垂直轴风力发电机

1、垂直轴风力发电机在风向改变的时候无需对风，在这点上相对于水平轴风力 发电机是一大优势，它不仅使结构设计简化，而且也减少了风轮对风时的陀螺力。垂直轴风力发电机(vertical axis wind turbine VAWT)从分类来说，主要分为阻力型和升力型。阻力型垂直轴风力发电机主要是利用空气流过叶片产生 的阻力作为驱动力的，而升力型则是利用空气流过叶片产生的升力作为驱动力的。 由于叶片在旋转过程中，随着转速的增加阻力急剧减小，而升力反而会增大，所 以升力型的垂直轴风力发电机的效率要比阻力型的高很多。1.阻力型风力发电机的工作原理阻力型垂直轴风力发电机风轮的转轴周围， 有一对或者若干个凹凸曲面

2、的叶 片，当它们处于不同方位时，相对于它的来风方向所受的推力 F是不同的。风力 作用于上述物体上的空气动力差别也很大。作用力F可表示为：F=1/2? p ?S V?C其中p 空气密度，一般取1.25 (kg/m?)S风轮迎风面积V来流风速C空气动力系数以半球为例，当风吹到半球凹面一侧，c值为1.33，当风吹到半球凸面一侧 时，c值为0.34。对于柱面，当风吹向凹面和凸面时，系数c分别为2.3和1.2。 由于组成风轮的叶片不对称性和空气阻力的差异， 风对风轮的作用就形成了绕转 轴的驱动力偶，整个风轮随即转动。2.升力型垂直轴风力发电机原理在下面图中列举了从0度到315度八个位置的叶片，风从左边进

3、入，浅蓝色 的矢量v是风速、绿色的矢量u是叶片圆周运动的线速度反向(即无风时叶片感 受到的气流速度)、蓝色的矢量w是叶片感受到的合成气流速度(即相对风速)、 紫色的矢量L是叶片受到的升力。我们分析一下叶片在这八个角度的受力情况，在 90度与270度的位置，相 对风速不产生升力，在其它六个位置上叶片受到的升力均能在运动方向产生转矩 力，这也是达里厄风力机能在风力下旋转的道理。实际上情况要复杂得多，前面分析图是理想状态，是在理想的叶尖速比与没 有叶片的阻力时的状态。叶片推动风轮旋转的转矩力是升力与阻力的合成力在叶 片前进方向的分力。我们取315度时的情况分析一下有阻力的情况，图中黑色的 矢量D为叶

4、片受到的阻力，棕色的矢量F是升力L与阻力D的合成力，该力在叶 片前进方向的分力M才是实际的转矩力，显然此时的转矩力明显小于理想状况。而且在180度与270度附近的角度内，升力与阻力的合成力产生的是反向转 矩力。U风叶线速度:-Avfilil ,W相对风連.L升力 ”D現力.F-買片受/.#汕一拷矩力.MI风向w风速达里厄风力机只有在叶片在360度与180度附近才有较大的输出力。即便是这样，还只能运行在叶尖速比为 3.5以上的情况，可通过下图来说明,图中左侧图叶片受到相对风速 W的作用产生升力L与阻力D,相对风速 W 与叶片弦线的夹角即叶片的攻角 a约为14度,相对风速W由风速V与叶片运动 速度

5、u合成，此时的叶片运动的速度约风速的 4倍，即叶尖速比为4。升力L与 阻力D的合力为F，该力对风轮的力矩力为 M是推动风轮旋转的力。在叶尖速 比为4时，叶片运行在向风侧或背风侧均能产生推动风轮旋转的力矩，仅在两侧（90度与180度）附近升力很小，会有不大的负向力矩。图中右侧图风速增加了一倍，叶片运动的速度未变，叶尖速比约为2,叶片的攻角a约为27度，此时叶片工作在失速状态，叶片产生的升力L明显下降，阻力D却大大上升，相对风轮产生的力矩力 M为负向，是阻止风轮旋转的，而且 此时叶片运行在大多数位置均产生负向力矩。对于大多数普通翼型当叶尖速比小 于3.5时叶片基本上不产生推动风轮旋转的力。达里厄风

6、力机在低风速下运转困难， 要在较高的风力下，风轮转速达到叶尖 速比为3.5以上才可能正常运转，在尖速比为4-6可获较高的功率输出。为减小阻力增加升力，对风力机 的叶片截面形状（翼型）选择与外表光洁度要求比较高。既然达里厄风力机在叶 尖速比为3.5以下时不能依靠升力运转，能否依靠阻力运行呢？由于各翼片是均 匀固定在风轮的圆周上，各翼片受风产生的阻力力矩不大而且各翼片合成的总力 矩很小，即使某角度可产生一定的力矩但在另一角度可能产生反向力矩，所以达里厄风力机不能单靠风力自起动，必须依靠外力起动使叶尖速比达到 3.5以上时 才能依靠升力运转。典型的达里厄风力机翼片不是直的， 而是弯成弧形，两翼片 合成一个©形。下图即是一台达里厄风力机模型。现在的达里厄风力机多采用直形风叶，也有人称之为 H型风力机。H型风力 机的叶片数一般为2至6个垂直轴风力发电机达里厄风力机的叶片通过两端或中部固定在转轴上， 有利于加大机械强度， 可做得很轻巧；达里厄风力机不存在头重脚轻的状况， 对塔架要求较低，适合用 拉索固定，安装容易，检修也方便，这些都是它的优点。对于达里厄风力机不能 自起动的问题，一般方法是在起动时采用发电机作电动机带动风力机旋转，使叶尖速比达到3.5以上。由于对风速变化与负荷变化要求都较苛刻， 难以平稳高效 运行，