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1、1,7.1 垂直轴风力机的类型7.2 垂直轴升力型风轮的输出功率计算7.3 垂直轴风力机的关键参数7.4 垂直轴风力机风轮翼型7.5 垂直轴风力机势力7.6 与水平轴比较7.7 垂直轴风力机存在的问题,第七章 垂直轴风力发电机组,2,7.1垂直轴风力机的类型,1、阻力型垂直轴风力机 阻力型风力机是由于风力机的叶片在迎风方向形状不对称，引起空气阻力不同，从而产生一个绕中心轴的力矩，使风轮转动。杯式风速计是最简单的阻力型垂直轴风力机。,第七章 垂直轴风力发电机组,一、分类,按照空气动力学工作原理分为,阻力型,升力型,3,第七章 垂直轴风力发电机组,7.1垂直轴风力机的类型,1.1 阻力差型垂直轴风
2、力机,定义：利用叶片在顺风和逆风时受风面形状不同而产生不同的阻力系数，来驱动风轮旋转的风力机。,设叶片叶尖的线速度为V，风速为V1，叶片表面积为A，则风作用于叶片凹形面的阻力为：,逆风阻力：,式中：CT1、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垂直轴风力机的类型,假定CT1、CT2为常数时，则可得到风杯式风轮的功率输出：,则风能利用系数为：,5,第七章 垂直轴风力发电机组,7.1垂直轴风力机的类型,与平板式垂直轴风力机类似，当 时，CP取最大值。通过计算求得，当,可取得最大风能利用系数。,6,第七章 垂直轴风力发电机组,7.1垂直轴风力机的类型,阻力差型风力机也属
3、于阻力型风力机，其叶片在空气阻力的推动下旋转，且最佳叶尖速比位于01范围内。通过功率计算式可以发现，为了使阻力差型风力机获得最大的功率，可以利用增大叶片的顺风阻力系数或者减少逆风阻力系数。通常有以下典型结构：半球形叶片，CT1达1.33，CT2仅为0.34；半圆柱形叶片的CT1达2.3，而CT2仅为1.2。,7,1.2 S型的Savonius风力机 S型风力机是阻力型风力机中的经典型式，当风吹向叶轮时，由于叶片迎风面形状不同，有F1 F2，产生力矩M，驱动风轮做逆时针方向旋转(俯视情况下)。,S型风力机外形,第七章 垂直轴风力发电机组,7.1垂直轴风力机的类型,8,置于速度为v的风中的风力机，
4、在风速v作用下，凹叶片以速度u被推向后方运动，那么叶片处的相对风速可表示为v-u，而凸叶片的相对风速为v+u，叶片所受阻力F1、F2如下：,阻力型风力机受力模型,风力机的功率P等于阻力F与风力机叶片受推力产生的速度u之积：,由于Cd Cd，vu，省去式中的后一项：,第七章 垂直轴风力发电机组,9,取风速减少率 可得：,其中E为输入风能，令 即：,表明叶片没有做功，所以：,解得：,若,则它可能达到的最大功率系数为,第七章 垂直轴风力发电机组,10,第七章 垂直轴风力发电机组,7.1垂直轴风力机的类型,某风力机的性能曲线,阻力型风力机的风能利用系数较低，故很少用于发电。转速决定了输出功率的大小，风
5、轮只有在最佳转速下才能获得最佳风力机输出功率，如图所示，给出了某阻力型风轮的功率输出与叶尖速比的关系曲线。图中可以看出，叶尖速比为0.4时，输出功率最大；叶尖速比0.30.4为高效运行区域。,11,二、升力型垂直轴风力机 主要指法国的科学家达里厄发明的达里厄式风轮。风轮由固定的数枚叶片组成，绕垂直轴旋转。,第七章 垂直轴风力发电机组,达里厄风力发电机组可分为直叶片和弯叶片两种，叶片的翼形剖面多为对称翼形，其中以H型和型风力机组最为典型。,7.1垂直轴风力机的类型,12,升力型风力机工作原理,来流风速v是恒定的，风轮运转中该横截面各翼型的切向速度u的大小相等，而方向不同，它们与相对速度w一起构成
6、了各翼型的速度三角形。w与叶片弦线的夹角是有效攻角。对叶片在不同方位的速度三角形的研究表明，除了当叶片处于与风向平行或近似平行的位置外，在其它方位的气动力都产生一个驱动风轮旋转的力矩。,第七章 垂直轴风力发电机组,7.1垂直轴风力机的类型,13,垂直轴风力发电机组同水平轴机组一样，也主要由风力机、齿轮箱、发电机等组成。,(a)结构简图(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,14,第七章 垂直轴风力发电机组,7.1垂直轴风力机的类型,左图给出了达里厄风轮单叶片在宣州一周内各部位角度的力矩系数。从图中可以看出，不同位置具有不同的速度三角形，且叶片在绝大部分区域所受的空气动力将
7、产生一个正的驱动转矩，只有在90和270附近，翼型的弦线与风向平行时，阻力和升力比值交大，表现为负转矩，降低了风能利用系数。,15,第七章 垂直轴风力发电机组,7.1垂直轴风力机的类型,左图给出了两叶片和三叶片的达里厄风力机的力矩系数随转角变化的曲线图。图中可以看出，在叶片力矩的叠加下，叶片的力矩系数与单叶片产生较大的区别，三叶篇产生的总力矩系数很少有负力矩产生，随着叶尖速比的增加而越加明显。,16,优点 1）寿命长，易维护安装 叶片在旋转过程中由于惯性力与重力的方向恒定，因此疲劳寿命长；可以放在风轮下部很远甚至在地面上，便于安装与维护。2）利于环保 水平轴风轮的尖速比一般在510,这样的低转
8、速产生的气动噪声很小，甚至可以达到静音的效果。低噪音和美观外形等多种优点是水平轴风力发电机难以比拟的。,三、垂直轴风力机的特点,第七章 垂直轴风力发电机组,7.1垂直轴风力机的类型,17,3）无需偏航对风 不需要迎风调节系统,可以接受任何方向来风,吸收任意方向来的风能量，主轴永远向设计方向转动。这样使结构设计简化，构造紧凑，活动部件少于水平轴风力机，提高了可靠性。4）叶片制造工艺简单 可以设计成低转速多叶片构造,这将大大地降低风力机对于叶片材质的要求。不单如此，叶片是以简支梁或多跨连续梁的力学模型架设在风力机的转子上的，这有利于降低对于风力机材质的要求。,第七章 垂直轴风力发电机组,7.1垂直
9、轴风力机的类型,18,缺点 1）风能利用率 S型风力发电机,理想状态下的风能利用系数为15%左右,而达里厄型风力发电机在理想状态下的风能利用系数也不到40%。其他结构形式的垂直轴风力发电机的风能利用系数也较低。2）起动风速 起动性能差,特别对于达里厄式型风轮,完全没有自启动能力,并且调速、限速困难，这是限制垂直轴风力发电机应用的一个重要原因。,第七章 垂直轴风力发电机组,6.1垂直轴风力机的类型,19,第七章 垂直轴风力发电机组,7.2 升力型风轮输出功率计算,一、均匀流管理论,均匀流管理论即认为风速均匀不变的穿过风轮，在风轮尾流风速也保持均匀不变。但风作用在风轮上，风轮获得风能的同时，也对风
10、产生反作用。研究精度不高。,20,第七章 垂直轴风力发电机组,7.2 升力型风轮输出功率计算,二、单一流管理论,单一流管理论将升力型风轮前后流场看作是一个流管。,21,第七章 垂直轴风力发电机组,7.2 升力型风轮输出功率计算,当风速为V，在风轮的作用下，风轮内风速变为Vm；当风穿过风轮后尾流的风速为Vn。如果风轮旋转面内气流的诱导系数用a表示，则风速Vm表示为：,风轮上的阻力Fx为：,联合上述两式可求得诱导系数a为：,其中，CFX为阻力系数,22,第七章 垂直轴风力发电机组,7.2 升力型风轮输出功率计算,为求解阻力系数CFX，定义气流通过叶片时的相对速度为VR，来流风速为V，旋转半径为R，
11、旋转角速度为，风速与固定叶片支架角度为，叶片安装角为，叶片入流角为，叶片迎角为。且定义无量纲参数，。,23,第七章 垂直轴风力发电机组,7.2 升力型风轮输出功率计算,设升力系数为CL，阻力系数为CD，叶片个数为n，叶片长为lb，对叶片旋转一周积分可得各阻力系数为：,可求得诱导系数a为：,24,第七章 垂直轴风力发电机组,7.2 升力型风轮输出功率计算,利用诱导系数a的计算式、相对流入速度及表征空气动力学特性的3个系数：升力系数CL、阻力系数CD和扭矩系数CM，求得力矩系数CT：,作用于叶片的力矩系数CT是由作用于叶片上的力矩来定义的，其中，R为风轮的旋转半径。,25,第七章 垂直轴风力发电机
12、组,7.2 升力型风轮输出功率计算,因此，风力机风轮组合力矩为叶片和支架力矩之和T=TB+TZ，风力机风轮的风能利用系数可以利用合力矩计算为：,在风轮旋转时，除了叶片上作用有力矩外，支架也产生力矩，用TZ表示。其定义与叶片力矩一样，表示为：,26,第七章 垂直轴风力发电机组,7.3 垂直轴风力机的关键参数,一、叶片的实度,1.定义：叶片弦长之和与风轮旋转半径R的圆周长之比。,27,第七章 垂直轴风力发电机组,7.3 垂直轴风力机的关键参数,2、叶片实度对风轮性能的影响,左图为叶片实度对风能利用系数的影响。从图中可以看出，当实度增加时，风轮获得的最大功率的叶尖速比变小；相反实度减小时，风轮获得最
13、大风能利用系数的叶尖速比系数增加。,28,第七章 垂直轴风力发电机组,7.3 垂直轴风力机的关键参数,从图中还可以看出，叶片实度减小，在最佳叶尖速比附近，风轮风能利用系数CP值也较高；相反，叶片实度增加后，随叶尖速比附近的高CP值范围变窄。根据此规律，为了改善升力性垂直轴风轮的起动性能，可以适当增加实度。,29,第七章 垂直轴风力发电机组,7.4 垂直轴风轮的翼型,一、垂直轴风力机的叶片翼型必须具有的特性,1.较大的升力系数；2.较小的阻力系数；3.阻力系数要对称于零升力角；4.负的纵向摇动力矩系数大。,二、垂直轴风力机的主要翼型,目前为止用于VAWT上的翼型主要有NACA0018、NACA0
14、015、NACA0012、SNLZ和S系列翼型。,30,第七章 垂直轴风力发电机组,7.5 垂直轴风力机实例,左图给出了加拿大Domining制铝公司(DAF）建造的商用双叶片打蛋器形垂直轴风力机，风力赤道直径为6.0m，风力最大输出功率为6.1kW,在8m/s风速下为2.58kW。主要由叶片、主轴、增速器、联轴器、制动器、发电机、塔架、拉索和控制盘等组成。,31,第七章 垂直轴风力发电机组,7.6 与水平轴比较,与水平轴风轮相比，垂直轴风轮的空气动力学特性有本质区别。最佳风能利用系数在相对较低的叶尖速比下获得。还有几个其他方面表明VAWT优于现在的HAWT技术：1.噪声。2.鸟类。3.人工安
15、全性。4.维护成本。5.审美。6.容易安装。,32,第七章 垂直轴风力发电机组,7.7 垂直轴风力机存在的问题,垂直轴风力机尽管具有许多水平轴风力机不具备的优点，但也存在一些难以解决的技术难题：1.达里厄垂直轴风力机不能变桨，起动较为困难。2.达里厄垂直轴风力机的风能效率仍然低于水平轴风力机 的效率。3.打蛋形达里厄叶片的各部位距转动中心的半径不同，难以做到按不同风速变换叶片攻角和叶片弦长。4.垂直轴风力机的轴较长，在加工和制造上较为困难。5.垂直轴风力机的转速和功率控制较水平轴的难以实现。6.垂直轴风力机叶轮靠地面较近，受剪切风的影响较大。,33,第七章 垂直轴风力发电机组,7.6 与水平轴
16、比较,与水平轴风轮相比，垂直轴风轮的空气动力学特性有本质区别。最佳风能利用系数在相对较低的叶尖速比下获得。还有几个其他方面表明VAWT优于现在的HAWT技术：1.噪声。2.鸟类。3.人工安全性。4.维护成本。5.审美。6.容易安装。,34,第七章 垂直轴风力发电机组,思考题,1.风能大小与哪些因素有关系？,答：风能大小与气流通过的扫风面积、空气密度和气流的速度有关系。,2.简述失速控制型风轮的优缺点。,答：优点。（1）叶片与轮毂之间无运动部件，轮毂结构简单、费用低；（2）没有功率调节系统的维护费；（3）在失速后功率的波动相对小。缺点：（1）气动刹车系统可靠性设计和制造要求高；（2）叶片、机舱和
17、塔架上的动态荷载高；（3）起动性差；（4）机组承受的风荷载大。,35,第七章 垂直轴风力发电机组,思考题,2.简述变桨距控制型风轮的优缺点。,答：优点。（1）起动性好；（2）刹车结构简单，叶片顺桨后风轮转速可以逐渐降低；（3）额定点以前的输出功率饱满；（4）额定点以后的输出功率平滑；（5）风轮叶根承受静、动态荷载小。缺点：（1）由于叶片有变桨距机构、轮毂较复杂、可靠性设计要求高，维护费用高；（2）功率调节系统复杂、费用高。,36,第七章 垂直轴风力发电机组,思考题,3.常用的轮毂形式有哪几种及其特点。,答：刚性轮毂。特点：制造成本低、维护少、没有磨损、三叶片风轮大部分采用刚性轮毂，也是目前使用最广泛的一种形式。铰链式轮毂。特点：常用于单叶片和二叶片风轮，铰链轴和叶片轴及风轮旋转轴相互垂直，叶片在挥舞方向，摆振方向和扭转方向上都可以自由活动，也可称为柔性轮毂。,
