垂直轴风力发电原理介绍.pptx

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1、1垂直垂直轴风力机的力机的类型型 1 1、阻力型垂直、阻力型垂直轴风力机力机 阻力型阻力型风力机是由于力机是由于风力机的叶片在迎力机的叶片在迎风方向形方向形状不状不对称，引起空气阻力不同，从而称，引起空气阻力不同，从而产生一个生一个绕中心中心轴的力矩，使的力矩，使风轮转动。杯式。杯式风速速计是最是最简单的阻力的阻力型垂直型垂直轴风力机。力机。第七章第七章 垂直垂直轴风力力发电机机组一、分一、分类按照空气按照空气动力学力学工作原理分工作原理分为阻力型阻力型升力型升力型第1页/共36页2第七章第七章 垂直垂直轴风力力发电机机组垂直垂直轴风力机的力机的类型型1.1 1.1 阻力差型垂直阻力差型垂直轴

2、风力机力机定定义：利用叶片在利用叶片在顺风和逆和逆风时受受风面形状不同而面形状不同而产生生不同的阻力系数，来不同的阻力系数，来驱动风轮旋旋转的的风力机。力机。设叶片叶尖的叶片叶尖的线速度速度为V V，风速速为V V1 1，叶片表面，叶片表面积为A A，则风作用于叶片作用于叶片凹形面的阻力凹形面的阻力为：逆逆风阻力：阻力：式中：式中：C CT1T1、C CT2T2为凹面和凸面的阻力系数凹面和凸面的阻力系数第2页/共36页3第七章第七章 垂直垂直轴风力力发电机机组垂直垂直轴风力机的力机的类型型假定假定C CT1T1、C CT2T2为常数常数时，则可得到可得到风杯式杯式风轮的功率的功率输出：出：则风

3、能利用系数能利用系数为：第3页/共36页4第七章第七章 垂直垂直轴风力力发电机机组垂直垂直轴风力机的力机的类型型 与平板式垂直与平板式垂直轴风力机力机类似，当似，当 时，C CP P取最大取最大值。通。通过计算求得，当算求得，当 可取得最大可取得最大风能利用系数。能利用系数。第4页/共36页5第七章第七章 垂直垂直轴风力力发电机机组垂直垂直轴风力机的力机的类型型 阻力差型阻力差型风力机也属于阻力型力机也属于阻力型风力机，其叶片在空气阻力机，其叶片在空气阻力的推力的推动下旋下旋转，且最佳叶尖速比位于，且最佳叶尖速比位于0101范范围内。通内。通过功功率率计算式可以算式可以发现，为了使阻力差型了使

4、阻力差型风力机力机获得最大的功率，得最大的功率，可以利用增大叶片的可以利用增大叶片的顺风阻力系数或者减少逆阻力系数或者减少逆风阻力系数。阻力系数。通常有以下典型通常有以下典型结构：半球形叶片，构：半球形叶片，C CT1T1达，达，C CT2T2仅为；半；半圆柱形叶片的柱形叶片的C CT1T1达，而达，而C CT2T2仅为。第5页/共36页61.2 S1.2 S型的型的SavoniusSavonius风力机力机 S S型型风力机是阻力型力机是阻力型风力机中的力机中的经典型式，当典型式，当风吹向吹向叶叶轮时，由于叶片迎，由于叶片迎风面形状不同，有面形状不同，有F F1 1 F F2 2，产生力矩生

5、力矩M M，驱动风轮做逆做逆时针方向旋方向旋转(俯俯视情况下情况下)。S型风力机外形第七章第七章 垂直垂直轴风力力发电机机组垂直垂直轴风力机的力机的类型型第6页/共36页7置于速度置于速度为v v的的风中的中的风力机，在力机，在风速速v v作用下，凹作用下，凹叶片以速度叶片以速度u u被推向后方运被推向后方运动，那么叶片，那么叶片处的相的相对风速可速可表示表示为v-uv-u，而凸叶片的相，而凸叶片的相对风速速为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风力机的功率力机的功率P P等于阻力等于阻力F F与与风力机叶片受推力力机叶片受推力产生的生的速

6、度速度u u之之积：由于由于C Cd d CCd d，vuvu，省去式中的，省去式中的后一后一项：第七章第七章 垂直垂直轴风力力发电机机组第7页/共36页8取取风速减少率速减少率 可得可得 ：其中其中E E为输入入风能，令能，令 即：即：表明叶片没有做功，所以：表明叶片没有做功，所以：解得：若若则它可能达到的最大功率系数它可能达到的最大功率系数为 第七章第七章 垂直垂直轴风力力发电机机组第8页/共36页9第七章第七章 垂直垂直轴风力力发电机机组垂直垂直轴风力机的力机的类型型某某风力机的性能曲力机的性能曲线 阻力型阻力型风力机的力机的风能利用系数能利用系数较低，故很少用于低，故很少用于发电。转速

7、决定速决定了了输出功率的大小，出功率的大小，风轮只有在最只有在最佳佳转速下才能速下才能获得最佳得最佳风力机力机输出出功率，如功率，如图所示，所示，给出了某阻力型出了某阻力型风轮的功率的功率输出与叶尖速比的关系出与叶尖速比的关系曲曲线。图中可以看出，叶尖速比中可以看出，叶尖速比为时，输出功率最大；叶尖速比出功率最大；叶尖速比为高高效运行区域。效运行区域。第9页/共36页10二、升力型垂直二、升力型垂直轴风力机力机 主要指法国的科学家达里厄主要指法国的科学家达里厄发明的达里厄式明的达里厄式风轮。风轮由固定的数枚叶片由固定的数枚叶片组成，成，绕垂直垂直轴旋旋转。第七章第七章 垂直垂直轴风力力发电机机

8、组 达里厄达里厄风力力发电机机组可分可分为直叶片和弯叶片两种，叶片直叶片和弯叶片两种，叶片的翼形剖面多的翼形剖面多为对称翼形，其中以称翼形，其中以H H型和型和型型风力机力机组最最为典型。典型。垂直垂直轴风力机的力机的类型型第10页/共36页11升力型风力机工作原理 来流来流风速速v v是恒定的，是恒定的，风轮运运转中中该横截面各翼型的切向速度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，它小相等，而方向不同，它们与相与相对速度速度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与叶片弦与叶片弦线的的夹角是有效攻角。角是有效攻角。对叶片在不同方位的速度三角形的

9、叶片在不同方位的速度三角形的研究表明，除了当叶片研究表明，除了当叶片处于与于与风向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，在其它方位的气方位的气动力都力都产生一个生一个驱动风轮旋旋转的力矩。的力矩。第七章第七章 垂直垂直轴风力力发电机机组垂直垂直轴风力机的力机的类型型第11页/共36页12垂直垂直轴风力力发电机机组同水平同水平轴机机组一一样，也主要由，也主要由风力机、力机、齿轮箱、箱、发电机等机等组成。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 垂直垂直轴风力力发电机机组第12页/共36页13第七章第七章 垂直垂直轴风力力发电机机组垂直垂直轴风力机的力机的

10、类型型 左左图给出了达里厄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。从的力矩系数。从图中可以看出，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的速度三角形，且叶片在形，且叶片在绝大部分区域所大部分区域所受的空气受的空气动力将力将产生一个正的生一个正的驱动转矩，只有在矩，只有在9090和和270270附近，翼型的弦附近，翼型的弦线与与风向平行向平行时，阻力和升力比，阻力和升力比值交大，表交大，表现为负转矩，降低了矩，降低了风能利用能利用系数。系数。第13页/共36页14第七章第七章 垂直垂直轴风力力发电机机组垂直垂直轴风力机的力机的类型型左左图给出

11、了两叶片和三叶片出了两叶片和三叶片的达里厄的达里厄风力机的力矩系数力机的力矩系数随随转角角变化的曲化的曲线图。图中中可以看出，在叶片力矩的叠可以看出，在叶片力矩的叠加下，叶片的力矩系数与加下，叶片的力矩系数与单叶片叶片产生生较大的区大的区别，三叶，三叶篇篇产生的生的总力矩系数很少有力矩系数很少有负力矩力矩产生，随着叶尖速比生，随着叶尖速比的增加而越加明的增加而越加明显。第14页/共36页15优点点 1 1）寿命）寿命长，易，易维护安装安装 叶片在旋叶片在旋转过程中由于程中由于惯性力与重力的方向恒定，因性力与重力的方向恒定，因此疲此疲劳寿命寿命长；可以放在；可以放在风轮下部很下部很远甚至在地面上

12、，便甚至在地面上，便于安装与于安装与维护。2 2）利于）利于环保保 水平水平轴风轮的尖速比一般在的尖速比一般在510,510,这样的低的低转速速产生的生的气气动噪声很小，甚至可以达到静音的效果。低噪音和美噪声很小，甚至可以达到静音的效果。低噪音和美观外形等多种外形等多种优点是水平点是水平轴风力力发电机机难以比以比拟的。的。三、垂直三、垂直轴风力机的特点力机的特点第七章第七章 垂直垂直轴风力力发电机机组垂直垂直轴风力机的力机的类型型第15页/共36页163 3）无需偏航）无需偏航对风 不需要迎不需要迎风调节系系统,可以接受任何方向来可以接受任何方向来风,吸吸收任意方向来的收任意方向来的风能量，主

13、能量，主轴永永远向向设计方向方向转动。这样使使结构构设计简化，构造化，构造紧凑，活凑，活动部件少于水平部件少于水平轴风力机，提高了可靠性。力机，提高了可靠性。4 4）叶片制造工）叶片制造工艺简单 可以可以设计成低成低转速多叶片构造速多叶片构造,这将大大地降低将大大地降低风力机力机对于叶片材于叶片材质的要求。不的要求。不单如此，叶片是以如此，叶片是以简支支梁或多跨梁或多跨连续梁的力学模型架梁的力学模型架设在在风力机的力机的转子上的，子上的，这有利于降低有利于降低对于于风力机材力机材质的要求。的要求。第七章第七章 垂直垂直轴风力力发电机机组垂直垂直轴风力机的力机的类型型第16页/共36页17缺点缺

14、点 1 1）风能利用率能利用率 S S型型风力力发电机机,理想状理想状态下的下的风能利用系数能利用系数为15%15%左右左右,而达里厄型而达里厄型风力力发电机在理想状机在理想状态下的下的风能利用系数也不能利用系数也不到到40%40%。其他。其他结构形式的垂直构形式的垂直轴风力力发电机的机的风能利用系数能利用系数也也较低。低。2 2）起）起动风速速 起起动性能差性能差,特特别对于达里厄式于达里厄式型型风轮,完全没有自启完全没有自启动能力能力,并且并且调速、限速困速、限速困难，这是限制垂直是限制垂直轴风力力发电机机应用的一个重要原因。用的一个重要原因。第七章第七章 垂直垂直轴风力力发电机机组垂直垂

15、直轴风力机的力机的类型型第17页/共36页18第七章第七章 垂直垂直轴风力力发电机机组7.2 7.2 7.2 7.2 升力型升力型风轮输出功率出功率计算算一、均匀流管理一、均匀流管理论 均匀流管理均匀流管理论即即认为风速均匀不速均匀不变的穿的穿过风轮，在，在风轮尾流尾流风速也保持均匀不速也保持均匀不变。但。但风作用在作用在风轮上，上，风轮获得得风能的同能的同时，也，也对风产生反作用。研究精度不高。生反作用。研究精度不高。第18页/共36页19第七章第七章 垂直垂直轴风力力发电机机组7.2 7.2 7.2 7.2 升力型升力型风轮输出功率出功率计算算二、二、单一流管理一流管理论单一流管理一流管理

16、论将升力型将升力型风轮前后流前后流场看作是一个流管。看作是一个流管。第19页/共36页20第七章第七章 垂直垂直轴风力力发电机机组7.2 7.2 7.2 7.2 升力型升力型风轮输出功率出功率计算算 当当风速速为V V，在，在风轮的作用下，的作用下，风轮内内风速速变为V Vm m；当；当风穿穿过风轮后尾流的后尾流的风速速为V Vn n。如果。如果风轮旋旋转面内气流的面内气流的诱导系数用系数用a a表示，表示，则风速速Vm m表示表示为：风轮上的阻力上的阻力F Fx x为：联合上述两式可求得合上述两式可求得诱导系数系数a a为：其中，其中，C CFXFX为阻力系数阻力系数第20页/共36页21第

17、七章第七章 垂直垂直轴风力力发电机机组7.2 7.2 7.2 7.2 升力型升力型风轮输出功率出功率计算算 为求解阻力系数求解阻力系数C CFXFX，定，定义气流通气流通过叶片叶片时的相的相对速度速度为V VR R，来流，来流风速速为V V，旋，旋转半径半径为R R，旋，旋转角速角速度度为，风速与固定叶片支架角度速与固定叶片支架角度为，叶片安装角，叶片安装角为，叶片入流角，叶片入流角为，叶片迎角，叶片迎角为。且定。且定义无量无量纲参数参数 ，。第21页/共36页22第七章第七章 垂直垂直轴风力力发电机机组7.2 7.2 7.2 7.2 升力型升力型风轮输出功率出功率计算算 设升力系数升力系数为

18、C CL L，阻力系数，阻力系数为C CD D，叶片个数，叶片个数为n n，叶片，叶片长为l lb b，对叶片旋叶片旋转一周一周积分可得各阻力系数分可得各阻力系数为：可求得可求得诱导系数系数a a为：第22页/共36页23第七章第七章 垂直垂直轴风力力发电机机组7.2 7.2 7.2 7.2 升力型升力型风轮输出功率出功率计算算 利用利用诱导系数系数a a的的计算式、相算式、相对流入速度及表征空流入速度及表征空气气动力学特性的力学特性的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：作用

19、于叶片的力矩系数作用于叶片的力矩系数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矩来定义的，其中，的，其中，R R为风轮的旋的旋转半径。半径。第23页/共36页24第七章第七章 垂直垂直轴风力力发电机机组7.2 7.2 7.2 7.2 升力型升力型风轮输出功率出功率计算算 因此，因此，风力机力机风轮组合力矩合力矩为叶片和支架力矩之和叶片和支架力矩之和T T=T TB B+T TZ Z，风力机力机风轮的的风能利用系数可以利用合力矩能利用系数可以利用合力矩计算算为：在在风轮旋旋转时，除了叶片上作用有力矩外，支架也，除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。

20、其定表示。其定义与叶片力矩一与叶片力矩一样，表示，表示为：第24页/共36页25第七章第七章 垂直垂直轴风力力发电机机组7.3 7.3 7.3 7.3 垂直垂直轴风力机的关力机的关键参数参数一、叶片的一、叶片的实度度1.1.定定义：叶片弦：叶片弦长之和与之和与风轮旋旋转半径半径R R的的圆周周长之比。之比。第25页/共36页26第七章第七章 垂直垂直轴风力力发电机机组7.3 7.3 7.3 7.3 垂直垂直轴风力机的关力机的关键参数参数2 2、叶片、叶片实度度对风轮性能的影响性能的影响 左左图为叶片叶片实度度对风能能利用系数的影响。从利用系数的影响。从图中中可以看出，当可以看出，当实度增加度增

21、加时，风轮获得的最大功率的叶得的最大功率的叶尖速比尖速比变小；相反小；相反实度减度减小小时，风轮获得最大得最大风能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。第26页/共36页27第七章第七章 垂直垂直轴风力力发电机机组7.3 7.3 7.3 7.3 垂直垂直轴风力机的关力机的关键参数参数 从从图中中还可以看出，叶可以看出，叶片片实度减小，在最佳叶尖速度减小，在最佳叶尖速比附近，比附近，风轮风能利用系数能利用系数C CP P值也也较高；相反，叶片高；相反，叶片实度增加后，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值范范围变窄。窄。根据此根据此规律，律，为了改善了改

22、善升力性垂直升力性垂直轴风轮的起的起动性性能，可以适当增加能，可以适当增加实度。度。第27页/共36页28第七章第七章 垂直垂直轴风力力发电机机组7.4 7.4 7.4 7.4 垂直垂直轴风轮的翼型的翼型一、垂直一、垂直轴风力机的叶片翼型必力机的叶片翼型必须具有的特性具有的特性1.1.较大的升力系数；大的升力系数；2.2.较小的阻力系数；小的阻力系数；3.3.阻力系数要阻力系数要对称于零升力角；称于零升力角；4.4.负的的纵向向摇动力矩系数大。力矩系数大。二、垂直二、垂直轴风力机的主要翼型力机的主要翼型 目前目前为止用于止用于VAWTVAWT上的翼型主要有上的翼型主要有NACA0018NACA

23、0018、NACA0015NACA0015、NACA0012NACA0012、SNLZSNLZ和和S S系列翼型。系列翼型。第28页/共36页29第七章第七章 垂直垂直轴风力力发电机机组7.5 7.5 7.5 7.5 垂直垂直轴风力机力机实例例 左左图给出了加拿大出了加拿大DominingDomining制制铝公司公司(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直轴风力机，力机，风力赤道直径力赤道直径为，风力最大力最大输出功率出功率为6.1kW,6.1kW,在在8m/s8m/s风速下速下为。主。主要由叶片、主要由叶片、主轴、增速器、增速器、联轴器、制器、制动器、器

24、、发电机、机、塔架、拉索和控制塔架、拉索和控制盘等等组成。成。第29页/共36页30第七章第七章 垂直垂直轴风力力发电机机组7.6 7.6 7.6 7.6 与水平与水平轴比比较与水平与水平轴风轮相比，垂直相比，垂直轴风轮的空气的空气动力学特性有本力学特性有本质区区别。最佳。最佳风能利用系数在相能利用系数在相对较低的叶尖速比下低的叶尖速比下获得。得。还有几个其他方面表明有几个其他方面表明VAWTVAWT优于于现在的在的HAWTHAWT技技术：1.1.噪声。噪声。2.2.鸟类。3.3.人工安全性。人工安全性。4.4.维护成本。成本。5.5.审美。美。6.6.容易安装。容易安装。第30页/共36页3

25、1第七章第七章 垂直垂直轴风力力发电机机组7.7 7.7 7.7 7.7 垂直垂直轴风力机存在的力机存在的问题 垂直垂直轴风力机尽管具有力机尽管具有许多水平多水平轴风力机不具力机不具备的的优点，但也存在一些点，但也存在一些难以解决的技以解决的技术难题：1.1.达里厄垂直达里厄垂直轴风力机不能力机不能变桨，起，起动较为困困难。2.2.达里厄垂直达里厄垂直轴风力机的力机的风能效率仍然低于水平能效率仍然低于水平轴风力机力机 的效率。的效率。3.3.打蛋形达里厄叶片的各部位距打蛋形达里厄叶片的各部位距转动中心的半径不同，中心的半径不同，难以做到按不同以做到按不同风速速变换叶片攻角和叶片弦叶片攻角和叶片

26、弦长。4.4.垂直垂直轴风力机的力机的轴较长，在加工和制造上，在加工和制造上较为困困难。5.5.垂直垂直轴风力机的力机的转速和功率控制速和功率控制较水平水平轴的的难以以实现。6.6.垂直垂直轴风力机叶力机叶轮靠地面靠地面较近，受剪切近，受剪切风的影响的影响较大。大。第31页/共36页32第七章第七章 垂直垂直轴风力力发电机机组7.6 7.6 7.6 7.6 与水平与水平轴比比较与水平与水平轴风轮相比，垂直相比，垂直轴风轮的空气的空气动力学特性有本力学特性有本质区区别。最佳。最佳风能利用系数在相能利用系数在相对较低的叶尖速比下低的叶尖速比下获得。得。还有几个其他方面表明有几个其他方面表明VAWT

27、VAWT优于于现在的在的HAWTHAWT技技术：1.1.噪声。噪声。2.2.鸟类。3.3.人工安全性。人工安全性。4.4.维护成本。成本。5.5.审美。美。6.6.容易安装。容易安装。第32页/共36页33第七章第七章 垂直垂直轴风力力发电机机组思考思考思考思考题题1.1.风能大小与哪些因素有关系？能大小与哪些因素有关系？答：答：风能大小与气流通能大小与气流通过的的扫风面面积、空气密度和气、空气密度和气流的速度有关系。流的速度有关系。2.2.简述失速控制型述失速控制型风轮的的优缺点。缺点。答：答：优点。（点。（1 1）叶片与）叶片与轮毂之之间无运无运动部件，部件，轮毂结构构简单、费用低；（用低

28、；（2 2）没有功率）没有功率调节系系统的的维护费；（3 3）在失速后功率的波）在失速后功率的波动相相对小。小。缺点缺点：（：（1 1）气气动刹刹车系系统可靠性可靠性设计和制造要求高；和制造要求高；（2 2）叶片、机）叶片、机舱和塔架上的和塔架上的动态荷荷载高；（高；（3 3）起）起动性性差；（差；（4 4）机）机组承受的承受的风荷荷载大。大。第33页/共36页34第七章第七章 垂直垂直轴风力力发电机机组思考思考思考思考题题2.2.简述述变桨距控制型距控制型风轮的的优缺点。缺点。答：答：优点。（点。（1 1）起）起动性好；（性好；（2 2）刹）刹车结构构简单，叶片，叶片顺桨后后风轮转速可以逐速

29、可以逐渐降低；（降低；（3 3）额定点以前的定点以前的输出功率出功率饱满；（；（4 4）额定点以后的定点以后的输出功率平滑；（出功率平滑；（5 5）风轮叶根承受静、叶根承受静、动态荷荷载小。小。缺点缺点：（：（1 1）由于叶片有由于叶片有变桨距机构、距机构、轮毂较复复杂、可、可靠性靠性设计要求高，要求高，维护费用高；（用高；（2 2）功率）功率调节系系统复复杂、费用高。用高。第34页/共36页35第七章第七章 垂直垂直轴风力力发电机机组思考思考思考思考题题3.3.常用的常用的轮毂形式有哪几种及其特点。形式有哪几种及其特点。答：答：刚性性轮毂。特点：制造成本低、。特点：制造成本低、维护少、没有磨少、没有磨损、三叶片三叶片风轮大部分采用大部分采用刚性性轮毂，也是目前使用最广泛，也是目前使用最广泛的一种形式。的一种形式。铰链式式轮毂。特点：常用于。特点：常用于单叶片和二叶片叶片和二叶片风轮，铰链轴和叶片和叶片轴及及风轮旋旋转轴相互垂直，叶片在相互垂直，叶片在挥舞方向，舞方向，摆振方向和扭振方向和扭转方向上都可以自由活方向上都可以自由活动，也可称，也可称为柔性柔性轮毂。第35页/共36页感谢您的观看！第36页/共36页