垂直轴风力发电原理介绍演示文稿
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
§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。
第七章 垂直轴风力发电机组
§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。
第七章 垂直轴风力发电机组
§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。
第七章 垂直轴风力发电机组
§7.1垂直轴风力机的类型
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
§7.1垂直轴风力机的类型
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
升力型风力机工作原理
第七章 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。
(a)结构简图
垂直轴风力发电机组
(b) 实际机组
第七章 垂直轴风力发电机组
§7.1垂直轴风力机的类型
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。
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
ห้องสมุดไป่ตู้
5.2 27
0.193
第七章 垂直轴风力发电机组
§7.1垂直轴风力机的类型
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。
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
第七章 垂直轴风力发电机组
§7.1垂直轴风力机的类型
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
第七章 垂直轴风力发电机组
§7.1垂直轴风力机的类型
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
第七章 垂直轴风力发电机组
置于速度为v的风中的风力机，在风速v作用下，凹
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：
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
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
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。
§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。
第七章 垂直轴风力发电机组
§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。
第七章 垂直轴风力发电机组
§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。
第七章 垂直轴风力发电机组
§7.1垂直轴风力机的类型
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
§7.1垂直轴风力机的类型
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
升力型风力机工作原理
第七章 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。
(a)结构简图
垂直轴风力发电机组
(b) 实际机组
第七章 垂直轴风力发电机组
§7.1垂直轴风力机的类型
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。
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
ห้องสมุดไป่ตู้
5.2 27
0.193
第七章 垂直轴风力发电机组
§7.1垂直轴风力机的类型
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。
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
第七章 垂直轴风力发电机组
§7.1垂直轴风力机的类型
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
第七章 垂直轴风力发电机组
§7.1垂直轴风力机的类型
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
第七章 垂直轴风力发电机组
置于速度为v的风中的风力机，在风速v作用下，凹
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：
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
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