垂直軸風(fēng)力發(fā)電原理介紹ppt課件

7.1垂直軸風(fēng)力機(jī)的類型7.2垂直軸升力型風(fēng)輪的輸出功率計算7.3垂直軸風(fēng)力機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)7.4垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪翼型7.5垂直軸風(fēng)力機(jī)勢力7.6與水平軸比較7.7垂直軸風(fēng)力機(jī)存在的問題,第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,1,7.1垂直軸風(fēng)力機(jī)的類型,1、阻力型垂直軸風(fēng)力機(jī)阻力型風(fēng)力機(jī)是由于風(fēng)力機(jī)的葉片在迎風(fēng)方向形狀不對稱，引起空氣阻力不同，從而產(chǎn)生一個繞中心軸的力矩，使風(fēng)輪轉(zhuǎn)動。杯式風(fēng)速計是最簡單的阻力型垂直軸風(fēng)力機(jī)。,第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,一、分類,按照空氣動力學(xué)工作原理分為,阻力型,升力型,2,第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,7.1垂直軸風(fēng)力機(jī)的類型,1.1阻力差型垂直軸風(fēng)力機(jī),定義：利用葉片在順風(fēng)和逆風(fēng)時受風(fēng)面形狀不同而產(chǎn)生不同的阻力系數(shù)，來驅(qū)動風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的風(fēng)力機(jī)。,設(shè)葉片葉尖的線速度為V，風(fēng)速為V1，葉片表面積為A，則風(fēng)作用于葉片凹形面的阻力為：,逆風(fēng)阻力：,式中：CT1、CT2為凹面和凸面的阻力系數(shù),3,第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,7.1垂直軸風(fēng)力機(jī)的類型,假定CT1、CT2為常數(shù)時，則可得到風(fēng)杯式風(fēng)輪的功率輸出：,則風(fēng)能利用系數(shù)為：,4,第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,7.1垂直軸風(fēng)力機(jī)的類型,與平板式垂直軸風(fēng)力機(jī)類似，當(dāng)時，CP取最大值。通過計算求得，當(dāng),可取得最大風(fēng)能利用系數(shù)。,5,第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,7.1垂直軸風(fēng)力機(jī)的類型,阻力差型風(fēng)力機(jī)也屬于阻力型風(fēng)力機(jī)，其葉片在空氣阻力的推動下旋轉(zhuǎn)，且最佳葉尖速比位于01范圍內(nèi)。通過功率計算式可以發(fā)現(xiàn)，為了使阻力差型風(fēng)力機(jī)獲得最大的功率，可以利用增大葉片的順風(fēng)阻力系數(shù)或者減少逆風(fēng)阻力系數(shù)。通常有以下典型結(jié)構(gòu)：半球形葉片，CT1達(dá)1.33，CT2僅為0.34；半圓柱形葉片的CT1達(dá)2.3，而CT2僅為1.2。,6,1.2S型的Savonius風(fēng)力機(jī)S型風(fēng)力機(jī)是阻力型風(fēng)力機(jī)中的經(jīng)典型式，當(dāng)風(fēng)吹向葉輪時，由于葉片迎風(fēng)面形狀不同，有F1F2，產(chǎn)生力矩M，驅(qū)動風(fēng)輪做逆時針方向旋轉(zhuǎn)(俯視情況下)。,S型風(fēng)力機(jī)外形,第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,7.1垂直軸風(fēng)力機(jī)的類型,7,置于速度為v的風(fēng)中的風(fēng)力機(jī)，在風(fēng)速v作用下，凹葉片以速度u被推向后方運(yùn)動，那么葉片處的相對風(fēng)速可表示為v-u，而凸葉片的相對風(fēng)速為v+u，葉片所受阻力F1、F2如下：,阻力型風(fēng)力機(jī)受力模型,風(fēng)力機(jī)的功率P等于阻力F與風(fēng)力機(jī)葉片受推力產(chǎn)生的速度u之積：,由于CdCd，vu，省去式中的后一項：,第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,8,取風(fēng)速減少率可得：,其中E為輸入風(fēng)能，令即：,表明葉片沒有做功，所以：,解得：,若,則它可能達(dá)到的最大功率系數(shù)為,第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,9,第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,7.1垂直軸風(fēng)力機(jī)的類型,某風(fēng)力機(jī)的性能曲線,阻力型風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)較低，故很少用于發(fā)電。轉(zhuǎn)速決定了輸出功率的大小，風(fēng)輪只有在最佳轉(zhuǎn)速下才能獲得最佳風(fēng)力機(jī)輸出功率，如圖所示，給出了某阻力型風(fēng)輪的功率輸出與葉尖速比的關(guān)系曲線。圖中可以看出，葉尖速比為0.4時，輸出功率最大；葉尖速比0.30.4為高效運(yùn)行區(qū)域。,10,二、升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)主要指法國的科學(xué)家達(dá)里厄發(fā)明的達(dá)里厄式風(fēng)輪。風(fēng)輪由固定的數(shù)枚葉片組成，繞垂直軸旋轉(zhuǎn)。,第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,達(dá)里厄風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可分為直葉片和彎葉片兩種，葉片的翼形剖面多為對稱翼形，其中以H型和型風(fēng)力機(jī)組最為典型。,7.1垂直軸風(fēng)力機(jī)的類型,11,升力型風(fēng)力機(jī)工作原理,來流風(fēng)速v是恒定的，風(fēng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)中該橫截面各翼型的切向速度u的大小相等，而方向不同，它們與相對速度w一起構(gòu)成了各翼型的速度三角形。w與葉片弦線的夾角是有效攻角。對葉片在不同方位的速度三角形的研究表明，除了當(dāng)葉片處于與風(fēng)向平行或近似平行的位置外，在其它方位的氣動力都產(chǎn)生一個驅(qū)動風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的力矩。,第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,7.1垂直軸風(fēng)力機(jī)的類型,12,垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組同水平軸機(jī)組一樣，也主要由風(fēng)力機(jī)、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等組成。,(a)結(jié)構(gòu)簡圖(b)實(shí)際機(jī)組垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,13,第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,7.1垂直軸風(fēng)力機(jī)的類型,左圖給出了達(dá)里厄風(fēng)輪單葉片在宣州一周內(nèi)各部位角度的力矩系數(shù)。從圖中可以看出，不同位置具有不同的速度三角形，且葉片在絕大部分區(qū)域所受的空氣動力將產(chǎn)生一個正的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，只有在90和270附近，翼型的弦線與風(fēng)向平行時，阻力和升力比值交大，表現(xiàn)為負(fù)轉(zhuǎn)矩，降低了風(fēng)能利用系數(shù)。,14,第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,7.1垂直軸風(fēng)力機(jī)的類型,左圖給出了兩葉片和三葉片的達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)的力矩系數(shù)隨轉(zhuǎn)角變化的曲線圖。圖中可以看出，在葉片力矩的疊加下，葉片的力矩系數(shù)與單葉片產(chǎn)生較大的區(qū)別，三葉篇產(chǎn)生的總力矩系數(shù)很少有負(fù)力矩產(chǎn)生，隨著葉尖速比的增加而越加明顯。,15,優(yōu)點(diǎn)1）壽命長，易維護(hù)安裝葉片在旋轉(zhuǎn)過程中由于慣性力與重力的方向恒定，因此疲勞壽命長；可以放在風(fēng)輪下部很遠(yuǎn)甚至在地面上，便于安裝與維護(hù)。2）利于環(huán)保水平軸風(fēng)輪的尖速比一般在510,這樣的低轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的氣動噪聲很小，甚至可以達(dá)到靜音的效果。低噪音和美觀外形等多種優(yōu)點(diǎn)是水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)難以比擬的。,三、垂直軸風(fēng)力機(jī)的特點(diǎn),第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,7.1垂直軸風(fēng)力機(jī)的類型,16,3）無需偏航對風(fēng)不需要迎風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng),可以接受任何方向來風(fēng),吸收任意方向來的風(fēng)能量，主軸永遠(yuǎn)向設(shè)計方向轉(zhuǎn)動。這樣使結(jié)構(gòu)設(shè)計簡化，構(gòu)造緊湊，活動部件少于水平軸風(fēng)力機(jī)，提高了可靠性。4）葉片制造工藝簡單可以設(shè)計成低轉(zhuǎn)速多葉片構(gòu)造,這將大大地降低風(fēng)力機(jī)對于葉片材質(zhì)的要求。不單如此，葉片是以簡支梁或多跨連續(xù)梁的力學(xué)模型架設(shè)在風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)子上的，這有利于降低對于風(fēng)力機(jī)材質(zhì)的要求。,第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,7.1垂直軸風(fēng)力機(jī)的類型,17,缺點(diǎn)1）風(fēng)能利用率S型風(fēng)力發(fā)電機(jī),理想狀態(tài)下的風(fēng)能利用系數(shù)為15%左右,而達(dá)里厄型風(fēng)力發(fā)電機(jī)在理想狀態(tài)下的風(fēng)能利用系數(shù)也不到40%。其他結(jié)構(gòu)形式的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)也較低。2）起動風(fēng)速起動性能差,特別對于達(dá)里厄式型風(fēng)輪,完全沒有自啟動能力,并且調(diào)速、限速困難，這是限制垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用的一個重要原因。,第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,6.1垂直軸風(fēng)力機(jī)的類型,18,第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,7.2升力型風(fēng)輪輸出功率計算,一、均勻流管理論,均勻流管理論即認(rèn)為風(fēng)速均勻不變的穿過風(fēng)輪，在風(fēng)輪尾流風(fēng)速也保持均勻不變。但風(fēng)作用在風(fēng)輪上，風(fēng)輪獲得風(fēng)能的同時，也對風(fēng)產(chǎn)生反作用。研究精度不高。,19,第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,7.2升力型風(fēng)輪輸出功率計算,二、單一流管理論,單一流管理論將升力型風(fēng)輪前后流場看作是一個流管。,20,第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,7.2升力型風(fēng)輪輸出功率計算,當(dāng)風(fēng)速為V，在風(fēng)輪的作用下，風(fēng)輪內(nèi)風(fēng)速變?yōu)閂m；當(dāng)風(fēng)穿過風(fēng)輪后尾流的風(fēng)速為Vn。如果風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面內(nèi)氣流的誘導(dǎo)系數(shù)用a表示，則風(fēng)速Vm表示為：,風(fēng)輪上的阻力Fx為：,聯(lián)合上述兩式可求得誘導(dǎo)系數(shù)a為：,其中，CFX為阻力系數(shù),21,第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,7.2升力型風(fēng)輪輸出功率計算,為求解阻力系數(shù)CFX，定義氣流通過葉片時的相對速度為VR，來流風(fēng)速為V，旋轉(zhuǎn)半徑為R，旋轉(zhuǎn)角速度為，風(fēng)速與固定葉片支架角度為，葉片安裝角為，葉片入流角為，葉片迎角為。且定義無量綱參數(shù)，。,22,第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,7.2升力型風(fēng)輪輸出功率計算,設(shè)升力系數(shù)為CL，阻力系數(shù)為CD，葉片個數(shù)為n，葉片長為lb，對葉片旋轉(zhuǎn)一周積分可得各阻力系數(shù)為：,可求得誘導(dǎo)系數(shù)a為：,23,第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,7.2升力型風(fēng)輪輸出功率計算,利用誘導(dǎo)系數(shù)a的計算式、相對流入速度及表征空氣動力學(xué)特性的3個系數(shù)：升力系數(shù)CL、阻力系數(shù)CD和扭矩系數(shù)CM，求得力矩系數(shù)CT：,作用于葉片的力矩系數(shù)CT是由作用于葉片上的力矩來定義的，其中，R為風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)半徑。,24,第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,7.2升力型風(fēng)輪輸出功率計算,因此，風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪組合力矩為葉片和支架力矩之和T=TB+TZ，風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的風(fēng)能利用系數(shù)可以利用合力矩計算為：,在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時，除了葉片上作用有力矩外，支架也產(chǎn)生力矩，用TZ表示。其定義與葉片力矩一樣，表示為：,25,第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,7.3垂直軸風(fēng)力機(jī)的關(guān)鍵參數(shù),一、葉片的實(shí)度,1.定義：葉片弦長之和與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)半徑R的圓周長之比。,26,第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,7.3垂直軸風(fēng)力機(jī)的關(guān)鍵參數(shù),2、葉片實(shí)度對風(fēng)輪性能的影響,左圖為葉片實(shí)度對風(fēng)能利用系數(shù)的影響。從圖中可以看出，當(dāng)實(shí)度增加時，風(fēng)輪獲得的最大功率的葉尖速比變小；相反實(shí)度減小時，風(fēng)輪獲得最大風(fēng)能利用系數(shù)的葉尖速比系數(shù)增加。,27,第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,7.3垂直軸風(fēng)力機(jī)的關(guān)鍵參數(shù),從圖中還可以看出，葉片實(shí)度減小，在最佳葉尖速比附近，風(fēng)輪風(fēng)能利用系數(shù)CP值也較高；相反，葉片實(shí)度增加后，隨葉尖速比附近的高CP值范圍變窄。根據(jù)此規(guī)律，為了改善升力性垂直軸風(fēng)輪的起動性能，可以適當(dāng)增加實(shí)度。,28,第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,7.4垂直軸風(fēng)輪的翼型,一、垂直軸風(fēng)力機(jī)的葉片翼型必須具有的特性,1.較大的升力系數(shù)；2.較小的阻力系數(shù)；3.阻力系數(shù)要對稱于零升力角；4.負(fù)的縱向搖動力矩系數(shù)大。,二、垂直軸風(fēng)力機(jī)的主要翼型,目前為止用于VAWT上的翼型主要有NACA0018、NACA0015、NACA0012、SNLZ和S系列翼型。,29,第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,7.5垂直軸風(fēng)力機(jī)實(shí)例,左圖給出了加拿大Domining制鋁公司(DAF）建造的商用雙葉片打蛋器形垂直軸風(fēng)力機(jī)，風(fēng)力赤道直徑為6.0m，風(fēng)力最大輸出功率為6.1kW,在8m/s風(fēng)速下為2.58kW。主要由葉片、主軸、增速器、聯(lián)軸器、制動器、發(fā)電機(jī)、塔架、拉索和控制盤等組成。,30,第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,7.6與水平軸比較,與水平軸風(fēng)輪相比，垂直軸風(fēng)輪的空氣動力學(xué)特性有本質(zhì)區(qū)別。最佳風(fēng)能利用系數(shù)在相對較低的葉尖速比下獲得。還有幾個其他方面表明VAWT優(yōu)于現(xiàn)在的HAWT技術(shù)：1.噪聲。2.鳥類。3.人工安全性。4.維護(hù)成本。5.審美。6.容易安裝。,31,第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,7.7垂直軸風(fēng)力機(jī)存在的問題,垂直軸風(fēng)力機(jī)盡管具有許多水平軸風(fēng)力機(jī)不具備的優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些難以解決的技術(shù)難題：1.達(dá)里厄垂直軸風(fēng)力機(jī)不能變槳，起動較為困難。2.達(dá)里厄垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能效率仍然低于水平軸風(fēng)力機(jī)的效率。3.打蛋形達(dá)里厄葉片的各部位距轉(zhuǎn)動中心的半徑不同，難以做到按不同風(fēng)速變換葉片攻角和葉片弦長。4.垂直軸風(fēng)力機(jī)的軸較長，在加工和制造上較為困難。5.垂直軸風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率控制較水平軸的難以實(shí)現(xiàn)。6.垂直軸風(fēng)力機(jī)葉輪靠地面較近，受剪切風(fēng)的影響較大。,32,第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,7.6與水平軸比較,與水平軸風(fēng)輪相比，垂直軸風(fēng)輪的空氣動力學(xué)特性有本質(zhì)區(qū)別。最佳風(fēng)能利用系數(shù)在相對較低的葉尖速比下獲得。還有幾個其他方面表明VAWT優(yōu)于現(xiàn)在的HAWT技術(shù)：1.噪聲。2.鳥類。3.人工安全性。4.維護(hù)成本。5.審美。6.容易安裝。,33,第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,思考題,1.風(fēng)能大小與哪些因素有關(guān)系？,答：風(fēng)能大小與氣流通過的掃風(fēng)面積、空氣密度和氣流的速度有關(guān)系。,2.簡述失速控制型風(fēng)輪的優(yōu)缺點(diǎn)。,答：優(yōu)點(diǎn)。（1）葉片與輪轂之間無運(yùn)動部件，輪轂結(jié)構(gòu)簡單、費(fèi)用低；（2）沒有功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)；（3）在失速后功率的波動相對小。缺點(diǎn)：（1）氣動剎車系統(tǒng)可靠性設(shè)計和制造要求高；（2）葉片、機(jī)艙和塔架上的動態(tài)荷載高；（3）起動性差；（4）機(jī)組承受的風(fēng)荷載大。,34,第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,思考題,2.簡述變槳距控制型風(fēng)輪的優(yōu)缺點(diǎn)。,答：優(yōu)點(diǎn)。（1）起動性好；（2）剎車結(jié)構(gòu)簡單，葉片順槳后風(fēng)輪轉(zhuǎn)速可以逐漸降低；（3）額定點(diǎn)以前的輸出功率飽滿；（4）額定點(diǎn)