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叶片个数对风力发电机的发电效率的影响
摘要：为什么现在风力发电机多为“一根杆子三根针”的结构。

关键字：一根杆子三根针 ,风能，风力发电机，叶片
引言：叶片式现代升力型风力机最核心的部件，设计优良的叶片是使风力发电机获得最大风能利用系数和良好经济效益的基础。

大型风力电机机组的风机叶片设计与制造是风电行业关键技术之一。

现如今几乎所有的风力发电机都采用3个叶片，也就是“一根杆子三根针”的结构，可是这是为什么呢？为什么是3个而不是更多的叶片呢？到底叶片个数对风能机的发电效率有着怎样的影响，即是本篇论文所要讨论与研究的内容。

风力发电机就是是将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。

广义地说，它是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机。

风力发电利用的是自然能源。

相对柴油发电要好的多。

但是若应急来用的话，还是不如柴油发电机。

风力发电可视为备用电源，但是却可以长期利用。

风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。

依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。

风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。

风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；我国也在西部地区大力提倡。

小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统：风力发电机+充电器+数字逆变器。

风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。

每一部分都很重要，各部分功能为：叶片用来接受风
力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。

风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。

然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。

（下图即为我们常见的风车图片）
上图是我们常见的风力发电机外观图，它有三个叶片，三个叶片与轮毂构成风轮，风轮转轴带动机舱内的发电机，由于风轮的转轴
是水平的，故称为水平轴风力发电机。

我们看到绝大多数风力发电机是三个叶片，这是为什么？
由于目前市面上比较主流的用法为三片式叶片，且根据收集的资料显示，三片式叶片在产生动力上相当顺畅，且旋转的力量也能达到平衡。

所以我们大胆预测：三叶片的发电功率最大，其次为五片式>四片式>二片式>一片式。

气流的流动让风力叶片升起，使转轴每分钟可旋转15~60圈。

传动装置让高速转轴每分钟旋转1200~1800圈，发电机就会产生交流电。

由于风速会改变，因此需要控制器内的电力整合电路，才能产生稳定的输出。

偏摇传动装置让旋转翼保持正对着风。

在紧急状况或进行维修时，可以利用刹车来停止转翼。

马达，齿输和轴承会让叶片以最佳的角度对着风，使升力达到最大，或者在风力太强时将叶片转开。

影响风车传动的变因很多，像风车叶片的角度，叶片的数目，叶片直径，叶片形状等。

现在，我们要讨论当叶片面积相同时，叶片数目对发电机功率的影响。

实验以排风机作为风源，吹动装有实验用风扇叶片的直流发电机，根据其电表电流值，测得各叶片的电功率。

一．实验变因
根据这次实验，可以分析出影响实验的变因操作变因为风力机上所装的叶片数目，有一片式至五片式。

而实验发现，一片式叶片的叶片会出现不平衡问题二找寻配重的材料，一片式叶片的配重材料为螺系和螺帽。

控制变因为无风及任何环境因子皆相同的情况下排风机吹
出风的大小，单片叶片的面积，叶片的材料，叶片与排风机的距离，马达与地面的距离。

应变变因为五组风力机的发出的电压值（V）及电流值（I）相乘所得到的电功率（P）。

二．材料
三．实验步骤
（一）叶片制作
1.依序画出一片至五片式叶片的草图，其中大长方形区域为4*10；
小长方形区域为2*1.（单位：公分）
2.依序画出一片式叶扇的叶片到五片式叶扇的叶片，如图一
图一：四片式叶片
3.将在白纸上画的风扇圆以双面胶贴至铝片上，如图二，用大剪刀
剪下大概形状后，在一一修改剪齐。

图二：一片式以胶带贴在铝片上
4.将齿输上的螺系空描至中间圆上，用电钻钻孔后，用砂纸磨边缘，
稍微修饰，如图三。

图三：从铝片上剪下五组叶片
5.用板子将叶片压平使每片皆在同一平面后，扭转出20度攻角，锁
上齿输即可测量，如图四。

图四：以量角器扭转出攻角
（二）测量
1.将叶片锁上直流发电机，如图五。

2.没30秒记录一次毫安培计和伏特计的值，持续五分钟后即有
10组数据的数值并以电流（mA）乘上电压（V）算出电功率，将其平均，并比较一到五组的电功率（电功率大者则发电功率
比较好）。

如图六
图六：豪安培计和伏特计
（三）实验结果
我们的实验是排风机平均风速为40.4m/s,叶片与排风机的距离为3m,马达与地面的距离为1.6m下进行的。

我们的实验结果如表一所示。

表一：实验数据
从表一可以发现：俩片式叶片所测量出来的值很不稳定，因为在实验过程中，叶片在直流发电机上一直不规律的晃动，进而影响到其受风面积，所以测出的数据值显示出二片式叶片的稳定性不足。

而三叶式~五夜式叶片的影响因素为总受风面积，总受风面积越大则测出的值越大。

从上图可知，发电功率以五片数最大，经过讨论后发现，其原因来自于总受风面积，总受风米阿尼越多则受风力越大，所产生的电压，电流越大，而发电功率也就越大。

由图发现俩片式叶片与三片式叶片的发电功率之所以相差这么多，是因为不平衡问题。

在实验中，发现俩片式在转动的同时，晃动程度比三叶式叶片的大上许多，也是因为这个原因为使受风总面积不稳定，进而影响到所测得的值。

由本实验可知，当单片叶片面积固定时，叶片数目越多的风扇，因其总受风面积越多，使其发电功率越大。

发电功率依次为：五片式>四片式>三片式>二片式>一片式。

有实验可知，五片式叶片的发电功率最好，可现在生活中为什么我们见到的大部分都是3叶式的呢？
我们通过下图来做简单的解释：图上部分是风通过普通三叶片的气流示意图，气流通过叶轮做功后速度减慢，由于速度变慢气流体积
有所增大，就有图中所示的气体发散的流动曲线。

多叶片大大增加了气体通过的阻力，气流会分开绕过叶轮流向后方，只有部分气流通过叶轮做功，由于阻力大，通过叶片的风速也会降低得较多，所以叶轮实际得到的风功率减少了，这就是多叶片风力机得不到更多风能的重要原因。

三叶片与多叶片的气流示意图
选取多少叶片合适，国内外做了大量实验，图5是从单叶片到五
叶片水平轴风力机的风能利用系数曲线图。

横坐标是叶尖速比，叶尖速比是风轮叶片尖端线速度与进风轮前的风速之比；纵坐标是风能利用系数，风能利用系数是风力机获得的功率与通过风力机叶片扫掠面积的风功率的比值。

图五
从风能利用系数曲线图中看到5叶片到3叶片都有较高的最大风能利用系数，但5叶片与4叶片叶在最大风能利用系数时尖速比范围较小（即可用风速范围较小）。

由于风力发电机希望转速高，在较宽的风速范围都能获得高的风能利用系数，也就是要能在较宽的叶尖速比范围工作，而且以合适的高转速运转，所以二、三、四叶片是风力发电机常用的选择，用得最多的是三叶片，这也就是“一根杆子三根针”的结构。

当然选择三个叶片还有风力机结构强度、制造成本、噪音、外观等原因。

多叶片风轮的实度大，风能利用率相对低一些，在图六中左侧示意多叶片风轮的风能利用系数曲线，它的叶尖速比范围也小（不超过2）。

但多叶片风轮也有优点，同样直径的风轮比少叶片风轮输出力矩大得多，而且低风速起动能力很强，所以在农村抽水、碾磨中用得较多。

在风速稳定的地区特别是低风速地区，根据不同用途，采用4至8个叶片的风力机有可能获得较好的风能利用效果。

图六
所以由以上分析可知，综合风力机结构强度、制造成本、噪音、外观等原因，我们一般情况下选择三叶片式的结构，及“一根杆子三根针”的结构。

而在风速稳定的地区特别是低风速地区，根据不同用途，最好采用4至8个叶片的风力机有可能获得较好的风能利用效果。

致谢
1、通过本次试验，让我了解了很多有关可再生能源的相关知识，尤其是对关风力发电机的相关知识，有了很深的了解。

在此，感谢孙传文等同学对我的帮助，也感谢各位在可再生能源领域有很深造诣的前辈老师，他们出版的书细心深刻的讲解了可再生能源的相关知识，尤其是：左然等老师出版的《可再生能源概论》，钱伯章《风能技术与应用》，郝毓灵吴新敏《新疆环境保护》等。

最后还要特别感谢左然老师，一学期来辛勤的讲解，悉心的指导。

2、/gb/technology/new_energy/web/a4_n18_nn123.h tml
3、http://www.vortex.es/
4、左然施明恒王希麟《可再生能源概论》
5、《中国能源》1999年09期
6、钱伯章《风能技术与应用》
7、郝毓灵吴新敏《新疆环境保护》 2001 第1期。