垂直轴风力发电原理介绍演示文稿
阻力型垂直轴风力发电机
阻力型垂直轴风力发电机概述早在1300多年前，中国就已经出现一种古老的垂直轴风车，它利用风力来灌溉，如下图所示，它是由8个风帆组成的风轮。
而在1000年前，波斯也建造了垂直轴的风车来带动他们磨谷的石磨。
水平轴风力发电机最早出现在欧洲，要比垂直轴风力发电机晚很多年，所以垂直轴风力发电机可以称为所有风力发电机的先驱。
而垂直轴风力发电机根据驱动力的不同又可以分为升力型和阻力型垂直轴风力发电机，本文主要介绍阻力型垂直轴风力发电机。
1.阻力型风力发电机的工作原理阻力型垂直轴风力发电机风轮的转轴周围，有一对或者若干个凹凸曲面的叶片，当它们处于不同方位时，相对于它的来风方向所受的推力F是不同的。
风力作用于上述物体上的空气动力差别也很大。
作用力F可表示为：F=1/2?ρ?S·V??C其中ρ——空气密度，一般取1.25（kg/m?）S——风轮迎风面积V——来流风速C——空气动力系数以半球为例，当风吹到半球凹面一侧，c值为1.33，当风吹到半球凸面一侧时，c值为0.34。
对于柱面，当风吹向凹面和凸面时，系数c分别为2.3和1.2。
由于组成风轮的叶片不对称性和空气阻力的差异，风对风轮的作用就形成了绕转轴的驱动力偶，整个风轮随即转动。
阻力型风力发电机的种类及其性能1.杯式风速计是最简单的阻力型风力发电机。
fond风轮这是受到离心式风扇和水力机械中的banki涡轮启示而设计成的一种阻力推进型垂直轴风力发电机，它的名称是根据它的发明者——法国的lafond的名字而得名的。
这种叶片形状的凹面及凸面在受到风力作用后，空气阻力系数差别很大，加上叶片在风里运转时，先使气流吹向一侧，然后运动着的叶片又使气流流向另一侧，这样就产生了一个附加驱动力矩，故这种风轮有较大的启动力矩，它在风速2.5M/s时就能正常起动运转，但是效率较低，能量输出大概是同样迎风面积的水平轴风力发电机的一半。
3.savonius（萨沃尼斯）式风轮（简称“s”轮）这种风力发电机是在1924年由芬兰工程师savonius发明的，并于1929年获得专利。
风力发电机工作原理通用课件
应用领域的拓展
分布式发电
利用小型风力发电机组在家庭、工业和商业领域进行 分布式发电，降低对传统能源的依赖。
海上风电
随着技术的进步和规模化发展，海上风电将成为未来 风能发展的重要方向。
融合其他可再生能源
风能与其他可再生能源（如太阳能、地热能等）的综 合利用，实现多能互补和协同发展。
政策支持与市场前景
02
风力发电机的工作原理
风能转换原理
风能转换原理
风力发电机利用风能转换为机械能，再通过机械 能转换为电能。
风能捕获
风力发电机叶片捕获风能，将风能转换为旋转机 械能。
机械能转换
旋转机械能通过发电机转换为电能。
风能转换过程
风力发电机组
风力发电机组包括风力发电机、传动系统、发电机、控制系统等 部件。
齿轮箱
齿轮箱是风力发电机中的重要传 动部件，其主要功能是将主轴的 低速旋转转化为高速旋转，以驱
动发电机运转。
齿轮箱通常采用行星齿轮结构， 具有高传动效率和可靠性。
齿轮箱内部设有润滑系统，确保 其长期稳定运行。
发电机
01
发电机是风力发电机中的核心部件，其主要功能是 将机械能转化为电能。
02
发电机采用电磁感应原理，通过磁场和导线的相对 运动产生电流。
技术创新
技术创新是提高风能转换效率的 重要途径，如采用新型材料、改 进发电机技术等。
03
风力发电机的主要部件
叶片
叶片是风力发电机的重要组成部件， 其主要功能是捕捉风能并将其转换为 机械能。
叶片通过轮毂与主机轴连接，当风吹 过叶片时，叶片的旋转带动主机轴转 动。
叶片的长度和形状决定了风能转换的 效率，通常采用复合材料制成，具有 轻质、高强度和耐腐蚀的特性。
垂直轴式风力机课件
在CT1 = 3CT2的特殊情形下：
uopt
8 52/6
6
当CT2 = 0时
uopt / 3
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13
• 阻力差型风力机的还有S型风轮，它是由芬兰工程 师西吉尔特·萨冯尼斯（Sigurt Savonius）于1924年 发明的。
a）
b）
图3-20 S型风轮
图3-21 S型风轮叶型的几何特性
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我们取315度时的情况分析一下有阻力的情况，图 中黑色的矢量D为叶片受到的阻力，棕色的矢量F 是升力L与阻力D的合成力，该力在叶片前进方向 的分力M才是实际的转矩力，显然此时的转矩力明 显小于理想状况。
而且在180度 与270度附近 的角度内， 升力与阻力 的合成力产 生的是反向 转矩力
4 27
CT
若平板叶片的阻力系数CT =1.3，则它可能达 到的最大功率系数CP,max=5.2/27，与一般水平 轴风力机叶片的功率系数相比，明显偏低 。
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7
阻力型风力机叶片阻力 实际上是不断变化的， 它并不总处于最佳值。 旋转中叶片平面相对于 风速有个与旋转角度有 关的投影面，角度为 0º～90º时，投影面积由 0增加到叶片面积F，做 功阻力也由0增为最大； 其后，做功阻力下降， 至180º时阻力降为0；
风轮的扫掠面积S
Sh(2de)hD
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• S型风轮主要由中心轴线相互错开的两个半圆 柱形叶片组成（见图3-20）。顺风而动的凹面叶 片与凸面迎风的叶片间形成做功气流的通道，在 两叶片的引导下，气流发生转折，转折气流对凸 面迎风的叶片产生了与风向相反对作用力，从而 减少了该逆风叶片消耗的功。
图3-16 屏障式平板叶片风力机
4.1垂直轴风力发电机分类及原理
2
风力发电原理 主编及制作：刘赟
第四章 垂直轴风力发电机组
屏障平板式风力机
如图是屏障平板式风力机的叶片转子（风轮），在转轴上分布着六个平 板叶片，风轮转轴与地面垂直。当风吹向风叶转子时，转子并不会旋转，因 为风在转子两侧的阻力相同
风力发电原理 主编及制作：刘赟
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第四章 垂直轴风力发电机组
屏障平板式风力机
S 型 风 力 机 外 形
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风力发电原理 主编及制作：刘赟
第四章 垂直轴风力发电机组
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风力发电原理 主编及制作：刘赟
第四章 垂直轴风力发电机组
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 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 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 曲线。图中可以看出，叶尖速比为 0.4时，输出功率最大；叶尖速比 0.3~0.4为高效运行区域。
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风力发电原理 主编及制作：刘赟
第四章 垂直轴风力发电机组
屏障平板式风力机对风的利用效率不高，在叶尖速比为0.2至0.6时出力最 大。由于结构简单，增速箱与发电机可安装在地面，方便安装维护，适合在小 型风电应用。
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风力发电原理 主编及制作：刘赟
第四章 垂直轴风力发电机组
平板摆转式风力机
如图是平板摆转式风力机的叶片，在叶片一边有轴，把6个叶片装在风轮 支架上，叶片可绕叶片轴旋转，在风轮支架上有挡杆限止叶片的转动角度。风 轮支架中心是风轮轴。
风力发电原理 主编及制作：刘赟
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第四章 垂直轴风力发电机组
当风吹向风叶转子时，在上侧的叶片顺风摆动，对风不产生阻力；在下侧 的叶片在风力作用下，转向挡杆限定的位置，并继续受到风力的作用，于是风 轮就旋转起来。
垂直轴风力发电机
垂直轴风力发电机增加概述及概述图片垂直轴风力发电机在风向改变的时候无需对风，在这点上相对于水平轴风力发电机是一大优势，它不仅使结构设计简化，而且也减少了风轮对风时的陀螺力。
目录垂直轴风力发电机的分类垂直轴风力发电机发展风力发电设备行业的发展新型垂直轴风力发电机（H型）一、技术原理二、功率特性三、结构附：现有垂直轴风力发电电源比较：垂直轴风力发电机的特点现状垂直轴风力发电机的分类垂直轴风力发电机发展风力发电设备行业的发展新型垂直轴风力发电机（H型）一、技术原理二、功率特性三、结构附：现有垂直轴风力发电电源比较：垂直轴风力发电机的特点现状展开编辑本段垂直轴风力发电机的分类尽管风力发电机多种多样，但归纳起来可分为两类：①水平轴风力发电机，风轮的旋转轴与风向平行；②垂直轴风力发电机，风轮的旋转轴垂直于地面或者气流方向。
利用阻力旋转的垂直轴风力发电机有几种类型，其中有利用平板和被子做成的风轮，这是一种纯阻力装置；S型风车，具有部分升力，但主要还是阻力装置。
这些装置有较大的启动力矩，但尖速比低，在风轮尺寸、重量和成本一定的情况下，提供的功率输出低。
达里厄式风轮是法国G.J.M达里厄于19世纪30年代发明的。
在20世纪70年代，加拿大国家科学研究院对此进行了大量的研究，现在是水平轴风力发电机的主要竞争者。
达里厄式风轮是一种升力装置，弯曲叶片的剖面是翼型，它的启动力矩低，但尖速比可以很高，对于给定的风轮重量和成本，有较高的功率输出。
现在有多种达里厄式风力发电机，如Φ型，Δ型，Y型和H型等。
这些风轮可以设计成单叶片，双叶片，三叶片或者多叶片。
其他形式的垂直轴风力发电机有马格努斯效应风轮，他由自旋的圆柱体组成，当它在气流中工作时，产生的移动力是由于马格努斯效应引起的，其大小与风速成正比。
有的垂直轴风轮使用管道或者漩涡发生器塔，通过套管或者扩压器使水平气流变成垂直气流，以增加速度，偶写还利用太阳能或者燃烧某种燃料，是水平气流变成垂直方向的气流。
阻力型垂直轴风力发电机
阻力型垂直轴风力发电机概述早在1300多年前，中国就已经出现一种古老的垂直轴风车，它利用风力来灌溉，如下图所示，它是由8个风帆组成的风轮。
而在1000年前，波斯也建造了垂直轴的风车来带动他们磨谷的石磨。
水平轴风力发电机最早出现在欧洲，要比垂直轴风力发电机晚很多年，所以垂直轴风力发电机可以称为所有风力发电机的先驱。
而垂直轴风力发电机根据驱动力的不同又可以分为升力型和阻力型垂直轴风力发电机，本文主要介绍阻力型垂直轴风力发电机。
1.阻力型风力发电机的工作原理阻力型垂直轴风力发电机风轮的转轴周围，有一对或者若干个凹凸曲面的叶片，当它们处于不同方位时，相对于它的来风方向所受的推力F是不同的。
风力作用于上述物体上的空气动力差别也很大。
作用力F可表示为：F=1/2?ρ?S·V??C其中ρ——空气密度，一般取1.25（kg/m?）S——风轮迎风面积V——来流风速C——空气动力系数以半球为例，当风吹到半球凹面一侧，c值为1.33，当风吹到半球凸面一侧时，c值为0.34。
对于柱面，当风吹向凹面和凸面时，系数c分别为2.3和1.2。
由于组成风轮的叶片不对称性和空气阻力的差异，风对风轮的作用就形成了绕转轴的驱动力偶，整个风轮随即转动。
阻力型风力发电机的种类及其性能1.杯式风速计是最简单的阻力型风力发电机。
fond风轮这是受到离心式风扇和水力机械中的banki涡轮启示而设计成的一种阻力推进型垂直轴风力发电机，它的名称是根据它的发明者——法国的lafond的名字而得名的。
这种叶片形状的凹面及凸面在受到风力作用后，空气阻力系数差别很大，加上叶片在风里运转时，先使气流吹向一侧，然后运动着的叶片又使气流流向另一侧，这样就产生了一个附加驱动力矩，故这种风轮有较大的启动力矩，它在风速2.5M/s时就能正常起动运转，但是效率较低，能量输出大概是同样迎风面积的水平轴风力发电机的一半。
3.savonius（萨沃尼斯）式风轮（简称“s”轮）这种风力发电机是在1924年由芬兰工程师savonius发明的，并于1929年获得专利。
4.2垂直轴风力发电机原理
风力发电原理
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主编及制作：刘赟第四章ຫໍສະໝຸດ 垂直轴风力发电机组风力发电原理
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主编及制作：刘赟
第四章 垂直轴风力发电机组
风力发电原理
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主编及制作：刘赟
第四章 垂直轴风力发电机组
风力发电原理
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主编及制作：刘赟
风力发电原理
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主编及制作：刘赟
第四章 垂直轴风力发电机组
4.2 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 由固定的数枚叶片组成，绕垂直轴旋转。
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H型和Φ型风力机组最为
典型。
风力发电原理
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主编及制作：刘赟
达里厄风力机的自启动
叶片摆动
风力发电原理
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主编及制作：刘赟
第四章 垂直轴风力发电机组
达里厄风力机的自启动
叶片摆动
风力发电原理
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主编及制作：刘赟
第四章 垂直轴风力发电机组
升力型垂直轴风力机的调速
风力发电原理
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主编及制作：刘赟
第四章 垂直轴风力发电机组
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。
第四章 垂直轴风力发电机组
达里厄风力机的自启动
叶片摆动
风力发电原理
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主编及制作：刘赟
第四章 垂直轴风力发电机组
风力发电原理
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第四章 垂直轴风力发电机组
垂直轴风力发电机
垂直轴风力发电机在风向改变的时候无需对风，在这点上相对于水平轴风力发电机是一大优势，它不仅使结构设计简化，而且也减少了风轮对风时的陀螺力。
垂直轴风力发电机（vertical axis wind turbine VAWT）从分类来说，主要分为阻力型和升力型。
阻力型垂直轴风力发电机主要是利用空气流过叶片产生的阻力作为驱动力的，而升力型则是利用空气流过叶片产生的升力作为驱动力的。
由于叶片在旋转过程中，随着转速的增加阻力急剧减小，而升力反而会增大，所以升力型的垂直轴风力发电机的效率要比阻力型的高很多。
1.阻力型风力发电机的工作原理阻力型垂直轴风力发电机风轮的转轴周围，有一对或者若干个凹凸曲面的叶片，当它们处于不同方位时，相对于它的来风方向所受的推力F是不同的。
风力作用于上述物体上的空气动力差别也很大。
作用力F可表示为：F=1/2?ρ?S·V??C其中ρ——空气密度，一般取1.25（kg/m?）S——风轮迎风面积V——来流风速C——空气动力系数以半球为例，当风吹到半球凹面一侧，c值为1.33，当风吹到半球凸面一侧时，c值为0.34。
对于柱面，当风吹向凹面和凸面时，系数c分别为2.3和1.2。
由于组成风轮的叶片不对称性和空气阻力的差异，风对风轮的作用就形成了绕转轴的驱动力偶，整个风轮随即转动。
2.升力型垂直轴风力发电机原理在下面图中列举了从0度到315度八个位置的叶片，风从左边进入，浅蓝色的矢量v是风速、绿色的矢量u是叶片圆周运动的线速度反向（即无风时叶片感受到的气流速度）、蓝色的矢量w是叶片感受到的合成气流速度（即相对风速）、紫色的矢量L是叶片受到的升力。
我们分析一下叶片在这八个角度的受力情况，在90度与270度的位置，相对风速不产生升力，在其它六个位置上叶片受到的升力均能在运动方向产生转矩力，这也是达里厄风力机能在风力下旋转的道理。
实际上情况要复杂得多，前面分析图是理想状态，是在理想的叶尖速比与没有叶片的阻力时的状态。
垂直风力机原理
垂直风力机原理
垂直风力机是一种利用风能发电的装置，其原理是通过将风能转化为机械能，再进一步转化为电能。
垂直风力机的主要组成部分是垂直轴和叶片。
垂直轴通常是一个直立的柱状结构，可以固定在地面或者建筑物上。
叶片则安装在垂直轴上，可以通过风力的作用转动。
当风吹过垂直风力机的叶片时，风的动能会转化为叶片上的动能。
叶片的设计通常采用气动原理，使得风能尽可能地转化为机械能。
叶片的形状和角度可以影响转动效率和性能。
当叶片转动时，垂直轴也会随之转动。
垂直轴上通常安装有一个发电机，通过转动产生电能。
发电机可以是直接驱动式，也可以是间接驱动式。
垂直风力机的优点是可以在任何风向下进行发电，不需要面向风向。
同时，由于垂直轴和叶片的结构相对简单，维护和安装也相对容易。
另外，垂直风力机的外形紧凑，适合在城市和建筑物周围使用。
然而，垂直风力机的转动效率通常比水平风力机低，因此在同样的风能条件下，垂直风力机产生的电能较少。
此外，由于叶片在整个转动过程中都受到风力的作用，垂直风力机的结构相对于水平风力机来说更容易受到风力的损坏。
总的来说，垂直风力机利用垂直轴和叶片的结构将风能转化为机械能，再通过发电机转化为电能。
它具有一些优点，但也存在一些限制。
随着技术的进步，垂直风力机的效率和可靠性有望得到提升。
垂直轴风力机原理与设计
垂直轴风力机原理与设计
垂直轴风力机是一种可用于发电的新型清洁能源装置，它利用垂直导轴升力原理把通
过风力机叶片发生的空气动能变为机械能，再通过轴承和变速箱及其他传动元件转化为电
能进行发电。
具体来说，垂直轴风力机的叶片与传统水平轴风力机有着很大的不同，它们
具有极大的升力，可以利用一半、一半以上的空气动能变成机械能。
此外，垂直轴风力机机构结构通常较小，易于安装，出现在城市屋顶、室外公园等公
共场所。
同时，它很少受到风速的影响，在低风速下也能提供最大的可靠性和可靠性，因此，它可以更好地抗风。
此外，垂直轴风力机噪声低，可以在周边的景观中安装，不会影
响环境。
垂直轴风力机的设计主要针对发电效率，使叶片方向更大地利用风力，减少抗风能力。
叶片为翼型，其中有半圆翼型、半椭圆翼型、三角翼型等。
叶片布局也会超前，用于减少
发电机械能的损失，并调整叶片横断面积，充分利用风力发电。
同时，垂直轴风力机还配
备有控制桨，可以使叶片旋转速度保持稳定，确保其发电效率最大化，并使其运行更加平
稳和安全。
垂直轴风力机的设计需要考虑到可靠性和安全性，一般要采取结构强度和防护措施来
抵抗风荷载传入的振动，有效提高叶片质量比以保证发电安全性，并确保发电机组质量符
合安全质量要求。
另外，还可以将附件和逆转系统配以发电系统，减少故障的发生，使发
电效率更高。
总结来说，垂直轴风力机是一种很好的清洁能源发电装置，能提供可靠性高、环境友
好的电力服务。
为此，重要的是要采用得当的叶片设计，以及充分考虑可靠性和安全性，
以便最大化利用风能发电。
垂直轴风力发电原理介绍演示文稿
第七章 垂直轴风力发电机组
§7.5 垂直轴风力机实例
左图给出了加拿大 Domining制铝公司(DAF） 建造的商用双叶片打蛋器形 垂直轴风力机，风力赤道直 径为6.0m，风力最大输出功 率为6.1kW,在8m/s风速下 为2.58kW。主要由叶片、主 轴、增速器、联轴器、制动 器、发电机、塔架、拉索和 控制盘等组成。
C F nC L co n C D sin C F t C L co n C D sin
可求得诱导系数a为：
a n 8( 1 l b 1 C F) X 0 2 V R 2 ( C F c no C F s st i) d n
第七章 垂直轴风力发电机组
§7.2 升力型风轮输出功率计算
第七章 垂直轴风力发电机组
§7.1垂直轴风力机的类型
与平板式垂直轴风力机类似，当 最大值。通过计算求得，当
dCP d(v / v1)
0
时，CP取
v2 (C T 1 C T 2)4 (C T 1 C T 2) 3 (C T 1 C T 2)
v1
3 (C T 1 C T 2)
可取得最大风能利用系数。
第七章 垂直轴风力发电机组
第七章 垂直轴风力发电机组
§7.1垂直轴风力机的类型
1.1 阻力差型垂直轴风力机 定义：利用叶片在顺风和逆风时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。
设叶片叶尖的线速度为V，风速为V1， 叶片表面积为A，则风作用于叶片凹
形面的阻力为：
T112CT1A(v1v)2 逆风阻力：T2 12CT2A(v1v)2
式中：CT1、CT2为凹面和凸面的阻力系数
第七章 垂直轴风力发电机组
§7.1垂直轴风力机的类型
垂直轴风力发电机
风电行业
新兴市场的风电发展迅速，在国家政策支持和能源供应紧张的背景下，中国的风电特别是风电设备制造业也 迅速崛起，已经成为全球风电最为活跃的场所。2006年全球风电资金中9%投向了中国，总额达16.2亿欧元（约 162.7亿元人民币）。2007年，中国风电装机容量已排名世界第五。截止到2010年，中国风电装机容量已达MW， 跃居世界首位。
达里厄式风轮是法国G.J.M达里厄于19世纪30年代发明的。在20世纪70年代，加拿大国家科学研究院对此进 行了大量的研究，是水平轴风力发电机的主要竞争者。达里厄式风轮是一种升力装置，弯曲叶片的剖面是翼型， 它的启动力矩低，但尖速比可以很高，对于给定的风轮重量和成本，有较高的功率输出。世界上有多种达里厄式 风力发电机，如Φ型，Δ型，Y型和H型等。这些风轮可以设计成单叶片，双叶片，三叶片或者多叶片。
中国巨大的风电市场以及廉价的劳动力成本，吸引了大量国外风电巨头纷纷在中国设厂，或采取与国内企业 合资的方式，生产的产品都被贴上了中国制造的标签。中国制造的风电设备产品占据越来越大的市场份额，风机 产品正在经历一个由全球制造向中国制造的转变。
现状
2002年，中国率先开始了新型垂直轴风力发电机的研究，由部队通讯部牵头，上海某公司为研发主体，西安 军电、西安交大、同济大学、复旦大学等高校的多位专家配合，在短短的一年时间里就生产出了首台新型垂直轴 风力发电机。并在不到5年的时间里将功率扩展至200W～100KW，处于世界领先地位。世界上其他国家也都进行了 新型垂直轴风力发电机的研制，日本在2002年初开始研究，2003年初产品投放市场，功率在0.5～30KW之间。美 国、英国、德国、奥地利、韩国等国家也都在2006年已生产出样机，准备投入规模化生产，功率都在10KW以 内。
风力发电技术讲义PPT课件
03
风力发电机组与设备
风力发电机组的主要类型与特点
水平轴风力发电机组
利用水平轴将风能转化为机械旋 转动力，根据风向调节转子叶片 角度，具有较高的风能利用率。
垂直轴风力发电机组
利用垂直轴将风能转化为机械 旋转动力，无需调节转子叶片 角度，适用于低风速地区。
大型风力发电机组
适用于风能资源丰富的地区， 具有高发电量、低成本等优点 ，但建设和安装周期较长。
预防性检修
根据机组运行状态和历史数据，预测 潜在的故障，提前进行检修，避免故 障发生。
风力发电场的运营模式与产业链
01
02
03
运营模式
介绍风力发电场的运营模 式，包括独立运营、合作 运营、租赁运营等。
产业链
分析风力发电产业链的各 个环节，包括设备制造、 风电场建设、运营维护、 电力输送等。
商业模式
风力发电技术的未来发展趋势
技术创新
未来风力发电技术的发展将继续依赖于技术创新，包括新材料、新工艺、智能控制等方面的研究与应 用。这些技术将进一步提高风能利用率和发电效率。
海上风电
海上风电是未来风能发展的重要方向。随着海上风电技术的成熟和成本的降低，海上风电将成为全球 能源供应的重要来源之一。同时，海上风电的建设也将促进海洋工程、船舶制造等相关产业的发展。
风力发电与其他可再生能源的协同发 展有助于提高可再生能源的总体占比， 加速能源结构的转型和优化。
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包括维护、管理、保险等方面 的费用。
投资回报期
评估风电场的投资回报期，判 断投资是否具有经济可行性。
05
风力发电的运行与维护
风力发电机组的运行管理
风力发电机组的启动与关闭
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第七章 垂直轴风力发电机组
§7.1垂直轴风力机的类型
1.1 阻力差型垂直轴风力机 定义：利用叶片在顺风和逆风时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。
设叶片叶尖的线速度为V，风速为V1， 叶片表面积为A，则风作用于叶片凹
形面的阻力为：
T112CT1A(v1v)2 逆风阻力：T2 12CT2A(v1v)2
§7.1垂直轴风力机的类型
来流风速v是恒定的，风轮运转 中该横截面各翼型的切向速度u的大
小相等，而方向不同，它们与相对
速度w一起构成了各翼型的速度三 角形。w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， 在其它方位的气动力都产生一个驱 动风轮旋转的力矩。
式中：CT1、CT2为凹面和凸面的阻力系数
第七章 垂直轴风力发电机组
§7.1垂直轴风力机的类型
假定CT1、CT2为常数时，则可得到风杯式风轮的功率输出：
P 1 2A [C T 1(v1v)2C T2(v1v)2]v
则风能利用系数为：
CPP P 02A[C1T (v1v2)2v1 3A C2T(v1v)2]v
垂直轴风力发电原理介绍演示文稿
第七章 垂直轴风力发电机组
§7.1垂直轴风力机的类型
一、分类
按照空气动力学 工作原理分为
阻力型
升力型 1、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轴风力机。
由于Cd >>Cd’，v>>u，省去式 中的后一项：
P12ACdvu2u
阻力型风力机受力模型
第七章 垂直轴风力发电机组
取风速减少率 v u 可得 ：
v
CpE P1 2A1 C d A vv 3u2uC dvvu 32uC d21
2
其中E为输入风能，令 d C p 0 即：
d
Cd230
解得：
§7.1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 力的推动下旋转，且最佳叶尖速比位于0~1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， 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，CT1达1.33，CT2仅为 0.34；半圆柱形叶片的CT1达2.3，而CT2仅为1.2。
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1.2 S型的Savonius风力机 S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F1> F2，产生力矩M， 驱动风轮做逆时针方向旋转(俯视情况下)。
S 型 风 力 机 外 形
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置于速度为v的风中的风力机，在风速v作用下，凹
升力型风力机工作原理
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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。
(a)结构简图
垂直轴风力发电机组
(b) 实际机组
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左图给出了达里厄风轮单叶 片在宣州一周内各部位角度的 力矩系数。从图中可以看出， 不同位置具有不同的速度三角 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 驱动转矩，只有在90°和270° 附近，翼型的弦线与风向平行 时，阻力和升力比值交大，表 现为负转矩，降低了风能利用 系数。
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左图给出了两叶片和三叶片 的达里厄风力机的力矩系数 随转角变化的曲线图。图中 可以看出，在叶片力矩的叠 加下，叶片的力矩系数与单 叶片产生较大的区别，三叶 篇产生的总力矩系数很少有 负力矩产生，随着叶尖速比 的增加而越加明显。
第七章 垂直轴风力发电机组
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§7.1垂直轴风力机的类型
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 由固定的数枚叶片组成，绕垂直轴旋转。
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H型和Φ型风力机组最为 典型。
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三、垂直轴风力机的特点
优点 1）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。 2）利于环保
水平轴风轮的尖速比一般在5~10,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 外形等多种优点是水平轴风力发电机难以比拟的。
叶片以速度u被推向后方运动，那么叶片处的相对风速可
表示为v-u，而凸叶片的相对风速为v+u，叶片所受阻力
F1、 F2如下：
F1 12vu2 ACd
F2
1vu2
2
ACd
风力机的功率P等于阻力F与风力机叶片受推力产生的 速度u之积：
P F 1 F 2 u 1 2A C d v u 2 u 1 2A C d v u 2 u
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3）无需偏航对风 不需要迎风调节系统,可以接受任何方向来风, 吸收
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与平板式垂直轴风力机类似，当 最大值。通过计算求得，当
dCP d(v / v1)
0
时，CP取
v2 (C T 1 C T 2)4 (C T 1 C T 2) 3 (C T 1 C T 2)
v1
3 (C T 1 C T 2)
可取得最大风能利用系数。
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ห้องสมุดไป่ตู้
0 2
/3
0 表明叶片没有做功，所以：
CpmaxCd2 3212 3247Cd
若 Cd 1.3 则它可能达到的最大功率系数为
CPmax
5.2 27
0.193
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某风力机的性能曲线
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曲 线。图中可以看出，叶尖速比为0.4 时，输出功率最大；叶尖速比 0.3~0.4为高效运行区域。