垂直轴风力发电机研究报告

垂直轴风力发电机研究报告

1.垂直轴与水平轴对比

垂直轴风力发电机与水平轴风力发电机相比，有其特有的优点：

①水平轴风力发电机组的机舱放置在高高的塔顶，而且是一个可旋转360

度的活动联接机构，这就造成机组重心高，不稳定，而且安装维护不便。垂直轴风力发电机组的发电机，齿轮箱放置在底部，重心低，稳定，维护方便，并且降低了成本。

②风力发电机的客户越来越需要使用寿命长、可靠性高、维修方便的产品。垂直轴风轮的翼片在旋转过程中由于惯性力与重力的方向恒定，因此疲劳寿命要长于水平轴风轮；垂直轴风力发电机的构造紧凑，活动部件少于水平轴风力机，可靠性较高；垂直轴系统的发电机可以放在风轮下部甚至地面上，因而便于维护。

③风力发电机由于高度限制和周围地貌引发的乱流，常常处于风向和风强变化剧烈的情况，垂直轴风力发电机有克服“对风损失”和“疲劳损耗”上有水平轴风力发电机不可比的优点，且理论风能利用率可达40％以上．因此在考虑了较小的启动风速和对风力机影响较大的“对风损失”之后，从而提高垂直轴风轮的风能实际利用率。

④水平轴风力发电机组机仓需360度旋转，达到迎风目的。这个调节系统包含有旋转机构，风向检测，角位移发送，角位移跟踪等系统。垂直轴风力机不要迎风调节系统，可以接受360度方位中任何方向来风，主轴永远向设计方向转动。

⑤水平轴风力发电机的翼片受到正面风载荷力，离心力，翼片结构相似悬臂梁。翼片根部受到很大弯矩产生的应力。而且翼片在旋转一周的过程中，受惯性力和重力的综合作用，惯性力的方向是随时变化的，而重力的方向始终不变，这样翼片所受的就是一个交变载荷，这就要求翼片有很高的的疲劳强度，因此大量事故都是翼片根部折断。而垂直轴风机的翼片主要承受拉应力，不易折断，寿命长。

⑥水平轴风力发电机组翼片的尖速比高，一般在5～7左右，在这样的高速下翼片切割气流将产生很大的气动噪音，导致噪声污染。垂直轴风力机翼片的尖速比较水平轴的要小的多，这样的低转速基本上不产生气动噪音，无噪音带来的

好处是显而易见的，以前因为噪音问题不能应用风力发电机的场合(城市公共设施、民宅等)，现在可以应用垂直轴风力发电机，因此，垂直轴风力发电机比水平轴有更广阔的应用领域。

2.垂直轴风机风轮设计

2.1 风能

空气的流动现象称为风，风是由于不同地方的空气受热不均匀，从一个地方向另一个地方运动的空气分子产生的，风的能量就是空气分子的动能，如图所示。

图1 空气流的动能

风功率计算公式为

t W P /=

V m ρ=

SL V =

22

1mv W = 联立以上各式得 3222

1221Sv t SLv t mv P ρρ===

2.2 风能利用率C p

风能利用系数C p 是表示风力机效率的重要参数，由于风通过风轮的风能不

能完全转化为风轮机械能，其风能利用率C p 为

m w =p P C P =风力机输出的机械功率输入风轮的功率

其中P m 为风力机输出的机械功率；P w 为风力机输入的风能。

目前大多数垂直轴风机风能利用率能达到0.4左右。如按0.4的风能利用率来计算，风机功率为1000W ，则风能为W 25004.0/1000=。

根据上面公式可以求得400025.1/5000/225003==⨯=ρSv ，若满载额定风速为20m/s 的话，S=0.5m 2，显然设定的额定风速越低，S 将越大。

L r S ⨯⨯=2，S 为扫风的截面积，r 是翼片距轴的距离也是风轮的半径，L 为翼片的高。

如要达到1000W 的风机功率，则扫风截面积不能小于0.5m 2，则若r 取0.25m 的话，L 为1m 。可以采用目前天津工厂顶部风机形状。

风力机转矩：

m N v R C p T p ⋅=⨯⨯⨯⨯⨯===82.062025.04.025.114.35.05.02

32

3λπρω 2.3 叶尖速比λ

叶尖速比λ表示风轮在不同风速中的状态，用叶片的圆周速度和风速之比来衡量。

v

R v πRn ωλ==2 式中：n －风轮的转速，/r s ；

ω－风轮角速度，/rad s ；

R ―风轮半径，m 。

尖速比决定了风轮的功率，对于定桨距风轮，随风速的增加其转速也增加。在这种情况下，输出功率（同风速的立方成正比）也增加。但是输出功率增加并不意味着风能利用率也增加，一般而言，减速比和风能利用率曲线近似一条倒抛物线。

根据叶尖转速比λ与C p 的关系及C p 与输出功率之间关系，我们可以知道在风速固定时，不同的转速即对应不同的叶尖转速比，也即对应不同的C p 值，也即对应不同的输出功率，这样如果设定不同的风速，就可以得到风力机在不同风速下输出功率与转速的关系，如下图所示：

图2 风轮转速与输出功率及风速曲线图

从上图可以看出在某一种风速下，风力机的输出机械功率随转速的不同而变化，其中有一个最佳的转速。在该转速下，风力机输出最大的机械功率。它与风速的关系是最佳叶尖速比关系。在不同风速下均有一个最佳的转速使风力机输出最大机械功率。从而得到一条最大输出机械功率曲线，处于这条曲线上的任何点，其转速与风速的关系均为最佳叶尖速比关系。合理的选取最优尖速比可使风轮功率达到峰值。

一般垂直轴风机叶尖速比选择在4~8之间，建议选择6，越低噪音低，但是功率也比较难做大。

3 H型垂直轴风机翼片

一般超过500W的垂直轴风机，都采用H型翼片或Ф型翼片。

图3 H型垂直轴风机

图4 Ф型垂直轴

3.1 翼片选型

翼片是利用气流通过时产生的压力差使叶轮转动的部件，具有空气动力学特性，其设计质量对整个风力发电系统及其他零部件有这直接影响，因此翼片是风力机的重要部件。翼片的设计目标主要有：

1. 良好的空气动力外形；

2. 可靠地结构强度；

3. 合理的翼片刚度；

4. 良好的结构动力学特性和启动稳定性；

5. 耐腐蚀、方便维修；

6. 满足以上目标前提下，尽可能减轻翼片重量，降低成本。

风力机的翼型多种多样，各有各的优缺点，应用较多的有NACA翼型系列、SERI翼型系列、NREL翼型系列、RISΦ翼型系列和FFA-W翼型系列等，其中NACA 翼型是美国国家宇航局（NASA）的前身国家航空咨询委员会（NACA）提出设计的翼型系列，具有低阻力系数的特点，适合低速运行。

3.2 翼片实度

风力机翼片的总面积与风通过风轮的面积（风轮扫掠面积）之比称为实度比（容积比），是风力机的一个参考数据。垂直轴风力机的翼片实度计算公式为：

σ

=

2/=

R

NCL2/

NC

RL

升力型垂直轴风力机叶轮，C为翼片弦长，N为翼片个数，R为风轮半径，L 为翼片长度，σ为实度比。合理选取实度比的原则是在保证风轮气动特性的条件下，力求使制造翼片的费用最低。为了最大限度提高动效率，翼型特性应具有下列要求：

1. 升力系数斜度大；

2. 阻力系数小；

3. 阻力系数与零升角对称。

根据一些资料描述，NACA0012的阻力系数较小，选用较低阻力系数NACA0012对称翼型。

由于NACA0012是对称翼型，在下图左侧数据表中仅列出了单边的数据，表中c是弦长（弦长为1.00）；x是弦长坐标（单位是x/c）；y是对应x位置的