研究与试验
小型风力发电机叶片设计风速的选择
冯国英
刘志璋
内蒙古工业大学能源与动力工程学院
［摘要］根据内蒙古某地区２００４年月平均风速数据选定设计风速，根据ＨＹ－１５００发电机的
输出功率特性，利用Ｗｉｌｌｓｏｎ气动模型设计了１５００Ｗ风力发电机叶片。计算表明，该风力发电机在低风速段具有较高的风能利用系数，风速较高时又具有较低的风能利用系数，具有重要的实际应用价值。
［关键词］风力发电机叶片设计
的效率密切相关。一般来说，风力发电机运行在设计风速下具有最大风能利用系数。目前国内使用的风力发电机的设计风速即为额定风速，多为８ｍ／ｓ或者１０ｍ／ｓ，而我国内陆地区的风速一般都很少能达到８ｍ／ｓ，这样就使风力发电机常常在风能利用系数较小的状态下工作。
本文设计风速的选取是以产品使用地区风资源数据为基础的。表１为内蒙古某地区气象站观测的２００４年风速数据，根据当地的风资源数据，５￣６ｍ／ｓ范围内的风速频率较高，为了使风力发电机在风频较高的风速段具有最大的风能利用系数，这里选取６ｍ／ｓ为设计风速。
自２０世纪８０年代开始，我国为了解决边远缺电地区的用电问题，已累计推广小型风力发电机组１９万台。但这些风电机组产品大多数存在着如下缺点，即设计风速较大，实际运行中风能利用系数低。为此，本文提出了一种新的设计思路，即以使用产品地区出现频率较高的风速作为叶片设计风速，并利用该方法设计了设计风速为６ｍ／ｓ、额定风速为１２ｍ／ｓ和额定功率为１５００Ｗ的风力发电机，计算了其理论输出功率。
１设计风速的确定
设计风速是风力发电机叶片气动外形设计
的一个重要参数，与风力发电机在各种风速下
表１
内蒙古某地区气象站观测２００４年月平均风速
２风轮气动外形的计算２．１风轮直径的确定
风轮直径可由下列公式进行估算：
２
１ＤＰ＝Ｃｐ!\"（４）Ｖ３#１#２２（１）
Ｄ＝
!４Ｐ１!\"Ｖ３Ｃ##
Ｐ１２
２＝
!４×１５００≈３（ｍ）２．８５×１０３×０．２７×０．８１
・２８・农村牧区机械化２００７年第２期（总第７１期）研究与试验
表２叶片气动外形参数
图１发电机功率—转速关系曲线
功率特性如图１所示。从图上可以看出，设计风速
式中Ｐ－－风力发电机输出功率，Ｗ；
Ｖ－－风力发电机设计风速，ｍ／ｓ；Ｄ－－风轮直径，ｍ；
因为设计风速为６ｍ／ｓ，风速为１２ｍ／ｓ时对应的风能利用系数必定不是最佳的，所以风能利用系数在此暂取为０．２７。
本设计中选取６ｍ／ｓ为设计风速，此风速对应的风率为：
２
１Ｄ（）Ｖ３#１#２!\"Ｐ＝ＣＰ２４＝０．４×３．７１×６３×０．８１≈３００Ｗ
６ｍ／ｓ功率为３００Ｗ时对应的电机转速为３００ｒｐｍ，
所以：&０＝Ｒ%／Ｖ＝１．５×\"／（６０×３００×２×６）＝７．５２．３
叶片气动外形参数的计算
本设计中叶片数为３，翼型选择相对厚度较小、升阻比较大的ＮＡＣＡ４４１２。将叶片等分为十等分，采用Ｗｉｌｓｏｎ气动模型计算叶片各剖面的弦长Ｃ，安装角Ｏ，结果如表２所示。
３风力发电机的输出功率的计算
风力发电机的输出功率，即风轮在各种转
速下所发出的功率。将叶片的气动外形参数代入Ｗｉｌｌｓｏｎ气动模型可以得到风轮在各种运行状态时的干涉因子ａ、ｂ和稍部损失系数Ｆ，依据动量定理和动量矩定理，风力发电机输出功率
（２）
Ｒ为：Ｐ＝∫４\"ＰＶ１%２（１－ａ）ｂＦｒ３ｄｒ００．８１×
２．２设计尖速比$０的确定尖速比的计算公式为：
$０＝%Ｒ
Ｖ式中：%－－风轮旋转角速度；
Ｖ－－设计风速。
式中的０．８１为机电效率。所得到的关系曲线见图２。
小型风力发电机一般没有变速箱，其中%又是电动机转速。选用ＨＹ－１５００发电机，其输出
４结果分析
由图２可以看出，风速为６ｍ／ｓ时风力发电
机工作在最大效率点，具有最大风能利用系数，风速为１２ｍ／ｓ时风力发电机输出功率在１５００Ｗ附近。这样就满足了设计要求即在低风速段具有较高的风能利用系数，高风速段风能利用系数较低，风轮失速明显，功率输出。
５结论
本文的设计风速与额定风速为两种不同的
风速，根据当地的风资源情况，选用出现频率较高的风速为设计风速，这样就使风力发电机在低风速段具有较高的风能利用系数，年发电量增加。而在高风速段风能利用系数较低，风轮失
图２风力发电机的输出功率－转速关系曲线
速明显，起到了一定的功率的作用。
・２９・农村牧区机械化２００４（（总第农村牧区机械化年第１期总第５７期）２００７年第２期７１期
