風(fēng)輪的實(shí)度

在“風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)”一節(jié)中介紹了風(fēng)輪實(shí)度的概念：風(fēng)力機(jī)葉片（在風(fēng)向投影）的總面積與風(fēng)通過(guò)風(fēng)輪的面積（風(fēng)輪掃掠面積）之比稱為實(shí)度（實(shí)度比、容積比），是風(fēng)力機(jī)的一個(gè)參考數(shù)據(jù)。

圖1是幾種水平軸風(fēng)力機(jī)葉輪，繪有單葉片、雙葉片、三葉片、多葉片四種葉輪的示意圖，S為每個(gè)葉片對(duì)風(fēng)向的投影面積， R為風(fēng)輪半徑，B為葉片個(gè)數(shù)，σ為實(shí)度比，

在圖1中從單葉片到三葉片的風(fēng)輪實(shí)度比小，是低實(shí)度風(fēng)輪，12葉片的風(fēng)輪實(shí)度比高，是高實(shí)度風(fēng)輪。

目前絕大多數(shù)水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪采用3葉片形式，一段來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的視頻顯示了這種風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)。

也有一些農(nóng)用抽水風(fēng)力機(jī)與一些小微型風(fēng)力機(jī)采用多葉片的形式，見(jiàn)圖2。

一些初接觸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的人常發(fā)出疑問(wèn)，認(rèn)為三個(gè)細(xì)細(xì)的葉片讓大多數(shù)風(fēng)都漏掉了，為什么不采用多葉片風(fēng)輪以便接受更多風(fēng)能。也有些人設(shè)計(jì)一些高實(shí)度風(fēng)力機(jī)，甚至前后兩級(jí)高實(shí)度風(fēng)輪的風(fēng)力機(jī)，認(rèn)為是風(fēng)能利用率很高的風(fēng)力機(jī)，其實(shí)高實(shí)度的風(fēng)輪不一定能提高風(fēng)能利用率，結(jié)果可能相反。

我們通過(guò)圖3來(lái)作簡(jiǎn)單的解釋：圖中上部分是風(fēng)通過(guò)普通三葉片（低實(shí)度）風(fēng)輪的氣流示意圖，氣流通過(guò)葉輪做功后速度減慢，由于速度變慢氣流向四周發(fā)散，就有圖中所示的氣體發(fā)散的流動(dòng)曲線。舉個(gè)例子，一隊(duì)人馬（按2列排列）沿路跑步，經(jīng)過(guò)某點(diǎn)時(shí)的人速度減慢為原來(lái)的二分之一，在該點(diǎn)后這些減慢的人群將變?yōu)?列才能保持原有間距，將占用更寬的路面。

圖3下部分是風(fēng)通過(guò)多葉片（高實(shí)度）風(fēng)輪的氣流示意圖，多葉片大大增加了氣體通過(guò)的阻力，一部分氣流會(huì)分開(kāi)繞過(guò)葉輪流向后方，這部分氣流沒(méi)有通過(guò)葉輪做功，所以葉輪實(shí)際得到的風(fēng)能量減少了，這就是多葉片風(fēng)力機(jī)得不到更多風(fēng)能的重要原因。

能不能不讓氣流繞過(guò)葉輪呢，那只有將風(fēng)輪外圍的風(fēng)擋住（圖4），設(shè)立一個(gè)風(fēng)壩，風(fēng)壩中開(kāi)有氣流通道,風(fēng)輪安裝在氣流通道中,這樣氣流就不會(huì)繞過(guò)風(fēng)輪，由于風(fēng)壩造成壩前與壩后有較大的壓差，通道的后段擴(kuò)散使進(jìn)入通道內(nèi)的氣流速度會(huì)比原風(fēng)速提高許多，足以推動(dòng)實(shí)度較大的風(fēng)輪高速旋轉(zhuǎn)，若風(fēng)壩夠大，還可再增加一級(jí)風(fēng)輪葉片來(lái)提高風(fēng)能利用率。

如果僅從風(fēng)壩前來(lái)風(fēng)速度與風(fēng)輪面積來(lái)計(jì)算風(fēng)能利用率肯定超過(guò)貝茨極限，實(shí)際上應(yīng)該把風(fēng)壩的面積作為受風(fēng)面積，這樣算來(lái)風(fēng)能利用率就很小了，而且建立風(fēng)壩會(huì)使成本大大增加，沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，除非有現(xiàn)成的物體或建筑物充當(dāng)風(fēng)壩，由于這樣的風(fēng)壩不會(huì)隨風(fēng)向轉(zhuǎn)動(dòng)的，也只能應(yīng)用在風(fēng)向長(zhǎng)期較穩(wěn)定的地方。

在風(fēng)輪外周安裝擴(kuò)散器，可以提高擴(kuò)散器內(nèi)的風(fēng)速，也可適當(dāng)增加風(fēng)輪的實(shí)度，有關(guān)擴(kuò)散器的應(yīng)用見(jiàn)擴(kuò)散放大器風(fēng)力機(jī)一節(jié)。

低實(shí)度少葉片風(fēng)輪是不是讓絕大部分氣流漏掉了呢？如果風(fēng)輪沒(méi)有旋轉(zhuǎn)，風(fēng)葉是靜止的，絕大部分氣流確實(shí)漏掉了，但在風(fēng)輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，情況就不同了。低實(shí)度風(fēng)力機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度較高，葉片線速度較風(fēng)速高許多倍，有高的葉尖速比，在氣流通過(guò)葉輪厚度這段時(shí)間里，葉輪旋轉(zhuǎn)了較大的角度，所有葉片掃過(guò)了大部分通過(guò)葉輪的氣流，也就是說(shuō)通過(guò)葉輪的大部分氣流都對(duì)葉輪做了功，所以低實(shí)度少葉片的風(fēng)輪在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)可獲得較多的風(fēng)能。

而實(shí)度比過(guò)高的風(fēng)輪，不但阻礙了氣流的通過(guò)，旋轉(zhuǎn)葉片的尾流還造成葉片間的相互影響、另外葉片失速等問(wèn)題都會(huì)降低風(fēng)力機(jī)的效率。

選取多少葉片合適，國(guó)內(nèi)外做了大量實(shí)驗(yàn)，圖5是從單葉片到五葉片水平軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)曲線圖。橫坐標(biāo)是葉尖速比，葉尖速比是風(fēng)輪葉片尖端線速度與進(jìn)風(fēng)輪前的風(fēng)速之比；縱坐標(biāo)是風(fēng)能利用系數(shù)（功率系數(shù)），風(fēng)能利用系數(shù)是風(fēng)力機(jī)獲得的功率與通過(guò)風(fēng)力機(jī)葉片掃掠面積的風(fēng)功率的比值。

從風(fēng)能利用系數(shù)曲線圖中看到5葉片到3葉片都有較高的最大風(fēng)能利用系數(shù)，但5葉片與4葉片在最大風(fēng)能利用系數(shù)時(shí)尖速比范圍較小（即可用風(fēng)速變化范圍較小）。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)希望風(fēng)輪轉(zhuǎn)速高（可減小齒輪箱的增速比），還要在較寬的風(fēng)速范圍都能獲得高的風(fēng)能利用系數(shù)，也就是要能在較寬的葉尖速比范圍工作，采用3個(gè)、4個(gè)、2個(gè)葉片運(yùn)行在高葉尖速比時(shí)仍有高的風(fēng)能利用系數(shù)。

低實(shí)度風(fēng)輪葉片少，葉片較窄，比多葉片的高實(shí)度風(fēng)輪造價(jià)低，所以采用低實(shí)度風(fēng)輪，高尖速比運(yùn)行是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的選擇，也就是三、二、四葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)常用的選擇，用得最多的是三葉片，這也就是“一根桿子三根針”的結(jié)構(gòu)。當(dāng)然選擇三個(gè)葉片還有風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、外觀等其他原因。

多葉片風(fēng)輪的實(shí)度大，風(fēng)能利用率相對(duì)低一些，在圖6中左側(cè)示意多葉片風(fēng)輪（高實(shí)度風(fēng)輪）的風(fēng)能利用系數(shù)曲線，它的葉尖速比范圍也小（不超過(guò)2）。但多葉片風(fēng)輪也有優(yōu)點(diǎn)，同樣直徑的多葉片風(fēng)輪比少葉片風(fēng)輪在相同風(fēng)速時(shí)輸出力矩大得多，而且低風(fēng)速起動(dòng)能力很強(qiáng)，所以在農(nóng)村抽水、碾磨中用得較多。

在風(fēng)速穩(wěn)定的地區(qū)特別是低風(fēng)速地區(qū)，根據(jù)不同用途，采用4至8個(gè)葉片的風(fēng)力機(jī)有可能獲得較好的風(fēng)能利用效果。多葉片風(fēng)力機(jī)一般只用在固定葉片風(fēng)力機(jī)，對(duì)于可變槳的風(fēng)力機(jī)就要考慮增加葉片的成本。

以上只是簡(jiǎn)單的介紹了風(fēng)輪的實(shí)度與風(fēng)能利用系數(shù)的基本常識(shí)，實(shí)際情況要復(fù)雜些，相同葉片數(shù)的風(fēng)輪也會(huì)因葉片弦長(zhǎng)（葉片寬度）不同而風(fēng)輪實(shí)度不同，同時(shí)葉片的攻角、形狀都直接影響風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)。

實(shí)度不僅僅在水平軸風(fēng)力機(jī)有重要意義，在升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)中也很重要，真正運(yùn)行在升力狀態(tài)下的垂直軸風(fēng)力機(jī)多采用2個(gè)葉片或3個(gè)葉片，而且葉片窄，風(fēng)輪實(shí)度很小。

還有一個(gè)有趣的問(wèn)題：許多看過(guò)實(shí)際風(fēng)力發(fā)電機(jī)的人會(huì)問(wèn)三個(gè)葉片旋轉(zhuǎn)那么慢能發(fā)出電來(lái)嗎，實(shí)際上葉片旋轉(zhuǎn)并不慢，葉尖速度達(dá)每秒數(shù)十米。一臺(tái)風(fēng)輪直徑100m的風(fēng)力機(jī)，其風(fēng)輪圓周長(zhǎng)約314米，在普通風(fēng)速下風(fēng)輪轉(zhuǎn)速約每分鐘12轉(zhuǎn)，5秒一轉(zhuǎn)，此時(shí)葉尖速為每秒62.8米，每小時(shí)226公里，比高速公路上的汽車還快得多。風(fēng)輪轉(zhuǎn)速不能太快，太快了對(duì)葉片強(qiáng)度要求高，會(huì)增加很多成本；而且高速旋轉(zhuǎn)的葉片會(huì)產(chǎn)生極大的噪聲。