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1、1 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理风力发电原理风力发电原理 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理 1 7.1 垂直轴风力机的类型 7.2 垂直轴升力型风轮的输出功率计算 7.3 垂直轴风力机的关键参数 7.4 垂直轴风力机风轮翼型 7.5 垂直轴风力机势力 7.6 与水平轴比较 7.7 垂直轴风力机存在的问题 第七章 垂直轴风力发电机组 2 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理风力发电原理风力发电原理 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理 2 7.17.1垂直轴风力机的类型 1、阻力型垂直轴风力机 阻
2、力型风力机是由于风力机的叶片在迎风方向形状不 对称，引起空气阻力不同，从而产生一个绕中心轴的力矩 ，使风轮转动。杯式风速计是最简单的阻力型垂直轴风力 机。 第七章 垂直轴风力发电机组 一、分类 按照空气动力学 工作原理分为 阻力型 升力型 3 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理风力发电原理风力发电原理 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理 3 第七章 垂直轴风力发电机组 7.17.1垂直轴风力机的类型 1.1 阻力差型垂直轴风力机 定义：利用叶片在顺风和逆风时受风面形状不同而产生 不同的阻力系数，来驱动风轮旋转的风力机。 设叶片叶尖的线速度为V，风
3、速为V1 ，叶片表面积为A，则风作用于叶片 凹形面的阻力为： 逆风阻力： 式中：CT1、CT2为凹面和凸面的阻力系数 4 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理风力发电原理风力发电原理 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理 4 第七章 垂直轴风力发电机组 7.17.1垂直轴风力机的类型 假定CT1、CT2为常数时，则可得到风杯式风轮的功率输出 ： 则风能利用系数为： 5 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理风力发电原理风力发电原理 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理 5 第七章 垂直轴风力发电机组 7.17
4、.1垂直轴风力机的类型 与平板式垂直轴风力机类似，当 时，CP取 最大值。通过计算求得，当 可取得最大风能利用系数。 6 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理风力发电原理风力发电原理 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理 6 第七章 垂直轴风力发电机组 7.17.1垂直轴风力机的类型 阻力差型风力机也属于阻力型风力机，其叶片在空气阻 力的推动下旋转，且最佳叶尖速比位于01范围内。通过功 率计算式可以发现，为了使阻力差型风力机获得最大的功率 ，可以利用增大叶片的顺风阻力系数或者减少逆风阻力系数 。通常有以下典型结构：半球形叶片，CT1达1.33，CT2
5、仅为 0.34；半圆柱形叶片的CT1达2.3，而CT2仅为1.2。 7 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理风力发电原理风力发电原理 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理 7 1.2 S型的Savonius风力机 S型风力机是阻力型风力机中的经典型式，当风吹向 叶轮时，由于叶片迎风面形状不同，有F1 F2，产生力矩M ，驱动风轮做逆时针方向旋转(俯视情况下)。 S 型 风 力 机 外 形 第七章 垂直轴风力发电机组 7.17.1垂直轴风力机的类型 8 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理风力发电原理风力发电原理 主编及制作：刘赟
6、主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理 8 置于速度为v的风中的风力机，在风速v作用下，凹 叶片以速度u被推向后方运动，那么叶片处的相对风速可 表示为v-u，而凸叶片的相对风速为v+u，叶片所受阻力F1 、 F2如下： 阻力型风力机受力模型 风力机的功率P等于阻力F与风力机叶片受推力产生的 速度u之积： 由于Cd Cd，vu，省去式中的 后一项： 第七章 垂直轴风力发电机组 9 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理风力发电原理风力发电原理 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理 9 取风速减少率 可得 ： 其中E为输入风能，令 即： 表明叶片没有做
7、功，所以： 解得： 若则它可能达到的最大功率系数为 第七章 垂直轴风力发电机组 10 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理风力发电原理风力发电原理 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理 10 第七章 垂直轴风力发电机组 7.17.1垂直轴风力机的类型 某风力机的性能曲线 阻力型风力机的风能利用系数 较低，故很少用于发电。转速决定 了输出功率的大小，风轮只有在最 佳转速下才能获得最佳风力机输出 功率，如图所示，给出了某阻力型 风轮的功率输出与叶尖速比的关系 曲线。图中可以看出，叶尖速比为 0.4时，输出功率最大；叶尖速比 0.30.4为高效运行区域。
8、11 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理风力发电原理风力发电原理 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理 11 二、升力型垂直轴风力机 主要指法国的科学家达里厄发明的达里厄式风轮。风轮 由固定的数枚叶片组成，绕垂直轴旋转。 第七章 垂直轴风力发电机组 达里厄风力发电机组可分为直叶片和弯叶片两种，叶片 的翼形剖面多为对称翼形，其中以H型和型风力机组最为 典型。 7.17.1垂直轴风力机的类型 12 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理风力发电原理风力发电原理 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理 12 升力型
9、风力机工作原理 来流风速v是恒定的，风轮运转 中该横截面各翼型的切向速度u的大 小相等，而方向不同，它们与相对 速度w一起构成了各翼型的速度三角 形。w与叶片弦线的夹角是有效攻角 。对叶片在不同方位的速度三角形 的研究表明，除了当叶片处于与风 向平行或近似平行的位置外，在其 它方位的气动力都产生一个驱动风 轮旋转的力矩。 第七章 垂直轴风力发电机组 7.17.1垂直轴风力机的类型 13 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理风力发电原理风力发电原理 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理 13 垂直轴风力发电机组同水平轴机组一样，也主要由风力机、齿 轮箱
10、、发电机等组成。 (a)结构简图 (b) 实际机组 垂直轴风力发电机组 第七章 垂直轴风力发电机组 14 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理风力发电原理风力发电原理 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理 14 第七章 垂直轴风力发电机组 7.17.1垂直轴风力机的类型 左图给出了达里厄风轮单 叶片在宣州一周内各部位角度 的力矩系数。从图中可以看出 ，不同位置具有不同的速度三 角形，且叶片在绝大部分区域 所受的空气动力将产生一个正 的驱动转矩，只有在90和 270附近，翼型的弦线与风向 平行时，阻力和升力比值交大 ，表现为负转矩，降低了风能 利用系数
11、。 15 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理风力发电原理风力发电原理 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理 15 第七章 垂直轴风力发电机组 7.17.1垂直轴风力机的类型 左图给出了两叶片和三叶片 的达里厄风力机的力矩系数 随转角变化的曲线图。图中 可以看出，在叶片力矩的叠 加下，叶片的力矩系数与单 叶片产生较大的区别，三叶 篇产生的总力矩系数很少有 负力矩产生，随着叶尖速比 的增加而越加明显。 16 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理风力发电原理风力发电原理 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理 1
12、6 优点 1）寿命长，易维护安装 叶片在旋转过程中由于惯性力与重力的方向恒定，因 此疲劳寿命长；可以放在风轮下部很远甚至在地面上，便 于安装与维护。 2）利于环保 水平轴风轮的尖速比一般在510,这样的低转速产生的 气动噪声很小，甚至可以达到静音的效果。低噪音和美观 外形等多种优点是水平轴风力发电机难以比拟的。 三、垂直轴风力机的特点 第七章 垂直轴风力发电机组 7.17.1垂直轴风力机的类型 17 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理风力发电原理风力发电原理 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理 17 3）无需偏航对风 不需要迎风调节系统,可以接受
13、任何方向来风, 吸 收任意方向来的风能量，主轴永远向设计方向转动。 这样使结构设计简化，构造紧凑，活动部件少于水平 轴风力机，提高了可靠性。 4）叶片制造工艺简单 可以设计成低转速多叶片构造,这将大大地降低风 力机对于叶片材质的要求。不单如此，叶片是以简支 梁或多跨连续梁的力学模型架设在风力机的转子上的 ，这有利于降低对于风力机材质的要求。 第七章 垂直轴风力发电机组 7.17.1垂直轴风力机的类型 18 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理风力发电原理风力发电原理 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理 18 缺点 1）风能利用率 S型风力发电机,理
14、想状态下的风能利用系数为15%左右, 而达里厄型风力发电机在理想状态下的风能利用系数也不 到40%。其他结构形式的垂直轴风力发电机的风能利用系数 也较低。 2）起动风速 起动性能差,特别对于达里厄式型风轮,完全没有自启 动能力, 并且调速、限速困难，这是限制垂直轴风力发电 机应用的一个重要原因。 第七章 垂直轴风力发电机组 6.16.1垂直轴风力机的类型 19 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理风力发电原理风力发电原理 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理 19 第七章 垂直轴风力发电机组 7.2 7.2 升力型风轮输出功率计算 一、均匀流管理论
15、均匀流管理论即认为风速均匀不变的穿过风轮，在风 轮尾流风速也保持均匀不变。但风作用在风轮上，风轮 获得风能的同时，也对风产生反作用。研究精度不高。 20 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理风力发电原理风力发电原理 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理 20 第七章 垂直轴风力发电机组 7.2 7.2 升力型风轮输出功率计算 二、单一流管理论 单一流管理论将升力型风轮前后流场看作是一个流管。 21 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理风力发电原理风力发电原理 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理 21 第七
16、章 垂直轴风力发电机组 7.2 7.2 升力型风轮输出功率计算 当风速为V，在风轮的作用下，风轮内风速变为Vm；当 风穿过风轮后尾流的风速为Vn。如果风轮旋转面内气流的诱 导系数用a表示，则风速Vm表示为： 风轮上的阻力Fx为： 联合上述两式可求得诱导系数a为： 其中，CFX为阻力系数 22 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理风力发电原理风力发电原理 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理 22 第七章 垂直轴风力发电机组 7.2 7.2 升力型风轮输出功率计算 为求解阻力系数CFX，定义气流通过叶片时的相对 速度为VR，来流风速为V，旋转半径为R，旋转角速 度为，风速与固定叶片支架角度为，叶片安装角 为，叶片入流角为，叶片迎角为。且定义无量 纲参数 ， 。 23 主编及制作：刘赟主编及制作：刘赟 风力发电原理风力发电原理
