垂直軸風(fēng)力發(fā)電原理介紹演示文稿

垂直軸風(fēng)力發(fā)電原理介紹演示文稿本文檔共34頁；當(dāng)前第1頁；編輯于星期三\3點(diǎn)17分§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(duì)稱，引起空氣阻力不同，從而產(chǎn)生一個(gè)繞中心軸的力矩，使風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。杯式風(fēng)速計(jì)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(dòng)力學(xué)工作原理分為阻力型升力型2本文檔共34頁；當(dāng)前第2頁；編輯于星期三\3點(diǎn)17分第七章垂直軸風(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(shí)受風(fēng)面形狀不同而產(chǎn)生不同的阻力系數(shù)，來驅(qū)動(dòng)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本文檔共34頁；當(dāng)前第3頁；編輯于星期三\3點(diǎn)17分第七章垂直軸風(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(shí)，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本文檔共34頁；當(dāng)前第4頁；編輯于星期三\3點(diǎn)17分第七章垂直軸風(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(shí)，CP取最大值。通過計(jì)算求得，當(dāng)可取得最大風(fēng)能利用系數(shù)。5本文檔共34頁；當(dāng)前第5頁；編輯于星期三\3點(diǎn)17分第七章垂直軸風(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(dòng)下旋轉(zhuǎn)，且最佳葉尖速比位于0~1范圍內(nèi)。通過功率計(jì)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本文檔共34頁；當(dāng)前第6頁；編輯于星期三\3點(diǎn)17分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(shí)，由于葉片迎風(fēng)面形狀不同，有F1>F2，產(chǎn)生力矩M，驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪做逆時(shí)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本文檔共34頁；當(dāng)前第7頁；編輯于星期三\3點(diǎn)17分

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(dòng)，那么葉片處的相對(duì)風(fēng)速可表示為v-u，而凸葉片的相對(duì)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Cd>>Cd’，v>>u，省去式中的后一項(xiàng)：第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組8本文檔共34頁；當(dāng)前第8頁；編輯于星期三\3點(diǎn)17分

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本文檔共34頁；當(dāng)前第9頁；編輯于星期三\3點(diǎn)17分第七章垂直軸風(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?zèng)Q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(shí)，輸出功率最大；葉尖速比0.3~0.4為高效運(yùn)行區(qū)域。10本文檔共34頁；當(dāng)前第10頁；編輯于星期三\3點(diǎn)17分二、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(duì)稱翼形，其中以H型和Φ型風(fēng)力機(jī)組最為典型?！?.1垂直軸風(fēng)力機(jī)的類型11本文檔共34頁；當(dāng)前第11頁；編輯于星期三\3點(diǎn)17分升力型風(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(duì)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(duì)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(dòng)力都產(chǎn)生一個(gè)驅(qū)動(dòng)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本文檔共34頁；當(dāng)前第12頁；編輯于星期三\3點(diǎn)17分垂直軸風(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本文檔共34頁；當(dāng)前第13頁；編輯于星期三\3點(diǎn)17分第七章垂直軸風(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(dòng)力將產(chǎn)生一個(gè)正的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，只有在90°和270°附近，翼型的弦線與風(fēng)向平行時(shí)，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本文檔共34頁；當(dāng)前第14頁；編輯于星期三\3點(diǎn)17分第七章垂直軸風(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本文檔共34頁；當(dāng)前第15頁；編輯于星期三\3點(diǎn)17分優(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5~10,這樣的低轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的氣動(dòng)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本文檔共34頁；當(dāng)前第16頁；編輯于星期三\3點(diǎn)17分3）無需偏航對(duì)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(jì)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡化，構(gòu)造緊湊，活動(dòng)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(jì)成低轉(zhuǎn)速多葉片構(gòu)造,這將大大地降低風(fēng)力機(jī)對(duì)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(duì)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本文檔共34頁；當(dāng)前第17頁；編輯于星期三\3點(diǎn)17分缺點(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(dòng)風(fēng)速起動(dòng)性能差,特別對(duì)于達(dá)里厄式Ф型風(fēng)輪,完全沒有自啟動(dòng)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(gè)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本文檔共34頁；當(dāng)前第18頁；編輯于星期三\3點(diǎn)17分第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組§7.2升力型風(fēng)輪輸出功率計(jì)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(shí)，也對(duì)風(fēng)產(chǎn)生反作用。研究精度不高。19本文檔共34頁；當(dāng)前第19頁；編輯于星期三\3點(diǎn)17分第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組§7.2升力型風(fēng)輪輸出功率計(jì)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(gè)流管。20本文檔共34頁；當(dāng)前第20頁；編輯于星期三\3點(diǎn)17分第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組§7.2升力型風(fēng)輪輸出功率計(jì)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本文檔共34頁；當(dāng)前第21頁；編輯于星期三\3點(diǎn)17分第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組§7.2升力型風(fēng)輪輸出功率計(jì)算

為求解阻力系數(shù)CFX，定義氣流通過葉片時(shí)的相對(duì)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ω，風(fēng)速與固定葉片支架角度為φ，葉片安裝角為θ，葉片入流角為ψ，葉片迎角為α。且定義無量綱參數(shù)，。22本文檔共34頁；當(dāng)前第22頁；編輯于星期三\3點(diǎn)17分第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組§7.2升力型風(fēng)輪輸出功率計(jì)算

設(shè)升力系數(shù)為CL，阻力系數(shù)為CD，葉片個(gè)數(shù)為n，葉片長為lb，對(duì)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本文檔共34頁；當(dāng)前第23頁；編輯于星期三\3點(diǎn)17分第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組§7.2升力型風(fēng)輪輸出功率計(jì)算

利用誘導(dǎo)系數(shù)a的計(jì)算式、相對(duì)流入速度及表征空氣動(dòng)力學(xué)特性的3個(gè)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本文檔共34頁；當(dāng)前第24頁；編輯于星期三\3點(diǎn)17分第七章垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組§7.2升力型風(fēng)輪輸出功率計(jì)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(jì)算為：

在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，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本文檔共34頁；當(dāng)前第25頁；編輯于星期三\3點(diǎn)17分第七章垂直軸風(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本文檔共34頁；當(dāng)前第26頁；編輯于星期三\3點(diǎn)17分第七章垂直軸風(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(duì)風(fēng)輪性能的影響

左圖為葉片實(shí)度對(duì)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(shí)，風(fēng)輪獲得的最大功率的葉尖速比變?。幌喾磳?shí)度減小時(shí)，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本文檔共34頁；當(dāng)前第27頁；編輯于星期三\3點(diǎn)17分第七章垂直軸風(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(dòng)性能，可以適當(dāng)增加實(shí)度。28本文檔共34頁；當(dāng)前第28頁；編輯于星期三\3點(diǎn)17分第七章垂直軸風(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(duì)稱于零升力角；4.負(fù)的縱向搖動(dòng)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本文檔共34頁；當(dāng)前第29頁；編輯于星期三\3點(diǎn)17分第七章垂直軸風(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(dòng)器、發(fā)電機(jī)、塔架、拉索和控制盤等組成。30本文檔共34頁；當(dāng)前第30頁；編輯于星期三\3點(diǎn)17分第七章垂直軸風(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(dòng)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(duì)較低的葉尖速比下獲得。還有幾個(gè)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本文檔共34頁；當(dāng)前第31頁；編輯于星期三\3點(diǎn)17分第七章垂直軸風(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(dòng)較為困難。。2.達(dá)里厄垂