垂直轴风力发电原理介绍(电气相关)
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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 §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
研究学习
风力发电原理
1
1
主编及制作：刘赟
第七章 垂直轴风力发电机组
可取得最大风能利用系数。
研究学习
风力发电原理
5
5
主编及制作：刘赟
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。
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。
研究学习
风力发电原理
v)2
式中：CT1、CT2为凹面和凸面的阻力系数
研究学习
风力发电原理
3
3
主编及制作：刘赟
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 2
A[CT1(v1
v)2
CT 2 (v1
v)2 ]v
则风能利用系数为：
CP
P P0
2
A[CT1(v1 v)2 CT 2(v1 v)2]v
升力型风力机工作原理
研究学习
风力发电原理
12
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主编及制作：刘赟
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
研究学习
风力发电原理
(b) 实际机组
13
13
主编及制作：刘赟
第七章 垂直轴风力发电机组
§7.1垂直轴风力机的类型
2
v13 A
研究学习
风力发电原理
4
4
主编及制作：刘赟
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
v 2(CT1 CT 2 ) 4(CT1 CT 2 ) 3(CT1 CT 2 )
v1
3(CT1 CT 2 )
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
研究学习
风力发电原理
7
7
主编及制作：刘赟
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
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
主编及制作：刘赟
第七章 垂直轴风力发电机组
取风速减少率 v u 可得 ：
v
Cp
P E
1 2
ACd v u2
1 Av3
u
Cd
v
u2
v3
u
Cd 2
1
2
其中E为输入风能，令 dCp 0 即：
d
Cd 2 3 0
解得：
0 2
/
3
0 表明叶片没有做功，所以：
Cp max
Cd
2
2
典型。
研究学习
风力发电原理
11
11
主编及制作：刘赟
第七章 垂直轴风力发电机组
§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。
F1、 F2如下：
F1
1 2
v
u2
ACd
F2
1 2
v
u 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
F1
F2
u
1 2
ACd
v
u
Байду номын сангаас
2
u
1 2
ACd
v
u
2
u
由于Cd >>Cd’，v>>u，省去式 中的后一项：
P
1 2
ACd
v
u 2
u
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风力发电原理
阻力型风力机受力模型
8
8
§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：
T1
1 2
CT 1 A(v1
v)2
逆风阻力：T2
1 2
CT 2 A(v1
3
1
2 3
4 27
Cd
若 Cd 1.3 则它可能达到的最大功率系数为
5.2
CP max
27
0.193
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风力发电原理
9
9
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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
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。
§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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风力发电原理
2
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第七章 垂直轴风力发电机组
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风力发电原理
10
10
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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
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
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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风力发电原理
6
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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
1.2 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
§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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1
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第七章 垂直轴风力发电机组
可取得最大风能利用系数。
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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
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。
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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v)2
式中：CT1、CT2为凹面和凸面的阻力系数
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3
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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
假定CT1、CT2为常数时，则可得到风杯式风轮的功率输出：
P
1 2
A[CT1(v1
v)2
CT 2 (v1
v)2 ]v
则风能利用系数为：
CP
P P0
2
A[CT1(v1 v)2 CT 2(v1 v)2]v
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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
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(b) 实际机组
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13
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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
2
v13 A
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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
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
v 2(CT1 CT 2 ) 4(CT1 CT 2 ) 3(CT1 CT 2 )
v1
3(CT1 CT 2 )
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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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
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
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第七章 垂直轴风力发电机组
取风速减少率 v u 可得 ：
v
Cp
P E
1 2
ACd v u2
1 Av3
u
Cd
v
u2
v3
u
Cd 2
1
2
其中E为输入风能，令 dCp 0 即：
d
Cd 2 3 0
解得：
0 2
/
3
0 表明叶片没有做功，所以：
Cp max
Cd
2
2
典型。
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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
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。
F1、 F2如下：
F1
1 2
v
u2
ACd
F2
1 2
v
u 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
F1
F2
u
1 2
ACd
v
u
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2
u
1 2
ACd
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由于Cd >>Cd’，v>>u，省去式 中的后一项：
P
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ACd
v
u 2
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阻力型风力机受力模型
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8
§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：
T1
1 2
CT 1 A(v1
v)2
逆风阻力：T2
1 2
CT 2 A(v1
3
1
2 3
4 27
Cd
若 Cd 1.3 则它可能达到的最大功率系数为
5.2
CP max
27
0.193
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9
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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
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。
§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
§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
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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§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