垂直轴风力机概述及发展优势剖析

第28卷,总第163期2010年9月,第5期

节能技术

ENERGY CONSERVAT I O N TEC HNOLOGY

V ol 28,Sum No 163

Sep 2010,No 5

垂直轴风力机概述及发展优势剖析

莫晓聃,李 涛

(昆明理工大学机电工程学院,云南 昆明 650093)

摘 要:本文简要介绍了垂直轴风力机的各种类型及其原理特点,然后对垂直轴风力机与水平

轴风力机在结构设计、空气动力学性能、环境的影响等多方面进行了比较,体现了垂直轴风力机的独有优势,并得出垂直轴风力机发展前景广阔的结论。

关键词:风力发电机;垂直轴;水平轴;比较;优势

中图分类号:TK83 文献标识码:A 文章编号:1002-6339(2010)05-0450-04

Types and D evel op m ent Advantages of V ertical AxisW i nd Turbi ne

MO X iao-dan ,LI Tao

(Kunm i n g Un iversity of Science and Techno l o gy ,Kunm i n g 650093,Ch i n a)

Abst ract :This thesis firstly g i v es a general i n tr oduction of vari o us types o f vertica l ax is w i n d turbines

character i s tics and opera ti o na l pri n c i p les .Besi d es ,by co mpari n g the vertical ax is w ind t u rb i n es w ith the horizonta l ax isw i n d turbi n es fro m the perspectives o f structural desi g n ,aer odyna m ic perfo r m ance and en vir onm enta l i m pac,t it can be concl u ded that severa l un i q ue advantages of the vertical ax isw ind turbines are the m ain reason to support t h e pro m isi n g deve l o p m ent of vertical ax is w i n d turbine i n future .K ey w ords :w i n d turbines ;vertical ax is ;horizontal ax is ;co m pare ;advantages

收稿日期 2010-04-26 修订稿日期 2010-08-25作者简介:莫晓聃(1984~),男,硕士研究生在读,研究方向为

垂直轴风力发电机的设计与性能优化。

0 引言

随着风能发电市场的不断扩大,加之现代风力发电技术的日臻完善以及由此产生的低成本化趋势,相对于常规能源而言,风力发电在一些地区已成为具有一定竞争力的新能源发电方式。甚至,与其它新能源发电方式,例如太阳能、生物质能(B io m ass ener gy)相比,风力发电有着更具经济性,更容易实现大规模商品化生产等诸多优势

[1]

。

由于风力机将风能转变为机械能的主要部件是受风力作用而旋转的风轮,因此风力机依风轮的结

构及其在气流中的位置通常分为两大类:一类是水平轴风力机(H or izontal Ax is W i n d Turbi n es ,HAWT );另一类是垂直轴风力机(V ertica l Ax is W i n d Tur b i n es ,VAWT)

[2]

。

水平轴风力机是传统机型,技术相对成熟,生产批量大,已经成为当今风力机的主流机型。但由于其启动风速高、工作噪音大、抗风能力差等先天性不足抑制了其进一步的开发,于是人们把发展的目光逐渐移向了启动风速低,气动噪音小,受风性能更好的垂直轴风力机。

1 垂直轴风力机的分类

垂直轴风车很早就被应用于人类的生活领域中,中国最早利用风能的形式就是垂直轴风车。根据其叶片类型不同,我们大致把垂直轴风力机分为

!

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以下五类:

(1)阻力差型风力机;(2)屏障型风力机;

(3)已被逐渐淘汰的风力机(机械损失大,效率低);

(4)具有周期变化迎角的固定叶片型风力机(升力型风力机);

(5)升阻互补型及其它类型风力机。1.1 阻力差型风力机

这类风力机由于本身是中心对称的,不需要调向装置,结构也非常简单。最常见的阻力差型风力机就是风杯式风速表(如图1)

。

图1 风杯式风速表

S 型风轮(Savoni u s)也是阻力差型风力机中较经典的一种,最初由芬兰工程师西吉尔特!萨冯尼斯(Sigurt Savon i u s)于1924年发明的,1929年登记专利

[3]

。基本结构是由两个轴线错开的半圆柱型叶

片组成(如图2)

。

图2 S 型风力机结构示意图

Lafond 涡轮风力机,最早由法国人蒙特佩利尔(M ontpeu i e r)发明,靠气流穿过风轮轮心产生推力差,从而使风轮转动(如图3)。1.2 屏障型风力机

为了减小风力机叶片在逆风时所受的阻力,有些研究者想出了在逆风叶片前放置可动屏障的办法

[4]

。当风向变化时,为了保证屏障总在转子旋转

逆风侧,在屏障后部加装尾舵,这样在任何风向下,

叶片转子都会只朝着一个方向旋转(如图4)

。

图3

涡轮式风力机

图4 屏障式风力机

1.3 已被逐渐淘汰的风力机

平板叶片型风力机,通常分为具有中心环和采用垂直档杆两种

[5]

。该机构的优点是不需要调向

机构,缺点是每转一周叶片都要撞击档杆一次,发出噪音而且容易碰坏,另外叶片不断的转动也加快了磨损(如图5),

现已被逐渐淘汰。

图5 平板叶片型风力机

旋转叶片型风力机,这种类型的风力机,叶片转速为风轮转速的一半,运动是由皮带滑轮或行星齿轮传动的,系统的调向是由风标控制,使叶片处于正确的迎风位置。由于机构复杂,需要用大量的滑轮或齿轮及连杆,因此机械损失很大,现已被逐渐淘汰。

1.4 具有周期变化迎角的固定叶片型风力机

法国学者达里厄(Darrieus)发明了这种类型的风轮,并于1931年获得专利权。风轮由固定连接的

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