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垂直軸風力發電機的氣動特性研究

2012-08-15 來源:上海麟風能科技有限公司 瀏覽數:3144

差的缺點,將阻力型的薩窩紐斯型風輪置于Φ 形直葉片中間,利用薩窩紐斯型風輪啟動力矩大的特點來彌補Φ 形直葉片啟動性能差的缺點。從氣動性能上分析,這種布局方式確實能極大地改善風力發電機的啟動性能,但是當風力發電機高速旋轉時,阻力型風輪會產生與旋轉方向相反的負力矩,減小整個風輪的力矩;同時,由于阻力型風輪的存在,會對其中的流場形成阻塞效應,極大地破壞整個Φ 形直葉片內部的流場,從而使得葉片產生的升力大大減小,降低風輪的效率。因此,這種布局方式除了能改善風力發電機的啟動性能外,反而會大大降低整個風輪的效率,是舍本逐末的方法。
  H 形直葉片:這種葉片形式需要單獨地支持翼與旋轉主軸相連,如圖6 所示,相對于Φ 形直葉片來說結構要復雜,但是這種形式帶來的好處是顯而易見的:葉片主要承受正壓力,基本不受剪切力,受力狀況大大改善。同時,由于葉片不需要考慮彎曲,實度比可以做的比較大,安裝角度也很好控制,這樣啟動性能要比采用Φ 形直葉片的風力發電機好的多。采用H 形直葉片還有一個好處,那就是對于相同掃風面積來說,采用H形直葉片的風力發電機要比采用Φ 形直葉片的旋轉主軸短40% 以上,這樣能極大提高整個風輪的穩定性。
  S 形直葉片:這種葉片形式是在H 形直葉片基礎上發展而來的,將H 形直葉片在葉片展長方向進行了彎曲。這樣能夠改善小實度比H 形直葉片的啟動性能。但是這種葉片形式會在葉片的展長方向形成徑向流動,從而造成壓力損失降低風力發電機效率,并且由于葉片呈S 形扭曲,對于葉片的制造,成本控制以及大型化都是非常不利的。
  總之,僅僅從氣動性能考慮,H 形直葉片具有良好的啟動性能,S 形直葉片次之,Φ 形直葉片最差;H 形直葉片和Φ 形直葉片的效率較高,S 形直葉片的要稍微差一些。如果綜合結構,造價等多方面因素考慮,H 形直葉片和S 形直葉片將是未來垂直軸風力發電機葉片的發展方向。
  5. 葉片個數
  垂直軸風力發電機的葉片個數以2~6個為主,像Φ 形直葉片基本上為2 個或者3 個,H 形直葉片以3~6 個為主,S 形直葉片以3 個為主。葉片個數少,尖速比相對來說高,但是啟動力矩太小,存在很多“死點”,不符合現代風力發電機發展的要求;葉片個數太多,啟動力矩相應會增大,但是會降低整個風輪的效率,也是不合適的。從啟動性能和效率兩方面綜合考慮,對于直葉片來說,葉片個數應該在4~6 個之間比較合適;對于S形葉片來說,葉片個數應該在3~4 個比較合適。
  6. 結論
  本文從多方面對影響垂直軸風力發電機氣動性能的因素進行了討論。從討論結果來看,采用H 型直葉片,4~6 個葉片的升力型風輪,將具有良好的啟動性能和發電效率,是垂直軸風力發電機的主要發展方向。

參考文獻
  [1] 熊禮儉. 風力發電新技術與發電工程設計、運行、維護及標準規范實用手冊. 中國科技文化出版社.
  [2] 張國銘. 論兆瓦級垂直軸風力發電機的合理性. 風力發電,2001 年第4期.
  [3] 張富昌. 幾種新式立軸風力機設計方案.新能源,1998 年第9期.
  [4] 趙繼華. 旋流式立軸風力機運行原理及特性. 可再生能源,2002 年第4期.

【延伸閱讀】

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閱讀上文 >> 小型螺旋槳式風輪起動力矩M0的計算研究
閱讀下文 >> 風電機組諧波分析及控制

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