垂直轴风力发电机结构研究进展

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【 摘 要】 与水平轴风力发 电机相比， 垂直轴风力发电机具有结构对称、 风能利用率高、 噪音低等优 点， 有着较为广阔的市场前景。首先对垂直轴与水平轴风力机作了比较， 分析 了垂直轴风力发电机的特 点， 简要地概述 了垂直轴风力机 的先后发展 ， 分别介绍 了常见的萨渥纽斯阻力型、 达里厄型及其变形结 构等垂直轴风力机的结构 ， 阐述 了国内外学者对垂直轴风力机结构的研 究现状 ， 最后 简要地分析 了设
Ａｕ ． ｇ２０１ １
遮风的结 片安装角分别为 ４１￣５ ８、６￣８ ６垂直轴风力机能获得最大的 海某大学力学所教授针对弧形叶片风力机 ，提出的聚能— ． 、． ￣ ． 、． 。 ２ ２ ６６ ７ 输出功率。 瑞典科研 人员利用 Ｎ Ｃ ０ １ 、Ａ Ａ１ １、 Ａ Ａ１ １、 构， Ａ Ａ ０ ５Ｎ Ｃ ５ ５Ｎ Ｃ ２ ５ 如图 ７ａ所示。 （） 该结构能较大幅度地提高风力机的输出功率， 对 Ｎ Ｃ ７ ５翼型建立了二维非定常流分析模型 ，采用共形映射 两叶片（ Ａ Ａ１１ ｓ型） 直线型聚能风力机 ， 为（５５ ） ， 当 ４ －５。 做功最大。南 时
★ 来稿 １ ：００ １— ７ 女基金项 目： ３ ２１—００ 期 江苏省科技支撑计划项 目（ Ｅ ０ ８７ ）江苏省科技支撑计划项 目（ Ｅ ０９ ９ ） Ｂ ２０ ０ ４ ， Ｂ ２０ ０ ０ 南通大学研究生科技创新计划项 目（ Ｋ ０ ０ Ｙ Ｃ９ １） １
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机 械 设 计 与 制 造
中 图分 类 号 ： Ｈ１ ２ Ｔ ８ 文献 标识 码 ： Ｔ ２ ，Ｋ ９ Ａ
１ 引言
火力发 电由于消耗 的煤炭 和水资源 巨大 、所排 放的 Ｓ Ｏ、 Ｎ ｘ粉煤炭对 自然环境产 生了严 重的污染 ， Ｏ、 火力发 电工业 已经
力机多安装于城市道路 、 区楼顶 、 小 边防等场合。
机 械 设 计 与 制 造
Ｍａ ｈ ｎ ｒ Ｄｅ ｉｎ ｃ ｉｅｙ ｓｇ 文章编号：０ １ ３９ （０ １０ — ０ ４ ０ １０ — ９ ７２ １ ）８ ０ ８ — ３ ＆ Ｍａ ｕ ａ ｔ ｒ ｎ ｆ ｃｕ ｅ
第 ８期
２ １ 年 ８月 ０１
垂 直轴风 力发 电机 结构研 究进展 水
装置 ， 转速较高 ， 而垂直轴风＿ 力机配置低速发电机。 此外 ， 垂直轴风 Ｓ ｎ ｉ进行 的有关 ｖ ｗＴ的降低造价以及提高可靠性 方面的研 ａｄａ Ａ
力机的发电机可安装于较低的空间位置 ， 有利于整机重心的下降。 究， 并且给予了资金方面的支持。 至此 ， Ａ ｖ ｗＴ的研究主要集中于 （） ３供电方式的不同。水平轴风力机 目 前都 以大容量 ＭＷ 级为主， 几个方面 ： 空气动力学 ， 结构动力学 ， 疲劳及可靠度 ， 系统工程等 。
轴旋转时要正对迎风方 向， 因此需额外配备偏航装置 ， 垂直轴不受 国立实验室（Ｎ ） Ｓ Ｌ 对其进行 了大量 的理论 和实 验研 究 ， 同时 ， 美 风向影响 ， 无需偏航装置 ； 水平轴叶片通常由 ３ 片组成 ， 垂直轴可 国 、 加拿大的一批风力机制造公司经过不断地研发攻关 ， 达里 使 由（ ） ５ 片组成。 ２发电机不同。 （） 水平轴风力机的通常由齿轮增速 厄 风力机 的研究逐渐深入。８ ０年代 中期 ， Ｏ Ｄ Ｅ公 司开始关注在
２垂直轴风力机 的发展
现代的升力型垂直轴风力机设计思想首先由法 国风力机工
成为我国最大的污染排放产业之一。与传统 的火力发电相 比， 风 程 师 Ｄ ｒ ｅｓ ａｒ ｕ 提出 ，０世纪二 三十年代是垂直轴风 力机研究 的 ｉ ２
这期间出现了多种类型 的垂直轴风力机 ， 主要有 力发电作为一种低碳的 、 清洁的、 可再生的新源领域 ， 越受到 第一个高峰期 ， 越来
（） ａ （） ｂ
图７ 垂直轴风力机聚能装置结构
在有些地区 ， 由于风力发 电的随机性大 ， 电可靠性差 ， 供 结
不少厂家提 出了风光互补的垂直轴风力 学相结合 ， ６ 如图 所示 ， 这样做不仅降低了风力机的制造成本 ， 提高 合太阳能发 电的可靠性 ， 发 电系统 ， 该结构能提高系统供电的连续性 、 稳定性和可靠性 ， 得 了风力机的工作效率， 还增强了风力机与建筑物结合的审美感。 所示 ， 是典型的风光互补发电系统 的构 在我国， 目前以推广大功率水平轴风ｌ 发电机为主， 力 我国风电 到了广泛的应用 。如图 ８ 它 太 控制器 、 电池 、 蓄 逆变器 机组主要制造商有 ４ 多家， ０ 并形成生产了叶片 、 发电机、 齿轮箱 、 偏 成 ， 由垂直轴风力机 、 阳能光伏方阵、 等组成。该系统组成可以有效地提高发电的可靠性和稳定性。 航系统 、 塔架等组件的规模企业。近年来 ， 由于特殊应用场合的需 要， 也开始了垂直轴风力机的相关研究 ，０ ２年 ， 国开始了新型 ２０ 我
Ｃ Ｎ Ｘｉｇ ｈ ａ Ｗ Ｕ Ｇ ｏ ｑｎ ， ＡＯ Ｙａ ｇ ＭＡＯ Ｊｎ － ｅ ｇ Ｚ ＨＥ ｎ — ｕ ， ｕ — ｉｇ Ｃ ｎ ， ｉｇ ｆｎ ， ＨＡＮＧ — ｏ ｇ Ｚ Ｘｕ ｄ ｎ ， ＨＡＮＧ — ｉＣ ａ — ｉ Ｙｕ ｍｅ ， ＨＩＸｉｏ ｎ
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陈兴 华 吴国庆 曹 阳 茅靖峰 张旭 东 张 玉梅 迟晓妮 （ 南通 大学 机械 工程学 院 江苏省风 能应用技 术工程 中心 ， 南通 ２ ６ １ ） ２０ ９
Ｓｔｕ ｔ ｒ Ｉ ｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｅ ｔ ａ ｘｓｗｉｄ ｔ ｒ ｉｅ ｒ ｃ ｕ ａ ｓ ａ ｃ ｆ ｒ ｃ ｌ ｉ ｎ ｕ ｂｎ ｒ ｖ ｉ ａ
（ ｎ ｒａｍ ｐｉ ） ｃ ｆｒ ｌ ａｐ ｇ ｏ ０ｎ ｎ 技术得出了 最大空气动力。加拿大科研人员则 通大学吴国庆教授等针对 ４叶片升力型翼型提出了如图 ７ｂ所示 （）
采用了不同的控制策略对发电机捕获最大风能进行了研究 ，加拿大 的聚能风力机结构 ， 经实验发现， 导风板 曰 和 曰 能显著通过提高风 ： 科研 ＾员把垂直轴风力发电机应用到海上 ，利用海上潮汐能代替风 力机的动力矩 ， 、 减少阻力矩， 从而增大转动扭矩和速度。 力 ，取得了预期的效果。新西兰科研 ＾ 、 员将粒子成像速度学（Ｉ ＰＶ， ｐｒｃ ａｅ ｅｏｉ ｔ ） ａｔ ｌｉ ｇ ｌｃ ｒ 技术应用到 Ａ ｉｅｍ ｖ ｍｅ ｙ — （ 风力机尖速 比＿风力
ｆ ｒ ｍｏｅｂｏｄ ｍ ｋ ｔ ｒｓｅｔｉｆ ｒ ｅ ．ｉ ｔｔｒｕ ｈ ｃｍ ａｉ ｅ ｅｎｔｅＶ ＷＴ ａ ｄ Ｈ ＷＴ ｔｅ ｏｅ ｒ ｒａ ａ ｅ ｐｏｐ ｃ ｓ ｓ ｎ ｒ ， ｏｇ ｏ ｐ ｎ ｂｔ ｅ Ａ ｎ Ａ ， ｒ ｅ Ｆ ｓ ｈ ｏ ｒ ｇ ｗ ｈ ｈ
世界各国的高度重视 。 萨渥纽斯型（ａｏ ｉｓｏ ｒ、 Ｓｖｎｕ ｔ ）马达拉斯型（ ａ ａａ ｔ ） ｒｏ Ｍ ｄ ｒｓｏ ｒ和达里厄 ｒｏ
现有的风力机按风轮旋转轴在空间的方 向， 分为水平轴风力 型（ ａｒ ｓ Ａ Ｄ ｒｕ ｗＴ） ｉＶ 。马达拉斯型 因其机构过于复杂 、 圆柱 的 旋转 机和垂直轴风力机两大类 ，其中水平轴风力机设计制造技术相对 过低圆周速度使其空气动力特 Ｉ 生十分微 弱 、 大轨道负荷产生较大 比较成熟 ， 目前风电市场 中最常用的机型 ， 是 与水平轴相比 ， 垂直 的摩擦损失 、 地表风速低和发电损失大等原 因， 马达拉斯 的大规 轴风＿ 力机的研究相对滞后。水平轴风力发 电机通常由叶片 、 、 模发电构想最终未能成功。三十多年后 ， 、 、 轮毂 英 美 加拿大等国开始 主轴 、 齿轮箱 、 电机 、 发 塔架等结构组成。 垂直轴风力发电机的结构 研究垂直轴风力机 ， 于此 同时各种几何形状的垂直轴风力机便 出 与水平轴有较大的不同 ， 主要结构组件包括叶片、 主轴、 叶片连杆 、 现。２ ０世纪（０ ８ ） ７ ～ ０ 年代迎来了第二次发展高峰 ， 时期 的研 这一 发电机等。 垂直轴与水平轴风力机的比较 ：１机构不同。 （） 由于水平 究 主要集中在北美 ， 加拿大国立研究委员会 （ Ｒ 和美国圣地亚 Ｎ Ｃ）
普遍为联网型 ， 垂直轴风力机以小功率为主， 普遍为离网型 ， 因此 ２ ０ 年以来 ， ００ 在中小型风ｌ 力机市场上 ， 垂直轴风【 机还 占有很 力
垂直轴通常 自 配蓄电 池组 、 逆变器等。４安装场合不同。 （） 巨型水平 大的市场 ， 直线翼垂直轴风＿机和 Ｈ型风 机的研究和应用受到北 力 力 轴风力机主要安装在离城市偏远的陆地或海上风电场 ，垂直轴风 美、 欧洲和 １ ３ 本等国 家和地区的关注 ， 许多形状各异的商用中小型垂
，
｝６ Ａｔａｔｓｍ ｊ ｒ ｒｂｅ ｓ ｔｅ ｔ ｃｕａ ｅｉ Ｖ Ｗ ｒ ｓ ｍ ａｉ ｄｂｉ ｙ ｒ ｓ， ｅｍａ ｏ ｌｍ ｈ ｒ ｔｒ ｄ ｓ ｎＯ Ａ ， ｕ ｍ ｚ ｒｆ ． ｌ ｏ ｏｐ ｆ Ｏ ｓｕ ｌ ｇｆ ６ ｒ ｅ ｅ ｌ
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计 垂直轴风 力机所 面临 的主要 问题 。
： ｝ Biblioteka 关键词： 垂直轴风力发电机； 风力发电； 聚能装置 【 ｂｔ ｃ】Ｃ ｍ ａ ｄ ｗｔ ｔ ｏｉ ｎ ｌ ｘ ｉ ｒｉ ｓ （ Ａ ）ｖｒｃｌ ｘ ｉ ｒｉ Ａ ｓ ａｔ ｏ ｐ ｒ ｉ ｅｈｒ ｏｔ ｉ ｗｎ ｔ ｂ ｅ Ｈ ｗＴ ， ｔａ ａｉ ｗｎ ｔ ｂ ｅ ｒ ｅ ｈｈ ｚ ａ ａｓ ｄ ｕ ｎ ｅｉ ｓ ｄ ｕ ｎ
机输出功率） 研究上， 使得流体场可视化。 值得—提的 ， 本某科学 是 日
，
增加了导风舨 ， 其结构如图 ４ 所示。明
显提高了风ｌ 机的转矩 ， 力 并指出导板 在 ３５ ≤ ≤４。整机的效率 ７ 。 ５， 取得峰值。加拿大的安大略省大学一些科研人员设计了如图 ５ 所示 的 Ｓｖｎｕ 型加前缘结构垂直轴风力机模型， ａｏ ｉｓ 得出了前缘结构能显 著提高 Ｓｖｎｕ 型风力机的风冉 ０ ａｏｉｓ 用率， 并实验结果与 ２ Ｄ和 ３ Ｄ流 体分析数据吻合。 此外， 国科研 人员将垂直轴阻力型风力机与建筑 英