风力机设计理论及方法第2章-风力机的类型与结构
风力机分类
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三叶片风轮的性能比较好，目前，水平轴风电机组一般 采用两叶片或三叶片风轮，其中以三叶片风轮为主。我国安 装投运的大型并网风电机组几乎全部采用三叶片风轮。 叶片数量减少，将使风轮制造成本降低，但也会带来很 多不利的因素，在选择风轮叶片数时要综合考虑。两叶片风 轮上的脉动载荷大于三叶片风轮。另外，由于两叶片风轮转 速高，在旋转时将产生较大的空气动力噪声，对环境产生不 利影响，而且风轮转速快视觉效果也不好。 风轮实度：风轮叶片总面积与风轮扫掠面积的比值，常 用于反映风轮的风能转换性能。 风轮的叶片数多，风轮的实度大，功率系数比较大，但 功率曲线较窄，对叶尖速比的变化敏感。叶片数减小，风轮 实度下降，其最大功率系数相应降低，但功率曲线也越平坦， 对叶尖速比变化越不敏感。
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风轮转速、叶尖速比
叶尖速比为风轮叶片尖端线速度与风速之比，是描述 风电机组风轮特性的一个重要的无量纲量。 wR r
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• H形风轮结构简单，但离心力使叶片在其连接点处产生严 重的弯曲应力。直叶片借助支撑件或拉索来支撑，这些支 撑产生气动阻力，降低了风力机的效率。 • φ形风轮所采用的弯叶片只承受张力，不承受离心力载荷， 使弯曲应力减至最小。由于材料可承受的张力比弯曲应力 要强，对于相同的总强度，φ形叶片比较轻，且比直叶片 可以更高的速度运行。但φ形叶片不便采用变浆距方法来 实现自起动和控制转速。对于高度和直径相同的风轮，φ 形转子比H形转子的扫掠面积要小一些。
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§3-2 风电机组主要参数及设计级别
风电机组的性能和技术规格可以通过一些主要参数反映。
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一. 主要参数 风轮直径与扫掠面积
风轮直径是风轮旋转时的外圆直径，用D表示。风 轮直径大小决定了风轮扫掠面积的大小以及叶片的长度， 是影响机组容量大小和机组性价比的主要因素之一。 根据贝茨理论，风轮从自然风中获取的功率为 1 P SC P 3 2 式中，S为风轮的扫掠面积，S 4 D增加，则其扫掠面积与D2成比例增加，其获取的 风功率也相应增加。
第二章风力机的基本理论及工作原理
第二章风力机的基本理论及工作原理第二章风力机的基本理论及工作原理2.1风力机基本理论 (1)2.1.1动量理论 (2)2.1.2叶素理论 (4)2.1.3动量-叶素理论 (5)2.2风力机空气动力设计 (7)2.2.1风轮几何参数 (7)2.2.2风力机空气动力设计参数 (8)2.2.3风力机翼型的阻力和升力 (8)2.2.4风力机气动外形设计 (14)2.3风力机性能 (14)2.3.1 风力机性能参数 (14)2.3.2 风力机叶片三维效应 (17)2.4风力机载荷 (17)2.4.1重力载荷 (17)2.4.2惯性载荷 (18)2.4.3气动载荷 (19)2.5垂直轴风力机 (19)2.5.1垂直轴风力机的分类 (19)2.5.2垂直轴风力机的主要特点 (20)2.5.3达里厄型垂直轴风力机 (20)2.5.4 S型垂直轴风力机 (24)2.5.5 其他垂直轴风力机 (27)2.5.6 直驱式垂直轴风力发电机 (29)2.6风电场中的空气动力问题 (33)2.6.1 风电场选址 (33)2.6.2 风力机尾流效应 (34)2.6.3 风力机布置 (34)2.6.4 风电场设计软件 (34)2.6.5 风能预测 (34)2.1风力机基本理论风力机是一种从风中吸取动能的装置。
通过动能的转移，风速会下降，但是只有那些通过风轮圆盘的空气才会受到影响。
假设将受影响的空气从哪些没有经过风轮圆盘、没有减速的空气分离出来，那么就可以画出一个包含受到影响的空气团的边界面，该边界面分别向上游和下游延伸，从而形成一个截面为圆形的长的气管流。
如果没有空气横穿界面，那么对于所有的沿气管流流向位置的空气质量流量都相等。
但是因为流管内的空气减速，而没有被压缩，所以流管的横截面积就要膨胀以适应减速的空气。
如图2.1所示。
图2.1 风力机吸收能量的流管能量虽然动能是从气流中吸取，但速度突变是不可能的，也是人们不希望发生的，由于巨大的加速度产生强大的作用力，这种速度突变又是需要的。
风力发电机的组成部件及其功用
风力发电机的组成部件及其功用风力发电机是将风能转换成机械能，再把机械能转换成电能的机电设备。
风力发电机通常由风轮、对风装置、调速装置、传动装置、发电机、塔架、停车机构等组成。
下面将以水平轴升力型风力发电机为主介绍它的各主要组成部件及其工作情况。
图3-3-4和3-3-5是小型和中大型风力发电机的结构示意图。
图3-3-4 小型风力发电机示意图1—风轮2—发电机3—回转体4—调速机构5—调向机构6—手刹车机构7—塔架8—蓄电池9—控制/逆变器图3-3-5 中大型风力发电机示意图1—风轮；2—变速箱；3—发电机；4—机舱；5—塔架。
1 风轮风轮是风力机最重要的部件，它是风力机区别于其它动力机的主要标志。
其作用是捕捉和吸收风能，并将风能转变成机械能，由风轮轴将能量送给传动装置。
风轮一般由叶片（也称桨叶）、叶柄、轮毂及风轮轴等组成（见图3-3-6）。
叶片横截面形状基本类型有3种（见图第二节的图3-2-3）：平板型、弧板型和流线型。
风力发电机的叶片横截面的形状，接近于流线型；而风力提水机的叶片多采用弧板型，也有采用平板型的。
图3-3-7所示为风力发电机叶片（横截面）的几种结构。
图3-3-6 风轮1.叶片2.叶柄3.轮毂4.风轮轴图3-3-7 叶片结构（a）、(b)—木制叶版剖面； (c)、(d)—钢纵梁玻璃纤维蒙片剖面；(e) —铝合金等弦长挤压成型叶片；(f)—玻璃钢叶片。
木制叶片（图中的a与b）常用于微、小型风力发电机上；而中、大型风力发电机的叶片常从图中的（c）→（f）选用。
用铝合金挤压成型的叶片（图中之e），基于容易制造角度考虑，从叶根到叶尖一般是制成等弦长的。
叶片的材质在不断的改进中。
1 机头座与回转体风力发电机塔架上端的部件——风轮、传动装置、对风装置、调速装置、发电机等组成了机头，机头与塔架的联结部件是机头座与回转体（参阅后面的图3-3-24）。
（1）机头座它用来支撑塔架上方的所有装置及附属部件，它牢固如否将直接关系到风力机的安危与寿命。
第二章-风力机的基本理论及工作原理
4）风杯式阻力差风力机 两个半球面杯对称安装在转轴两 侧，球面方向相反。一个凸面向 风，另一个凹面向风，显然在相 同风力下后者对风的阻力比前者 大。
叶轮由两片垂直的叶片阻成，叶片 截面为流线型的对称翼型，以相反方 向安装在转轴两侧。
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达里厄风力机在低风速下运转困难， 要在较高的风力下，风轮转速达到 叶尖速比为3.5以上才可能正常运 转，在尖速比为4-6可获较高的功 率输出。下图为达里厄风力机的功 率系数与叶尖速比的关系曲线。
达里厄风力机对叶片截面 形状（翼型）选择与外表光洁 度要求比较高。达里厄风力机 不能单靠风力自起动，必须依 靠外力起动使叶尖速比达到 3.5以上时才能依靠升力运转。 典型的达里厄风力机翼片不是 直的，而是弯成弧形，两翼片 合成一个φ形。
关系到叶片的攻角，是分析
风力机性能的重要参数。
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实度比
▪ 风力机叶片的总面积与风通过风轮的面积（风轮扫掠面积） 之比称为实度比（容积比），是风力机的一个参考数据。
▪ 左图为水平轴风力机叶轮，S为每个叶片对风的投影面积， B为叶片个数，R为风轮半径，σ为实度比，
▪ σ=BS/πR2
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▪ 右图为升力型垂直轴风力机叶轮，C为叶片弦长， B为叶片个数，R为风轮半径，L为叶片长度，σ 为实度比。垂直轴风力机叶轮的扫掠面积为直径 与叶片长度的乘积，
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风轮的轮毂比(Dh/D)：风轮轮毂直径Dh
与风轮直径之比。
U(1-a)
风力机结构概述
风力机结构概述风力机是把风的动能转换成机械能的机械设备。
风力机通常由风轮、对风装置、调速限速机构、传动装置、做功装置、储能装置、塔架及附属部件组成。
风轮是风力机最重要的部件，它是风力机区别于其他动力机的主要标志。
其作用是捕捉和吸收风能，并将风能转变成机械能，由风轮轴将能量送给传动装置。
风轮一般由叶片和轮毂组成，一般有2～3个叶片，是捕获风能的关键设备。
一、叶片叶片也称为桨叶，是将风能转换为动能的部件，风力带动风车叶片旋转，再通过齿轮箱将旋转的速度提升，来促使发电机发电。
风力发电机通常有2片或3片叶片，叶尖速度50～70m/s，具有这样的叶尖速度，3叶片叶轮通常能够提供最佳效率，然而2叶片叶轮仅降低2%～3%的效率。
对于外形很均匀的叶片，叶片少的叶轮转速快些，这样会导致叶尖噪声和腐蚀等问题。
3叶片叶轮上的受力更平衡，轮毂可以简单些。
叶片的翼型设计、结构型式会直接影响机组的性能和功率。
风力机叶片的剖面形状称为风力机翼型，它对风力机性能有很大的影响。
目前风力机叶片有NACA44系列、NACA63-2系列、NRELS系列、FFA W系列和DU系列等。
叶片材料的强度和刚度是决定风力发电机组性能优劣的关键。
目前的叶片品种有木制叶片及布蒙皮叶片、钢梁玻璃纤维蒙皮叶片、铝合金等弦长挤压成型叶片、玻璃钢复合叶片和碳纤维复合叶片等5种，目前的主要构成材料是玻璃纤维增强聚酯或碳纤维增强聚酯，为多格的梁/壳体结构。
大型叶片主要采用的是玻璃钢复合材料，这种材料制作的叶片具有以下特点：（1）可根据风力机叶片的受力特点设计强度与刚度。
风力机叶片主要是纵向受力，即气动弯曲力和离心力，气动弯曲载荷比离心力大得多，由剪切与扭转产生的剪应力不大。
利用纤维受力为主的受力理论，可把主要纤维安排在叶片的纵向，这样就可把叶片设计得比铝叶片更轻，减轻叶片的重量，重量的减轻反过来可降低叶片的离心力及重力引起的交变载荷。
（2）容易成型，易于达到最大气动效率的翼型。
第二章 风力机的基本理论及工作原理
第二章风力机的基本理论及工作原理2.1风力机基本理论 (1)2.1.1动量理论 (2)2.1.2叶素理论 (4)2.1.3动量-叶素理论 (5)2.2风力机空气动力设计 (7)2.2.1风轮几何参数 (7)2.2.2风力机空气动力设计参数 (8)2.2.3风力机翼型的阻力和升力 (8)2.2.4风力机气动外形设计 (14)2.3风力机性能 (14)2.3.1 风力机性能参数 (14)2.3.2 风力机叶片三维效应 (17)2.4风力机载荷 (17)2.4.1重力载荷 (17)2.4.2惯性载荷 (18)2.4.3气动载荷 (19)2.5垂直轴风力机 (19)2.5.1垂直轴风力机的分类 (19)2.5.2垂直轴风力机的主要特点 (20)2.5.3达里厄型垂直轴风力机 (20)2.5.4 S型垂直轴风力机 (24)2.5.5 其他垂直轴风力机 (27)2.5.6 直驱式垂直轴风力发电机 (29)2.6风电场中的空气动力问题 (33)2.6.1 风电场选址 (33)2.6.2 风力机尾流效应 (34)2.6.3 风力机布置 (34)2.6.4 风电场设计软件 (34)2.6.5 风能预测 (34)2.1风力机基本理论风力机是一种从风中吸取动能的装置。
通过动能的转移，风速会下降，但是只有那些通过风轮圆盘的空气才会受到影响。
假设将受影响的空气从哪些没有经过风轮圆盘、没有减速的空气分离出来，那么就可以画出一个包含受到影响的空气团的边界面，该边界面分别向上游和下游延伸，从而形成一个截面为圆形的长的气管流。
如果没有空气横穿界面，那么对于所有的沿气管流流向位置的空气质量流量都相等。
但是因为流管内的空气减速，而没有被压缩，所以流管的横截面积就要膨胀以适应减速的空气。
如图2.1所示。
图2.1 风力机吸收能量的流管能量虽然动能是从气流中吸取，但速度突变是不可能的，也是人们不希望发生的，由于巨大的加速度产生强大的作用力，这种速度突变又是需要的。
第二章双馈风力发电机的原理及设计
2.3 双馈异步发电机运行特点
在变速恒频发电中得到广泛应用的交流 励磁双馈发电机，具有定、转子双套绕 组，可以从定、转子两侧回馈能量，兼 有同步发电机和异步发电机的特点.交流 励磁双馈发电机定子三相绕组接入电网， 转子绕组也采用多相平衡绕组（一般为 三相），经交-直-交变频器通入幅值、频 率和相位可调的三相低频励磁电流，变 频器一般经变压器接至电网。
科技质量部根据公司实际情况规划制定项目计划 制造分公司下工作令（根据销售分公司与客户签 订合同的内容如交货时间、数量等下达）
设计部门前期准备，定方案、 结构形式、槽形等并预提设计
工艺部根据设计部预提的方 案设计模具
制造分公司根据设计部预提方案 采购主轴锻件等大型部件的材料
设计部设计，完成设计图纸，包括产品图、文件、包装设计要求等 图纸入库 晒图发图 各车间生产 设计部门负责生产服务 设计部等其他部门根据问题 所在解决问题 营销服务处
二 双馈风力发电机原理及设计
东方电气（乐山）新能源设备有限公司 技术处 蔡梅园
二 双馈风力发电机概况及设计
主ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ内容：
1.风力发电机组的分类及结构 2.双馈风力发电机原理 3.我公司1.5MW双馈风力发电机 4.双馈风力发电机设计
1.风力发电机组的分类及结构
1.1 风力发电机机组的分类
1.1.1从结构上分类。 风力发电机组从结构上可分为两类。 其一是水平轴风力机，叶片安装在水平轴 上，叶片接受风能转动去驱动所要驱动的机械。 水平轴风力机分多叶片低速风力机和1～3个叶 片的高速风力机。如图1。
2.3 双馈异步发电机运行特点
双馈异步发电机的结构与绕线式异步电动机 完全相同，定转子都具有三相对称绕组。但在 运行上具有以下两个特点： 1）、双励磁 定子绕组与电网相联，接受电网励磁使电 机运行在异步状态。转子绕组与变频器相联， 接受由变频器提供的交流励磁，使电机运行在 同步状态。 2）、双反馈 电机将轴上输入的机械功率（风电次机械 功率有风机产生）通过异步及同步两种作用转 换成电能，分别从定子和转子反馈到电网上：
风力发电机组的结构及组成
3.1 风力发电机组概述
风力发电机组是将 风能转化为电能的
装置
按其容量划分
按其主轴与地面 的相对位置
小型（10KW以下)
中型（10~100KW)
大型（100KW以上）
）
水平轴风力发电机组 （主轴与地面平行）
垂直轴风力发电机组 （主轴与地面垂直）
小型及大型风力发电机组
水平轴及垂直轴风力发电机组
3.2 水平轴风力发电机组的结构
径向
力
受力
力
形式
弯矩
转矩
风机每经历一次起动和停机，主轴所受的各种 力，都将经历一次循环
因此会产生循环疲劳
主轴有较高的综合机械性
3.3 齿轮箱
齿轮箱是风力发电机组关键零部件之一。由于 风力机工作在低转速下，而发电机工作在高转速下， 为了实现风力机和发电机的匹配，采用增速齿轮箱。
齿轮箱的分类
按传统类型 按传动的级数
塔架的功能是支撑位于空中的风力发电系统塔架与基础相连接承受风力发电系统运行引起的各种载荷同时传递这些载荷到基础使整个风力发电机组能稳定可靠地运行
第三讲 风力发电机组的结构及组成
3.1 风力发电机组概述 3.2 水平轴风力发电机组结构组成 3.3 齿轮箱 3.4 调速装置 3.5 发电机 3.6 塔架 3.7 控制系统及附属部件
3.2.1.1 叶片及叶片材料
叶片是风力机的关键部件，其良好的设计、可靠的质 量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素
叶片材料经历了木制叶片
布蒙皮叶片 钢梁玻璃纤维蒙皮叶片
铝合金叶片 复合材料叶片 新型复合材料叶片。
3.2.1.1 叶片发展趋势
风力机风轮叶片向大功率、长叶片方向发展
风力机风轮叶片不断的更新设计，以有好的气动性能
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（3）NACA XXXX-YY或NACA XXXXX-YY X为未修改的NACA四、五位数字翼型的表达式；第 一个Y表示前缘半径的大小，第二个Y表示最大厚度 相对位置的10倍数值。
（4） NACA 653-218 6表示六系列；5表示厚度分布使零升力下的最小压力 位置的0.5位置处；3表示有利升力系数范围为±0.3； 2表示设计升力系数为0.2；18表示相对厚度为18%。
威海风电场图
2.3、翼型介绍
翼型空气动力特性的好坏直接影响风力机的性能， 翼型的形状也影响叶片的主体结构形式。 设计原则：使单位叶素有最大的功率利用系数。
但风力机的工作条件和飞机有较大的区别： 一方面风力机叶片工作时，其攻角变化范围大； 另一方面风力机叶片设计要考虑低雷诺数的影响， 风力机和飞机工作的雷诺数范围有所不同，其影响将
国家特许权示范项目——江苏龙源如东100.5兆瓦风力发 电量超过1亿千瓦时。 位于南黄海之滨的如东县环港外滩耸立起风电机组， 实现了江苏作为经济大省风电“零的突破”。记者获悉,如 东风电特许权二期后续49.5兆瓦项目正在小洋口港全面铺 开，全部33台风电机组计划于年底建成发电。同时，100.5 兆瓦项目也将于年底实现吊装33台风电机组的目标。届时， 南通黄海之滨将成为全国乃至亚洲最大、最先进的风电场， 年发电量将达到6亿千瓦时。
南澳风电场图
2、达坂城风力发电一场
• 达坂城风力发电一场位于兰新铁路及乌喀公路一 侧，达坂城谷地，年平均风速8.1m/s。 • 新疆水利厅1986年成立新疆风能公司、新疆风能 研究所、新疆新风科工贸有限责任公司“三位一 体”的高科技实体。 • 1989年建成了当时亚洲最大的大型风力发电场， 并成功地高质量运行管理至今，新疆金风科贸公 司现装机42台，总容量18.4MW。
2、SERI翼型系列： （ 1）FFA-W1翼型系列 （2）FFA-W2翼型系列 3、FFA -W翼型系列： （ 3）FFA-W3翼型系列 4、NREL翼型系列 5、DU翼型系列
1、NACA翼型系列：
（ 2）NACA五位数字翼型 1、NACA翼型系列： （ 3）NACA四、五位数字翼型 （ 4）NACA六位数字翼型
第2章 风力机的类型与结构
风力机——将风能转换为机械能
2.1、风力发电机的分类：
1、按风轮轴与地面的相对位置，可分为水平轴式和垂直轴式。 2、按风轮相对于塔架的位置，分为上风式和下风式；
3、按叶片数量，分为单叶片、双叶片、三叶片、四叶片和多叶片式。
4、从叶片型式上分，有螺旋桨式、H型、S型等； 5、按叶片的工作原理分，则有升力型和阻力型的区别。
风力发电机结构原理图
我上到风机上了
风力发电机的一扇叶片
发电机的风扇叶被人们组装在一起
吊车正在组装发电机机身
发电机叶片即将装在高大的机身上
工人们陆续安装好其它海上风力发电机
1、广东省南澳风电场
• 南澳地处台湾海峡西南端喇叭口，风力资源丰富，风电 场年平均风速达8.54米/秒，年有效风速时数超过7000小 时，有效风能密度达1011瓦/平方米，风况属世界最佳之 列，是我国少有的可以大规模开发风力发电场的地域之 一。 • 已安装风力机132台, 总装机容量达57MW,年发电量达1.1亿 千瓦时,成为亚洲海岛最大的风力发电场.
大阪城风电场图
3、辉腾锡勒风电场
• 辉腾锡勒风电场是1995年成立的风电企业。 场址位于内蒙中旗，海拔2010～2131m，风 速7.4～8.2m/s。规划容量1200MW，年发电 量33亿千瓦时。 • 现装机72台，总容量42.7MW。 • 股东：龙源电力集团公司(50%)
辉腾锡勒风电场图
4、南通将建成亚洲最大风电场
2、SERI翼型系列：
这的粗糙度敏感也较低。对于直径为 10-30m风轮的叶片设计了SERI S805 A翼型，应用该 翼型系列时主要用于年平均风速在10m高度处为4.56.2之间的风场。
3、FFA-W翼型系列： （ 2）FFA-W2翼型系列 （ 3）FFA-W3翼型系列
就也不完全一样，
设计实践表明，使用航空翼型虽然可以得到很高的升阻比 ，但是在低雷诺数环境下，航空翼型易于发生泡式分离，从 而使升阻比特性恶化。 另外，航空翼型对表面粗糙度比较敏感，在翼型几何形状 由于灰尘、结冰等原因发生变化时，翼型的气动特性往往也 会迅速恶化，从而不适于直接作为风力机叶片翼型使用。 因此，选择翼型常根据以下原则：对低速风轮，由于叶片 数较多，不需要特殊的翼型升阻比；对于高速风轮，叶片数 较少，应选择在很宽的风速范围内具有较高的升阻比和平稳 失速特性的翼型，对粗糙度不敏感，以便获得较高的功率系 数；另外要求翼型的气动噪声低。
6、以风力机的容量分，则有微型(1kW以下)、小型(1—10kW)、中型
(10—100kW)和大型(100kw以上)机。（风力机所标示的功率，通 常为12m/s风速下运转的功率，或称之额定功率）
水平轴风力机
2.2、风力发电机的结构
1、风轮：捕捉和吸收风能并将其转化为机械能 （ 1）调速（限速）机构 2、控制系统： （ 2）调向机构：尾舵、舵轮等 3、传动装置：齿轮、皮带、曲柄连杆等 4、作功装置：发电机、水泵、粉碎机、铡草机 5、蓄能装置：蓄电池、蓄水罐 6、塔架：支撑到高空
（1）NACA XYZZ
（ 1）NACA四位数字翼型
X表示翼型最大相对弯度的百倍数值； Y表示最大弯度相对位 置的 10 倍数值； ZZ 表示最大相对厚度的百倍数值。 NACA 2412表示翼型的相对弯度为 2%，最大弯度在弦长的 0.4位置处， 相对厚度为12%
（2）NACA XYWZZ X表示翼型弯度，这个数乘以3/2就是设计升力系数的 10倍；Y表示最大弯度相对位置的20倍；W表示中弧 线后段的类型：直线取1，其他取0；ZZ表示最大相对 厚度的百倍数值。 NACA 23012表示设计升力系数为 2 ×(3/20)=0.3 ,最大弯度在30/20=1.5，中弧线后段为 直线，相对厚度为12%
（ 1）FFA-W1翼型系列
4、NREL翼型系列
该翼型由美国国家可再生能源实验室所研制，主要应 用与大中型叶片，有3个薄翼型族和3个厚翼型族。这 些翼型能有效减小由于昆虫残骸和灰尘积累使桨叶表 面粗糙度增加而造成的风轮性能下降，并且能增加能 量最大输出和改善功率控制。
5、DU翼型系列