置、風(fēng)向風(fēng)速測(cè)量、控制柜等，發(fā)電機(jī)是風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生電能的設(shè)備，由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速低，風(fēng)輪需通過(guò)齒輪箱增加轉(zhuǎn)速后才能使發(fā)電機(jī)以正常轉(zhuǎn)速工作；控制柜控制風(fēng)力機(jī)的對(duì)風(fēng)、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速等；風(fēng)向標(biāo)測(cè)量風(fēng)向發(fā)出信號(hào)給控制柜；偏航裝置按控制柜的信號(hào)推動(dòng)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行對(duì)風(fēng)。

多個(gè)風(fēng)力機(jī)組成風(fēng)電場(chǎng)，下面通過(guò)一段新疆達(dá)坂城風(fēng)電場(chǎng)的視頻展示了風(fēng)電場(chǎng)的恢弘氣勢(shì)，視頻僅是達(dá)坂城風(fēng)電場(chǎng)的一角。

達(dá)坂城風(fēng)電場(chǎng)的一角