垂直轴风力发电原理介绍

§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。
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第七章 垂直轴风力发电机组
CFX
nlb 4

2
0
VR (CFn cos CFt sin )d
CFn CLcon CD sin CFt CLcon CD sin
可求得诱导系数a为：
2 nlb 2 a (1 1 CFX ) VR (CFn cos CFt sin )d 0 8 23
第七章 垂直轴风力发电机组
§7.1 垂直轴风力机的类型 §7.2 垂直轴升力型风轮的输出功率计算 §7.3 垂直轴风力机的关键参数 §7.4 垂直轴风力机风轮翼型 §7.5 垂直轴风力机势力 §7.6 与水平轴比较
§7.7 垂直轴风力机存在的问题
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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： 1 T1 CT 1 A( v1 v ) 2 2 1 T2 CT 2 A(v1 v )2 逆风阻力： 2 式中：CT1、CT2为凹面和凸面的阻力系数
阻力型风力机受力模型
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取风速减少率
v u v
可得 ：
1 2 2 ACd v u u v u u P 2 2 Cp Cd C 1 d 3 1 E v Av3 2
其中E为输入风能，令
某风力机的性能曲线
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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。 11
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§7.1垂直轴风力机的类型
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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§7.1垂直轴风力机的类型 dCP 0 时，CP取 与平板式垂直轴风力机类似，当 d ( v / v1) 最大值。通过计算求得，当
v 2(CT 1 CT 2 ) 4(CT 1 CT 2 ) 3(CT 1 CT 2 ) v1 3(CT 1 CT 2 )
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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
(b) 实际机组
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§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。
1 TZ v ARC Z 2
CT
TZ
1 2 v AR 2
因此，风力机风轮组合力矩为叶片和支架力矩之和 T=TB+TZ，风力机风轮的风能利用系数可以利用合力矩计算 为：
1 3 P v AC P 2
CP (CT CZ )
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§6.1垂直轴风力机的类型
缺点 1）风能利用率 S型风力发电机,理想状态下的风能利用系数为15%左右, 而达里厄型风力发电机在理想状态下的风能利用系数也不 到40%。其他结构形式的垂直轴风力发电机的风能利用系数 也较低。 2）起动风速 起动性能差,特别对于达里厄式Ф型风轮,完全没有自启 动能力, 并且调速、限速困难，这是限制垂直轴风力发电 机应用的一个重要原因。
vm v (1 a)
风轮上的阻力Fx为：
1 2 FX v AC FX 2
其中，CFX为阻力系数
联合上述两式可求得诱导系数a为：
1 a (1 1 CFX ) 2
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§7.2 升力型风轮输出功率计算
为求解阻力系数CFX，定义气流通过叶片时的相对 速度为VR，来流风速为V∞，旋转半径为R，旋转角速 度为ω，风速与固定叶片支架角度为φ，叶片安装角 为θ，叶片入流角为ψ，叶片迎角为α。且定义无量 纲参数 VR VR / V ，* /(1 a) 。
Cd 2 3 0
dC p d
0
即：
0 2 / 3
解得：
0
C p max
表明叶片没有做功，所以：
2 Cd 3
2
2 4 1 Cd 3 27
若 Cd 1.3 则它可能达到的最大功率系数为
CP max 5.2 0.193 27
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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
2 VR2 V (1 2* sin *2 )
VR (1 a ) 1 2 sin
*
*2
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§7.2 升力型风轮输出功率计算
设升力系数为CL，阻力系数为CD，叶片个数为n，叶片 长为lb，对叶片旋转一周积分可得各阻力系数为：
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 F1 F2 u 1 1 2 2 v u u ACd v u u ACd 2 2
由于Cd >>Cd’，v>>u，省去式中的 后一项：
1 2 P ACd v u u 2
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§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 收任意方向来的风能量，主轴永远向设计方向转动。 这样使结构设计简化，构造紧凑，活动部件少于水平 轴风力机，提高了可靠性。 4）叶片制造工艺简单 可以设计成低转速多叶片构造,这将大大地降低风 力机对于叶片材质的要求。不单如此，叶片是以简支 梁或多跨连续梁的力学模型架设在风力机的转子上的， 这有利于降低对于风力机材质的要求。
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作用于叶片的力矩系数CT是由作用于叶片上的力 矩来定义的，其中，R为风轮的旋转半径。
1 TB v ARC T 2
CT
TB 1 2 v AR 2
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§7.2 升力型风轮输出功率计算
在风轮旋转时，除了叶片上作用有力矩外，支架也产 生力矩，用TZ表示。其定义与叶片力矩一样，表示为：
§7.2 升力型风轮输出功率计算
二、单一流管理论
单一流管理论将升力型风轮前后流场看作是一个流管。
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§7.2 升力型风轮输出功率计算
当风速为V∞，在风轮的作用下，风轮内风速变为Vm； 当风穿过风轮后尾流的风速为Vn。如果风轮旋转面内气流的 诱导系数用a表示，则风速Vm表示为：
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§7.2 升力型风轮输出功率计算
一、均匀流管理论
均匀流管理论即认为风速均匀不变的穿过风轮，在风 轮尾流风速也保持均匀不变。但风作用在风轮上，风轮 获得风能的同时，也对风产生反作用。研究精度不高。
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§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 A[CT 1 (v1 v )2 CT 2 (v1 v )2 ]v 2
则风能利用系数为：
P 2 A[CT 1(v1 v )2 CT 2(v1 v )2]v CP 3 P0 v1 A 2
可取得最大风能利用系数。
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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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置于速度为v的风中的风力机，在风速v作用下，凹 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：
1 2 F1 v u ACd 2
1 2 F2 v u ACd 2
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§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。
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源自文库
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§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。
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§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。
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§7.2 升力型风轮输出功率计算
利用诱导系数a的计算式、相对流入速度及表征空 气动力学特性的3个系数：升力系数CL、阻力系数CD和 扭矩系数CM，求得力矩系数CT：
nlb CT 4

2
0
VR (CL sin CD cos CM lb )d