为什么在风力涡轮机上只有一组叶片？

我们都熟悉标志性的三叶片风力发电机，无论是在荷兰郁金香盛开的背景下，在草原上波涛汹涌的粮田上缓慢旋转，还是在北海喷洒盐水。但是为什么它们有一套刀片，为什么刀片在桅杆前面呢？

让我们一次处理这些问题。

首先，让我们看一下堆叠模型。左图是标准的三叶片水平轴风力发电机，具有80米的桅杆和50米的叶片。灰色圆圈代表扫描区域。右边的图像是具有相同高度的门架且不重叠20米刀片的堆叠模型。灰色的小圆圈是扫描区域，而大的圆圈与左侧图像中的圆圈大小完全相同。

将两组刀片放在同一高度的桅杆上有一个非常明显的问题，应该仅从图中即可看出，而另一个则不太明显。

风的能量是两个因素的函数：扫掠面积和风速。扫描面积通过pi * r ^ 2计算。来自风的能量是贝兹极限的最大值，为可用能量的59.3％，可用能量根据风速的立方计算得出（P = 1⁄2 *ρ* A * v ^ 3，其中ρ=密度，A =面积，v =速度）。

带有50米叶片的左轮机的扫掠面积约为7,850平方米。假设右侧涡轮上的20米叶片在叶片尖端之间留出一点间距，并将下部叶片组推得更低一些，我们看到的扫掠面积约为2,510平方米，约占第一扫掠面积的32％。

因此，仅将两组不重叠的叶片堆叠在风力涡轮机上，将导致大约68％的潜在收获能量损失。如果我们重叠30米的叶片，我们只会看到较简单涡轮机约75％的扫掠面积，而没有一些其他问题，稍后将进行讨论。

不太明显的因素与能量有关，它是风速的三次方，因为层流从地面，树木等处拖曳而使风速离地面进一步增加。这种简单的视觉效果让人感觉到，但是该公式称为风能分布定律，其计算公式为：

将其变成表格可以粗略估算出各种海拔高度的风速。

我们可以看到，风速随着高度的增加而相对缓慢地增加，但是功率密度却随着速度的立方增加而迅速增加。

回到涡轮机图，我们可以很容易地看到单个涡轮机模型的更多扫掠面积将在更强的空气中，我们可以粗略地计算出这将意味着什么。在速度变化的情况下，我们看到，与标准涡轮机相比，我们将从堆叠式涡轮机中获得约29％的能量，比仅建议的扫掠面积差异少约10％。

至于转子在桅杆前面，而在桅杆后面没有多余的转子，这是一个不同的问题，但是有关系。

关系的第一部分是它们之间的距离太近，以至于实际上它们仍然受到Betz法则的限制，因此它们只能达到59.3％的最大效率，而不是直观上的两倍。

第二点是，在这种情况下，唤醒效应非常普遍。由于来自上风的涡轮叶片的涡流，下风的叶片在更多湍流的空气中飞行。由于涡轮机叶片是机翼，可以从空气动力学中获得重要的能量矢量，而不仅仅是风向叶片上的压力，因此这严重影响了顺风叶片的空气动力学效率。通常，在这种情况下，机翼的气蚀和失速是经常发生的现象，这导致发电量大大减少，但也大大增加了设备上的应力和应变。反过来，这导致在强度上进行更大的工程设计并以某种组合增加了维护，这使其在经济上相当不迅速。

顺风叶片还大大增加了风力涡轮机的噪音，特别是叶片失速引起的低频ump击。试图制造自稳定式涡轮机，其转子从桅杆顺风旋转，以避免必须使用辅助动力将涡轮机偏航。穿过桅杆后面的转子会导致定期失速，并且低频low击声会传播很长的距离，对附近的居民造成极大的刺激。

降低空气湍流效率，增加维护问题和增加噪音的这种结合是为什么将两组叶片彼此重叠放置的另一种原因不是一个好主意。它只是增加了问题而没有增加发电量，而这种相互作用很可能会进一步降低30米示例的实际发电量。

现代的公用事业规模的风力涡轮机实际上是局限性和妥协性的奇迹。它们具有看似简单的设计，对实现其目标非常有效。他们没有不必要的部分。而且它们运行良好且价格便宜。