1、風(fēng)力發(fā)電原理譚劍鋒第七章 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機第七章 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組需要掌握：需要掌握： 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組發(fā)展概況 垂直軸風(fēng)力機基本原理 垂直軸風(fēng)力機特點一、發(fā)展概況一、發(fā)展概況 水平軸風(fēng)力發(fā)電機水平軸風(fēng)力發(fā)電機：風(fēng)輪圍繞水平軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)平面與風(fēng)向垂直：風(fēng)輪圍繞水平軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)平面與風(fēng)向垂直垂直軸風(fēng)力發(fā)電機垂直軸風(fēng)力發(fā)電機：風(fēng)力圍繞垂直軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)平面與風(fēng)向平行：風(fēng)力圍繞垂直軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)平面與風(fēng)向平行垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組比水平軸風(fēng)力發(fā)電機組晚垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組比水平軸風(fēng)力發(fā)電機組晚2020年代出現(xiàn)年代出現(xiàn)SavoniusSavonius型型(1924)(1924)和和DarrieusDarri

2、eus型風(fēng)輪型風(fēng)輪(1931)(1931)年年一、發(fā)展概況一、發(fā)展概況 1 1、發(fā)展概況、發(fā)展概況公元公元12191219年，我國就有垂直軸風(fēng)力機文獻(xiàn)記載年，我國就有垂直軸風(fēng)力機文獻(xiàn)記載公元公元13001300年，波斯也有垂直軸風(fēng)力機記載年，波斯也有垂直軸風(fēng)力機記載提水、輾米、提水、輾米、助航助航l2030年代垂直軸風(fēng)力機研究高峰年代垂直軸風(fēng)力機研究高峰19291929年，芬蘭工程師年，芬蘭工程師SavoniusSavonius發(fā)明了發(fā)明了S S型風(fēng)力發(fā)電機型風(fēng)力發(fā)電機19311931年，法國工程師年，法國工程師Dar-rieusDar-rieus發(fā)明了發(fā)明了DarrieusDarrieus風(fēng)

3、力發(fā)電機風(fēng)力發(fā)電機l7080年代垂直風(fēng)力機研究又一次高峰年代垂直風(fēng)力機研究又一次高峰加拿大國立研究委員會加拿大國立研究委員會(NRC)(NRC)和美國圣地亞國立實驗室和美國圣地亞國立實驗室(SNL)(SNL)19771977年，加拿大安裝了第一臺大型年，加拿大安裝了第一臺大型DarrieusDarrieus風(fēng)力機風(fēng)力機19871987年，美國年，美國SNLSNL研制了一臺商業(yè)和研究的大型研制了一臺商業(yè)和研究的大型DarrieusDarrieus風(fēng)力機風(fēng)力機英國、法國、荷蘭等研究英國、法國、荷蘭等研究DarrieusDarrieus風(fēng)力機風(fēng)力機l9090年代，水平軸風(fēng)力發(fā)電機的大型商業(yè)化發(fā)展，垂

4、直軸風(fēng)力機衰退年代，水平軸風(fēng)力發(fā)電機的大型商業(yè)化發(fā)展，垂直軸風(fēng)力機衰退l20002000年后，小型垂直軸風(fēng)力機得到北美、歐洲等國家青睞年后，小型垂直軸風(fēng)力機得到北美、歐洲等國家青睞一、發(fā)展概況一、發(fā)展概況 2 2、風(fēng)力機類型、風(fēng)力機類型垂直軸風(fēng)力特點垂直軸風(fēng)力特點：旋轉(zhuǎn)軸垂直，旋轉(zhuǎn)平面與風(fēng)向平行：旋轉(zhuǎn)軸垂直，旋轉(zhuǎn)平面與風(fēng)向平行主要分類主要分類：阻力型和升力型：阻力型和升力型n 阻力型垂直軸風(fēng)力機阻力型垂直軸風(fēng)力機基本原理基本原理：空氣流過葉片產(chǎn)生的阻力作為驅(qū)動力。：空氣流過葉片產(chǎn)生的阻力作為驅(qū)動力。典型機型典型機型：SavoniusSavonius垂直軸風(fēng)力機垂直軸風(fēng)力機起動轉(zhuǎn)矩較大，啟動性能

5、好起動轉(zhuǎn)矩較大，啟動性能好轉(zhuǎn)速低、風(fēng)能利用系數(shù)低轉(zhuǎn)速低、風(fēng)能利用系數(shù)低產(chǎn)生側(cè)向推力，受安全極限應(yīng)力限制產(chǎn)生側(cè)向推力，受安全極限應(yīng)力限制優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點一、發(fā)展概況一、發(fā)展概況 n 升力型垂直軸風(fēng)力機升力型垂直軸風(fēng)力機基本原理基本原理：空氣流過葉片產(chǎn)生的升力作為驅(qū)動力。：空氣流過葉片產(chǎn)生的升力作為驅(qū)動力。典型機型典型機型：DarrieusDarrieus垂直軸風(fēng)力機垂直軸風(fēng)力機直葉片的直葉片的H H型和彎曲葉片的型和彎曲葉片的型型一、發(fā)展概況一、發(fā)展概況 l型：弦線自然離心力曲線，彎曲應(yīng)力很小，只承受張力，型：弦線自然離心力曲線，彎曲應(yīng)力很小，只承受張力，幾何形狀固定，不利于變槳距控制，成本高，

6、啟動力矩低，尖幾何形狀固定，不利于變槳距控制，成本高，啟動力矩低，尖速比高，效率高，用于大型并網(wǎng)發(fā)電速比高，效率高，用于大型并網(wǎng)發(fā)電lH H型：結(jié)構(gòu)受離心力影響，連接點出彎曲應(yīng)力較大，采用輪轂型：結(jié)構(gòu)受離心力影響，連接點出彎曲應(yīng)力較大，采用輪轂臂和拉索支持，便于變槳距控制，主要用于小型容量離網(wǎng)型發(fā)臂和拉索支持，便于變槳距控制，主要用于小型容量離網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)電系統(tǒng)l混合型混合型一、發(fā)展概況一、發(fā)展概況 3 3、風(fēng)力機特點、風(fēng)力機特點n 基本結(jié)構(gòu)特征基本結(jié)構(gòu)特征包括風(fēng)力機、齒輪箱、發(fā)電機，包括風(fēng)力機、齒輪箱、發(fā)電機，無偏航系統(tǒng)無偏航系統(tǒng)與水平軸結(jié)構(gòu)差別與水平軸結(jié)構(gòu)差別： 增速器設(shè)計和載荷，主塔筒支

7、持及載荷增速器設(shè)計和載荷，主塔筒支持及載荷一、發(fā)展概況一、發(fā)展概況 n 優(yōu)缺點優(yōu)缺點l壽命長、易維護(hù)安裝：慣性力和重力方向恒定，疲勞壽命好，壽命長、易維護(hù)安裝：慣性力和重力方向恒定，疲勞壽命好，發(fā)電機安裝于地面，易安裝和維護(hù)發(fā)電機安裝于地面，易安裝和維護(hù)l利于環(huán)保：葉尖速比低，噪聲低，美觀利于環(huán)保：葉尖速比低，噪聲低，美觀l無偏航對風(fēng)：吸收任意風(fēng)向能量，結(jié)構(gòu)簡單可靠，無風(fēng)力對無偏航對風(fēng)：吸收任意風(fēng)向能量，結(jié)構(gòu)簡單可靠，無風(fēng)力對風(fēng)陀螺力風(fēng)陀螺力l葉片制造工藝簡單：多葉片、簡支梁或多跨連續(xù)梁支撐方式葉片制造工藝簡單：多葉片、簡支梁或多跨連續(xù)梁支撐方式l運行條件寬松：運行條件寬松：50m/sFF2

8、2二、基本原理二、基本原理 l凹面阻力：凹面阻力：l凸面阻力：凸面阻力：21220.5 ()(1.3)0.5 ()(0.12 0.25)ddddFvUACCFvUACC風(fēng)力機功率風(fēng)力機功率P P2212()0.5 ()0.5 ()ddPFF UvUUACvUUACl風(fēng)速減少率：風(fēng)速減少率：()/vUv功率系數(shù)功率系數(shù)2(1)pdCC最大功率系數(shù)最大功率系數(shù)max40.193 (2/3)27pdCC阻力型風(fēng)力機最大功率系數(shù)低于水平軸風(fēng)力發(fā)電機的阻力型風(fēng)力機最大功率系數(shù)低于水平軸風(fēng)力發(fā)電機的0.5930.593阻力面面積正弦變化，扭矩正弦變化，功率隨方位角變化阻力面面積正弦變化，扭矩正弦變化，功率

9、隨方位角變化二、基本原理二、基本原理 2 2、升力型垂直軸風(fēng)力機、升力型垂直軸風(fēng)力機二、基本原理二、基本原理 受力分析受力分析攻角很大，翼型失速，風(fēng)力攻角很大，翼型失速，風(fēng)力機起動轉(zhuǎn)矩非常低，垂直風(fēng)力機起動轉(zhuǎn)矩非常低，垂直風(fēng)力機啟動性能差機啟動性能差動量理論、葉素理論動量理論、葉素理論風(fēng)力機正轉(zhuǎn)矩風(fēng)力機正轉(zhuǎn)矩 0180 負(fù)轉(zhuǎn)矩負(fù)轉(zhuǎn)矩180360三、水平軸三、水平軸/ /垂直軸比較垂直軸比較 水平軸風(fēng)力機水平軸風(fēng)力機垂直軸風(fēng)力機垂直軸風(fēng)力機設(shè)計方法設(shè)計方法風(fēng)能利用風(fēng)能利用率率起動風(fēng)速起動風(fēng)速葉尖速比葉尖速比動量動量-葉素理論葉素理論渦流理論渦流理論動量理論動量理論CFD大分離非大分離非定常流定常

10、流40%左右，難最佳左右，難最佳風(fēng)功率曲線，對風(fēng)風(fēng)功率曲線，對風(fēng)損失損失阻力型較低，升力型高阻力型較低，升力型高可達(dá)到水平軸值可達(dá)到水平軸值起動性能好起動性能好35m/s起動性能差起動性能差510,氣動噪聲大，氣動噪聲大，葉片污染對氣動性葉片污染對氣動性能影響較大能影響較大葉尖速比葉尖速比1.52，氣動噪，氣動噪聲低，葉片污染對起動聲低，葉片污染對起動性能影響小性能影響小小結(jié)小結(jié) l阻力型阻力型(Savonius(Savonius型型) )和升力型和升力型(Darrieus)(Darrieus)特點特點l阻力型垂直軸風(fēng)力機基本原理：阻力作為驅(qū)動力阻力型垂直軸風(fēng)力機基本原理：阻力作為驅(qū)動力l升力型垂直軸風(fēng)力機基本原理：升力作為驅(qū)動力矩升力型垂直軸風(fēng)力機基本原理：升力作為驅(qū)動力矩l阻