垂直軸阻力型風(fēng)力機(jī)的葉片在順風(fēng)與逆風(fēng)方向具有不同的形狀,就使得氣流作用在葉片的兩個不同面上的阻力不同,由此風(fēng)輪得以順利轉(zhuǎn)動,如圖所示。
而評估風(fēng)力機(jī)最重要的參數(shù)就是它的風(fēng)能利用系數(shù),即風(fēng)力機(jī)自身捕獲風(fēng)能的能力。風(fēng)能利用系數(shù)具體定義為風(fēng)力機(jī)從風(fēng)中獲取的能量與風(fēng)能的比率,一般用Cp來表示,其定義為:
Cp=P/0.5pAV3
式中P代表風(fēng)力機(jī)所產(chǎn)生的軸功率,單位是W;
p-空氣密度,單位是Kg/m3;
A-風(fēng)輪的迎風(fēng)面積,單位是m2;
V-風(fēng)速,單位是m/s。
根據(jù)貝茨理論,風(fēng)經(jīng)過葉片的理論的貝茨極限不超過59.3%。經(jīng)過貝茨理論計算出來風(fēng)能利用效率Cp與葉尖速比\是一個理想的極限關(guān)系。葉尖速比是指風(fēng)輪外徑切向速度與上游風(fēng)速之比,用X表示::^ = coR/V。(o為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度,R為風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)半徑,V為風(fēng)輪的上游風(fēng)速。不同的葉片形狀雖具有不同的關(guān)系,但是無論如何都存在一個最佳的葉尖速比,使得風(fēng)能利用效率最大[52'53]。并且對于任何一種風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)Cp都與葉尖速比?t成拋物線關(guān)系。
對于形狀確定的風(fēng)輪,風(fēng)能利用率是葉尖速比的函數(shù)。水平軸風(fēng)力機(jī)葉片在旋轉(zhuǎn)過程中如果不變槳的話葉片的攻角是一個定值,而垂直軸風(fēng)力機(jī)的葉片攻角是隨時變化的,氣動特性較為復(fù)雜[54]。葉片攻角發(fā)生改變,相應(yīng)的葉尖速比也會隨之改變,風(fēng)能利用率也會發(fā)生變化。在圖3.1中,不考慮葉片的具體尺寸大小,葉片轉(zhuǎn)動的線速度為vi=R(o;風(fēng)作用于風(fēng)葉的凹面,順風(fēng)驅(qū)動的阻力為式中,Ci為葉片順風(fēng)凹面的阻力系數(shù),C2為葉片逆風(fēng)凸面的阻力系數(shù)。
葉片翼型的阻力系數(shù)C僅是雷諾數(shù)的函數(shù),這個結(jié)論對于所有在不可壓縮流中的物體都是成立的,但其中的函數(shù)關(guān)系并不是一個固定的模式,然而總體上來講,我們可以說C隨著雷諾數(shù)的增加而降低。雷諾數(shù)表示作用在單位體積流體上的慣性力的比率[58,59]。當(dāng)風(fēng)力機(jī)葉片形狀為半圓形時,Ci可達(dá)1.33,而C2的值僅為0.34;當(dāng)風(fēng)葉為半圓柱形時,Ci、C2的值分別為2.3和1.2。
以S為葉片面枳,則P(rv3/2為來風(fēng)的功率。假定Ci、C2為常數(shù),由(3-1)、(3-2)式可得風(fēng)力機(jī)的功率
上所述可以看出,在合適的轉(zhuǎn)速下,風(fēng)車才能提供最大的功率。我們只有選擇合適的負(fù)載與風(fēng)車相匹配,才能使系統(tǒng)的發(fā)熱效果達(dá)到最佳的狀態(tài)。
 

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