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1、风力发电原理,谭剑锋,第七章 垂直轴风力发电机,第七章 垂直轴风力发电机组,需要掌握：,垂直轴风力发电机组发展概况,垂直轴风力机基本原理,垂直轴风力机特点,一、发展概况,水平轴风力发电机：风轮围绕水平轴旋转，旋转平面与风向垂直垂直轴风力发电机：风力围绕垂直轴旋转，旋转平面与风向平行,垂直轴风力发电机组比水平轴风力发电机组晚20年代出现Savonius型(1924)和Darrieus型风轮(1931)年,一、发展概况,1、发展概况,公元1219年，我国就有垂直轴风力机文献记载公元1300年，波斯也有垂直轴风力机记载,提水、辗米、助航,2030年代垂直轴风力机研究高峰1929年，芬兰工程师Savo
2、nius发明了S型风力发电机1931年，法国工程师Dar-rieus发明了Darrieus风力发电机,7080年代垂直风力机研究又一次高峰加拿大国立研究委员会(NRC)和美国圣地亚国立实验室(SNL)1977年，加拿大安装了第一台大型Darrieus风力机1987年，美国SNL研制了一台商业和研究的大型Darrieus风力机英国、法国、荷兰等研究Darrieus风力机,90年代，水平轴风力发电机的大型商业化发展，垂直轴风力机衰退2000年后，小型垂直轴风力机得到北美、欧洲等国家青睐,一、发展概况,2、风力机类型,垂直轴风力特点：旋转轴垂直，旋转平面与风向平行主要分类：阻力型和升力型,阻力型垂直
3、轴风力机,基本原理：空气流过叶片产生的阻力作为驱动力。典型机型：Savonius垂直轴风力机,起动转矩较大，启动性能好转速低、风能利用系数低产生侧向推力，受安全极限应力限制,优点,缺点,一、发展概况,升力型垂直轴风力机,基本原理：空气流过叶片产生的升力作为驱动力。典型机型：Darrieus垂直轴风力机,直叶片的H型和弯曲叶片的型,一、发展概况,型：弦线自然离心力曲线，弯曲应力很小，只承受张力，几何形状固定，不利于变桨距控制，成本高，启动力矩低，尖速比高，效率高，用于大型并网发电,H型：结构受离心力影响，连接点出弯曲应力较大，采用轮毂臂和拉索支持，便于变桨距控制，主要用于小型容量离网型发电系统,
4、混合型,一、发展概况,3、风力机特点,基本结构特征,包括风力机、齿轮箱、发电机，无偏航系统,与水平轴结构差别：增速器设计和载荷，主塔筒支持及载荷,一、发展概况,优缺点,寿命长、易维护安装：惯性力和重力方向恒定，疲劳寿命好，发电机安装于地面，易安装和维护利于环保：叶尖速比低，噪声低，美观无偏航对风：吸收任意风向能量，结构简单可靠，无风力对风陀螺力叶片制造工艺简单：多叶片、简支梁或多跨连续梁支撑方式运行条件宽松：50m/s，运行范围宽，结构强度大，抗台风能力强,风能利用率低：尖速比低，利用率低于40%起动风速高：起动性能差，Darrieus无起动能力，调速困难增速结构复杂：转速低，增速比高，增速结
5、构复杂,优点,缺点,二、基本原理,风机发电机主要部件：叶片,1、阻力型垂直轴风力机,基本原理：叶片在迎风方形形状不同，引起空气阻力不同，产生绕中心轴的力矩,凹面F1为驱动力，凸面F2为阻力，F1F2,二、基本原理,凹面阻力：凸面阻力：,风力机功率P,风速减少率：,功率系数,最大功率系数,阻力型风力机最大功率系数低于水平轴风力发电机的0.593,阻力面面积正弦变化，扭矩正弦变化，功率随方位角变化,二、基本原理,2、升力型垂直轴风力机,二、基本原理,受力分析,攻角很大，翼型失速，风力机起动转矩非常低，垂直风力机启动性能差,动量理论、叶素理论,风力机正转矩 0180 负转矩180360,三、水平轴/
6、垂直轴比较,水平轴风力机,垂直轴风力机,设计方法,风能利用率,起动风速,叶尖速比,动量-叶素理论涡流理论,动量理论CFD,大分离非定常流,40%左右，难最佳风功率曲线，对风损失,阻力型较低，升力型高可达到水平轴值,起动性能好35m/s,起动性能差,510,气动噪声大，叶片污染对气动性能影响较大,叶尖速比1.52，气动噪声低，叶片污染对起动性能影响小,小结,阻力型(Savonius型)和升力型(Darrieus)特点,阻力型垂直轴风力机基本原理：阻力作为驱动力升力型垂直轴风力机基本原理：升力作为驱动力矩,阻力型和升力型空气动力受力分析,垂直轴风力机的优缺点,思考题,1阻力型和升力型垂直轴风力机定义？2阻力型和升力型垂直轴风力机气动受力分析？3垂直轴风力机主要特点？,
