2022年水平轴与垂直轴风力发电机的比较.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 水平轴与垂直轴风力发电机的比较班级：学号：摘要：本文主要对水平轴风力发电机与垂直轴风力发电机在设计方法、结构等多 方面进行了比较,最终得出垂直轴风力发电机大有可为的结论；关键词： 风力发电机；垂直轴；水平轴；设计；1 引言风能是一种取之不尽 , 无任何污染的可再生能源；地球上的风能资源极其丰 富,据专家估量,仅 1%的地面风力就能满意全世界对能源的需求；人类利 用风能已有数千年历史, 在蒸汽机创造以前风能曾作为重要的动力,应用于人类 生活的众多方面；风力发电的探究,就起源于 19 世纪末的丹麦,但是直到 20 世纪 70 岁月以前,仍只有小型充

2、电用风力发电机到达有用阶段；1973 年爆发石 油危机以后, 美国、西欧等发达国家为寻求替代石油燃料的能源,投入了大量经 费,发动高科技产业,利用电脑、空气动力学、结构力学和材料科学等领域的新 技术研制风力发电机组, 开创了风能利用的新时代； 由于风力发电技术的不断发 展,风力发电越来越受到世界各国的重视；垂直轴风车很早就被应用于人类的生活领域中,中国最早利用风能的形式就是垂直轴风车；但是垂直轴风力发电机的创造就要比水平轴的晚一些,直到 20世纪 20 岁月才开头显现Savonius式风轮 1924 年,Darrieus式风轮 1931年；由于人们普遍认为垂直轴风轮的尖速比不行能大于1,风能利

3、用率低于水平轴风力发电机,因而导致垂直轴风力发电机长期得不到重视；随着科技的进展和人类熟悉水平的不断提高,人们逐步熟悉到垂直轴风轮的尖速比不能大于 1 仅仅适用于阻力型风轮 Savonius式风轮,而升力型风轮Darrieus式风轮的尖速比甚至可以到达6,并且其风能利用率也不低于水平轴；近年来, 越来越多的机构和个人开头讨论垂直轴风力发电机,并取得了长足的进展；名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 5 页精选学习资料 - - - - - - - - - 本文从设计方法,结构,环保等多个方面对水平轴和垂直轴风力发电机进行了比较,探讨了在诸多方面垂直轴风力发电机相对于水平轴的优点

4、,最终得出了作为一种具有众多优点的风轮形式,垂直轴风力发电机将大有作为；2 水平轴与垂直轴风力发电机的比较2.1 设计方法水平轴风力发电机的叶片设计目前普遍采纳的是动量叶素理论, 主要的方法有 Glauert 法、Wilson 法等；但是由于叶素理论忽视了各叶素之间的流淌干扰,同时在应用叶素理论设计叶片时都忽视了翼型的阻力,这种简化处理不行防止的造成了结果的不精确性, 文献指出, 这种简化对叶片形状设计的影响较小,但是对风轮的风能利用率影响较大；同时,风轮各叶片之间的干扰也特别剧烈,整个流淌特别复杂,假如仅仅依靠叶素理论是完全没有方法得出精确结果的；垂直轴风力发电机的叶片设计以前也是依据水平轴

5、的方法,依靠叶素理论来设计；由于垂直轴风轮的流淌比水平轴更加复杂,是典型的大别离非定常流淌,不适合用叶素理论进行分析、 设计,这也是垂直轴风力发电机长期得不到进展的一个重要缘由；随着电脑技术的不断进展,运算流体力学Computational Fluid Dynamics得到了长足的进步,从最初的小扰动速势方程,到欧拉方程,以及更加复杂的 N-S 方程,目前的 CFD 技术完全能模拟在复杂形状下的复杂流淌；对于垂直轴风轮的叶片,已经可以用CFD 方法来设计,这无疑要比叶素理论精确的多；而水平轴叶片的设计仍没有方法应用 CFD 方法来设计,这主要是由这两种风轮结构打算的；水平轴的叶片由于每个截面的

6、扭角, 弦长以及尖速比都不同,假如要用 CFD 模拟的话, 就必需采纳三维模型, 这样运算网格至少要 100 万个,整个运算量就会大大增加；直观的说,模拟一个工况,在采纳 CPU 为的个人电脑上,运算时间大致需要710 天,假如设计一个风轮可能需要几年到十几年时间,这样的代价在工业设计中是很难接受的；而垂直轴就完全不一样仅限于 Darrieus 式 H 型风轮,叶片的每个截面都一样,这样就能简化成二维情形,网 格数大大下降, 运算量也随之下降, 一般模拟一个工况只需要 4 个小时； 从设计 方法上讲,垂直轴风力发电机要比水平轴的先进的多；2.2 风能利用率名师归纳总结 - - - - - -

7、-第 2 页,共 5 页精选学习资料 - - - - - - - - - 目前,大型水平轴风力发电机的风能利用率绝大部分是由叶片设计方运算所得,一般在 40%以上；前面已经提到了,由于设计方法本身的缺陷,这样运算所得的风能利用率的精确性很值得疑心；当然,风电厂的风力发电机都会依据测得的风速和输出功率绘制风功率曲线, 但是此时的风速是风轮后部测风仪测得的风 速,要小于来流风速,这样测下来的风功率曲线偏高,必需进行修正；依据文献的修正方法修正后,水平轴的风能利用率要降低30%-50%左右；对于小型水平轴风力发电机的风能利用率, 中国空气动力讨论与进展中心曾作过相关的风洞实 验,实测的利用率在 23

8、%-29%左右；由于以前始终用叶素理论运算垂直轴风轮的风能利用率,得出了利用率不如水平轴的结论,但是通过笔者CFD 模拟结果来看,垂直轴风轮的风能利用率不比水平轴的低,国外也有机构经过试验说明垂直轴风轮的风能利用率在 40%以上；另外,在实际环境中风向是常常变化的,水平轴风轮的迎风面不行能始终对着风,这就引起了 “对风缺失 ”,而垂直轴风轮就不存在这个问题,因此在考虑了 对风缺失之后,垂直轴风轮的风能利用率完全有可能超过水平轴风轮；2.3 起动风速水平轴风轮的起动性能好已经是个共识,但是依据中国空气动力讨论与进展中心对小型水平轴风力发电机所做的风洞试验来看,起动风速一般在 45 米/秒之间,最

9、大的竟然到达了米/秒,这样的起动性能明显是不能令人中意的；垂直轴风轮的起动性能差也是目前业内的共识,特殊是对于 Darrieus式 型风轮,完全没有自起动才能, 这也是限制垂直轴风力发电机应用的一个缘由；但是,对于 Darrieus 式 H 型风轮却有相反的结论,依据笔者的讨论发觉,只要翼型和安装角挑选合适, 完全能得到相当不错的起动性能,通过对麟风 P-200 垂直轴风力发电机的风洞试验来看,这种Darrieus 式 H 型风轮的起动风速只需要2米/秒,这无疑要比上述的水平轴风力发电机好的多；2.4 结构特点水平轴风力发电机的叶片在旋转一周的过程中,受惯性力和重力的综合作用,惯性力的方向是随

10、时变化的,而重力的方向始终不变, 这样叶片所受的就是名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 5 页精选学习资料 - - - - - - - - - 一个交变载荷, 这对于叶片的疲惫强度是特别不利的；另外,水平轴的发电机都置于几十米的高空,这给发电机的安装和保护检修带来了许多的不便；垂直轴风轮的叶片在旋转的过程中的受力情形要比水平轴的好的多,由于惯 性力与重力的方向始终不变, 所受的是一恒定载荷, 因此疲惫寿命要比水平轴的 长；同时,垂直轴的发电机可以放在风轮的下部或是地面,便于安装保护；2.5 环保问题虽然风力发电也号称是清洁能源,能起到很好的环保作用,但是随着越来越 多大型风

11、电场的建立, 一些由风力发电机引发的环保问题也凸显出来；这些问题 主要表达在两个方面：一是噪音问题,二是对当地生态环境的影响；水平轴风轮的尖速比一般在57 左右,在这样的高速下叶片切割气流将产生很大的气动噪音,同时,许多鸟类在这样的高速叶片下也很难幸免；垂直轴风轮的尖速比就要比水平轴的小的多,一般在1.52之间,这样的低转速基本上不产愤怒动噪音, 完全到达了静音的成效； 无噪音带来的好处是显而易见的,以前由于噪音问题不能应用风力发电机的场合如城市公共设施、 民宅等,现在可以应用垂直轴风力发电机来解决,因此,垂直轴风力发电机比水平 轴有更宽阔的应用领域；低尖速比带来的好处不仅仅是环保上面的优势,

12、对于风机的整体性能也是非常有利的；从空气动力学上分析,物体速度越快,形状对流场的影响越大；当风 力发电机在户外运行时, 叶片上不行防止的受到污染, 这种污染实际上是转变了 叶片的形状； 对于水平轴风轮来讲, 即使这种形状变化很微小, 也很大的降低了 风轮的风能利用率,而垂直轴风轮由于转速低,所以对形状的转变没那么敏锐,这种叶片的污染基本上对风轮的气动性能没有影响；3 结论本文从多方面对水平轴和垂直轴风力发电机进行了比较,从比较中可以看出, 相名师归纳总结 对于传统的水平轴风力发电机, 垂直轴风力发电机具有设计方法先进、风能利用第 4 页,共 5 页- - - - - - -精选学习资料 - -

13、 - - - - - - - 率高、起动风速低、无噪音等众多优点,具有更加宽阔的市场应用前景,信任在不久的将来,垂直轴风力发电机将大有作为；参考 文 献2. 熊礼俭 . 风力发电新技术与发电工程设计、运行、保护及标准标准有用手册 . 中国科技文化出版社 . 3. 张国铭 . 论兆瓦级垂直轴风力发电机的合理性. 风力发电, 2001 年第期 . 4. 张富昌 . 几种新式立轴风力机设计方案 . 新能源, 1998 年第期 . 5. 赵继华 . 旋流式立轴风力机运行原理及特性. 可再生能源, 2002 年第期 . 6. 邓兴勇,陈云程 . 风力发电机叶轮的数值优化设计法 . 工程热物理学报, 1999年第期 . 7. 张维智,李军 . 风力机叶片优化设计的探讨. 风力发电, 2003 年第期 . 8. 桑为民 . 非结构网格多段翼型绕流 Euler 及 NS 方程数值模拟 . 西北工业大学硕士学位论文, 1999. 9. 夏晖,王蒙 . 影响风力发电机组功率曲线变化的主要因素 . 新疆电力, 2005年第 3 期. 10. 张秋生 . 风力发电机组功率曲线考核初探. 风力发电, 2004 年第 3 期. 11. 张维智,李方洲 . 小型水平轴风力发电机风洞试验 . 风力发电, 2004 年第 1期. 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 5 页