垂直軸風力發(fā)電機

1目錄4.1垂直軸風力發(fā)電機基本概念4.2垂直軸風力發(fā)電機原理分析4.3垂直軸風力發(fā)電機組設計與實驗4.4垂直軸風力發(fā)電機的最新應用及發(fā)展前景24.1垂直軸風力發(fā)電機基本概念幾種垂直軸風力發(fā)電機3垂直軸風力發(fā)電機組的分類阻力型1922年，芬蘭工程師S.J.Savonius發(fā)明

4升力型法國工程師G.J.M.Darrieus發(fā)明，并于1931年向美國專利局申請了專利

5Darrieus型風機葉片形狀采用的TroPoskien曲線（希臘文轉繩）直至20世紀70年代初，加拿大國家科學研究委員會(NRC)的工程師R·S·Rangi和P.South再次提出類似于G.J.M.Darrieus的設計概念，并對直徑為4.2米和3.6米的Darrieus風機的氣動性能進行了風洞試驗，人們才逐漸認識到Darrieus型風機的優(yōu)越性。

61986年，在加拿大魁北克安裝了一臺直徑64米的Darrieus型Eole（風神）風機，該風機設計額定功率為4MW

7自20世紀70年代起，Darrieus風機開始受到美國宇航局的重視，美國Sandia國家實驗室對Darrieus風機性能的研究和發(fā)展做了大量的工作：1974年設計了一個直徑5米的風機模型，測試了葉片翼型、實度等對葉輪性能的影響；1977年對直徑17米，額定功率為60kW的試驗風機進行了性能測試8Darrieus風機在美國向大型化發(fā)展的標志是1987年由Sandia實驗室設計建造的Sandia-DOE風機，該風機直徑34米，額定功率625kW，且葉片首次采用變截面形式(根部為NACA0021翼型，中部為SAND0018/50翼型）9Darrieus型風機在工程中得到廣泛應用，許多公司相繼成立，如美國的Flowind公司、VAWTPower公司、加拿大的Adecon公司、Lavalin公司等（FlowindCorporation是美籍華人鮑亦和博士于1981年創(chuàng)立的。有翻譯成福祿風電公司，也有翻譯成浮海風電公司的）。10達里厄風力機的形式葉片材料承受力差異風能利用率差異11升阻復合型垂直軸風力發(fā)電機組14我國擁有自主知識產權的雙型垂直軸風電機組15垂直軸風電機組的優(yōu)點無需偏航系統(tǒng)大型機組設備可放置在地面，大幅降低安裝與維護費用，且機組整體穩(wěn)定性好葉片多采用等截面翼型，制造工藝簡單，造價低采用Troposkien曲線形狀，葉片僅受沿展向的張力垂直軸風電機組的缺點風能利用率低起動風速高機組品種少，產品質量差增速結構復雜164.2垂直軸風力發(fā)電機原理分析垂直軸風力機的工作原理阻力型風力機的工作原理風產生的驅動力F17升力型風力機的工作原理18

DarrieusΦ型風輪典型結構19上、下葉片連接及部分軸承裝配20垂直軸風力發(fā)電機的葉片翼型傳統(tǒng)風力機翼型傳統(tǒng)風力機葉片翼型一般沿用航空翼型。最常用同時也是最具代表性的傳統(tǒng)風力機翼型是NACA系列翼型NACA系列翼型是二十世紀三十年代末四十年代初由美國國家宇航局(縮寫NASA)前身國家航空咨詢委員會(縮寫NACA)提出的。NACA

系列翼型由基本厚度翼型和中弧線迭加而成NACA四位數字翼型族對稱翼型有彎度翼型NACAABCDA：最大相對彎度的百倍B:最大彎度相對位置的十倍數值CD：最大相對厚度的百倍數值

21NACA五位數字翼型族中弧線最大彎度相對位置離開弧線中點，無論是前移還是后移，對提高翼型最大升力系數都有好處NACAABCDEA：A乘以3/20就等于設計升力系數

B:最大彎度相對位置的20倍數值C：中弧線后段的類型，“0”表示直線，“1”表示反彎度曲線

DE:最大相對厚度的百倍數值

22NACA四、五位數字修改翼型族NACAABCD-FGNACAABCDE-FGNACA層流翼型使翼面上的最低壓力點盡量后移，以增加層流附面層的長度，降低翼型的摩擦阻力厚度分布和中弧線分開設計中弧線形狀是載荷分布設計的，從前緣到某點載荷是常數，從這點到尾緣載荷線性降低到零F：前緣半徑大小

G:最大厚度相對位置的十倍數值

23風力機專用翼型美國的NREL-S系列翼型美國可再生能源實驗室(NREL)在1984年開始主持研發(fā)具有對粗糙度不敏感的最大升力系數24丹麥的RIS-A系列翼型25瑞典的FFA-W系列翼型26荷蘭的DU系列翼型27垂直軸風力發(fā)電機葉片翼型特性升力系數大；阻力系數?。蛔枇ο禂狄獙ΨQ于零升力角

負的縱向搖動力矩系數大28垂直軸風機氣動性能研究進展流管法Templin于1974年第一個提出了基于動量定理的單盤面單流管模型將風機葉輪簡化為被一個流管包圍的盤面(ActuatorDisk)，并假設整個盤面上葉片誘導速度均勻分布，將所有葉片經過流管上游區(qū)域和下游區(qū)域的作用力之和作為該流管上的外力，應用動量定理建立聯(lián)系這一外力和流管動量變化的方程式，從而求解出誘導速度，然后計算葉輪的氣動性能1975年Strickland提出的單盤面多流管模型1981年，Paraschivoiu提出了雙盤面多流管模型1990年，sharpe對Paraschivoiu

提出的雙盤面多流管模型進行了改進29基于動量定理的流管模型在一定速比、密實度和載荷范圍內能夠有效地預測風機葉輪的總體氣動性能流管模型簡單快捷，便于工程應用，在垂直軸風機葉輪氣動性能預測上得到了廣泛的應用和發(fā)展流管法由于其模型本身的局限性，也存在一些不足不太適用于計算較高速比、密實度和載荷情況下的風機葉輪的氣動性能，在大速比情況下，動量方程求解容易發(fā)散，從而得不到誘導速度動量定理模型忽略了垂直來流方向的誘導速度，在求解風機葉輪側向受力時有一定的困難不能精確地計算流場細節(jié)，因而無法準確地預報風機葉片的非定常特性和瞬時載荷。30渦方法Wilson提出的VortexSheet模型31Strickland等人提出的V-DART模型32D.vandenberghe和E.Dick于1987年提出另一種自由渦模型2001年，阿根廷的Ponta和Jacovkis提出了FEVDTM模型

33垂直軸風機葉輪氣動性能模型344.3垂直軸風力發(fā)電機組的設計與實驗垂直軸風電機組設計整機的氣動布局設計動力學設計總體布局設計總體結構設計可靠性與安全設計各零部件與系統(tǒng)的方案選擇35風輪設計掃掠面積達里厄風力機風輪質量和成本與風輪直徑的三次方成正比36高徑比風輪高度與直徑的比值小高徑比的低速力矩較高，整個驅動部分的成本大幅提高，同時葉片重力產生的應力也會增加大高徑比對風輪強度、材料與支撐固定系統(tǒng)的要求也增加對于直線翼垂直軸風力機，其高徑比一般選擇為0.5～3.0實度所有葉片在風輪旋轉平面上的投影面積之和與風輪掃掠面積的比37葉片設計葉片翼型葉片個數葉片材料與結構中央支柱與水平支架設計密封圓管桁架結構拉索設計38垂直軸風電機組實驗原型實驗與模型實驗風洞實驗和現場實驗3940可視化實驗獲得風力機周圍流場的直觀顯示壁面顯示法、絲線法、示蹤法和光學法等煙線法是風力機可視化實驗的常用方法粒子圖像測速法（PIV）和粒子跟蹤測速法（PTV）等先進的可視化