垂直軸風力發(fā)電原理介紹演示文稿

垂直軸風力發(fā)電原理介紹演示文稿本文檔共34頁；當前第1頁；編輯于星期三\3點17分§7.1垂直軸風力機的類型1、阻力型垂直軸風力機 阻力型風力機是由于風力機的葉片在迎風方向形狀不對稱，引起空氣阻力不同，從而產(chǎn)生一個繞中心軸的力矩，使風輪轉(zhuǎn)動。杯式風速計是最簡單的阻力型垂直軸風力機。第七章垂直軸風力發(fā)電機組一、分類按照空氣動力學(xué)工作原理分為阻力型升力型2本文檔共34頁；當前第2頁；編輯于星期三\3點17分第七章垂直軸風力發(fā)電機組§7.1垂直軸風力機的類型1.1阻力差型垂直軸風力機 定義：利用葉片在順風和逆風時受風面形狀不同而產(chǎn)生不同的阻力系數(shù)，來驅(qū)動風輪旋轉(zhuǎn)的風力機。設(shè)葉片葉尖的線速度為V，風速為V1，葉片表面積為A，則風作用于葉片凹形面的阻力為：逆風阻力：式中：CT1、CT2為凹面和凸面的阻力系數(shù)3本文檔共34頁；當前第3頁；編輯于星期三\3點17分第七章垂直軸風力發(fā)電機組§7.1垂直軸風力機的類型假定CT1、CT2為常數(shù)時，則可得到風杯式風輪的功率輸出：則風能利用系數(shù)為：4本文檔共34頁；當前第4頁；編輯于星期三\3點17分第七章垂直軸風力發(fā)電機組§7.1垂直軸風力機的類型

與平板式垂直軸風力機類似，當時，CP取最大值。通過計算求得，當可取得最大風能利用系數(shù)。5本文檔共34頁；當前第5頁；編輯于星期三\3點17分第七章垂直軸風力發(fā)電機組§7.1垂直軸風力機的類型

阻力差型風力機也屬于阻力型風力機，其葉片在空氣阻力的推動下旋轉(zhuǎn)，且最佳葉尖速比位于0~1范圍內(nèi)。通過功率計算式可以發(fā)現(xiàn)，為了使阻力差型風力機獲得最大的功率，可以利用增大葉片的順風阻力系數(shù)或者減少逆風阻力系數(shù)。通常有以下典型結(jié)構(gòu)：半球形葉片，CT1達1.33，CT2僅為0.34；半圓柱形葉片的CT1達2.3，而CT2僅為1.2。6本文檔共34頁；當前第6頁；編輯于星期三\3點17分1.2S型的Savonius風力機

S型風力機是阻力型風力機中的經(jīng)典型式，當風吹向葉輪時，由于葉片迎風面形狀不同，有F1>F2，產(chǎn)生力矩M，驅(qū)動風輪做逆時針方向旋轉(zhuǎn)(俯視情況下)。S型風力機外形第七章垂直軸風力發(fā)電機組§7.1垂直軸風力機的類型7本文檔共34頁；當前第7頁；編輯于星期三\3點17分

置于速度為v的風中的風力機，在風速v作用下，凹葉片以速度u被推向后方運動，那么葉片處的相對風速可表示為v-u，而凸葉片的相對風速為v+u，葉片所受阻力F1、F2如下：阻力型風力機受力模型

風力機的功率P等于阻力F與風力機葉片受推力產(chǎn)生的速度u之積：

由于Cd>>Cd’，v>>u，省去式中的后一項：第七章垂直軸風力發(fā)電機組8本文檔共34頁；當前第8頁；編輯于星期三\3點17分

取風速減少率可得：

其中E為輸入風能，令即：

表明葉片沒有做功，所以：解得：若則它可能達到的最大功率系數(shù)為

第七章垂直軸風力發(fā)電機組9本文檔共34頁；當前第9頁；編輯于星期三\3點17分第七章垂直軸風力發(fā)電機組§7.1垂直軸風力機的類型某風力機的性能曲線

阻力型風力機的風能利用系數(shù)較低，故很少用于發(fā)電。轉(zhuǎn)速決定了輸出功率的大小，風輪只有在最佳轉(zhuǎn)速下才能獲得最佳風力機輸出功率，如圖所示，給出了某阻力型風輪的功率輸出與葉尖速比的關(guān)系曲線。圖中可以看出，葉尖速比為0.4時，輸出功率最大；葉尖速比0.3~0.4為高效運行區(qū)域。10本文檔共34頁；當前第10頁；編輯于星期三\3點17分二、升力型垂直軸風力機主要指法國的科學(xué)家達里厄發(fā)明的達里厄式風輪。風輪由固定的數(shù)枚葉片組成，繞垂直軸旋轉(zhuǎn)。第七章垂直軸風力發(fā)電機組

達里厄風力發(fā)電機組可分為直葉片和彎葉片兩種，葉片的翼形剖面多為對稱翼形，其中以H型和Φ型風力機組最為典型。§7.1垂直軸風力機的類型11本文檔共34頁；當前第11頁；編輯于星期三\3點17分升力型風力機工作原理

來流風速v是恒定的，風輪運轉(zhuǎn)中該橫截面各翼型的切向速度u的大小相等，而方向不同，它們與相對速度w一起構(gòu)成了各翼型的速度三角形。w與葉片弦線的夾角是有效攻角。對葉片在不同方位的速度三角形的研究表明，除了當葉片處于與風向平行或近似平行的位置外，在其它方位的氣動力都產(chǎn)生一個驅(qū)動風輪旋轉(zhuǎn)的力矩。第七章垂直軸風力發(fā)電機組§7.1垂直軸風力機的類型12本文檔共34頁；當前第12頁；編輯于星期三\3點17分垂直軸風力發(fā)電機組同水平軸機組一樣，也主要由風力機、齒輪箱、發(fā)電機等組成。

(a)結(jié)構(gòu)簡圖

(b)實際機組垂直軸風力發(fā)電機組第七章垂直軸風力發(fā)電機組13本文檔共34頁；當前第13頁；編輯于星期三\3點17分第七章垂直軸風力發(fā)電機組§7.1垂直軸風力機的類型

左圖給出了達里厄風輪單葉片在宣州一周內(nèi)各部位角度的力矩系數(shù)。從圖中可以看出，不同位置具有不同的速度三角形，且葉片在絕大部分區(qū)域所受的空氣動力將產(chǎn)生一個正的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，只有在90°和270°附近，翼型的弦線與風向平行時，阻力和升力比值交大，表現(xiàn)為負轉(zhuǎn)矩，降低了風能利用系數(shù)。14本文檔共34頁；當前第14頁；編輯于星期三\3點17分第七章垂直軸風力發(fā)電機組§7.1垂直軸風力機的類型左圖給出了兩葉片和三葉片的達里厄風力機的力矩系數(shù)隨轉(zhuǎn)角變化的曲線圖。圖中可以看出，在葉片力矩的疊加下，葉片的力矩系數(shù)與單葉片產(chǎn)生較大的區(qū)別，三葉篇產(chǎn)生的總力矩系數(shù)很少有負力矩產(chǎn)生，隨著葉尖速比的增加而越加明顯。15本文檔共34頁；當前第15頁；編輯于星期三\3點17分優(yōu)點

1）壽命長，易維護安裝葉片在旋轉(zhuǎn)過程中由于慣性力與重力的方向恒定，因此疲勞壽命長；可以放在風輪下部很遠甚至在地面上，便于安裝與維護。2）利于環(huán)保水平軸風輪的尖速比一般在5~10,這樣的低轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的氣動噪聲很小，甚至可以達到靜音的效果。低噪音和美觀外形等多種優(yōu)點是水平軸風力發(fā)電機難以比擬的。三、垂直軸風力機的特點第七章垂直軸風力發(fā)電機組§7.1垂直軸風力機的類型16本文檔共34頁；當前第16頁；編輯于星期三\3點17分3）無需偏航對風不需要迎風調(diào)節(jié)系統(tǒng),可以接受任何方向來風,吸收任意方向來的風能量，主軸永遠向設(shè)計方向轉(zhuǎn)動。這樣使結(jié)構(gòu)設(shè)計簡化，構(gòu)造緊湊，活動部件少于水平軸風力機，提高了可靠性。4）葉片制造工藝簡單可以設(shè)計成低轉(zhuǎn)速多葉片構(gòu)造,這將大大地降低風力機對于葉片材質(zhì)的要求。不單如此，葉片是以簡支梁或多跨連續(xù)梁的力學(xué)模型架設(shè)在風力機的轉(zhuǎn)子上的，這有利于降低對于風力機材質(zhì)的要求。第七章垂直軸風力發(fā)電機組§7.1垂直軸風力機的類型17本文檔共34頁；當前第17頁；編輯于星期三\3點17分缺點

1）風能利用率

S型風力發(fā)電機,理想狀態(tài)下的風能利用系數(shù)為15%左右,而達里厄型風力發(fā)電機在理想狀態(tài)下的風能利用系數(shù)也不到40%。其他結(jié)構(gòu)形式的垂直軸風力發(fā)電機的風能利用系數(shù)也較低。2）起動風速起動性能差,特別對于達里厄式Ф型風輪,完全沒有自啟動能力,并且調(diào)速、限速困難，這是限制垂直軸風力發(fā)電機應(yīng)用的一個重要原因。第七章垂直軸風力發(fā)電機組§6.1垂直軸風力機的類型18本文檔共34頁；當前第18頁；編輯于星期三\3點17分第七章垂直軸風力發(fā)電機組§7.2升力型風輪輸出功率計算一、均勻流管理論

均勻流管理論即認為風速均勻不變的穿過風輪，在風輪尾流風速也保持均勻不變。但風作用在風輪上，風輪獲得風能的同時，也對風產(chǎn)生反作用。研究精度不高。19本文檔共34頁；當前第19頁；編輯于星期三\3點17分第七章垂直軸風力發(fā)電機組§7.2升力型風輪輸出功率計算二、單一流管理論單一流管理論將升力型風輪前后流場看作是一個流管。20本文檔共34頁；當前第20頁；編輯于星期三\3點17分第七章垂直軸風力發(fā)電機組§7.2升力型風輪輸出功率計算

當風速為V∞，在風輪的作用下，風輪內(nèi)風速變?yōu)閂m；當風穿過風輪后尾流的風速為Vn。如果風輪旋轉(zhuǎn)面內(nèi)氣流的誘導(dǎo)系數(shù)用a表示，則風速Vm表示為：風輪上的阻力Fx為：聯(lián)合上述兩式可求得誘導(dǎo)系數(shù)a為：其中，CFX為阻力系數(shù)21本文檔共34頁；當前第21頁；編輯于星期三\3點17分第七章垂直軸風力發(fā)電機組§7.2升力型風輪輸出功率計算

為求解阻力系數(shù)CFX，定義氣流通過葉片時的相對速度為VR，來流風速為V∞，旋轉(zhuǎn)半徑為R，旋轉(zhuǎn)角速度為ω，風速與固定葉片支架角度為φ，葉片安裝角為θ，葉片入流角為ψ，葉片迎角為α。且定義無量綱參數(shù)，。22本文檔共34頁；當前第22頁；編輯于星期三\3點17分第七章垂直軸風力發(fā)電機組§7.2升力型風輪輸出功率計算

設(shè)升力系數(shù)為CL，阻力系數(shù)為CD，葉片個數(shù)為n，葉片長為lb，對葉片旋轉(zhuǎn)一周積分可得各阻力系數(shù)為：可求得誘導(dǎo)系數(shù)a為：23本文檔共34頁；當前第23頁；編輯于星期三\3點17分第七章垂直軸風力發(fā)電機組§7.2升力型風輪輸出功率計算

利用誘導(dǎo)系數(shù)a的計算式、相對流入速度及表征空氣動力學(xué)特性的3個系數(shù)：升力系數(shù)CL、阻力系數(shù)CD和扭矩系數(shù)CM，求得力矩系數(shù)CT：

作用于葉片的力矩系數(shù)CT是由作用于葉片上的力矩來定義的，其中，R為風輪的旋轉(zhuǎn)半徑。24本文檔共34頁；當前第24頁；編輯于星期三\3點17分第七章垂直軸風力發(fā)電機組§7.2升力型風輪輸出功率計算

因此，風力機風輪組合力矩為葉片和支架力矩之和T=TB+TZ，風力機風輪的風能利用系數(shù)可以利用合力矩計算為：

在風輪旋轉(zhuǎn)時，除了葉片上作用有力矩外，支架也產(chǎn)生力矩，用TZ表示。其定義與葉片力矩一樣，表示為：25本文檔共34頁；當前第25頁；編輯于星期三\3點17分第七章垂直軸風力發(fā)電機組§7.3垂直軸風力機的關(guān)鍵參數(shù)一、葉片的實度1.定義：葉片弦長之和與風輪旋轉(zhuǎn)半徑R的圓周長之比。26本文檔共34頁；當前第26頁；編輯于星期三\3點17分第七章垂直軸風力發(fā)電機組§7.3垂直軸風力機的關(guān)鍵參數(shù)2、葉片實度對風輪性能的影響

左圖為葉片實度對風能利用系數(shù)的影響。從圖中可以看出，當實度增加時，風輪獲得的最大功率的葉尖速比變??；相反實度減小時，風輪獲得最大風能利用系數(shù)的葉尖速比系數(shù)增加。27本文檔共34頁；當前第27頁；編輯于星期三\3點17分第七章垂直軸風力發(fā)電機組§7.3垂直軸風力機的關(guān)鍵參數(shù)

從圖中還可以看出，葉片實度減小，在最佳葉尖速比附近，風輪風能利用系數(shù)CP值也較高；相反，葉片實度增加后，隨葉尖速比附近的高CP值范圍變窄。根據(jù)此規(guī)律，為了改善升力性垂直軸風輪的起動性能，可以適當增加實度。28本文檔共34頁；當前第28頁；編輯于星期三\3點17分第七章垂直軸風力發(fā)電機組§7.4垂直軸風輪的翼型一、垂直軸風力機的葉片翼型必須具有的特性1.較大的升力系數(shù)；2.較小的阻力系數(shù)；3.阻力系數(shù)要對稱于零升力角；4.負的縱向搖動力矩系數(shù)大。二、垂直軸風力機的主要翼型

目前為止用于VAWT上的翼型主要有NACA0018、NACA0015、NACA0012、SNLZ和S系列翼型。29本文檔共34頁；當前第29頁；編輯于星期三\3點17分第七章垂直軸風力發(fā)電機組§7.5垂直軸風力機實例

左圖給出了加拿大Domining制鋁公司(DAF）建造的商用雙葉片打蛋器形垂直軸風力機，風力赤道直徑為6.0m，風力最大輸出功率為6.1kW,在8m/s風速下為2.58kW。主要由葉片、主軸、增速器、聯(lián)軸器、制動器、發(fā)電機、塔架、拉索和控制盤等組成。30本文檔共34頁；當前第30頁；編輯于星期三\3點17分第七章垂直軸風力發(fā)電機組§7.6與水平軸比較與水平軸風輪相比，垂直軸風輪的空氣動力學(xué)特性有本質(zhì)區(qū)別。最佳風能利用系數(shù)在相對較低的葉尖速比下獲得。還有幾個其他方面表明VAWT優(yōu)于現(xiàn)在的HAWT技術(shù)：1.噪聲。2.鳥類。3.人工安全性。4.維護成本。5.審美。6.容易安裝。31本文檔共34頁；當前第31頁；編輯于星期三\3點17分第七章垂直軸風力發(fā)電機組§7.7垂直軸風力機存在的問題

垂直軸風力機盡管具有許多水平軸風力機不具備的優(yōu)點，但也存在一些難以解決的技術(shù)難題：1.達里厄垂直軸風力機不能變槳，起動較為困難。。2.達里厄垂