垂直风里发电机的前景与原理.doc

. 0. 引言随着风能发电市场的不断扩大, 加之现代风力发电技术的日臻完善以及由此产生的低成本化趋势, 相对于常规能源而言, 风力发电在一些地区已成为具有一定竞争力的新能源发电方式。甚至, 与其它新能源发电方式, 例如太阳能、生物质能( B iomassenergy)相比, 风力发电有着更具经济性, 更容易实现大规模商品化生产等诸多优势 1 。由于风力机将风能转变为机械能的主要部件是受风力作用而旋转的风轮, 因此风力机依风轮的结构及其在气流中的位置通常分为两大类: 一类是水平轴风力机( Hor izontal Ax is W ind Turbines,HAWT ) ; 另一类是垂直轴风力机( V ert ica l Ax isW ind Turb ines, VAWT) 2 。水平轴风力机是传统机型, 技术相对成熟, 生产批量大, 已经成为当今风力机的主流机型。但由于其启动风速高、工作噪音大、抗风能力差等先天性不足抑制了其进一步的开发, 于是人们把发展的目光逐渐移向了启动风速低, 气动噪音小, 受风性能更好的垂直轴风力机。1. 垂直轴风力机的分类垂直轴风车很早就被应用于人类的生活领域中, 中国最早利用风能的形式就是垂直轴风车。根据其叶片类型不同, 我们大致把垂直轴风力机分为! 450!以下五类:( 1)阻力差型风力机;( 2)屏障型风力机;( 3)已被逐渐淘汰的风力机(机械损失大, 效率低) ;( 4)具有周期变化迎角的固定叶片型风力机(升力型风力机) ;( 5)升阻互补型及其它类型风力机。1. 1. 阻力差型风力机这类风力机由于本身是中心对称的, 不需要调向装置, 结构也非常简单。最常见的阻力差型风力机就是风杯式风速表(如图1)。图1. 风杯式风速S型风轮( Savonius)也是阻力差型风力机中较经典的一种, 最初由芬兰工程师西吉尔特!萨冯尼斯( Sigurt Savon ius)于1924 年发明的, 1929年登记专利 3 。基本结构是由两个轴线错开的半圆柱型叶片组成(如图2)。图2. S型风力机结构示意图Lafond涡轮风力机, 最早由法国人蒙特佩利尔(Montpeu ier)发明, 靠气流穿过风轮轮心产生推力差, 从而使风轮转动(如图3)。1. 2. 屏障型风力机为了减小风力机叶片在逆风时所受的阻力, 有些研究者想出了在逆风叶片前放置可动屏障的办法 4 。当风向变化时, 为了保证屏障总在转子旋转逆风侧, 在屏障后部加装尾舵, 这样在任何风向下,叶片转子都会只朝着一个方向旋转(如图4)。图3. 涡轮式风力机图4. 屏障式风力机1. 3. 已被逐渐淘汰的风力机平板叶片型风力机, 通常分为具有中心环和采用垂直档杆两种 5 。该机构的优点是不需要调向机构, 缺点是每转一周叶片都要撞击档杆一次, 发出噪音而且容易碰坏, 另外叶片不断的转动也加快了磨损(如图5) , 现已被逐渐淘汰。图5. 平板叶片型风力机旋转叶片型风力机, 这种类型的风力机, 叶片转速为风轮转速的一半, 运动是由皮带滑轮或行星齿轮传动的, 系统的调向是由风标控制, 使叶片处于正确的迎风位置。由于机构复杂, 需要用大量的滑轮或齿轮及连杆, 因此机械损失很大, 现已被逐渐淘汰。1. 4. 具有周期变化迎角的固定叶片型风力机法国学者达里厄( Darrieus)发明了这种类型的风轮, 并于1931年获得专利权。风轮由固定连接的! 451!叶片组成, 绕垂直轴旋转, 由叶片旋转扫掠形成的外表面有很多种形状, 可以是. 型、.型、H 型(如图6)或抛物面型等 6 。加拿大国家研究院的研究者彼得!绍恩( Peter South)和雷!朗吉( R ajRang i)对薄弯曲叶片制成的双叶和三叶达里厄风轮进行了研究, 并由Dom in ing制铝公司( DAF)建造了第一台能够商用的双叶. 型垂直轴风力机 7 (如图7)。图6. 达里厄H 型风力机图7. 达里厄双叶型风力机1. 5. 升阻互补型及其它类型风力机塞内加尔型风力机, 由塞内加尔的研究者居恩.万( ngugenv inu)与乌迈尔( houm air) 合作研制。该风力机是由半圆弧柱和平板组成的三叶风轮形式 8 (如图8)。这种风力机的特性与S型类似, 但同等条件下使用较少的材料就可以发出和S型同样的功率。S型与达里厄型组合式风力机, 借助S型风力机启动力矩大的特点来弥补达里厄型风力机启动时需要外力的缺点, 使整机的启动性能增强, 但正常运行时的动力依然依靠达里厄风轮提供 9 (如图9)。此外, 这种升阻互补型的垂直轴风力机还有很多, 这里就不再一一赘述。2. 垂直轴风力机的发展优势2. 1. 垂直轴风力机的结构设计优势垂直轴风力机和水平轴风力机相比, 结构设计图8. 塞内加尔型风力机结构示意图图9. S型与达里厄型组合式风力机中的第一个优势就是良好的受风多向性 10 。垂直轴风力机能够借助导风板(又叫聚能- 遮蔽板)的帮助, 接受任意方向的风, 这样的特点即避免了调节风轮转向时的能量损失, 同时还能降低起动风速, 进一步提高风力机的输出功率; 而水平轴风力机所需的导向机构设计过程复杂, 价格昂贵, 还需要在运行过程中定期的维护。可见, 在风速不稳定、风向变化频繁的地方, 垂直轴风力机有着更强的适应性。结构设计中的第二个优势是恒定的受力特性优势。由于垂直轴风力机惯性力与重力的方向始终不变, 所受的是一恒定载荷, 因而叶片疲劳寿命相对长.; 而水平轴风力机叶片收到重力和惯性力的双重作用(重力方向不变, 惯性力方向随时变化) , 这样叶片所受的就是一个周期性交变载荷, 一方面对于叶片的疲劳强度非常不利, 另一方面也制约着水平轴风力机叶片尺寸的进一步增大。可见, 垂直轴风力机有着向兆瓦级大型风力机进一步发展的潜力。结构设计中的第三个优势是发电机安装位置的优势 11 。垂直轴风力机更容易实现直接驱动, 并允! 452!. #虽然垂直轴风力机的叶片也要受到由于向心加速度作用而产生的大弯矩效应, 但是这种作用会随着风轮的尺寸增加而降低. . % % K edare S. B. , Date A. W. Perform an ce ch aracteristics of a re.ciprocat ing w ind m ach ine. Journal ofW ind Eng ineering and IndustrialAerodynam ics, 1999, 22( 6 ) : 11- 18.许它的发电机安装在塔架的底部, 方便安装、控制和维护, 同时减轻了塔架的重量和结构负载; 而水平轴风力机的发电机通常都置于几十米的高空, 其带来的塔影效应不仅会影响风力机的动力学性能, 引起能量波动、增加噪音, 而且也给发电机的安装、维护和检修带来了诸多不便。可见, 垂直轴风力机在安装和维护成本上也远低于水平轴风力机。2. 2. 垂直轴风力机的空气动力学性能及风能利用率优势. . 风力机能量利用率理论最大值称为贝茨极限(Cp ) , 对于理想的风力机, 该值为59% 12 。对于水平轴风力机, Cp 值一般在40% 45% (由叶片设计方法计算所得) . ; 而垂直轴风力机的Cp 值很难找到合适的理论精确计算, 结合现有理论和实验数据,其值大体也在40% 左右& 。早在1987年, 著名学者Musgrove就指出广泛的实验和理论研究显示垂直轴风力机可以和当代最好的水平轴风力机相比. , 这意味着如果在垂直轴风力机上投入足够的时间和金钱, 它会具有比水平轴风力机更为广阔的发展空间。2. 3. 垂直轴风力机环境保护方面的优势根据现有的大型风电场的经验来看, 风力机对环境污染主要体现在两个方面 13 : 一是噪音问题,二是对当地生态环境的影响。风力机的噪音来源主要有两方面: 一是高速下叶片切割气流产生的气动噪音; 二是来自传动组件的机械噪音。气动噪音会随着叶尖速比的增大而增大, 而垂直轴风轮的叶尖速比一般为水平轴风轮的一半甚至更低, 在这样的低转速下基本不会产生气动噪音。还考虑到垂直轴风力机的发电系统设置在塔底和风轮直接驱动发电机而不需要变速箱等因素, 其微小的噪音更不容易传播, 完全达到了静音的效果。无噪音带来的好处是显而易见的, 它又进一步扩大了垂直轴风力机的适用范围, 给城市公共设施又增添了一条独特的风景线 14 。对当地生态环境的影响主要是考虑到水平轴风力机一般设置在十几米甚至几十米的高空, 途经的无辜鸟类在其高速旋转的叶片下很难幸免, 长此以往, 容易导致对当地生态系统的破坏。3. 结论本文通过对垂直轴和水平轴风力发电机的多方面比较, 得出了相对于传统的水平轴风力发电机而言, 垂直轴风力机具有设计方法先进、风能利用率高、起动风速低、环保等众多的独有优势的结论。相信随着科技的进一步发展, 研究的进一步深入, 垂直轴风力机的普及指日可待。MUCE新型垂直轴风力发电机（H型）设计原理 针对目前众多网友对新型垂直轴风力发电机（H型）的设计原理比较感兴趣，特在此将部分设计原理以及技术指标作详细地阐述，希望能给各位朋友予以更深入地了解。 最早的垂直轴风力发电机是一种圆弧形双叶片的结构（型或称为达里厄），由于其受风面积小，相应的启动风速较高，一直未得到大力发展，我国也在前几年做了一些尝试，但效果始终不理想。针对一些朋友问及：为何当初采用型设计而没有用现在这种H型结构?实际上，这和科技的发展特别是电脑的发展密切相关的，由于H型垂直轴风力发电机的设计需要非常大量的空气洞力学计算以及数字模拟计算，采用人工的方法计算一次至少需要几年的时间，而且不是一次计算就能得到正确的结果，所以在计算机还不是很发达的年代，人们根本无法完成这一设计构思。 由于特殊应用场合的需要，2001年我国率先开始了这项研究，并且在以后两年的时间里不断对产品进行改进，在2003年初，产品走向成熟，并在海岛以及边疆大量采用以这种新型垂直轴风力发电机为主要设备的风光互补系统。 目前，世界上主要以MUCE公司和日本某公司为该产品的主要研发和生产单位。 下面我就详细讲解一下H型垂直轴风力发电机的技术原理： 一、技术原理 该技术采用空气洞力学原理，针对垂直轴旋转的风洞模拟，叶片选用了飞机翼形形状，在风轮旋转时，它不会受到因变形而改变效率等；它用垂直直线4-5个叶片组成，由4角形或5角形形状的轮毂固定、连接叶片的连杆组成的风轮，由风轮带动稀土永磁发电机发电送往控制器进行控制，输配负载所用的电能。 该技术原理根据空气片条理论，实际计算可选取垂直风机旋转轴的切面进行计算模型，按叶片实际尺寸，每个叶片的旋转轴心距离为N米；用CFD技术进行模拟气动系数计算，计算原理采用离散数字方法求解翼形断面的气动力，用网格方法对雷诺数流动涡量分布比较形成高雷诺数下对Navier-Stokes方程进行数字模拟计算的原理结果。 采用稀土永磁材料发电的原理，配套与空气洞力学原理的风轮，采用直驱式结构进行旋转发电。 专利技术：一种风力发电机（专利号：ZL200420081310.2）二、结构 由于此种设计结构采用了特殊空气洞力学原理、三角形向量法的连接方式以及直驱式结构的原理，使得风轮的受力主要集中于轮毂上，因此抗风能力较强；此种设计的特性还体现在对周围环境的影响上，运转时无噪音以及电磁干扰小等特点使得新型垂直轴风力发电机优越性非常明显。三、功率特性 根据H型风力发电机的原理，风轮的转速上升速度提高较快（力矩上升速度快），它的发电功率上升速度也相应变快，发电曲线变得饱满（如下图）。在同样功率下，垂直轴风力发电机的额定风速较现有水平轴风力发电