垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)

1目錄4.1垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本概念4.2垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理分析4.3垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計與實驗4.4垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最新應(yīng)用及發(fā)展前景24.1垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本概念幾種垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)3垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)機(jī)葉片形狀采用的TroPoskien曲線（希臘文轉(zhuǎn)繩）直至20世紀(jì)70年代初，加拿大國家科學(xué)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(shè)計概念，并對直徑為4.2米和3.6米的Darrieus風(fēng)機(jī)的氣動性能進(jìn)行了風(fēng)洞試驗，人們才逐漸認(rèn)識到Darrieus型風(fēng)機(jī)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(fēng)神）風(fēng)機(jī)，該風(fēng)機(jī)設(shè)計額定功率為4MW

7自20世紀(jì)70年代起，Darrieus風(fēng)機(jī)開始受到美國宇航局的重視，美國Sandia國家實驗室對Darrieus風(fēng)機(jī)性能的研究和發(fā)展做了大量的工作：1974年設(shè)計了一個直徑5米的風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)進(jìn)行了性能測試8Darrieus風(fēng)機(jī)在美國向大型化發(fā)展的標(biāo)志是1987年由Sandia實驗室設(shè)計建造的Sandia-DOE風(fēng)機(jī)，該風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)在工程中得到廣泛應(yīng)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(fēng)電公司，也有翻譯成浮海風(fēng)電公司的）。10達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)的形式葉片材料承受力差異風(fēng)能利用率差異11升阻復(fù)合型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組14我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的雙型垂直軸風(fēng)電機(jī)組15垂直軸風(fēng)電機(jī)組的優(yōu)點無需偏航系統(tǒng)大型機(jī)組設(shè)備可放置在地面，大幅降低安裝與維護(hù)費用，且機(jī)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(fēng)電機(jī)組的缺點風(fēng)能利用率低起動風(fēng)速高機(jī)組品種少，產(chǎn)品質(zhì)量差增速結(jié)構(gòu)復(fù)雜164.2垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理分析垂直軸風(fēng)力機(jī)的工作原理阻力型風(fēng)力機(jī)的工作原理風(fēng)產(chǎn)生的驅(qū)動力F17升力型風(fēng)力機(jī)的工作原理18

DarrieusΦ型風(fēng)輪典型結(jié)構(gòu)19上、下葉片連接及部分軸承裝配20垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片翼型傳統(tǒng)風(fēng)力機(jī)翼型傳統(tǒng)風(fēng)力機(jī)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(fēng)力機(jī)翼型是NACA系列翼型NACA系列翼型是二十世紀(jì)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(shù)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(shù)值CD：最大相對厚度的百倍數(shù)值

21NACA五位數(shù)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(shù)都有好處NACAABCDEA：A乘以3/20就等于設(shè)計升力系數(shù)

B:最大彎度相對位置的20倍數(shù)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(shù)值

22NACA四、五位數(shù)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(shè)計中弧線形狀是載荷分布設(shè)計的，從前緣到某點載荷是常數(shù)，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(shù)值

23風(fēng)力機(jī)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(shù)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(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片翼型特性升力系數(shù)大；阻力系數(shù)?。蛔枇ο禂?shù)要對稱于零升力角

負(fù)的縱向搖動力矩系數(shù)大28垂直軸風(fēng)機(jī)氣動性能研究進(jìn)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(fēng)機(jī)葉輪簡化為被一個流管包圍的盤面(ActuatorDisk)，并假設(shè)整個盤面上葉片誘導(dǎo)速度均勻分布，將所有葉片經(jīng)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(yīng)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(dǎo)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(jìn)行了改進(jìn)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(nèi)能夠有效地預(yù)測風(fēng)機(jī)葉輪的總體氣動性能流管模型簡單快捷，便于工程應(yīng)用，在垂直軸風(fēng)機(jī)葉輪氣動性能預(yù)測上得到了廣泛的應(yīng)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(fēng)機(jī)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(dǎo)速度動量定理模型忽略了垂直來流方向的誘導(dǎo)速度，在求解風(fēng)機(jī)葉輪側(cè)向受力時有一定的困難不能精確地計算流場細(xì)節(jié)，因而無法準(zhǔn)確地預(yù)報風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)葉輪氣動性能模型344.3垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計與實驗垂直軸風(fēng)電機(jī)組設(shè)計整機(jī)的氣動布局設(shè)計動力學(xué)設(shè)計總體布局設(shè)計總體結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠性與安全設(shè)計各零部件與系統(tǒng)的方案選擇35風(fēng)輪設(shè)計掃掠面積達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪質(zhì)量和成本與風(fēng)輪直徑的三次方成正比36高徑比風(fēng)輪高度與直徑的比值小高徑比的低速力矩較高，整個驅(qū)動部分的成本大幅提高，同時葉片重力產(chǎn)生的應(yīng)力也會增加大高徑比對風(fēng)輪強(qiáng)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(fēng)力機(jī)，其高徑比一般選擇為0.5～3.0實度所有葉片在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面上的投影面積之和與風(fēng)輪掃掠面積的比37葉片設(shè)計葉片翼型葉片個數(shù)葉片材料與結(jié)構(gòu)中央支柱與水平支架設(shè)計密封圓管桁架結(jié)構(gòu)拉索設(shè)計38垂直軸風(fēng)電機(jī)組實驗原型實驗與模型實驗風(fēng)洞實驗和現(xiàn)場實驗3940可視化實驗獲得風(fēng)力機(jī)周圍流場的直觀顯示壁面顯示法、絲線法、示蹤法和光學(xué)法等煙線法是風(fēng)力機(jī)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(jìn)的可視化