垂直轴风力发电原理介绍

1、117.1 7.1 垂直轴风力机的类型垂直轴风力机的类型7.2 7.2 垂直轴升力型风轮的输出功率计算垂直轴升力型风轮的输出功率计算7.3 7.3 垂直轴风力机的关键参数垂直轴风力机的关键参数7.4 7.4 垂直轴风力机风轮翼型垂直轴风力机风轮翼型7.5 7.5 垂直轴风力机势力垂直轴风力机势力7.6 7.6 与水平轴比较与水平轴比较7.7 7.7 垂直轴风力机存在的问题垂直轴风力机存在的问题第七章第七章 垂直轴风力发电机组垂直轴风力发电机组22垂直轴风力机的类型垂直轴风力机的类型 1 1、阻力型垂直轴风力机、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阻力型风力机是由于风

2、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。轴风力机。 第七章第七章 垂直轴风力发电机组垂直轴风力发电机组一、分类一、分类按照空气动力学按照空气动力学工作原理分为工作原理分为阻力型阻力型升力型升力型33第七章第七章 垂直轴风力发电机组垂直轴风力发电机组垂直轴风力机的类型垂直轴风力机的类型1.1 1.1 阻力差型垂直轴风力机阻力差型垂直轴风力机定义定义：利用叶片在顺风和逆风时受风面形状不同而产生利用叶片在顺风和逆风时

3、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。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设叶片叶尖的线速度为V V，风速为，风速为V V1 1，叶片表面积为叶片表面积为A A，则风作用于叶片凹，则风作用于叶片凹形面的阻力为：形面的阻力为：2111)(21vvACTT逆风阻力：逆风阻力：2122)(21vvACTT式中：式中：C CT1T1、C CT2T2为凹面和凸面的阻力系数为凹面和凸面的阻力系数44第七章第七章 垂直轴风力发电机组垂直轴风力发电机组垂直轴风力机的类型垂直轴风力机的类型vvvCvvCAPTT)()(21212211假定假定C CT1T1、C CT

4、2T2为常数时，则可得到风杯式风轮的功率输出：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：则风能利用系数为：AvvvvCTvvCTAPPCP31022)1(22)1( 1255第七章第七章 垂直轴风力发电机组垂直轴风力发电机组垂直轴风力机的类型垂直轴风力机的类型 与平板式垂直轴风力机类似，当与平板式垂直轴风力机类似，当 时，时，C CP P取取最大值。通过计算求得，当最大值。通过计算求得，当 0) 1/(vvddCP)( 3)( 3)(4)(2212121211TTTTTTTTCCCCCCCCvv可取得最大风能利用系数。可取得最大风能利用系数。66第七章第七章 垂直轴风力发电机组

5、垂直轴风力发电机组垂直轴风力机的类型垂直轴风力机的类型 阻力差型风力机也属于阻力型风力机，其叶片在空气阻阻力差型风力机也属于阻力型风力机，其叶片在空气阻力的推动下旋转，且最佳叶尖速比位于力的推动下旋转，且最佳叶尖速比位于0101范围内。通过功范围内。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，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。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，通常有以下典型结构：半球形叶片，C CT1T1达达1.331.33，C CT2T2仅为仅为0.340

6、.34；半圆柱形叶片的；半圆柱形叶片的C CT1T1达达2.32.3，而，而C CT2T2仅为仅为1.21.2。771.2 S1.2 S型的型的SavoniusSavonius风力机风力机 S S型风力机是阻力型风力机中的经典型式，当风吹向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，有叶轮时，由于叶片迎风面形状不同，有F F1 1 F F2 2，产生力矩，产生力矩M M，驱动风轮做逆时针方向旋转驱动风轮做逆时针方向旋转( (俯视情况下俯视情况下) )。 S型风力机外形第七章第七章 垂直轴风力发电机组垂直轴风力发电机组垂直轴风力机的类型垂直轴风力机的类型88置于速

7、度为置于速度为v v的风中的风力机，在风速的风中的风力机，在风速v v作用下，凹作用下，凹叶片以速度叶片以速度u u被推向后方运动，那么叶片处的相对风速可被推向后方运动，那么叶片处的相对风速可表示为表示为v-uv-u，而凸叶片的相对风速为，而凸叶片的相对风速为v+uv+u，叶片所受阻力，叶片所受阻力F1F1、 F2F2如下：如下： 阻力型风力机受力模型2112dFvuAC2212dFvuAC风力机的功率风力机的功率P P等于阻力等于阻力F F与风力机叶片受推力产生的与风力机叶片受推力产生的速度速度u u之积：之积： 22121122ddPFF uACvuuACvuu由于由于C Cd d CCd

8、 d，vuvu，省去式中的，省去式中的后一项：后一项：212dPACvuu第七章第七章 垂直轴风力发电机组垂直轴风力发电机组9902/30取风速减少率取风速减少率 可得可得 ： 其中其中E E为输入风能，令为输入风能，令 即：即： 表明叶片没有做功，所以：表明叶片没有做功，所以： 2223312112dpddACvuuvuuPCCCEvAv0pdCdvuv230dC解得：2max22413327pddCCC1.3dC max5.20.19327PC若若则它可能达到的最大功率系数为则它可能达到的最大功率系数为 第七章第七章 垂直轴风力发电机组垂直轴风力发电机组1010第七章第七章 垂直轴风力发电

9、机组垂直轴风力发电机组垂直轴风力机的类型垂直轴风力机的类型某风力机的性能曲线某风力机的性能曲线 阻力型风力机的风能利用系数阻力型风力机的风能利用系数较低，故很少用于发电。转速决定较低，故很少用于发电。转速决定了输出功率的大小，风轮只有在最了输出功率的大小，风轮只有在最佳转速下才能获得最佳风力机输出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，叶尖速比为曲线。图中可以看出，叶尖速比为0.40.4时，输出功率最大；叶尖速比时，输出功率最大；叶尖速比0.30.40.30.4为高

10、效运行区域。为高效运行区域。1111二、升力型垂直轴风力机二、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。由固定的数枚叶片组成，绕垂直轴旋转。 第七章第七章 垂直轴风力发电机组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，其中以的翼形剖面多为对称翼形，其中以H H型和型和型风力机组最为型风力机组最为典型。典型。垂直轴风力机的类型垂直轴风力机的类型1212升力型风力机工作原理 来流风速来流风速v

11、v是恒定的，风轮运转是恒定的，风轮运转中该横截面各翼型的切向速度中该横截面各翼型的切向速度u u的大的大小相等，而方向不同，它们与相对小相等，而方向不同，它们与相对速度速度w w一起构成了各翼型的速度三角一起构成了各翼型的速度三角形。形。w w与叶片弦线的夹角是有效攻角。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方位的气动力都产生一个驱动风轮旋转的力矩。旋转的力矩。 第七章第七章 垂直轴风力发电机组垂

12、直轴风力发电机组垂直轴风力机的类型垂直轴风力机的类型1313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。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第七章 垂直轴风力发电机组垂直轴风力发电机组1414第七章第七章 垂直轴风力发电机组垂直轴风力发电机组垂直轴风力机的类型垂直轴风力机的类型 左图给出了达里厄风轮单左图给出了达里厄风轮单叶片在宣州一周内各部位角度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，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不同位置具有不同

13、的速度三角形，且叶片在绝大部分区域所形，且叶片在绝大部分区域所受的空气动力将产生一个正的受的空气动力将产生一个正的驱动转矩，只有在驱动转矩，只有在9090和和270270附近，翼型的弦线与风向平行附近，翼型的弦线与风向平行时，阻力和升力比值交大，表时，阻力和升力比值交大，表现为负转矩，降低了风能利用现为负转矩，降低了风能利用系数。系数。1515第七章第七章 垂直轴风力发电机组垂直轴风力发电机组垂直轴风力机的类型垂直轴风力机的类型左图给出了两叶片和三叶片左图给出了两叶片和三叶片的达里厄风力机的力矩系数的达里厄风力机的力矩系数随转角变化的曲线图。图中随转角变化的曲线图。图中可以看出，在叶片力矩的叠

14、可以看出，在叶片力矩的叠加下，叶片的力矩系数与单加下，叶片的力矩系数与单叶片产生较大的区别，三叶叶片产生较大的区别，三叶篇产生的总力矩系数很少有篇产生的总力矩系数很少有负力矩产生，随着叶尖速比负力矩产生，随着叶尖速比的增加而越加明显。的增加而越加明显。1616优点优点 1 1）寿命长，易维护安装）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。于安装与维护。2 2）利于环保）利于环保 水平轴风轮的尖速比一般在水平轴风轮

15、的尖速比一般在510,510,这样的低转速产生的这样的低转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。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三、垂直轴风力机的特点第七章第七章 垂直轴风力发电机组垂直轴风力发电机组垂直轴风力机的类型垂直轴风力机的类型17173 3）无需偏航对风）无需偏航对风 不需要迎风调节系统不需要迎风调节系统, ,可以接受任何方向来风可以接受任何方向来风, , 吸吸收任意方向来的风能量，主轴永远向设计方向转动。收任意方向来的风能量，主轴永远向

16、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。轴风力机，提高了可靠性。4 4）叶片制造工艺简单）叶片制造工艺简单 可以设计成低转速多叶片构造可以设计成低转速多叶片构造, ,这将大大地降低风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，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。这有利于降低对于风力机材质的要求。第七章第七章 垂直轴风力发电机组垂直轴风力发电机组垂直轴

17、风力机的类型垂直轴风力机的类型1818缺点缺点 1 1）风能利用率）风能利用率 S S型风力发电机型风力发电机, ,理想状态下的风能利用系数为理想状态下的风能利用系数为15%15%左右左右, ,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到40%40%。其他结构形式的垂直轴风力发电机的风能利用系数。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。也较低。2 2）起动风速）起动风速 起动性能差起动性能差, ,特别对于达里厄式特别对于达里厄式型风轮型风轮, ,完全没有自启完全没有自启动能力动能力, , 并且调速、限速困难，这是限制垂直轴

18、风力发电并且调速、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。机应用的一个重要原因。第七章第七章 垂直轴风力发电机组垂直轴风力发电机组垂直轴风力机的类型垂直轴风力机的类型1919第七章第七章 垂直轴风力发电机组垂直轴风力发电机组升力型风轮输出功率计算升力型风轮输出功率计算一、均匀流管理论一、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，也对风产生反作用。研究精度不高。获得风能的同时，也对风产生反作用。研究精度不高。

19、2020第七章第七章 垂直轴风力发电机组垂直轴风力发电机组升力型风轮输出功率计算升力型风轮输出功率计算二、单一流管理论二、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。单一流管理论将升力型风轮前后流场看作是一个流管。2121第七章第七章 垂直轴风力发电机组垂直轴风力发电机组升力型风轮输出功率计算升力型风轮输出功率计算 当风速为当风速为V V，在风轮的作用下，风轮内风速变为，在风轮的作用下，风轮内风速变为V Vm m；当；当风穿过风轮后尾流的风速为风穿过风轮后尾流的风速为V Vn n。如果风轮旋转面内气流的诱。如果风轮旋转面内气流的诱导系数用导系数用a a表示，则风速表示，则风速V

20、m m表示为：表示为：)1 (avvm风轮上的阻力风轮上的阻力F Fx x为：为：FXXACvF221联合上述两式可求得诱导系数联合上述两式可求得诱导系数a a为：为：)11 (21FXCa其中，其中，C CFXFX为阻力系数为阻力系数2222第七章第七章 垂直轴风力发电机组垂直轴风力发电机组升力型风轮输出功率计算升力型风轮输出功率计算 为求解阻力系数为求解阻力系数C CFXFX，定义气流通过叶片时的相对，定义气流通过叶片时的相对速度为速度为V VR R，来流风速为，来流风速为V V，旋转半径为，旋转半径为R R，旋转角速，旋转角速度为度为，风速与固定叶片支架角度为，风速与固定叶片支架角度为，

21、叶片安装角，叶片安装角为为，叶片入流角为，叶片入流角为，叶片迎角为，叶片迎角为。且定义无量。且定义无量纲参数纲参数 ， 。VVVRR/)1/(*a)sin21 (2*22VVR2*sin21)1 (aVR2323第七章第七章 垂直轴风力发电机组垂直轴风力发电机组升力型风轮输出功率计算升力型风轮输出功率计算 设升力系数为设升力系数为C CL L，阻力系数为，阻力系数为C CD D，叶片个数为，叶片个数为n n，叶片，叶片长为长为l lb b，对叶片旋转一周积分可得各阻力系数为：，对叶片旋转一周积分可得各阻力系数为：dCCVnlCFtFnRbFX)sincos(420sinDLFnCconCCsi

22、nDLFtCconCC可求得诱导系数可求得诱导系数a a为：为：dCCVCnlbaFtFnRFX)sincos()11 (82022424第七章第七章 垂直轴风力发电机组垂直轴风力发电机组升力型风轮输出功率计算升力型风轮输出功率计算 利用诱导系数利用诱导系数a a的计算式、相对流入速度及表征空的计算式、相对流入速度及表征空气动力学特性的气动力学特性的3 3个系数：升力系数个系数：升力系数C CL L、阻力系数、阻力系数C CD D和和扭矩系数扭矩系数C CM M，求得力矩系数，求得力矩系数C CT T：202)cossin(4dlCCCVnlCbMDLRbT 作用于叶片的力矩系数作用于叶片的力

23、矩系数C CT T是由作用于叶片上的力是由作用于叶片上的力矩来定义的，其中，矩来定义的，其中，R R为风轮的旋转半径。为风轮的旋转半径。TBARCvT21ARvTCBT2212525第七章第七章 垂直轴风力发电机组垂直轴风力发电机组升力型风轮输出功率计算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因此，风力机风轮组合力矩为叶片和支架力矩之和T T= =T TB B+ +T TZ Z，风力机风轮的风能利用系数可以利用合力矩计算，风力机风轮的风能利用系数可以利用合力矩计算为：为：PACvP321)(ZTPCCC 在风轮旋转时，除了叶片上作用有力矩外，支架也产在风轮旋转时，除

24、了叶片上作用有力矩外，支架也产生力矩，用生力矩，用T TZ Z表示。其定义与叶片力矩一样，表示为：表示。其定义与叶片力矩一样，表示为：ZZARCvT21ARvTCZT2212626第七章第七章 垂直轴风力发电机组垂直轴风力发电机组垂直轴风力机的关键参数垂直轴风力机的关键参数一、叶片的实度一、叶片的实度1.1.定义：叶片弦长之和与风轮旋转半径定义：叶片弦长之和与风轮旋转半径R R的圆周长之比。的圆周长之比。Rnc22727第七章第七章 垂直轴风力发电机组垂直轴风力发电机组垂直轴风力机的关键参数垂直轴风力机的关键参数2 2、叶片实度对风轮性能的影响、叶片实度对风轮性能的影响 左图为叶片实度对风能左

25、图为叶片实度对风能利用系数的影响。从图中利用系数的影响。从图中可以看出，当实度增加时，可以看出，当实度增加时，风轮获得的最大功率的叶风轮获得的最大功率的叶尖速比变小；相反实度减尖速比变小；相反实度减小时，风轮获得最大风能小时，风轮获得最大风能利用系数的叶尖速比系数利用系数的叶尖速比系数增加。增加。2828第七章第七章 垂直轴风力发电机组垂直轴风力发电机组垂直轴风力机的关键参数垂直轴风力机的关键参数 从图中还可以看出，叶从图中还可以看出，叶片实度减小，在最佳叶尖速片实度减小，在最佳叶尖速比附近，风轮风能利用系数比附近，风轮风能利用系数C CP P值也较高；相反，叶片实值也较高；相反，叶片实度增加

26、后，随叶尖速比附近度增加后，随叶尖速比附近的高的高C CP P值范围变窄。值范围变窄。 根据此规律，为了改善根据此规律，为了改善升力性垂直轴风轮的起动性升力性垂直轴风轮的起动性能，可以适当增加实度。能，可以适当增加实度。2929第七章第七章 垂直轴风力发电机组垂直轴风力发电机组垂直轴风轮的翼型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一、垂直轴风力机的叶片翼型必须具有的特性1.1.较大的升力系数；较大的升力系数；2.2.较小的阻力系数；较小的阻力系数；3.3.阻力系数要对称于零升力角；阻力系数要对称于零升力角；4.4.负的纵向摇动力矩系数大。负的纵向摇动力矩系数大。二、垂直轴风力

27、机的主要翼型二、垂直轴风力机的主要翼型 目前为止用于目前为止用于VAWTVAWT上的翼型主要有上的翼型主要有NACA0018NACA0018、NACA0015NACA0015、NACA0012NACA0012、SNLZSNLZ和和S S系列翼型。系列翼型。3030第七章第七章 垂直轴风力发电机组垂直轴风力发电机组垂直轴风力机实例垂直轴风力机实例 左图给出了加拿大左图给出了加拿大DominingDomining制铝公司制铝公司(DAF(DAF）建）建造的商用双叶片打蛋器形垂造的商用双叶片打蛋器形垂直轴风力机，风力赤道直径直轴风力机，风力赤道直径为为6.0m6.0m，风力最大输出功率，风力最大输出

28、功率为为6.1kW,6.1kW,在在8m/s8m/s风速下为风速下为2.58kW2.58kW。主要由叶片、主轴、。主要由叶片、主轴、增速器、联轴器、制动器、增速器、联轴器、制动器、发电机、塔架、拉索和控制发电机、塔架、拉索和控制盘等组成。盘等组成。3131第七章第七章 垂直轴风力发电机组垂直轴风力发电机组与水平轴比较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。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还有几个其他方面表明VAWTVAWT优于现在的优于

29、现在的HAWTHAWT技术：技术：1.1.噪声。噪声。2.2.鸟类。鸟类。3.3.人工安全性。人工安全性。4.4.维护成本。维护成本。5.5.审美。审美。6.6.容易安装。容易安装。3232第七章第七章 垂直轴风力发电机组垂直轴风力发电机组垂直轴风力机存在的问题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：点，但也存在一些难以解决的技术难题：1.1.达里厄垂直轴风力机不能变桨，起动较为困难。达里厄垂直轴风力机不能变桨，起动较为困难。2.2.达里厄垂直轴风力机的风能效率仍然低于水平轴风力机达

30、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。的效率。3.3.打蛋形达里厄叶片的各部位距转动中心的半径不同，难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。以做到按不同风速变换叶片攻角和叶片弦长。4.4.垂直轴风力机的轴较长，在加工和制造上较为困难。垂直轴风力机的轴较长，在加工和制造上较为困难。5.5.垂直轴风力机的转速和功率控制较水平轴的难以实现。垂直轴风力机的转速和功率控制较水平轴的难以实现。6.6.垂直轴风力机叶轮靠地面较近，受剪切风的影响较大。垂直轴风力机叶轮靠地面较近，受剪切风的影响较大。3333第七章第七章 垂直轴风力发电机组垂直

31、轴风力发电机组与水平轴比较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。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还有几个其他方面表明VAWTVAWT优于现在的优于现在的HAWTHAWT技术：技术：1.1.噪声。噪声。2.2.鸟类。鸟类。3.3.人工安全性。人工安全性。4.4.维护成本。维护成本。5.5.审美。审美。6.6.容易安装。容易安装。3434第七章第七章 垂直轴风力发电机组垂直轴风力发电机组1.1.风能大小与哪些因素有关系？风能大小与哪些因素有关