垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)

1目錄4.1垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本概念4.2垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理分析4.3垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)4.4垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最新應(yīng)用及發(fā)展前景24.1垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本概念幾種垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)3垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分類阻力型1922年，芬蘭工程師S.J.Savonius發(fā)明

4升力型法國(guó)工程師G.J.M.Darrieus發(fā)明，并于1931年向美國(guó)專利局申請(qǐng)了專利

5Darrieus型風(fēng)機(jī)葉片形狀采用的TroPoskien曲線（希臘文轉(zhuǎn)繩）直至20世紀(jì)70年代初，加拿大國(guó)家科學(xué)研究委員會(huì)(NRC)的工程師R·S·Rangi和P.South再次提出類似于G.J.M.Darrieus的設(shè)計(jì)概念，并對(duì)直徑為4.2米和3.6米的Darrieus風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，人們才逐漸認(rèn)識(shí)到Darrieus型風(fēng)機(jī)的優(yōu)越性。

61986年，在加拿大魁北克安裝了一臺(tái)直徑64米的Darrieus型Eole（風(fēng)神）風(fēng)機(jī)，該風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)額定功率為4MW

7自20世紀(jì)70年代起，Darrieus風(fēng)機(jī)開始受到美國(guó)宇航局的重視，美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室對(duì)Darrieus風(fēng)機(jī)性能的研究和發(fā)展做了大量的工作：1974年設(shè)計(jì)了一個(gè)直徑5米的風(fēng)機(jī)模型，測(cè)試了葉片翼型、實(shí)度等對(duì)葉輪性能的影響；1977年對(duì)直徑17米，額定功率為60kW的試驗(yàn)風(fēng)機(jī)進(jìn)行了性能測(cè)試8Darrieus風(fēng)機(jī)在美國(guó)向大型化發(fā)展的標(biāo)志是1987年由Sandia實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)建造的Sandia-DOE風(fēng)機(jī)，該風(fēng)機(jī)直徑34米，額定功率625kW，且葉片首次采用變截面形式(根部為NACA0021翼型，中部為SAND0018/50翼型）9Darrieus型風(fēng)機(jī)在工程中得到廣泛應(yīng)用，許多公司相繼成立，如美國(guó)的Flowind公司、VAWTPower公司、加拿大的Adecon公司、Lavalin公司等（FlowindCorporation是美籍華人鮑亦和博士于1981年創(chuàng)立的。有翻譯成福祿風(fēng)電公司，也有翻譯成浮海風(fēng)電公司的）。10達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)的形式葉片材料承受力差異風(fēng)能利用率差異11升阻復(fù)合型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組14我國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的雙型垂直軸風(fēng)電機(jī)組15垂直軸風(fēng)電機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)無需偏航系統(tǒng)大型機(jī)組設(shè)備可放置在地面，大幅降低安裝與維護(hù)費(fèi)用，且機(jī)組整體穩(wěn)定性好葉片多采用等截面翼型，制造工藝簡(jiǎn)單，造價(jià)低采用Troposkien曲線形狀，葉片僅受沿展向的張力垂直軸風(fēng)電機(jī)組的缺點(diǎn)風(fēng)能利用率低起動(dòng)風(fēng)速高機(jī)組品種少，產(chǎn)品質(zhì)量差增速結(jié)構(gòu)復(fù)雜164.2垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理分析垂直軸風(fēng)力機(jī)的工作原理阻力型風(fēng)力機(jī)的工作原理風(fēng)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力F17升力型風(fēng)力機(jī)的工作原理18

DarrieusΦ型風(fēng)輪典型結(jié)構(gòu)19上、下葉片連接及部分軸承裝配20垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片翼型傳統(tǒng)風(fēng)力機(jī)翼型傳統(tǒng)風(fēng)力機(jī)葉片翼型一般沿用航空翼型。最常用同時(shí)也是最具代表性的傳統(tǒng)風(fēng)力機(jī)翼型是NACA系列翼型NACA系列翼型是二十世紀(jì)三十年代末四十年代初由美國(guó)國(guó)家宇航局(縮寫NASA)前身國(guó)家航空咨詢委員會(huì)(縮寫NACA)提出的。NACA

系列翼型由基本厚度翼型和中弧線迭加而成NACA四位數(shù)字翼型族對(duì)稱翼型有彎度翼型NACAABCDA：最大相對(duì)彎度的百倍B:最大彎度相對(duì)位置的十倍數(shù)值CD：最大相對(duì)厚度的百倍數(shù)值

21NACA五位數(shù)字翼型族中弧線最大彎度相對(duì)位置離開弧線中點(diǎn)，無論是前移還是后移，對(duì)提高翼型最大升力系數(shù)都有好處NACAABCDEA：A乘以3/20就等于設(shè)計(jì)升力系數(shù)

B:最大彎度相對(duì)位置的20倍數(shù)值C：中弧線后段的類型，“0”表示直線，“1”表示反彎度曲線

DE:最大相對(duì)厚度的百倍數(shù)值

22NACA四、五位數(shù)字修改翼型族NACAABCD-FGNACAABCDE-FGNACA層流翼型使翼面上的最低壓力點(diǎn)盡量后移，以增加層流附面層的長(zhǎng)度，降低翼型的摩擦阻力厚度分布和中弧線分開設(shè)計(jì)中弧線形狀是載荷分布設(shè)計(jì)的，從前緣到某點(diǎn)載荷是常數(shù)，從這點(diǎn)到尾緣載荷線性降低到零F：前緣半徑大小

G:最大厚度相對(duì)位置的十倍數(shù)值

23風(fēng)力機(jī)專用翼型美國(guó)的NREL-S系列翼型美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)在1984年開始主持研發(fā)具有對(duì)粗糙度不敏感的最大升力系數(shù)24丹麥的RIS-A系列翼型25瑞典的FFA-W系列翼型26荷蘭的DU系列翼型27垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片翼型特性升力系數(shù)大；阻力系數(shù)小；阻力系數(shù)要對(duì)稱于零升力角

負(fù)的縱向搖動(dòng)力矩系數(shù)大28垂直軸風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能研究進(jìn)展流管法Templin于1974年第一個(gè)提出了基于動(dòng)量定理的單盤面單流管模型將風(fēng)機(jī)葉輪簡(jiǎn)化為被一個(gè)流管包圍的盤面(ActuatorDisk)，并假設(shè)整個(gè)盤面上葉片誘導(dǎo)速度均勻分布，將所有葉片經(jīng)過流管上游區(qū)域和下游區(qū)域的作用力之和作為該流管上的外力，應(yīng)用動(dòng)量定理建立聯(lián)系這一外力和流管動(dòng)量變化的方程式，從而求解出誘導(dǎo)速度，然后計(jì)算葉輪的氣動(dòng)性能1975年Strickland提出的單盤面多流管模型1981年，Paraschivoiu提出了雙盤面多流管模型1990年，sharpe對(duì)Paraschivoiu

提出的雙盤面多流管模型進(jìn)行了改進(jìn)29基于動(dòng)量定理的流管模型在一定速比、密實(shí)度和載荷范圍內(nèi)能夠有效地預(yù)測(cè)風(fēng)機(jī)葉輪的總體氣動(dòng)性能流管模型簡(jiǎn)單快捷，便于工程應(yīng)用，在垂直軸風(fēng)機(jī)葉輪氣動(dòng)性能預(yù)測(cè)上得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展流管法由于其模型本身的局限性，也存在一些不足不太適用于計(jì)算較高速比、密實(shí)度和載荷情況下的風(fēng)機(jī)葉輪的氣動(dòng)性能，在大速比情況下，動(dòng)量方程求解容易發(fā)散，從而得不到誘導(dǎo)速度動(dòng)量定理模型忽略了垂直來流方向的誘導(dǎo)速度，在求解風(fēng)機(jī)葉輪側(cè)向受力時(shí)有一定的困難不能精確地計(jì)算流場(chǎng)細(xì)節(jié)，因而無法準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)風(fēng)機(jī)葉片的非定常特性和瞬時(shí)載荷。30渦方法Wilson提出的VortexSheet模型31Strickland等人提出的V-DART模型32D.vandenberghe和E.Dick于1987年提出另一種自由渦模型2001年，阿根廷的Ponta和Jacovkis提出了FEVDTM模型

33垂直軸風(fēng)機(jī)葉輪氣動(dòng)性能模型344.3垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)垂直軸風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)整機(jī)的氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)總體布局設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠性與安全設(shè)計(jì)各零部件與系統(tǒng)的方案選擇35風(fēng)輪設(shè)計(jì)掃掠面積達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪質(zhì)量和成本與風(fēng)輪直徑的三次方成正比36高徑比風(fēng)輪高度與直徑的比值小高徑比的低速力矩較高，整個(gè)驅(qū)動(dòng)部分的成本大幅提高，同時(shí)葉片重力產(chǎn)生的應(yīng)力也會(huì)增加大高徑比對(duì)風(fēng)輪強(qiáng)度、材料與支撐固定系統(tǒng)的要求也增加對(duì)于直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)，其高徑比一般選擇為0.5～3.0實(shí)度所有葉片在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面上的投影面積之和與風(fēng)輪掃掠面積的比37葉片設(shè)計(jì)葉片翼型葉片個(gè)數(shù)葉片材料與結(jié)構(gòu)中央支柱與水平支架設(shè)計(jì)密封圓管桁架結(jié)構(gòu)拉索設(shè)計(jì)38垂直軸風(fēng)電機(jī)組實(shí)驗(yàn)原型實(shí)驗(yàn)與模型實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)3940可視化實(shí)驗(yàn)獲得風(fēng)力機(jī)周圍流場(chǎng)的直觀顯示壁面顯示法、絲線法、示蹤法和光學(xué)法等煙線法是風(fēng)力機(jī)可視化實(shí)驗(yàn)的常用方法粒子圖像測(cè)速法（PIV）和粒子跟蹤測(cè)速法（PTV）等先進(jìn)的可視化