垂直轴风力发电原理介绍

1、1，7.1垂直轴风力发电机组的类型7.2垂直轴提升风力发电机组输出功率的计算7.3垂直轴风力发电机组的关键参数7.4垂直轴风力发电机组的翼型7.5垂直轴风力发电机组的力7.6与水平轴风力发电机组的比较7.7垂直轴风力发电机组存在的问题，第七章垂直轴风力发电机组，2，7.1垂直轴风力发电机组的类型，1。阻力型垂直轴风力涡轮机阻力型风力涡轮机是由于风力涡轮机叶片在迎风方向上的不对称形状，导致不同的空气阻力，从而产生绕中心轴的力矩，使风轮旋转。杯形风速计是最简单的阻力垂直轴风力涡轮机。第7章垂直轴风力涡轮机，1。分类，根据气动工作原理，分为，阻力型，升力型，3。第7章垂直轴风力涡轮机，7.1垂直轴风

2、力涡轮机的类型，1.1阻力差垂直轴风力涡轮机，定义：利用顺风和逆风中不同形状的叶片受风面产生的不同阻力系数来驱动风轮旋转的风力涡轮机。如果叶尖线速度为V，风速为V1，叶片表面积为A，则作用在叶片凹面上的风阻力为：迎风阻力：其中：CT1和CT2为凹面和凸面的阻力系数，4。第七章垂直轴风力发电机组，7.1垂直轴风力发电机组的类型，如果CT1和CT2不变，则可以得到垂直轴风力发电机组的类型。通过计算，可以得到最大风能利用系数。6，第7章垂直轴风力涡轮机，7.1垂直轴风力涡轮机的类型，具有不同阻力的风力涡轮机也属于阻力型风力涡轮机，其叶片在空气阻力的推动下旋转，并且最佳叶尖速比在01范围内。通过功率计

3、算公式可以发现，为了获得具有不同阻力的风力机的最大功率，可以增大叶片的顺风阻力系数或减小逆风阻力系数。一般有以下典型结构：半球形叶片，CT1为1.33，CT2仅为0.34；半圆柱形叶片的CT1为2.3，而CT2仅为1.2。7 . 1 . 2S Savonius风力涡轮机S型风力涡轮机是一种典型的阻力型风力涡轮机。当风吹向叶轮时，由于叶片迎风面的形状不同，有F1-F2产生扭矩m并驱动风轮逆时针旋转(俯视图)。S形风力涡轮机形状，第7章垂直轴风力涡轮机，7.1垂直轴风力涡轮机的类型，8，风力涡轮机以速度V置于风中，在风速V的作用下，叶片处的相对风速可表示为v-u，而凸形叶片处的相对风速为V-u，叶

4、片的阻力F1和F2如下。风力涡轮机功率p等于阻力f与风力涡轮机叶片推力产生的速度u的乘积：因为Cd，vu，公式中省略后一项：第7章垂直轴风力涡轮机发电机组，9，取风速降低率得到：其中e为输入风能，即，表示叶片没有做功，所以：解为：如果是这样，它可能达到的最大功率系数为，第7章，垂直轴风力涡轮机，7.1垂直轴风力涡轮机的类型，风力涡轮机的性能曲线，风力涡轮机的风能利用系数低，因此很少用于发电。转速决定输出功率，只有在最佳转速下才能获得风力发电机的最佳输出功率。如图所示，给出了阻力型风力涡轮机的功率输出和叶尖速比之间的关系曲线。从图中可以看出，当叶尖速比为0.4时，输出功率最大；0.30.4的叶尖

5、速比是一个高效的操作区域。升降垂直轴风力发电机主要指法国科学家达里奥发明的达里奥风轮。风轮由几个固定叶片组成，这些叶片绕垂直轴旋转。在第7章垂直轴风力涡轮机中，达里厄风力涡轮机可分为直叶片和弯叶片。叶片的翼型大多是对称的，其中H型和H型风力发电机最为典型。7.1垂直轴风力涡轮机的类型，12，升力风力涡轮机的工作原理，进入的风速V是恒定的，并且在风力涡轮机运行期间，横截面中每个翼型的切向速度U在大小上相等但在方向上不同，这与相对速度W一起构成每个翼型的速度三角形。w和叶片弦之间的角度是有效迎角。对不同方向叶片速度三角形的研究表明，除了叶片平行或近似平行于风向外，其他方向的气动力都会产生驱动风轮旋

6、转的力矩。第7章垂直轴风力发电机组，7.1垂直轴风力发电机组的类型，13，垂直轴风力发电机组与水平轴风力发电机组一样，主要由风力发电机组、齿轮箱和发电机组成。(a)结构图(b)实际机组垂直轴风力发电机组，第七章垂直轴风力发电机组，第十四章垂直轴风力发电机组，第七章垂直轴风力发电机组，7.1垂直轴风力发电机组的类型，左图为宣州大瑞欧风力发电机组单叶片在一周内各位置角的力矩系数。从图中可以看出，不同的位置有不同的速度三角形，叶片上的气动力在大多数区域都会产生正的驱动力矩。仅在90和270附近，当翼型的弦线平行于风向时，阻力与升力的比值较大，呈现负扭矩，这降低了风能利用系数。15，第7章，垂直轴风力

7、涡轮机，7.1垂直轴风力涡轮机的类型。左图显示了双叶片和三叶片Darieu风力涡轮机的力矩系数随旋转角度变化的曲线。从图中可以看出，在叶片力矩叠加的情况下，叶片的力矩系数与单个叶片的力矩系数相差很大，三个叶片产生的总力矩系数很少产生负力矩，这一点随着叶尖速比的增大而变得越来越明显。优点1)寿命长，易于维护。由于旋转过程中惯性力和重力方向恒定，安装的叶片疲劳寿命较长；它可以放在风轮的下部，即使在地面上也可以放得很远，便于安装和维护。2)水平轴风轮的急速比一般为510，这样的低速产生的气动噪声很小，甚至可以达到静音效果。许多优点，如低噪音和美丽的外观，是无与伦比的横轴风力涡轮机。三。垂直轴风力发电

8、机组的特性，第七章，垂直轴风力发电机组，7.1垂直轴风力发电机组的类型，17、3)不需要风的偏航和迎风调节系统，该系统可以接受来自任何方向的风，并吸收来自任何方向的风能，主轴将始终沿设计方向旋转。这样，简化了结构设计，结构紧凑，运动部件少于水平轴风力涡轮机，并且提高了可靠性。4)叶片制造工艺简单，可设计成低速多叶片结构，这将大大降低风力涡轮机对叶片材料的要求。此外，叶片以简支梁或多跨连续梁的力学模型竖立在风力涡轮机的转子上，这有利于降低对风力涡轮机材料的要求。第7章，垂直轴风力涡轮机，7.1垂直轴风力涡轮机的类型，18，缺点1)风能利用在理想条件下，S型风力涡轮机的风能利用系数约为15%，而在

9、理想条件下，Darius风力涡轮机的风能利用系数小于40%。其他垂直轴风力发电机组的风能利用系数也很低。2)启动风速下的启动性能较差，尤其是达里欧风轮，其根本没有自启动能力，速度和速度都比较困难，这是限制垂直轴风力机应用的一个重要原因。第7章，垂直轴风力涡轮机，6.1垂直轴风力涡轮机的类型，19，第7章，垂直轴风力涡轮机，7.2提升风力涡轮机的输出功率计算，1。均匀流管理理论，这意味着风速均匀地通过风力涡轮机，并在风力涡轮机的尾流中保持均匀。然而，当风作用在风轮上时，风轮获得风能并同时对风作出反应。研究精度不高。20，第7章，垂直轴风力涡轮机，7.2提升风力涡轮机输出功率的计算，21，第7章，

10、垂直轴风力发电机，7.2计算提升风轮的输出功率，当风速为v时，风轮中的风速在风轮的作用下变成VM；当风通过风轮时，尾气流的风速为Vn。如果风轮旋转面的气流诱导系数用A表示，风速Vm表示为：风轮上的阻力Fx为：将上述两个公式结合起来，可以得到感应系数，其中CFX为阻力系数，第7章第22节，垂直轴风力机，7.2升力风轮输出功率的计算。为了求解阻力系数CFX，通过叶片的气流的相对速度定义为VR，进入风速为V，旋转半径为R。并定义无量纲参数。23，第七章，垂直轴风力涡轮机的输出功率计算，7.2升力风力涡轮机。假设升力系数为C1，阻力系数为CD，叶片数为n，叶片长度为lb，每个阻力系数可通过对叶片的一次

11、旋转进行积分得到，诱导系数a可通过下式得到：第七章，垂直轴风力发电机的输出功率计算，7.2升力风力发电机，由作用在叶片上的力矩定义的力矩系数CT:通过使用诱导系数a的公式得到。 相对流入速度和代表空气动力特性的三个系数：升力系数C1、阻力系数CD和扭矩系数CM，其中r是风轮的旋转半径。25，第七章，垂直轴风力机的输出功率计算，7.2升力风轮，因此，风力机转子的组合力矩是叶片和支架力矩之和T=TB TZ，利用该组合力矩可以计算出风力机转子的风能利用系数：当风轮转动时，除了作用在叶片上的力矩外，支架也产生力矩，用TZ表示。其定义与叶片力矩相同，表示为：26，第7章，垂直轴风力机，7.3垂直轴风力机

12、的关键参数，1。叶片的坚固性，1。定义：叶片弦长之和与风轮旋转半径的周长之比。27，第7章，垂直轴风力涡轮机，7.3垂直轴风力涡轮机的关键参数，2。叶片稠度对风力涡轮机性能的影响，左图显示了叶片稠度对风能利用系数的影响。从图中可以看出，当稠度增加时，风轮获得的最大功率的叶尖速比变小；当相反稠度降低时，风力涡轮机的最大风能利用系数的叶尖速比系数增加。28，第七章，垂直轴风力涡轮机，7.3垂直轴风力涡轮机的关键参数。从图中还可以看出，叶片坚固性降低，在最佳叶尖速比附近，风力发电机组风能利用系数CP值也较高；相反，随着叶片稠度的增加，叶尖速比越大，CP范围越窄。根据该规则，为了改善提升垂直轴风力涡轮

13、机的启动性能，可以适当地增加坚固性。29，第7章，垂直轴风力涡轮机，7.4垂直轴风力涡轮机的翼型，1。垂直轴风力发电机叶片翼型的必要特性，1。大升力系数；2.阻力系数小；3.阻力系数应该与零升力角对称；4.负纵向摇摆力矩系数较大。第二，垂直轴风力涡轮机的主要翼型。到目前为止，VAWT使用的翼型主要有NACA0018、NACA0015、NACA0012、SNLZ和S系列翼型。30，第七章，垂直轴风力发电机组，7.5垂直轴风力发电机组示例，左图显示了由加拿大多明铝业公司(DAF)制造的商用双叶片打蛋器垂直轴风力发电机组。风赤道直径为6.0m，最大出力为6.1kW，风速为8m/s时为2.58kW。它

14、主要由叶片、主轴、增速器、联轴器、制动器、发电机、塔架、电缆和控制面板组成。7.6与水平轴相比，垂直轴风力涡轮机的空气动力特性与水平轴风力涡轮机的空气动力特性有本质的不同。最佳风能利用系数是在相对低的叶尖速比下获得的。还有其他几个方面表明VAWT在技术上优于HAWT:1 .噪音。2.鸟。3.人工安全。4.维护费用。，32，第七章垂直轴风力涡轮机的问题，7.7垂直轴风力涡轮机。尽管垂直轴风力涡轮机具有水平轴风力涡轮机不具有的许多优点，但是也存在一些难以解决的技术问题：1。达里厄的垂直轴风力发电机无法变桨，因此很难启动。2.达里厄垂直轴风力发电机组的风能效率仍然低于水平轴风力发电机组。3.根据不同

15、的风速很难改变叶片的迎角和弦长，因为蛋形叶片的每个部分的半径与旋转中心不同。4.垂直轴风力发电机轴长，加工制造难度大。5.垂直轴风力发电机的速度和功率控制比水平轴更加困难。6.垂直轴风力机的叶轮靠近地面，受切变风的影响很大。7.6与水平轴相比，垂直轴风力涡轮机的空气动力特性与水平轴风力涡轮机的空气动力特性有本质的不同。最佳风能利用系数是在相对低的叶尖速比下获得的。还有其他几个方面表明VAWT在技术上优于HAWT:1 .噪音。2.鸟。3.人工安全。4.维护费用。5.美学。6.易于安装。34，第7章，垂直轴风力涡轮机，思考问题，1。什么因素与风能有关？答：风能与气流通过的清扫面积、空气密度和气流速度有关。2.简述失速控制风轮的优缺点。优势。(1)叶片和轮毂之间没有运动部件，轮毂结构简单，成本低；(2)电力调节系统不收取维护费；(3)失速后功率波动相对较小。缺点：(1)气动制动系统的可靠性设计和制造要求高；(2)叶片、机舱和塔架上的高动态载荷；(3)启动性差；(4)机组的风荷载较大。35，第7章，垂直轴风力涡轮机，思考问题，2。简要描述变桨距控制风力涡轮机的优点和缺点。优势。(1)良好的可启动性；(2)制动结构简单，叶片顺桨后风轮转速可逐渐降低；(3)额定点满前的