南京工業(yè)大學(xué)風(fēng)力發(fā)電原理 第七章

1、風(fēng)力發(fā)電原理譚劍鋒第七章 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)第七章 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要掌握：需要掌握： 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)展概況 垂直軸風(fēng)力機(jī)基本原理 垂直軸風(fēng)力機(jī)特點(diǎn)一、發(fā)展概況一、發(fā)展概況 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)：風(fēng)輪圍繞水平軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)平面與風(fēng)向垂直：風(fēng)輪圍繞水平軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)平面與風(fēng)向垂直垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)：風(fēng)力圍繞垂直軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)平面與風(fēng)向平行：風(fēng)力圍繞垂直軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)平面與風(fēng)向平行垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組比水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組晚垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組比水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組晚2020年代出現(xiàn)年代出現(xiàn)SavoniusSavonius型型(1924)(1924)和和DarrieusDarri

2、eus型風(fēng)輪型風(fēng)輪(1931)(1931)年年一、發(fā)展概況一、發(fā)展概況 1 1、發(fā)展概況、發(fā)展概況公元公元12191219年，我國(guó)就有垂直軸風(fēng)力機(jī)文獻(xiàn)記載年，我國(guó)就有垂直軸風(fēng)力機(jī)文獻(xiàn)記載公元公元13001300年，波斯也有垂直軸風(fēng)力機(jī)記載年，波斯也有垂直軸風(fēng)力機(jī)記載提水、輾米、提水、輾米、助航助航l2030年代垂直軸風(fēng)力機(jī)研究高峰年代垂直軸風(fēng)力機(jī)研究高峰19291929年，芬蘭工程師年，芬蘭工程師SavoniusSavonius發(fā)明了發(fā)明了S S型風(fēng)力發(fā)電機(jī)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)19311931年，法國(guó)工程師年，法國(guó)工程師Dar-rieusDar-rieus發(fā)明了發(fā)明了DarrieusDarrieus風(fēng)

3、力發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電機(jī)l7080年代垂直風(fēng)力機(jī)研究又一次高峰年代垂直風(fēng)力機(jī)研究又一次高峰加拿大國(guó)立研究委員會(huì)加拿大國(guó)立研究委員會(huì)(NRC)(NRC)和美國(guó)圣地亞國(guó)立實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)圣地亞國(guó)立實(shí)驗(yàn)室(SNL)(SNL)19771977年，加拿大安裝了第一臺(tái)大型年，加拿大安裝了第一臺(tái)大型DarrieusDarrieus風(fēng)力機(jī)風(fēng)力機(jī)19871987年，美國(guó)年，美國(guó)SNLSNL研制了一臺(tái)商業(yè)和研究的大型研制了一臺(tái)商業(yè)和研究的大型DarrieusDarrieus風(fēng)力機(jī)風(fēng)力機(jī)英國(guó)、法國(guó)、荷蘭等研究英國(guó)、法國(guó)、荷蘭等研究DarrieusDarrieus風(fēng)力機(jī)風(fēng)力機(jī)l9090年代，水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的大型商業(yè)化發(fā)展，垂

4、直軸風(fēng)力機(jī)衰退年代，水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的大型商業(yè)化發(fā)展，垂直軸風(fēng)力機(jī)衰退l20002000年后，小型垂直軸風(fēng)力機(jī)得到北美、歐洲等國(guó)家青睞年后，小型垂直軸風(fēng)力機(jī)得到北美、歐洲等國(guó)家青睞一、發(fā)展概況一、發(fā)展概況 2 2、風(fēng)力機(jī)類型、風(fēng)力機(jī)類型垂直軸風(fēng)力特點(diǎn)垂直軸風(fēng)力特點(diǎn)：旋轉(zhuǎn)軸垂直，旋轉(zhuǎn)平面與風(fēng)向平行：旋轉(zhuǎn)軸垂直，旋轉(zhuǎn)平面與風(fēng)向平行主要分類主要分類：阻力型和升力型：阻力型和升力型n 阻力型垂直軸風(fēng)力機(jī)阻力型垂直軸風(fēng)力機(jī)基本原理基本原理：空氣流過(guò)葉片產(chǎn)生的阻力作為驅(qū)動(dòng)力。：空氣流過(guò)葉片產(chǎn)生的阻力作為驅(qū)動(dòng)力。典型機(jī)型典型機(jī)型：SavoniusSavonius垂直軸風(fēng)力機(jī)垂直軸風(fēng)力機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，啟動(dòng)性能

5、好起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，啟動(dòng)性能好轉(zhuǎn)速低、風(fēng)能利用系數(shù)低轉(zhuǎn)速低、風(fēng)能利用系數(shù)低產(chǎn)生側(cè)向推力，受安全極限應(yīng)力限制產(chǎn)生側(cè)向推力，受安全極限應(yīng)力限制優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn)一、發(fā)展概況一、發(fā)展概況 n 升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)基本原理基本原理：空氣流過(guò)葉片產(chǎn)生的升力作為驅(qū)動(dòng)力。：空氣流過(guò)葉片產(chǎn)生的升力作為驅(qū)動(dòng)力。典型機(jī)型典型機(jī)型：DarrieusDarrieus垂直軸風(fēng)力機(jī)垂直軸風(fēng)力機(jī)直葉片的直葉片的H H型和彎曲葉片的型和彎曲葉片的型型一、發(fā)展概況一、發(fā)展概況 l型：弦線自然離心力曲線，彎曲應(yīng)力很小，只承受張力，型：弦線自然離心力曲線，彎曲應(yīng)力很小，只承受張力，幾何形狀固定，不利于變槳距控制，成本高，

6、啟動(dòng)力矩低，尖幾何形狀固定，不利于變槳距控制，成本高，啟動(dòng)力矩低，尖速比高，效率高，用于大型并網(wǎng)發(fā)電速比高，效率高，用于大型并網(wǎng)發(fā)電lH H型：結(jié)構(gòu)受離心力影響，連接點(diǎn)出彎曲應(yīng)力較大，采用輪轂型：結(jié)構(gòu)受離心力影響，連接點(diǎn)出彎曲應(yīng)力較大，采用輪轂臂和拉索支持，便于變槳距控制，主要用于小型容量離網(wǎng)型發(fā)臂和拉索支持，便于變槳距控制，主要用于小型容量離網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)電系統(tǒng)l混合型混合型一、發(fā)展概況一、發(fā)展概況 3 3、風(fēng)力機(jī)特點(diǎn)、風(fēng)力機(jī)特點(diǎn)n 基本結(jié)構(gòu)特征基本結(jié)構(gòu)特征包括風(fēng)力機(jī)、齒輪箱、發(fā)電機(jī)，包括風(fēng)力機(jī)、齒輪箱、發(fā)電機(jī)，無(wú)偏航系統(tǒng)無(wú)偏航系統(tǒng)與水平軸結(jié)構(gòu)差別與水平軸結(jié)構(gòu)差別： 增速器設(shè)計(jì)和載荷，主塔筒支

7、持及載荷增速器設(shè)計(jì)和載荷，主塔筒支持及載荷一、發(fā)展概況一、發(fā)展概況 n 優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn)l壽命長(zhǎng)、易維護(hù)安裝：慣性力和重力方向恒定，疲勞壽命好，壽命長(zhǎng)、易維護(hù)安裝：慣性力和重力方向恒定，疲勞壽命好，發(fā)電機(jī)安裝于地面，易安裝和維護(hù)發(fā)電機(jī)安裝于地面，易安裝和維護(hù)l利于環(huán)保：葉尖速比低，噪聲低，美觀利于環(huán)保：葉尖速比低，噪聲低，美觀l無(wú)偏航對(duì)風(fēng)：吸收任意風(fēng)向能量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，無(wú)風(fēng)力對(duì)無(wú)偏航對(duì)風(fēng)：吸收任意風(fēng)向能量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，無(wú)風(fēng)力對(duì)風(fēng)陀螺力風(fēng)陀螺力l葉片制造工藝簡(jiǎn)單：多葉片、簡(jiǎn)支梁或多跨連續(xù)梁支撐方式葉片制造工藝簡(jiǎn)單：多葉片、簡(jiǎn)支梁或多跨連續(xù)梁支撐方式l運(yùn)行條件寬松：運(yùn)行條件寬松：50m/sFF2

8、2二、基本原理二、基本原理 l凹面阻力：凹面阻力：l凸面阻力：凸面阻力：21220.5 ()(1.3)0.5 ()(0.12 0.25)ddddFvUACCFvUACC風(fēng)力機(jī)功率風(fēng)力機(jī)功率P P2212()0.5 ()0.5 ()ddPFF UvUUACvUUACl風(fēng)速減少率：風(fēng)速減少率：()/vUv功率系數(shù)功率系數(shù)2(1)pdCC最大功率系數(shù)最大功率系數(shù)max40.193 (2/3)27pdCC阻力型風(fēng)力機(jī)最大功率系數(shù)低于水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的阻力型風(fēng)力機(jī)最大功率系數(shù)低于水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的0.5930.593阻力面面積正弦變化，扭矩正弦變化，功率隨方位角變化阻力面面積正弦變化，扭矩正弦變化，功率

9、隨方位角變化二、基本原理二、基本原理 2 2、升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)、升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)二、基本原理二、基本原理 受力分析受力分析攻角很大，翼型失速，風(fēng)力攻角很大，翼型失速，風(fēng)力機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩非常低，垂直風(fēng)力機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩非常低，垂直風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)性能差機(jī)啟動(dòng)性能差動(dòng)量理論、葉素理論動(dòng)量理論、葉素理論風(fēng)力機(jī)正轉(zhuǎn)矩風(fēng)力機(jī)正轉(zhuǎn)矩 0180 負(fù)轉(zhuǎn)矩負(fù)轉(zhuǎn)矩180360三、水平軸三、水平軸/ /垂直軸比較垂直軸比較 水平軸風(fēng)力機(jī)水平軸風(fēng)力機(jī)垂直軸風(fēng)力機(jī)垂直軸風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)方法風(fēng)能利用風(fēng)能利用率率起動(dòng)風(fēng)速起動(dòng)風(fēng)速葉尖速比葉尖速比動(dòng)量動(dòng)量-葉素理論葉素理論渦流理論渦流理論動(dòng)量理論動(dòng)量理論CFD大分離非大分離非定常流定常

10、流40%左右，難最佳左右，難最佳風(fēng)功率曲線，對(duì)風(fēng)風(fēng)功率曲線，對(duì)風(fēng)損失損失阻力型較低，升力型高阻力型較低，升力型高可達(dá)到水平軸值可達(dá)到水平軸值起動(dòng)性能好起動(dòng)性能好35m/s起動(dòng)性能差起動(dòng)性能差510,氣動(dòng)噪聲大，氣動(dòng)噪聲大，葉片污染對(duì)氣動(dòng)性葉片污染對(duì)氣動(dòng)性能影響較大能影響較大葉尖速比葉尖速比1.52，氣動(dòng)噪，氣動(dòng)噪聲低，葉片污染對(duì)起動(dòng)聲低，葉片污染對(duì)起動(dòng)性能影響小性能影響小小結(jié)小結(jié) l阻力型阻力型(Savonius(Savonius型型) )和升力型和升力型(Darrieus)(Darrieus)特點(diǎn)特點(diǎn)l阻力型垂直軸風(fēng)力機(jī)基本原理：阻力作為驅(qū)動(dòng)力阻力型垂直軸風(fēng)力機(jī)基本原理：阻力作為驅(qū)動(dòng)力l升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)基本原理：升力作為驅(qū)動(dòng)力矩升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)基本原理：升力作為驅(qū)動(dòng)力矩l阻