垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)

1、垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)在風(fēng)向改變的時候無需對風(fēng)，在這點(diǎn)上相對于水平軸風(fēng)力 發(fā)電機(jī)是一大優(yōu)勢，它不僅使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡化，而且也減少了風(fēng)輪對風(fēng)時的陀螺力。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)(vertical axis wind turbine VAWT)從分類來說，主要分為阻力型和升力型。阻力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要是利用空氣流過葉片產(chǎn)生 的阻力作為驅(qū)動力的，而升力型則是利用空氣流過葉片產(chǎn)生的升力作為驅(qū)動力的。 由于葉片在旋轉(zhuǎn)過程中，隨著轉(zhuǎn)速的增加阻力急劇減小，而升力反而會增大，所 以升力型的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效率要比阻力型的高很多。1.阻力型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理阻力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)軸周圍， 有一對或者若干個凹凸曲面

2、的葉 片，當(dāng)它們處于不同方位時，相對于它的來風(fēng)方向所受的推力 F是不同的。風(fēng)力 作用于上述物體上的空氣動力差別也很大。作用力F可表示為：F=1/2? p ?S V?C其中p 空氣密度，一般取1.25 (kg/m?)S風(fēng)輪迎風(fēng)面積V來流風(fēng)速C空氣動力系數(shù)以半球?yàn)槔?，?dāng)風(fēng)吹到半球凹面一側(cè)，c值為1.33，當(dāng)風(fēng)吹到半球凸面一側(cè) 時，c值為0.34。對于柱面，當(dāng)風(fēng)吹向凹面和凸面時，系數(shù)c分別為2.3和1.2。 由于組成風(fēng)輪的葉片不對稱性和空氣阻力的差異， 風(fēng)對風(fēng)輪的作用就形成了繞轉(zhuǎn) 軸的驅(qū)動力偶，整個風(fēng)輪隨即轉(zhuǎn)動。2.升力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理在下面圖中列舉了從0度到315度八個位置的葉片，風(fēng)從左邊進(jìn)

3、入，淺藍(lán)色 的矢量v是風(fēng)速、綠色的矢量u是葉片圓周運(yùn)動的線速度反向(即無風(fēng)時葉片感 受到的氣流速度)、藍(lán)色的矢量w是葉片感受到的合成氣流速度(即相對風(fēng)速)、 紫色的矢量L是葉片受到的升力。我們分析一下葉片在這八個角度的受力情況，在 90度與270度的位置，相 對風(fēng)速不產(chǎn)生升力，在其它六個位置上葉片受到的升力均能在運(yùn)動方向產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩 力，這也是達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)能在風(fēng)力下旋轉(zhuǎn)的道理。實(shí)際上情況要復(fù)雜得多，前面分析圖是理想狀態(tài)，是在理想的葉尖速比與沒 有葉片的阻力時的狀態(tài)。葉片推動風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩力是升力與阻力的合成力在葉 片前進(jìn)方向的分力。我們?nèi)?15度時的情況分析一下有阻力的情況，圖中黑色的 矢量D為葉

4、片受到的阻力，棕色的矢量F是升力L與阻力D的合成力，該力在葉 片前進(jìn)方向的分力M才是實(shí)際的轉(zhuǎn)矩力，顯然此時的轉(zhuǎn)矩力明顯小于理想狀況。而且在180度與270度附近的角度內(nèi)，升力與阻力的合成力產(chǎn)生的是反向轉(zhuǎn) 矩力。U風(fēng)葉線速度:-Avfilil ,W相對風(fēng)連.L升力 ”D現(xiàn)力.F-買片受/.#汕一拷矩力.MI風(fēng)向w風(fēng)速達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)只有在葉片在360度與180度附近才有較大的輸出力。即便是這樣，還只能運(yùn)行在葉尖速比為 3.5以上的情況，可通過下圖來說明,圖中左側(cè)圖葉片受到相對風(fēng)速 W的作用產(chǎn)生升力L與阻力D,相對風(fēng)速 W 與葉片弦線的夾角即葉片的攻角 a約為14度,相對風(fēng)速W由風(fēng)速V與葉片運(yùn)動 速度

5、u合成，此時的葉片運(yùn)動的速度約風(fēng)速的 4倍，即葉尖速比為4。升力L與 阻力D的合力為F，該力對風(fēng)輪的力矩力為 M是推動風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的力。在葉尖速 比為4時，葉片運(yùn)行在向風(fēng)側(cè)或背風(fēng)側(cè)均能產(chǎn)生推動風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的力矩，僅在兩側(cè)（90度與180度）附近升力很小，會有不大的負(fù)向力矩。圖中右側(cè)圖風(fēng)速增加了一倍，葉片運(yùn)動的速度未變，葉尖速比約為2,葉片的攻角a約為27度，此時葉片工作在失速狀態(tài)，葉片產(chǎn)生的升力L明顯下降，阻力D卻大大上升，相對風(fēng)輪產(chǎn)生的力矩力 M為負(fù)向，是阻止風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的，而且 此時葉片運(yùn)行在大多數(shù)位置均產(chǎn)生負(fù)向力矩。對于大多數(shù)普通翼型當(dāng)葉尖速比小 于3.5時葉片基本上不產(chǎn)生推動風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的力。達(dá)里厄風(fēng)

6、力機(jī)在低風(fēng)速下運(yùn)轉(zhuǎn)困難， 要在較高的風(fēng)力下，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速達(dá)到葉尖 速比為3.5以上才可能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，在尖速比為4-6可獲較高的功率輸出。為減小阻力增加升力，對風(fēng)力機(jī) 的葉片截面形狀（翼型）選擇與外表光潔度要求比較高。既然達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)在葉 尖速比為3.5以下時不能依靠升力運(yùn)轉(zhuǎn)，能否依靠阻力運(yùn)行呢？由于各翼片是均 勻固定在風(fēng)輪的圓周上，各翼片受風(fēng)產(chǎn)生的阻力力矩不大而且各翼片合成的總力 矩很小，即使某角度可產(chǎn)生一定的力矩但在另一角度可能產(chǎn)生反向力矩，所以達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)不能單靠風(fēng)力自起動，必須依靠外力起動使葉尖速比達(dá)到 3.5以上時 才能依靠升力運(yùn)轉(zhuǎn)。典型的達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)翼片不是直的， 而是彎成弧形，兩翼片 合成一個©形。下圖即是一臺達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)模型?，F(xiàn)在的達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)多采用直形風(fēng)葉，也有人稱之為 H型風(fēng)力機(jī)。H型風(fēng)力 機(jī)的葉片數(shù)一般為2至6個垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)的葉片通過兩端或中部固定在轉(zhuǎn)軸上， 有利于加大機(jī)械強(qiáng)度， 可做得很輕巧；達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)不存在頭重腳輕的狀況， 對塔架要求較低，適合用 拉索固定，安裝容易，檢修也方便，這些都是它的優(yōu)點(diǎn)。對于達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)不能 自起動的問題，一般方法是在起動時采用發(fā)電機(jī)作電動機(jī)帶動風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)，使葉尖速比達(dá)到3.5以上。由于對風(fēng)速變化與負(fù)荷變化要求都較苛刻， 難以平穩(wěn)高效 運(yùn)行，