2.1 基本氣動參數(shù)

2.1.1 風(fēng)能利用率

風(fēng)力機從自然風(fēng)能中汲取的能量大小程度用風(fēng)能利用系數(shù)C_P來表示。其中，橫截面積為S的氣流中包含的動能為

式中 ρ——空氣密度，kg/m³，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下其數(shù)值常取為1.2255kg/m³；

S——旋轉(zhuǎn)葉片在垂直于風(fēng)向截面上的投影面積，m²；

v——風(fēng)速，m/s。

通常在整個投影面積上風(fēng)速的分布具有不均勻性，在實際的工作環(huán)境中需要考慮風(fēng)剪切的影響。

如果風(fēng)力機實際獲取的功率為P，那么風(fēng)能利用系數(shù)表示為

2.1.2 葉尖速比

為了表示風(fēng)力機風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)速度快慢，常采用葉片葉尖的圓周速度與風(fēng)速的比值λ來衡量。對于水平軸風(fēng)力機，葉尖圓周速度即為風(fēng)輪最大半徑處的圓周速度，對于垂直軸風(fēng)力機而言，葉尖的圓周速度即為葉片距離轉(zhuǎn)軸半徑最大處的速度，通常稱為赤道半徑的圓周速度。其計算公式為

式中 n——轉(zhuǎn)動頻率，Hz；

R——最大半徑或赤道半徑，m；

ω——風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度。

2.1.3 啟動力矩

垂直軸風(fēng)力機從靜止到轉(zhuǎn)動所需的最小力矩稱為啟動力矩。它是表征垂直軸風(fēng)力機啟動性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。

影響垂直軸風(fēng)力機啟動性能的因素很多，包括風(fēng)力機的結(jié)構(gòu)型式、風(fēng)輪半徑、翼型幾何形狀、葉片安裝角和葉片數(shù)等。為了比較不同結(jié)構(gòu)型式和幾何尺寸的垂直軸風(fēng)力機啟動性能，可將啟動力矩進行無量綱化處理得到啟動力矩系數(shù)。

2.1.4 運行風(fēng)速

風(fēng)力機在工作狀態(tài)下，其面臨的風(fēng)速分為三個階段，即啟動風(fēng)速、工作風(fēng)速和停機風(fēng)速。

（1）啟動風(fēng)速。風(fēng)力機啟動時，為了克服其內(nèi)部的摩擦阻力而需要一定力矩。這一最低力矩值稱為風(fēng)力機的啟動力矩。啟動力矩主要與風(fēng)力機本身的轉(zhuǎn)動機構(gòu)摩擦阻力有關(guān)。與啟動力矩對應(yīng)的風(fēng)速被稱為啟動風(fēng)速，只有當(dāng)風(fēng)速大于啟動風(fēng)速時，風(fēng)力機才能工作。

（2）工作風(fēng)速。啟動風(fēng)速和停機風(fēng)速之間的風(fēng)速叫做風(fēng)力機的工作風(fēng)速，在工作風(fēng)速區(qū)間，風(fēng)力機有功率輸出。當(dāng)風(fēng)力機的輸出功率達(dá)到額定功率時所對應(yīng)的工作風(fēng)速叫做該風(fēng)力機的額定風(fēng)速。

（3）停機風(fēng)速。當(dāng)風(fēng)速超過某一值時，基于安全考慮，風(fēng)力機必須停止運轉(zhuǎn)。這一臨界風(fēng)速被稱為停機風(fēng)速。停機風(fēng)速與風(fēng)力機的設(shè)計強度有關(guān)，每臺風(fēng)力機的銘牌上都應(yīng)該標(biāo)明。

2.1.5 葉片運動定義

圖2-1為Darrieus型垂直軸風(fēng)力機運動效果圖。圖中，將風(fēng)輪底部軸中心設(shè)為原點O，建立右手螺旋全局坐標(biāo)系OXYZ，其中，X軸與來流風(fēng)向一致，Z軸與風(fēng)輪高度方向一致。

圖2-1 Darrieus型垂直軸風(fēng)力機運動效果圖

取風(fēng)輪任意高度處作橫截面，得到圖2-1（b）所示截面運動效果圖。當(dāng)風(fēng)力機啟動并達(dá)到設(shè)計轉(zhuǎn)速后，風(fēng)輪將以恒定轉(zhuǎn)速做圓周運動，設(shè)定角速度為ω。葉片在圓周上的位置可通過方位角ψ來確定，即

葉片安裝位置點O₁在該坐標(biāo)系中任意時刻點可表示為

通過式 （2-5），可確定葉片在任意時刻的運動位置。