(整理)风力涡轮机技术优势

风力涡轮机的技术特点和优势

3KW功率的六扇叶涡轮机设计工作的基本目的在于该产品在三级或者以上的风力条件下可以适用于城市或者郊区. (3KW是风速为11m/s的铭牌额定值)

其中的一些要求：

该设备必须要保持几乎无噪音。（亦今为止，我们的实验说明我们达到了该要求）

该设备不会使鸟儿致死。（然而，在鸟儿交配季节，我们还是不能够避免此类自杀事件）

该设备所花费的成本应有成效。（研究证明在大规模生产中我们能够满足该成本目标）

该设备应合理的分布应用能源适用于分布式能源应用：（这是一项难以达到的要求，因为由于可能的买主不同，地点也在不停的变换。然而，通过潜在顾客向我们一直以来的咨询，我们相信能够向一个可观的区隔市场展开服务。）

提示:

为了能够从较低风速中获取能量，设备的螺旋桨必须要高效率运转：涡轮机需能够自起动，当螺旋桨在越过一个宽波段的角度时，要能够从遮断风的所有方向中提取能量，该设备要能处理不定向的风。

MSRC的空气动力学的专家花费大量精力计算了各种不同的叶片形状并做出电脑模拟，之后，叶片的部分被焊接以作流体力学设备的检测。研究结果为，该精确的页片形状被申请了专利。以下图片为流体力学设施中的叶片片段

由于人们居住在三级或低于三级风力的地区，我们确定：在人们居住的这些地区，风速达到最高点的时候发生的几率将比当时少于1.5%。建立一些风车系统来获取相比较而言较少的峰值能源将会提高该系统的成本，对于使用者来说，也没有很大的利益。以下是在特定地区风速分布的例子。

从理论观点上说，由于增加的能量是风速的立方倍，在一年之中， 1.5%的疾风在所有可用风力中代表了重要的一部分。无论如何，建立一个这样的系统来获取并使用该峰值能源并不注重实际。显而易见：一架风车在飓风中可以比全年余下的时间产生更多的能量，因此，如果仅以此作为产生的能量来进行衡量，我们应该建造风车在飓风中获得能量并且忽略其他风力。

在现实世界里，我们发现，相比较而言，能量生产商更愿意将能源功率值扩大至最大限度以便生产及贩卖，而能源使用者更感兴趣于在更可靠地基础上使用较少的能

量。因此，能源销售商对于有着大型涡轮机的风力农场操作运营时与能源消费者有着非常不同的经济体系，特别是脱离输电网的消费者。

获取少量能源有着很高的频率，在风力很低的条件下。风力涡轮机的自起动性是很有必要的。为了实现此要求，综合要素如下：扇叶的金属薄片必须要有正确的形状，必须要安装在适当的位置，轴承摩擦必须要非常低并且发电机直到系统处于工作状态时才可以存在阻力。

直接驱动的交流发电机是由帝国磁铁有限公司设计的，该发电机在磁路中没有铁质开关，因此不同于其他永久磁铁的交流发电机，这款设计没有接头，几乎没有启动电阻。此外，直到交流发电机上的能量被消耗，轴承上没有任何磁引力或者任何负载物。这两种因素决定了该涡轮机可以在低风力条件下自行起动。使用这种直接驱动的交流发电机，我们排除了由于齿轮或者其他机械类驱动系统所造成的消耗和成本。由于我们在磁系统中没有铁质开关，在磁性设计中运用铁质结构作为风车的组成部件是可行的，这种结合可减少成本，这是其他种设计的交流发电机所不可能做到的。

对于那些并不熟悉电动（交流）发电机的工业界，很轻易的会认为一台适合的交流发电机的可利用性是理所当然的。然而，这是完全不对的想法。那些有技术的人很少会需要设计一台很成功的交流发电机。拥有资源以经济合算的方式去制造这些设计的公司则更少有。这些在电动机商业领域的公司朝着扩大的趋势发展，并且他们注重于生产产品以使他们更有益的负担现存的工厂。与发动机制造公司交涉的风车公司将会采用流水生产线上可用的发动机。这些产品并不适用于风力应用中。

将交流发电机与风力涡轮机进行装配，这种一体化的结合打打程度上减少了风车的成本。不管怎样，这么做几乎改变了电动机制造企业所做的或者所生产的一切。因此，除非发动机公司碰巧拥有风车公司，他们有很小的动机在适合的交流发电机设计发展上进行合作。如此一来，大众电力企业与西门公司都同是电动机生产制造公司和大型风车制造商就并非偶然了。

几家不同的小型风力涡轮机公司，每一家都处于启动阶段，已经向帝国磁铁有限公司靠拢，寻找有效的成本供选方案以得到交流发电机的现货供应。使用过这种标准的交流发电机产品后，他们发现：电动机的速率范围与风力涡轮机并不匹配，因为风力涡轮机要求转动装置或者其他机械的改造，这样的话，增大了复杂性和成本并降低了工作效率和可靠性。标准电动机的电压不是在正确的范围内的，磁极的数量太低，能源的因素太高，磁性接头力太大，磁路中的铁质材料在外界环境会被腐

蚀，施加到轴承上的磁吸引力缩短了涡轮机的使用寿命。最终，这些小公司没有办法去影响交流发电机的成本。除此之外，一切都没有问题。

安装在风力涡轮机中心的交流发电磁铁的图片。

在风力涡轮机的设计中，轴承系统被放置在装配线的中间位置，该位置使得装配线顶部的风力荷载和底部近似相等。这种安排与特定的轴承设计相结合，使得摩擦力在轻风条件下很小，这不完全是我们想要达到的目的。

当我们按比例增加大量的涡轮机设计时，轴承变的更加关键。轴承的使用寿命随着负荷量与速率的降低而减少。大型的涡轮机由于直径增大而变得更加沉重，轴承的表面速度也增加了。为了克服这个问题，我们设计了不抵抗磁性的轴承。这种轴承没有速度限制，它们不会用坏，并且，基于我们的设计，此类轴承比机械方案更便宜。对于磁体的确切安排，我们相信会被给予专利。联邦能源署指出，由于两个因素，大量的磁体被减少被比作显而易见的方式。然而，一家公司已经申请了风车磁性轴承使用的专利，所以，在他们所申请过专利的国家，与之达成协议是不可避免的。

MSRC的科学家在致力于研究螺旋桨的确切形状时，做了大量的数据模型。这次努力的结果就是高效率，自起动，双向螺旋桨，在下方图表中展现了能够识别的独特的可使用的特征。这些特征让我们能够创造一个特定于涡轮机和叶片设计的操纵系统。在图表中间的一条曲线，描绘了涡轮机输出功率对圆周速度的非线性效应的影响。该操纵系统利用了这个特点，将低于3KW的风速的输出功率最大化，而产生的功率要高于3KW。这种细微的差别很容易被忽略。如果我们不使之产生这种额外的功率，我们就没有费用去解决它。

在轻风条件下获得更多能量的方法就是将涡轮机做大些，这样做又不能明显增加成本。从我们计划以低成本大量生产螺旋桨开始，推出或拉挤成型都明显是备用的。因此我们不断地用十字形的零件来设计螺旋桨，以便能够顺应低成本的制造过程。一旦机器安排完毕并运行良好，退出机器后，零件将被分解并且该叶片就能够进行长期的大量生产。这主要在于生产过程，也注重于技术设计，以不同长度的材料来制造涡轮机叶片大大降低了成本。风力涡轮机在轻风条件下提供的不仅是单位功率值，更是提高了竞争力。

下列图片是螺旋桨的实体图以及平面设计图。

由于我们的叶片成本降低，与其他风力系统相比，涡轮机成为了价格相对较低的元件，在很多时候使用扩大规格后的涡轮机来收集可用风力，无论什么时候人们需要风力提供的能量，在无需花费更多费用的前提下，该涡轮机都可以提供更多可信赖且更有效的能量。然而，避免高成本与获取峰值能源要求很严格的管理制度。人类本身以及技术分析对于随时会发生的，甚至是每年产生的能源产量引起很多设计师尝试着获取峰值能源，这也仅仅发生于一位有着经济头脑的管理者来约束技术设计师的花费成本，这将使我们达到实用性的风力系统的经济目标。特别的是，为了在轻风条件下获得经济型运营，相对于涡轮机来说，电子功率元件必须要缩小尺寸。

为了预防突然来临的暴风雨对系统的损坏，对照暴风雨来临时我们试图处理的峰值能量，我们在其中加入了控制装置，使之能够阻碍产生的多余能量。当这种相反的情形出现时，结果就是关闭了风车的输出功率。这中情况在下方图表中被描绘出来了。X轴是每米/秒的风速，Y轴是功率*100.功率曲线是控制系统下3KW功率的六叶风车所运行的状态。

红线是计算性能的曲线，蓝色十字是测量数据点。

Power, kW

Wind speed, m/s

Wind Wind Wind power measured Turbine

speed speed available power efficiency

MPH m/sec Watts Watts

2.24 1.00 9

4.47 2.00 69

6.71 3.00 231

8.95 4.00 548 190 34.65%

11.18 5.00 1071 320 29.88%

13.42 6.00 1851 600 32.42%

15.66 7.00 2939 970 33.01%

17.90 8.00 4387 1380 31.46%

20.13 9.00 6246 2000 32.02%

22.37 10.00 8568 2580 30.11%

24.61 10.4 9637 3000 31.13%

为了达到这种控制状态，我们有一套电子设备：该设备决定了涡轮机提供的可用风能源的总额；力图在大量可能的风力中获取最大的可用风能源，这取决于系统的容量。结果表明，在一个更加一致的基础上，少量的风能源是可用的。当我们在找寻离网运用时，大多数的小型风力系统使用者更情愿每天都有适量的能源可用，而不情愿每月中只有5天拥有大量风能源。相比之下，对于风的可变性，我们做不了什

么，当我们制造一些可用能源时，我们只能尽可能的增加天数以及每一天的几个小时。

为了能够使可用风速频率变得更广泛些，设计中结合了离心力以激活空气动力制动系统。该操作的基本原理与詹姆斯·瓦特早期蒸汽机上使用的飞球调速器原理是一样的。当涡轮机速度增快时，重量从副翼上转移到平面支撑的机翼上，副翼位置的改变使之成为了一个速度制动器。

图表描绘了空气动力制动装置。

在高风速末端标尺，我们将涡轮机设计成支持60米每秒的风速。 (135 mph) 一般说来，这要比人们在家使用的风车更好。当风能源增加，风速也成倍增加，几英里之外,这种规模的最顶端有产品的总成本增加了很多。无论如何，我们承认，有很多潜在客户想要能抵御十二级飓风的产品，他们愿意花更多的钱来购买，想要满足这种高要求，也是有可能的。

因为我们的涡轮机可从任何一个水平方向获取风，相同条件下，涡轮机在轻度不定向风中要比水平轴风力机获取更多的能量。对于水平轴风力机，当风向改变时，该装置必须要逆风克服风的回转力。如果螺旋桨不是直接迎着风的，效率就会根据风角度的余弦角而降低。偏离风向15度，螺桨效率就会降低20%，偏离风向30度，就会降低40%。回转力使得旋转的螺旋桨在应对风向改变时速度变慢，这种在轻度不定向风环境下使用的水平轴风力机很少用在峰值能源中。因此，许多被吹捧的高效优点都不能在多变向风环境中实现。下面的图表描绘了风角度给水平轴风力机带来的问题。

至于风力涡轮机，回转力起到了好的作用，涡轮机像是调速轮一样工作，在超时输出功率的时候也可以从任何方向的风中获取能量。在风向改变时也没有降低任何工作效率。（不包括上/下冲气流的时候）

当水平轴风力机的支持者为他们的涡轮机声称有着高效率时，这些声明也仅仅在涡轮机直接面临定向风的时候存在。对于有着很强风向性的风力农场来说，水平轴风力机确实有着优点。可是，在不定向的轻风条件下，我们的分析表明，相同型号的垂直轴风力发电机会比水平轴风力机多产生10%—15%的能量。但是，没有任何理由使我们必须要限制垂直风力发电机的扫掠面积。如果我们比较相同价格而非相同尺寸的涡轮机，垂直风力发电机能在多变风向环境中提供大约两倍的输出功率。

在分布式能量应用程序中，其中最主要的一个降低成本的方法就是将涡轮机安装在现存的建筑物上。尤其是商业建筑物上很可能放置这种涡轮机。除了保持无噪音外，在此种环境下，与水平轴风力机相比，我们的涡轮机还拥有一些显著的优点。

如果我们看到大片空间被一个螺旋桨形的涡轮机占据，它基本上是一个球体，球体的直径就是涡轮机叶片的直径加上不为中线的桅杆长度。

从相同观点看，我们的垂直轴风力发电机是矩形规格的。假如我们的涡轮机规格是正方形的，长和宽就与水平轴风力机球体的直径相同，这样一来，我们的涡轮机扫掠的面积就扩大了27%。然而，使用矩形的规格扫掠的面积就是相同屋顶空间的2—3倍。对于一个固定的顶部空间这种问题时，水平轴风力发电机就不能在长度上获益，同样也浪费了其宽度。请看下列对比的图表。

由于我们涡轮机的在他整个叶片外径做的工作在最大的半径。这增长了转矩臂，允许旋转速度降低，使得运行时无噪音，轴承寿命增长，叶片压力降低，叶片较少的谐波振动和表面磨损减少。（当然，叶片两端速度比降低了，导致效率比水平轴风力发电机低了一点点。）

如果有人看过标准螺旋桨的设计，你会发现，集线器周围的空气速度非常低，随着半径在外部随着集线器增加，空气速度也增加了。这就意味着，从集线器到螺旋桨的两端，一段不同频率的宽频谱在叶片结构中出现。这就是为什么螺旋桨的生产既复杂价格又昂贵的原因之一。

川流不息的风开发了早期的垂直轴风力涡轮机的其中一种。现在以达尔若斯的设计而闻名，该设计结合了相同频谱的振动频率，在很大程度上导致了早期叶片的失败。这种叶片不能够自起动。由于正反馈，这个装置会在疾风条件下自毁。

圣地亚国家实验室投入了大量精力来解决此问题。可用的相关报告请看网页：https://www.360docs.net/doc/a517853585.html,/wind/topical.htm

当这种达尔若斯涡轮机以较快速率运行时，叶片上的离心力使之弯曲并增加了涡轮机的直径。直径的增加使之更加扭曲，这使得涡轮机变得快速运转。如果不能够很快的控制这种正回馈循环，将会导致装置自毁。

风力涡轮机设计是将达尔若斯风力发电机与直叶片相结合，就像是1927年达尔若斯专利描述的那样，就是众所周知的格莱明发电机。这种设计的较早版本没有自起动的叶片，同样的，它们不具有实用性。基础的设计大大的降低了叶片的谐波振动，这就避免了正反馈的问题。

支持叶片防止弯曲或者自毁是两方面的问题，当这一点是可行的时候，有多个支持点，如图所示：

每一个支持线或者横杆都增加了涡轮机的阻力。风力涡轮机的设计大大的降低了阻力，但利用顶部和底部的吊环提供了必要的支持。

如果你仔细的看风力涡轮机，你就会看见涡轮机的顶部和底部都有三个垂直的螺旋桨。然而，你也会看到，这种模式在循环中可以抵消60度转角。这种特别的安排有一些优点。

首先要了解到的是，越多的叶片不等同于更多的能量或者更高的效率。MSRC团队做了一系列计算并且确定三个螺旋桨可以提供最适宜的条件，此条件下，功率输出，阻力，风力荷载和成本都是最适合的。增加更多的螺旋桨会增加成本，阻力，并且会大大增加装置上的风力荷载，却唯独不能够增加功率输出。

我们已经设计的装置，将轴承安装在了装置中间。涡轮机顶部的风力荷载与底部的风力荷载大致相同。这种结构减少了悬在轴承上的风力荷载，提高了轴承的使用寿命。

通过抵消外圆底部的三个螺旋桨，我们得到了风力涡轮机每转六脉冲的能量。这在相当大的程度上减少了装置上谐波振动，以至于保持无噪音，也减少了装置的感应应力振动。转矩波动降低了提供的能量，使得电力系统容易控制。

视觉比较来说， 这有一张四叶片与六叶片版本的对比图：

30

60

90

120

150

180210

240

270

300

330

360

6000

4000200002000

40006000

80001.10

4

1.2.104Fx Fy

ψ

上面是六叶片图，下面是四叶片图：

拓展并测试一个小型涡轮机要比做一个大型的装置便宜一点。由于这个原因，我们用一个3KW 规格的涡轮机就可以向潜在投资者进行展示。尽管我们知道，我们可以将这款设计放大规格。我们有30千瓦的装置以便使用，只需要额外的资金就可以完成了。50KW 规格的装置提议正在进行中。计算结果表明，500KW 规格的装置会

是这款设计的最佳规模，以1MW机组作为实际应用的极限的具体设计。

大约来说，要完成工程设计和证明文件等，每台涡轮机要花费大概1500万美元。此外，对于原型的涡轮机每瓦特还要花费5美元，从而其他人可以在涡轮机尺寸的基础上估算原型装置的成本。