小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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1、適用經(jīng)濟(jì)型小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1．小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的分類(1)槳葉式風(fēng)力機(jī)???槳葉式風(fēng)力機(jī)是一種阻力型風(fēng)力機(jī)，因它的葉片形狀而得名。這種風(fēng)力機(jī)的關(guān)鍵集中在如何減少逆風(fēng)方向葉片的阻力，對(duì)此有許多設(shè)計(jì)方案。使用遮風(fēng)板的，也有改變迎風(fēng)角的，不過槳葉式風(fēng)力機(jī)的效率很低，除了在日本局部地區(qū)曾經(jīng)使用過外，實(shí)際上幾乎沒有制造和使用的實(shí)例。一般來(lái)說(shuō)，這種風(fēng)力機(jī)歸類為垂直軸型，但是也有把它設(shè)計(jì)成水平軸的。(2)薩布紐斯式風(fēng)力機(jī)??薩布紐斯式風(fēng)力機(jī)是20年代發(fā)明的垂直軸風(fēng)力機(jī)，它以發(fā)明者薩布紐斯的名字命名(我國(guó)有時(shí)稱它為S型風(fēng)力機(jī))。這種風(fēng)力

2、機(jī)通常由兩枚半圓筒形的葉片所構(gòu)成，也有用三一四枚的。這種風(fēng)力機(jī)往往上下重疊多層。效率最大不超過10％，能產(chǎn)生很大的扭矩。在發(fā)展中國(guó)家有人用它來(lái)提水、發(fā)電等。(3)達(dá)里厄型風(fēng)力機(jī)達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)是一種新開發(fā)的垂直軸式風(fēng)力機(jī)，以法國(guó)發(fā)明者達(dá)里厄的名字命名，下圖為普通的Φ形達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)和特殊的Δ形達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)。其葉片多為2—3枚。該風(fēng)力機(jī)回轉(zhuǎn)時(shí)與風(fēng)向無(wú)關(guān)，是升力型的。它裝置簡(jiǎn)單，成本也比較便宜，但起動(dòng)性能差，因此也有人把這種風(fēng)力機(jī)和一部薩布紐斯風(fēng)力機(jī)組合在一起使用。(4)旋轉(zhuǎn)渦輪式風(fēng)力機(jī)垂直軸升力型旋轉(zhuǎn)渦輪式風(fēng)力機(jī)，這種風(fēng)力杉L垂直安裝3—4枚對(duì)稱

3、翼形的葉片。它有使葉片自動(dòng)保持最佳攻角的機(jī)構(gòu)。因此結(jié)構(gòu)復(fù)雜價(jià)格也較高，但它能改變槳距、起動(dòng)性能好、能保持一定的轉(zhuǎn)速，效率極高。這種風(fēng)機(jī)也有把同樣的葉片固定安裝的形式。(5)弗來(lái)納式風(fēng)力機(jī)在氣流中回轉(zhuǎn)的圓筒或球，可以使該物體的周圍的壓力發(fā)生變化而產(chǎn)生升力。這種現(xiàn)象叫馬格努斯效應(yīng)，利用這個(gè)效應(yīng)的發(fā)電裝置叫弗來(lái)納式風(fēng)力發(fā)電裝置。在大的圓形軌道上移動(dòng)的小車上裝上回轉(zhuǎn)的圓筒，由風(fēng)力驅(qū)動(dòng)小車，用裝在小車軸上的發(fā)電機(jī)發(fā)電。這種裝置，是1931年由美國(guó)的J·馬達(dá)拉斯發(fā)明的，并實(shí)際制造了重15噸、高27米的巨大模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)情況不清，但時(shí)間

4、很短便中止了?，F(xiàn)在弗來(lái)納式風(fēng)力機(jī)裝置又受到重視，美國(guó)的笛頓大學(xué)在重新進(jìn)行開發(fā)和試驗(yàn)。(6)費(fèi)特·肖奈達(dá)式風(fēng)力機(jī)這種風(fēng)力機(jī)是由德國(guó)費(fèi)特公司的工程師肖奈達(dá)發(fā)明的，費(fèi)特·肖奈達(dá)螺旋槳垂直地安裝在船底下部作為船的推進(jìn)器。推進(jìn)器圓周的葉片，在刁；同的位置上能夠改變方向，因隨著葉片的角度和回轉(zhuǎn)速度不同，其升力的大小和方向也不同，所以可以不用舵。把這種費(fèi)特，肖奈達(dá)葉片上下相對(duì)可制成風(fēng)力機(jī)(如下圖)，其工作原理和旋轉(zhuǎn)渦輪式風(fēng)力機(jī)相類似。其中比較受關(guān)注的是達(dá)里厄風(fēng)力發(fā)電裝置。我們選取開發(fā)的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)就是以達(dá)里厄風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為藍(lán)本開發(fā)。1．垂直軸風(fēng)力發(fā)

5、電系統(tǒng)的優(yōu)越性現(xiàn)在，在全世界風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行總數(shù)中，水平軸螺旋槳式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組占90%以上，在世界上約有100多家公司從事批量生產(chǎn)這種類型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。垂直軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開發(fā)不力的原因是由多種因素造成的:發(fā)明垂直軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組比水平軸螺旋槳式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組較晚;以前曾錯(cuò)誤地認(rèn)為垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作機(jī)構(gòu)(葉片)最大線速度對(duì)風(fēng)速之比不可能大于1，而對(duì)水平軸螺旋槳式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō)，這種比值可達(dá)到5:1以上。進(jìn)人60-70年代間，首先是加拿大、然后是美國(guó)、英國(guó)的風(fēng)電專家們經(jīng)過實(shí)驗(yàn)指出，上述的結(jié)論對(duì)于利用葉片上升風(fēng)力的達(dá)里厄轉(zhuǎn)子是不適用的.

6、就達(dá)里厄轉(zhuǎn)子而論.工作機(jī)構(gòu)線速度對(duì)風(fēng)速之比可達(dá)到5:1以上，且風(fēng)能利用系數(shù)不比水平軸螺旋槳式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低.此后，垂直軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組得到了大力開發(fā)，它的單機(jī)容量逐漸在增大.當(dāng)今，所有發(fā)達(dá)國(guó)家，如加拿大、美國(guó)和荷蘭在實(shí)踐中使用了達(dá)里厄轉(zhuǎn)子的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，且認(rèn)為裝有曲線型葉片的傳統(tǒng)方案是比較可取的;而英國(guó)和羅馬尼亞采用與轉(zhuǎn)軸平行的等厚葉片作為主要方案。下面從幾方面對(duì)垂直軸式和水平軸螺旋槳式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作一些對(duì)比評(píng)估，且以傳統(tǒng)的螺旋槳式和具有等厚葉片達(dá)里厄型風(fēng)力發(fā)電饑組為例進(jìn)行說(shuō)明。2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的效率與風(fēng)向的關(guān)系水平螺旋槳式風(fēng)力發(fā)電機(jī)

7、組的最大效率只又在保證具有良好風(fēng)速的條件下才能得到實(shí)現(xiàn).水平螺旋槳式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上設(shè)有風(fēng)輪定向系統(tǒng)將使風(fēng)力機(jī)組本身復(fù)雜化并降低它的可靠性，根據(jù)此類型的國(guó)外風(fēng)力發(fā)電裝置的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，定向系統(tǒng)的故障率占總量的13%.此外，在風(fēng)向改變時(shí)由于定向機(jī)構(gòu)作用滯后，風(fēng)輪的有效定向?qū)嶋H上是不可能的，對(duì)于具有直徑30-40mm以上風(fēng)輪的中型和大型風(fēng)力機(jī)組來(lái)說(shuō)，風(fēng)輪的定向效果將會(huì)降低.因?yàn)轱L(fēng)的氣流速度在葉片范圍內(nèi)存在非共面性及其差異.從而導(dǎo)致風(fēng)輪不可能定向在最佳位置上·因此減少了發(fā)電量。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益也就下降。風(fēng)輪定向系統(tǒng)使水乎軸螺旋槳式風(fēng)力發(fā)電機(jī)

8、組的機(jī)艙和支承塔架之間的連接剛性變壞，因此造成出現(xiàn)自振現(xiàn)象.活動(dòng)部件和固定部件在頻率特性上的差異，最終降低機(jī)組的可靠性和壽命.垂直軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作效率原則上不取決于風(fēng)向。因此不需要風(fēng)輪定