垂直軸風(fēng)力發(fā)電原理介紹實用教案

1、1垂直軸風(fēng)力機的類型垂直軸風(fēng)力機的類型(lixng)(lixng) 1 1、阻力型垂直軸風(fēng)力機、阻力型垂直軸風(fēng)力機 阻力型風(fēng)力機是由于風(fēng)力機的葉片在迎風(fēng)方向形狀不對阻力型風(fēng)力機是由于風(fēng)力機的葉片在迎風(fēng)方向形狀不對稱，引起空氣阻力不同，從而產(chǎn)生一個稱，引起空氣阻力不同，從而產(chǎn)生一個(y (y )繞中心軸繞中心軸的力矩，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。風(fēng)力機。 第七章第七章 垂直軸風(fēng)力垂直軸風(fēng)力(fngl)(fngl)發(fā)電機發(fā)電機組組一、分類一、分類按照空氣動力學(xué)工按照空氣動力學(xué)工作原理分為作原理分為阻力型阻力型升力型升力型第

2、1頁/共36頁第一頁，共37頁。2第七章第七章 垂直軸風(fēng)力垂直軸風(fēng)力(fngl)(fngl)發(fā)電機發(fā)電機組組垂直軸風(fēng)力機的類型垂直軸風(fēng)力機的類型(lixng)(lixng)1.1 1.1 阻力阻力(zl)(zl)差型垂直軸風(fēng)力機差型垂直軸風(fēng)力機定義定義：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。阻力系數(shù)，來驅(qū)動風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的風(fēng)力機。設(shè)葉片葉尖的線速度為設(shè)葉片葉尖的線速度為V V，風(fēng)速為，風(fēng)速為V V1 1，葉，葉片表面積為片表面積為A A，則風(fēng)作用于葉片凹形面，則風(fēng)作用于葉片凹形面的阻力為：的阻力為：2111)

3、(21vvACTT逆風(fēng)阻力：逆風(fēng)阻力：2122)(21vvACTT式中：式中：C CT1T1、C CT2T2為凹面和凸面的阻力系數(shù)為凹面和凸面的阻力系數(shù)第2頁/共36頁第二頁，共37頁。3第七章第七章 垂直軸風(fēng)力垂直軸風(fēng)力(fngl)(fngl)發(fā)電發(fā)電機組機組垂直軸風(fēng)力機的類型垂直軸風(fēng)力機的類型(lixng)(lixng)vvvCvvCAPTT)()(21212211假定假定CT1CT1、CT2CT2為常數(shù)時，則可得到風(fēng)杯式風(fēng)輪為常數(shù)時，則可得到風(fēng)杯式風(fēng)輪(fn(fn ln) ln)的功率輸出：的功率輸出：則風(fēng)能利用系數(shù)為：則風(fēng)能利用系數(shù)為：AvvvvCTvvCTAPPCP31022)1(2

4、2)1( 12第3頁/共36頁第三頁，共37頁。4第七章第七章 垂直軸風(fēng)力垂直軸風(fēng)力(fngl)(fngl)發(fā)電發(fā)電機組機組垂直軸風(fēng)力機的類型垂直軸風(fēng)力機的類型(lixng)(lixng) 與平板式垂直軸風(fēng)力機類似與平板式垂直軸風(fēng)力機類似(li s)，當(dāng)，當(dāng) 時，時，CP取最大值。通過計算求得，當(dāng)取最大值。通過計算求得，當(dāng) 0) 1/(vvddCP)( 3)( 3)(4)(2212121211TTTTTTTTCCCCCCCCvv可取得最大風(fēng)能利用系數(shù)?？扇〉米畲箫L(fēng)能利用系數(shù)。第4頁/共36頁第四頁，共37頁。5第七章第七章 垂直軸風(fēng)力垂直軸風(fēng)力(fngl)(fngl)發(fā)發(fā)電機組電機組垂直軸風(fēng)力

5、機的類型垂直軸風(fēng)力機的類型(lixng)(lixng) 阻力差型風(fēng)力機也屬于阻力型風(fēng)力機，其葉片在空氣阻力阻力差型風(fēng)力機也屬于阻力型風(fēng)力機，其葉片在空氣阻力的推動下旋轉(zhuǎn)，且最佳葉尖速比位于的推動下旋轉(zhuǎn)，且最佳葉尖速比位于0101范圍內(nèi)。通過功率計范圍內(nèi)。通過功率計算式可以發(fā)現(xiàn)，為了使阻力差型風(fēng)力機獲得最大的功率，可以算式可以發(fā)現(xiàn)，為了使阻力差型風(fēng)力機獲得最大的功率，可以利用增大葉片的順風(fēng)阻力系數(shù)利用增大葉片的順風(fēng)阻力系數(shù)(xsh)(xsh)或者減少逆風(fēng)阻力系或者減少逆風(fēng)阻力系數(shù)數(shù)(xsh)(xsh)。通常有以下典型結(jié)構(gòu)：半球形葉片，。通常有以下典型結(jié)構(gòu)：半球形葉片，CT1CT1達(dá)，達(dá)，CT2C

6、T2僅為；半圓柱形葉片的僅為；半圓柱形葉片的CT1CT1達(dá)，而達(dá)，而CT2CT2僅為。僅為。第5頁/共36頁第五頁，共37頁。61.2 S1.2 S型的型的SavoniusSavonius風(fēng)力機風(fēng)力機 S S型風(fēng)力機是阻力型風(fēng)力機中的經(jīng)典型式，當(dāng)風(fēng)吹向葉型風(fēng)力機是阻力型風(fēng)力機中的經(jīng)典型式，當(dāng)風(fēng)吹向葉輪時，由于輪時，由于(yuy)(yuy)葉片迎風(fēng)面形狀不同，有葉片迎風(fēng)面形狀不同，有F1 F2F1 F2，產(chǎn)，產(chǎn)生力矩生力矩M M，驅(qū)動風(fēng)輪做逆時針方向旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動風(fēng)輪做逆時針方向旋轉(zhuǎn)( (俯視情況下俯視情況下) )。 S型風(fēng)力機外形(wi xn)第七章第七章 垂直軸風(fēng)力垂直軸風(fēng)力(fngl)(fng

7、l)發(fā)電機發(fā)電機組組垂直軸風(fēng)力機的類型垂直軸風(fēng)力機的類型第6頁/共36頁第六頁，共37頁。7置于速度為置于速度為v v的風(fēng)中的風(fēng)力機，在風(fēng)速的風(fēng)中的風(fēng)力機，在風(fēng)速v v作用下，凹葉作用下，凹葉片以速度片以速度u u被推向后方運動，那么葉片處的相對風(fēng)速可表示被推向后方運動，那么葉片處的相對風(fēng)速可表示(biosh)(biosh)為為v-uv-u，而凸葉片的相對風(fēng)速為，而凸葉片的相對風(fēng)速為v+uv+u，葉片所受，葉片所受阻力阻力F1F1、 F2 F2如下：如下： 阻力(zl)型風(fēng)力機受力模型2112dFvuAC2212dFvuAC風(fēng)力機的功率風(fēng)力機的功率P P等于阻力等于阻力F F與風(fēng)力機葉片受推力

8、產(chǎn)生與風(fēng)力機葉片受推力產(chǎn)生(chnshng)(chnshng)的速度的速度u u之積：之積： 22121122ddPFF uACvuuACvuu由于由于C Cd d CCd d，vuvu，省去式中的后，省去式中的后一項：一項：212dPACvuu第七章第七章 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組第7頁/共36頁第七頁，共37頁。802/30取風(fēng)速取風(fēng)速(fn(fn s) s)減少率減少率 可得可得 ： 其中其中E E為輸入為輸入(shr)(shr)風(fēng)能，令風(fēng)能，令 即：即： 表明葉片沒有表明葉片沒有(mi yu)(mi yu)做功，所以：做功，所以： 2223312112dpddACvuuvu

9、uPCCCEvAv0pdCdvuv230dC解得：2max22413327pddCCC1.3dC max5.20.19327PC若若則它可能達(dá)到的最大功率系數(shù)為則它可能達(dá)到的最大功率系數(shù)為 第七章第七章 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組第8頁/共36頁第八頁，共37頁。9第七章第七章 垂直軸風(fēng)力垂直軸風(fēng)力(fngl)(fngl)發(fā)電發(fā)電機組機組垂直軸風(fēng)力機的類型垂直軸風(fēng)力機的類型(lixng)(lixng)某風(fēng)力機的性能某風(fēng)力機的性能(xngnng)曲線曲線 阻力型風(fēng)力機的風(fēng)能利用系數(shù)較低，阻力型風(fēng)力機的風(fēng)能利用系數(shù)較低，故很少用于發(fā)電。轉(zhuǎn)速決定了輸出功率故很少用于發(fā)電。轉(zhuǎn)速決定了輸出功率

10、的大小，風(fēng)輪只有在最佳轉(zhuǎn)速下才能獲的大小，風(fēng)輪只有在最佳轉(zhuǎn)速下才能獲得最佳風(fēng)力機輸出功率，如圖所示，給得最佳風(fēng)力機輸出功率，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，葉尖速比的關(guān)系曲線。圖中可以看出，葉尖速比為時，輸出功率最大；葉尖速比為高比為時，輸出功率最大；葉尖速比為高效運行區(qū)域。效運行區(qū)域。第9頁/共36頁第九頁，共37頁。10二、升力型垂直軸風(fēng)力機二、升力型垂直軸風(fēng)力機 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(fn(fn ln)ln)。風(fēng)輪。風(fēng)輪(fn(fn ln) ln)由

11、固定的數(shù)枚葉片組成，繞垂由固定的數(shù)枚葉片組成，繞垂直軸旋轉(zhuǎn)。直軸旋轉(zhuǎn)。 第七章第七章 垂直軸風(fēng)力垂直軸風(fēng)力(fngl)(fngl)發(fā)電發(fā)電機組機組 達(dá)里厄風(fēng)力發(fā)電機組可分為直葉片和彎葉片兩種，葉達(dá)里厄風(fēng)力發(fā)電機組可分為直葉片和彎葉片兩種，葉片的翼形剖面片的翼形剖面(pumin)(pumin)多為對稱翼形，其中以多為對稱翼形，其中以H H型和型和型風(fēng)力機組最為典型。型風(fēng)力機組最為典型。垂直軸風(fēng)力機的類型垂直軸風(fēng)力機的類型第10頁/共36頁第十頁，共37頁。11升力(shn l)型風(fēng)力機工作原理 來流風(fēng)速來流風(fēng)速v v是恒定的，風(fēng)輪運轉(zhuǎn)是恒定的，風(fēng)輪運轉(zhuǎn)中該橫截面各翼型的切向速度中該橫截面各翼型的

12、切向速度u u的大的大小相等，而方向不同，它們與相對速小相等，而方向不同，它們與相對速度度w w一起構(gòu)成了各翼型的速度三角形。一起構(gòu)成了各翼型的速度三角形。w w與葉片弦線的夾角是有效攻角。對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，在其它近似平行的位置外，在其它(qt)(qt)方位的氣動力都產(chǎn)生一個驅(qū)動風(fēng)輪旋方位的氣動力都產(chǎn)生一個驅(qū)動風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的力矩。轉(zhuǎn)的力矩。 第七章第七章 垂直軸風(fēng)力垂直軸風(fēng)力(fngl)(fngl)發(fā)發(fā)電機組電機組垂直軸風(fēng)力機的類型垂直軸風(fēng)

13、力機的類型第11頁/共36頁第十一頁，共37頁。12垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組(jz)(jz)同水平軸機組同水平軸機組(jz)(jz)一樣，一樣，也主要由風(fēng)力機、齒輪箱、發(fā)電機等組成。也主要由風(fēng)力機、齒輪箱、發(fā)電機等組成。 (a)結(jié)構(gòu)(jigu)簡圖 (b) 實際機組垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組第七章第七章 垂直軸風(fēng)力垂直軸風(fēng)力(fngl)(fngl)發(fā)電機發(fā)電機組組第12頁/共36頁第十二頁，共37頁。13第七章第七章 垂直軸風(fēng)力垂直軸風(fēng)力(fngl)(fngl)發(fā)電機發(fā)電機組組垂直軸風(fēng)力機的類型垂直軸風(fēng)力機的類型(lixng)(lixng) 左圖給出了達(dá)里厄風(fēng)輪單葉左圖給出了達(dá)里厄風(fēng)輪單葉

14、片在宣州一周內(nèi)各部位角度的力片在宣州一周內(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)動動力將產(chǎn)生一個正的驅(qū)動(q (q dndn) )轉(zhuǎn)矩，只有在轉(zhuǎn)矩，只有在9090和和270270附近，翼型的弦線與風(fēng)向平行時，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)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)。轉(zhuǎn)矩，降低了風(fēng)能利用系數(shù)。第13頁/共36頁第十三頁，共37頁。14第七章第七章 垂直軸風(fēng)力垂直軸風(fēng)力(fngl)(

15、fngl)發(fā)電發(fā)電機組機組垂直軸風(fēng)力機的類型垂直軸風(fēng)力機的類型(lixng)(lixng)左圖給出了兩葉片和三葉片左圖給出了兩葉片和三葉片的達(dá)里厄風(fēng)力機的力矩系數(shù)的達(dá)里厄風(fēng)力機的力矩系數(shù)隨轉(zhuǎn)角變化的曲線圖。圖中隨轉(zhuǎn)角變化的曲線圖。圖中可以看出可以看出(kn ch)，在葉片，在葉片力矩的疊加下，葉片的力矩力矩的疊加下，葉片的力矩系數(shù)與單葉片產(chǎn)生較大的區(qū)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。葉尖速比的增加而越加明顯。第14頁/共36頁第十四頁，共37頁。15優(yōu)點優(yōu)點 1 1）壽命長，易維護(hù)安

16、裝）壽命長，易維護(hù)安裝 葉片葉片(ypin)(ypin)在旋轉(zhuǎn)過程中由于慣性力與重力的方向在旋轉(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)。上，便于安裝與維護(hù)。2 2）利于環(huán)保）利于環(huán)保 水平軸風(fēng)輪的尖速比一般在水平軸風(fēng)輪的尖速比一般在510,510,這樣的低轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的氣這樣的低轉(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)點是水平軸風(fēng)力發(fā)電機難以比擬的。等多種優(yōu)點是水平軸風(fēng)力發(fā)電機難以比擬的。三、垂直軸風(fēng)力機

17、的特點三、垂直軸風(fēng)力機的特點(tdin)第七章第七章 垂直軸風(fēng)力垂直軸風(fēng)力(fngl)(fngl)發(fā)發(fā)電機組電機組垂直軸風(fēng)力機的類型垂直軸風(fēng)力機的類型第15頁/共36頁第十五頁，共37頁。163 3）無需偏航對風(fēng)）無需偏航對風(fēng) 不需要迎風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)不需要迎風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)(xtng),(xtng),可以接受任何方向來可以接受任何方向來風(fēng)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。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)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，提高了可靠性。力機，提高了可靠性。4 4）葉片制造工藝簡單

18、）葉片制造工藝簡單 可以設(shè)計成低轉(zhuǎn)速多葉片構(gòu)造可以設(shè)計成低轉(zhuǎn)速多葉片構(gòu)造, ,這將大大地降低風(fēng)力機這將大大地降低風(fēng)力機對于葉片材質(zhì)的要求。不單如此，葉片是以簡支梁或多跨對于葉片材質(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)力機的轉(zhuǎn)子上的，這有利于降連續(xù)梁的力學(xué)模型架設(shè)在風(fēng)力機的轉(zhuǎn)子上的，這有利于降低對于風(fēng)力機材質(zhì)的要求。低對于風(fēng)力機材質(zhì)的要求。第七章第七章 垂直軸風(fēng)力垂直軸風(fēng)力(fngl)(fngl)發(fā)電發(fā)電機組機組垂直軸風(fēng)力機的類型垂直軸風(fēng)力機的類型(lixng)(lixng)第16頁/共36頁第十六頁，共37頁。17缺點缺點 1 1）風(fēng)能利用率）風(fēng)能利用率 S S型風(fēng)力

19、發(fā)電機型風(fēng)力發(fā)電機, ,理想狀態(tài)下的風(fēng)能利用系數(shù)為理想狀態(tài)下的風(fēng)能利用系數(shù)為15%15%左右左右, ,而達(dá)里而達(dá)里厄型風(fēng)力發(fā)電機在理想狀態(tài)下的風(fēng)能利用系數(shù)也不到厄型風(fēng)力發(fā)電機在理想狀態(tài)下的風(fēng)能利用系數(shù)也不到40%40%。其他結(jié)。其他結(jié)構(gòu)形式構(gòu)形式(xngsh)(xngsh)的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)能利用系數(shù)也較低。的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)能利用系數(shù)也較低。2 2）起動風(fēng)速）起動風(fēng)速 起動性能差起動性能差, ,特別對于達(dá)里厄式特別對于達(dá)里厄式型風(fēng)輪型風(fēng)輪, ,完全沒有自啟動能力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)電機應(yīng)用的一個重要并且調(diào)速、限速困難，這是限制垂直軸風(fēng)力發(fā)

20、電機應(yīng)用的一個重要原因。原因。第七章第七章 垂直軸風(fēng)力垂直軸風(fēng)力(fngl)(fngl)發(fā)電發(fā)電機組機組垂直軸風(fēng)力機的類型垂直軸風(fēng)力機的類型(lixng)(lixng)第17頁/共36頁第十七頁，共37頁。18第七章第七章 垂直軸風(fēng)力垂直軸風(fēng)力(fngl)(fngl)發(fā)電發(fā)電機組機組一、均勻一、均勻(jnyn)流管流管理論理論 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)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。獲得風(fēng)能的同時，也對風(fēng)產(chǎn)生反作用。

21、研究精度不高。第18頁/共36頁第十八頁，共37頁。19第七章第七章 垂直軸風(fēng)力垂直軸風(fēng)力(fngl)(fngl)發(fā)發(fā)電機組電機組二、單一二、單一(dny)流管流管理論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。單一流管理論將升力型風(fēng)輪前后流場看作是一個流管。第19頁/共36頁第十九頁，共37頁。20第七章第七章 垂直軸風(fēng)力垂直軸風(fēng)力(fngl)(fngl)發(fā)電機發(fā)電機組組 當(dāng)風(fēng)速為當(dāng)風(fēng)速為VV，在風(fēng)輪的作用下，風(fēng)輪內(nèi)風(fēng)速變?yōu)?，在風(fēng)輪的作用下，風(fēng)輪內(nèi)風(fēng)速變?yōu)閂mVm；當(dāng)風(fēng)；當(dāng)風(fēng)穿過穿過(chun (chun u)u)風(fēng)輪后尾流的風(fēng)速為風(fēng)輪后尾流的風(fēng)速為VnVn。如果風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面內(nèi)。如果風(fēng)

22、輪旋轉(zhuǎn)面內(nèi)氣流的誘導(dǎo)系數(shù)用氣流的誘導(dǎo)系數(shù)用a a表示，則風(fēng)速表示，則風(fēng)速VmVm表示為：表示為：)1 (avvm風(fēng)輪上的阻力風(fēng)輪上的阻力F Fx x為：為：FXXACvF221聯(lián)合上述兩式可求得誘導(dǎo)系數(shù)聯(lián)合上述兩式可求得誘導(dǎo)系數(shù)a a為：為：)11 (21FXCa其中，其中，C CFXFX為阻力系數(shù)為阻力系數(shù)第20頁/共36頁第二十頁，共37頁。21第七章第七章 垂直軸風(fēng)力垂直軸風(fēng)力(fngl)(fngl)發(fā)電發(fā)電機組機組 為求解阻力系數(shù)為求解阻力系數(shù)CFXCFX，定義氣流通過葉片，定義氣流通過葉片(ypin)(ypin)時時的相對速度為的相對速度為VRVR，來流風(fēng)速為，來流風(fēng)速為VV，旋轉(zhuǎn)半

23、徑為，旋轉(zhuǎn)半徑為R R，旋轉(zhuǎn)角速，旋轉(zhuǎn)角速度為度為，風(fēng)速與固定葉片，風(fēng)速與固定葉片(ypin)(ypin)支架角度為支架角度為，葉片，葉片(ypin)(ypin)安裝角為安裝角為，葉片，葉片(ypin)(ypin)入流角為入流角為，葉片，葉片(ypin)(ypin)迎角為迎角為。且定義無量綱參。且定義無量綱參數(shù)數(shù) ， 。VVVRR/)1/(*a)sin21 (2*22VVR2*sin21)1 (aVR第21頁/共36頁第二十一頁，共37頁。22第七章第七章 垂直軸風(fēng)力垂直軸風(fēng)力(fngl)(fngl)發(fā)發(fā)電機組電機組 設(shè)升力系數(shù)為設(shè)升力系數(shù)為CLCL，阻力，阻力(zl)(zl)系數(shù)為系數(shù)為CD

24、CD，葉片個數(shù)為，葉片個數(shù)為n n，葉片長為葉片長為lblb，對葉片旋轉(zhuǎn)一周積分可得各阻力，對葉片旋轉(zhuǎn)一周積分可得各阻力(zl)(zl)系數(shù)系數(shù)為：為：dCCVnlCFtFnRbFX)sincos(420sinDLFnCconCCsinDLFtCconCC可求得誘導(dǎo)系數(shù)可求得誘導(dǎo)系數(shù)a a為：為：dCCVCnlbaFtFnRFX)sincos()11 (8202第22頁/共36頁第二十二頁，共37頁。23第七章第七章 垂直軸風(fēng)力垂直軸風(fēng)力(fngl)(fngl)發(fā)電機發(fā)電機組組 利用利用(lyng)(lyng)誘導(dǎo)系數(shù)誘導(dǎo)系數(shù)a a的計算式、相對流入速度的計算式、相對流入速度及表征空氣動力學(xué)特

25、性的及表征空氣動力學(xué)特性的3 3個系數(shù)：升力系數(shù)個系數(shù)：升力系數(shù)CLCL、阻力系、阻力系數(shù)數(shù)CDCD和扭矩系數(shù)和扭矩系數(shù)CMCM，求得力矩系數(shù)，求得力矩系數(shù)CTCT：202)cossin(4dlCCCVnlCbMDLRbT 作用于葉片的力矩系數(shù)作用于葉片的力矩系數(shù)C CT T是由作用于葉片上的力矩是由作用于葉片上的力矩來定義的，其中，來定義的，其中，R R為風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)半徑。為風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)半徑。TBARCvT21ARvTCBT221第23頁/共36頁第二十三頁，共37頁。24第七章第七章 垂直軸風(fēng)力垂直軸風(fēng)力(fngl)(fngl)發(fā)發(fā)電機組電機組 因此，風(fēng)力機風(fēng)輪組合力矩因此，風(fēng)力機風(fēng)輪組合力矩

26、(l j)(l j)為葉片和支架力矩為葉片和支架力矩(l (l j)j)之和之和T=TB+TZT=TB+TZ，風(fēng)力機風(fēng)輪的風(fēng)能利用系數(shù)可以利用合力矩，風(fēng)力機風(fēng)輪的風(fēng)能利用系數(shù)可以利用合力矩(l j)(l j)計算為：計算為：PACvP321)(ZTPCCC 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，用力矩，用T TZ Z表示。其定義與葉片力矩一樣，表示為：表示。其定義與葉片力矩一樣，表示為：ZZARCvT21ARvTCZT221第24頁/共36頁第二十四頁，共37頁。25第七章第七章 垂直軸風(fēng)力垂直軸風(fēng)力(fngl)(fngl)發(fā)電發(fā)

27、電機組機組一、葉片一、葉片(ypin)的的實度實度1.1.定義：葉片弦長之和與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)半徑定義：葉片弦長之和與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)半徑R R的圓周長之比。的圓周長之比。Rnc2第25頁/共36頁第二十五頁，共37頁。26第七章第七章 垂直軸風(fēng)力垂直軸風(fēng)力(fngl)(fngl)發(fā)發(fā)電機組電機組2 2、葉片實度對風(fēng)輪性能、葉片實度對風(fēng)輪性能(xngnng)(xngnng)的影響的影響 左圖為葉片實度對風(fēng)能利左圖為葉片實度對風(fēng)能利用系數(shù)的影響。從圖中可以用系數(shù)的影響。從圖中可以看出，當(dāng)實度增加時，風(fēng)輪看出，當(dāng)實度增加時，風(fēng)輪獲得的最大功率的葉尖速比獲得的最大功率的葉尖速比變??；相反實度減小時，風(fēng)變?。幌喾磳嵍?/p>

28、減小時，風(fēng)輪獲得最大風(fēng)能利用系數(shù)的輪獲得最大風(fēng)能利用系數(shù)的葉尖速比系數(shù)增加。葉尖速比系數(shù)增加。第26頁/共36頁第二十六頁，共37頁。27第七章第七章 垂直軸風(fēng)力垂直軸風(fēng)力(fngl)(fngl)發(fā)電機發(fā)電機組組 從圖中還可以看出，葉從圖中還可以看出，葉片實度減小，在最佳葉尖速片實度減小，在最佳葉尖速比附近，風(fēng)輪風(fēng)能利用系數(shù)比附近，風(fēng)輪風(fēng)能利用系數(shù)CPCP值也較高；相反，葉片實值也較高；相反，葉片實度增加后，隨葉尖速比附近度增加后，隨葉尖速比附近的高的高CPCP值范圍值范圍(fnwi)(fnwi)變變窄。窄。 根據(jù)此規(guī)律，為了改善根據(jù)此規(guī)律，為了改善升力性垂直軸風(fēng)輪的起動性升力性垂直軸風(fēng)輪的起

29、動性能，可以適當(dāng)增加實度。能，可以適當(dāng)增加實度。第27頁/共36頁第二十七頁，共37頁。28第七章第七章 垂直軸風(fēng)力垂直軸風(fēng)力(fngl)(fngl)發(fā)發(fā)電機組電機組一、垂直軸風(fēng)力機的葉片翼型必須具有一、垂直軸風(fēng)力機的葉片翼型必須具有(jyu)的特性的特性1.1.較大的升力系數(shù)；較大的升力系數(shù)；2.2.較小的阻力系數(shù)；較小的阻力系數(shù)；3.3.阻力系數(shù)要對稱于零升力角；阻力系數(shù)要對稱于零升力角；4.4.負(fù)的縱向搖動力矩系數(shù)大。負(fù)的縱向搖動力矩系數(shù)大。二、垂直軸風(fēng)力機的主要翼型二、垂直軸風(fēng)力機的主要翼型 目前為止用于目前為止用于VAWTVAWT上的翼型主要有上的翼型主要有NACA0018NACA0

30、018、NACA0015NACA0015、NACA0012NACA0012、SNLZSNLZ和和S S系列翼型。系列翼型。第28頁/共36頁第二十八頁，共37頁。29第七章第七章 垂直軸風(fēng)力垂直軸風(fēng)力(fngl)(fngl)發(fā)電發(fā)電機組機組 左圖給出了加拿大左圖給出了加拿大DominingDomining制鋁公司制鋁公司(DAF(DAF）建造的商用雙葉）建造的商用雙葉片片(ypin)(ypin)打蛋器形垂直軸風(fēng)打蛋器形垂直軸風(fēng)力機，風(fēng)力赤道直徑為，風(fēng)力最力機，風(fēng)力赤道直徑為，風(fēng)力最大輸出功率為大輸出功率為6.1kW,6.1kW,在在8m/s8m/s風(fēng)速風(fēng)速下為。主要由葉片下為。主要由葉片(yp

31、in)(ypin)、主軸、增速器、聯(lián)軸器、制動器、主軸、增速器、聯(lián)軸器、制動器、發(fā)電機、塔架、拉索和控制盤等發(fā)電機、塔架、拉索和控制盤等組成。組成。第29頁/共36頁第二十九頁，共37頁。30第七章第七章 垂直軸風(fēng)力垂直軸風(fēng)力(fngl)(fngl)發(fā)電發(fā)電機組機組與水平軸風(fēng)輪相比，垂直軸風(fēng)輪的空氣動力學(xué)特性有本質(zhì)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。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還有幾個其他方面表明VAWTVAWT優(yōu)于現(xiàn)在的優(yōu)于現(xiàn)在的HAWTHAWT技術(shù)：技術(shù)：1.1.噪聲噪聲(zoshng

32、)(zoshng)。2.2.鳥類。鳥類。3.3.人工安全性。人工安全性。4.4.維護(hù)成本。維護(hù)成本。5.5.審美。審美。6.6.容易安裝。容易安裝。第30頁/共36頁第三十頁，共37頁。31第七章第七章 垂直軸風(fēng)力垂直軸風(fēng)力(fngl)(fngl)發(fā)電發(fā)電機組機組 垂直軸風(fēng)力機盡管具有許多水平軸風(fēng)力機不具備的優(yōu)垂直軸風(fēng)力機盡管具有許多水平軸風(fēng)力機不具備的優(yōu)點，但也存在一些難以解決的技術(shù)難題：點，但也存在一些難以解決的技術(shù)難題：1.1.達(dá)里厄垂直軸風(fēng)力機不能變槳，起動達(dá)里厄垂直軸風(fēng)力機不能變槳，起動(q dn(q dn) )較為困較為困難。難。2.2.達(dá)里厄垂直軸風(fēng)力機的風(fēng)能效率仍然低于水平軸風(fēng)

33、力機達(dá)里厄垂直軸風(fēng)力機的風(fēng)能效率仍然低于水平軸風(fēng)力機 的效率。的效率。3.3.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。以做到按不同風(fēng)速變換葉片攻角和葉片弦長。4.4.垂直軸風(fēng)力機的軸較長，在加工和制造上較為困難。垂直軸風(fēng)力機的軸較長，在加工和制造上較為困難。5.5.垂直軸風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速和功率控制較水平軸的難以實現(xiàn)。垂直軸風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速和功率控制較水平軸的難以實現(xiàn)。6.6.垂直軸風(fēng)力機葉輪靠地面較近，受剪切風(fēng)的影響較大。垂直軸風(fēng)力機葉輪靠地面較近，受剪切風(fēng)的影響較大。第31頁/共36頁第三十一頁，共37頁

34、。32第七章第七章 垂直軸風(fēng)力垂直軸風(fēng)力(fngl)(fngl)發(fā)電機發(fā)電機組組與水平軸風(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。佳風(fēng)能利用系數(shù)在相對較低的葉尖速比下獲得。還有幾個其他還有幾個其他(qt)(qt)方面表明方面表明VAWTVAWT優(yōu)于現(xiàn)在的優(yōu)于現(xiàn)在的HAWTHAWT技術(shù)：技術(shù)：1.1.噪聲。噪聲。2.2.鳥類。鳥類。3.3.人工安全性。人工安全性。4.4.維護(hù)成本。維護(hù)成本。5.5.審美。審美。6.6.容易安裝。容易安裝。第32頁/共36頁第三十二頁，共37頁。33第七章第

35、七章 垂直軸風(fēng)力垂直軸風(fēng)力(fngl)(fngl)發(fā)電機發(fā)電機組組1.1.風(fēng)能風(fēng)能(fn(fn nn nn) )大小與哪些因素有關(guān)系？大小與哪些因素有關(guān)系？答：風(fēng)能答：風(fēng)能(fn(fn nn nn) )大小與氣流通過的掃風(fēng)面積、空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。氣密度和氣流的速度有關(guān)系。2.2.簡述失速控制型風(fēng)輪的優(yōu)缺點。簡述失速控制型風(fēng)輪的優(yōu)缺點。答：優(yōu)點。（答：優(yōu)點。（1 1）葉片與輪轂之間無運動部件，輪轂結(jié)構(gòu)）葉片與輪轂之間無運動部件，輪轂結(jié)構(gòu)簡單、費用低；（簡單、費用低；（2 2）沒有功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的維護(hù)費；（）沒有功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的維護(hù)費；（3 3）在）在失速后功率的波動相對小。失速后功率的波動相對小。缺點缺點：（：（1 1）氣動剎車系統(tǒng)可靠性設(shè)計和制造要求高；（氣動剎車系統(tǒng)