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1、风力发电基础,第4章 垂直轴风力发电机,目录4.1 垂直轴风力发电机基本概念4.2垂直轴风力发电机原理分析4.3 垂直轴风力发电机组设计与实验4.4 垂直轴风力发电机的最新应用及发展前景,2,4.1 垂直轴风力发电机基本概念,几种垂直轴风力发电机,3,垂直轴风力发电机组的分类 阻力型,4,1922年，芬兰工程师S.J.Savonius发明,升力型,5,法国工程师G.J.M.Darrieus发明，并于1931年向美国专利局申请了专利,Darrieus型风机叶片形状采用的TroPoskien曲线（希腊文转绳）,6,直至20世纪70年代初，加拿大国家科学研究委员会(NRC)的工程师RSRangi和P
2、.South再次提出类似于G.J.M.Darrieus的设计概念，并对直径为4.2米和3.6米的Darrieus风机的气动性能进行了风洞试验，人们才逐渐认识到Darrieus型风机的优越性。,7,1986年，在加拿大魁北克安装了一台直径64米的Darrieus型Eole（风神）风机，该风机设计额定功率为4 MW,自20世纪70年代起，Darrieus风机开始受到美国宇航局的重视，美国Sandia国家实验室对Darrieus风机性能的研究和发展做了大量的工作：1974年设计了一个直径5米的风机模型，测试了叶片翼型、实度等对叶轮性能的影响；1977年对直径17米，额定功率为60 kW的试验风机进行
3、了性能测试,8,Darrieus风机在美国向大型化发展的标志是1987年由Sandia实验室设计建造的Sandia-DOE风机，该风机直径34米，额定功率625kW，且叶片首次采用变截面形式(根部为NACA0021翼型，中部为SAND0018/50翼型）,9,Darrieus型风机在工程中得到广泛应用，许多公司相继成立，如美国的Flowind公司、VAWTPower公司、加拿大的Adecon公司、Lavalin公司等（Flowind Corporation是美籍华人鲍亦和博士于1981年创立的。有翻译成福禄风电公司，也有翻译成浮海风电公司的）。,10,达里厄风力机的形式 叶片材料承受力差异风能
4、利用率差异,11,升阻复合型垂直轴风力发电机组,12,我国拥有自主知识产权的双 型垂直轴风电机组,13,垂直轴风电机组的优点 无需偏航系统大型机组设备可放置在地面，大幅降低安装与维护费用，且机组整体稳定性好 叶片多采用等截面翼型，制造工艺简单，造价低 采用Troposkien曲线形状，叶片仅受沿展向的张力垂直轴风电机组的缺点风能利用率低 起动风速高 机组品种少，产品质量差 增速结构复杂,14,4.2垂直轴风力发电机原理分析,垂直轴风力机的工作原理 阻力型风力机的工作原理 风产生的驱动力F,15,升力型风力机的工作原理,16,Darrieus 型风轮典型结构,17,上、下叶片连接及部分轴承装配,
5、18,垂直轴风力发电机的叶片翼型 传统风力机翼型 传统风力机叶片翼型一般沿用航空翼型。最常用同时也是最具代表性的传统风力机翼型是NACA系列翼型NACA系列翼型是二十世纪三十年代末四十年代初由美国国家宇航局(缩写NASA)前身国家航空咨询委员会(缩写NACA)提出的。NACA系列翼型由基本厚度翼型和中弧线迭加而成NACA四位数字翼型族 对称翼型有弯度翼型NACA ABCD,19,A：最大相对弯度的百倍B:最大弯度相对位置的十倍数值CD：最大相对厚度的百倍数值,NACA五位数字翼型族 中弧线最大弯度相对位置离开弧线中点，无论是前移还是后移，对提高翼型最大升力系数都有好处 NACA ABCDE,2
6、0,A：A乘以3/20就等于设计升力系数 B:最大弯度相对位置的20倍数值C：中弧线后段的类型，“0”表示直线，“1”表示反弯度曲线 DE:最大相对厚度的百倍数值,NACA四、五位数字修改翼型族 NACA ABCD-FGNACA ABCDE-FG NACA层流翼型使翼面上的最低压力点尽量后移，以增加层流附面层的长度，降低翼型的摩擦阻力 厚度分布和中弧线分开设计 中弧线形状是载荷分布设计的，从前缘到某点载荷是常数，从这点到尾缘载荷线性降低到零,21,F：前缘半径大小 G:最大厚度相对位置的十倍数值,风力机专用翼型美国的NREL-S系列翼型 美国可再生能源实验室(NREL)在1984年开始主持研发
7、 具有对粗糙度不敏感的最大升力系数,22,丹麦的RIS-A系列翼型,23,瑞典的FFA-W系列翼型,24,荷兰的DU系列翼型,25,垂直轴风力发电机叶片翼型特性 升力系数大；阻力系数小；阻力系数要对称于零升力角负的纵向摇动力矩系数大,26,垂直轴风机气动性能研究进展 流管法Templin于1974年第一个提出了基于动量定理的单盘面单流管模型 将风机叶轮简化为被一个流管包围的盘面(Actuator Disk)，并假设整个盘面上叶片诱导速度均匀分布，将所有叶片经过流管上游区域和下游区域的作用力之和作为该流管上的外力，应用动量定理建立联系这一外力和流管动量变化的方程式，从而求解出诱导速度，然后计算叶
8、轮的气动性能 1975年Strickland提出的单盘面多流管模型 1981年，Paraschivoiu提出了双盘面多流管模型 1990年，sharpe对Paraschivoiu提出的双盘面多流管模型进行了改进,27,基于动量定理的流管模型在一定速比、密实度和载荷范围内能够有效地预测风机叶轮的总体气动性能流管模型简单快捷，便于工程应用，在垂直轴风机叶轮气动性能预测上得到了广泛的应用和发展流管法由于其模型本身的局限性，也存在一些不足不太适用于计算较高速比、密实度和载荷情况下的风机叶轮的气动性能，在大速比情况下，动量方程求解容易发散，从而得不到诱导速度动量定理模型忽略了垂直来流方向的诱导速度，在求
9、解风机叶轮侧向受力时有一定的困难不能精确地计算流场细节，因而无法准确地预报风机叶片的非定常特性和瞬时载荷。,28,涡方法 Wilson提出的Vortex Sheet模型,29,Strickland等人提出的V-DART模型,30,D.vandenberghe和E.Dick于1987年提出另一种自由涡模型2001年，阿根廷的Ponta和Jacovkis提出了FEVDTM模型,31,垂直轴风机叶轮气动性能模型,32,4.3 垂直轴风力发电机组的设计与实验,垂直轴风电机组设计 整机的气动布局设计动力学设计总体布局设计总体结构设计可靠性与安全设计各零部件与系统的方案选择,33,风轮设计 扫掠面积达里厄
10、风力机风轮质量和成本与风轮直径的三次方成正比,34,高径比风轮高度与直径的比值 小高径比的低速力矩较高，整个驱动部分的成本大幅提高，同时叶片重力产生的应力也会增加 大高径比对风轮强度、材料与支撑固定系统的要求也增加 对于直线翼垂直轴风力机，其高径比一般选择为0.53.0 实度 所有叶片在风轮旋转平面上的投影面积之和与风轮扫掠面积的比,35,叶片设计 叶片翼型 叶片个数 叶片材料与结构 中央支柱与水平支架设计 密封圆管桁架结构 拉索设计,36,垂直轴风电机组实验 原型实验与模型实验风洞实验和现场实验,37,38,可视化实验 获得风力机周围流场的直观显示 壁面显示法、丝线法、示踪法和光学法等 烟线法是风力机可视化实验的常用方法 粒子图像测速法（PIV）和粒子跟踪测速法（PTV）等先进的可视化方法 现场实验 制作样机，在野外进行现场实验 年风况条件年发电量年有效工作时间设备利用率,39,4.4 垂直轴风力发电机的最新应用及发展前景,垂直轴风力发电机的最新应用 芬兰Windside公司开发的WS系列风力机,40,B.D.Altan等人在试验中对S型风力机使用了有集风作用的挡板,41,42,Thank You!,
