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《對水平軸與垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的比較研究》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在工程資料-天天文庫。
1、2007年第2期上海電力新型風(fēng)力發(fā)電裝置水平軸與垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的比較研究蔣超奇,嚴(yán)強(qiáng)(上海麟風(fēng)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備有限公司,上海200063)摘要:隨著科技的發(fā)展,垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已經(jīng)逐漸重新被人認(rèn)識與重視。文章對水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)與垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)在設(shè)計方法、結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了比較,指出垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有設(shè)計方法先進(jìn)、風(fēng)能利用率高、起動風(fēng)速低、基本不產(chǎn)生氣動噪聲等優(yōu)點,具有廣泛的市場應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞:風(fēng)力發(fā)電機(jī);垂直軸;水平軸;設(shè)計中圖分類號:TK83文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B準(zhǔn)確結(jié)果的。1引言垂直軸風(fēng)車很早被應(yīng)用于人類的生活中,中[1]國最早利用風(fēng)能的形式就是垂
2、直軸風(fēng)車。但是,垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)明則要比水平軸的晚[2]一些,直到20世紀(jì)20年代才開始出現(xiàn)(Savonius式風(fēng)輪,1924年;Darrieus式風(fēng)輪,1931年)。由于人們普遍認(rèn)為垂直軸風(fēng)輪的尖速比(葉尖處的線速度和風(fēng)速之比)不可能大于1,[1,2]風(fēng)能利用率低于水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī),因而導(dǎo)圖1水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)致垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)長期得不到重視。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)(圖2,圖3)的葉片設(shè)計,隨著科技的發(fā)展和人類認(rèn)識水平的不斷提以前也是按照水平軸的設(shè)計方法,依靠葉素理論高,人們逐漸認(rèn)識到垂直軸風(fēng)輪的尖速比不能大[1]來設(shè)計。由于垂直軸風(fēng)輪的流動比水平軸
3、更加于1僅僅適用于阻力型風(fēng)輪(Savonius式風(fēng)輪),復(fù)雜,是典型的大分離非定常流動,不適合用葉素而升力型風(fēng)輪(Darrieus式風(fēng)輪)的尖速比甚至可理論進(jìn)行分析、設(shè)計,這也是垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)長以達(dá)到6,并且其風(fēng)能利用率也不低于水平[1,2]期得不到發(fā)展的一個重要原因。軸。近年來,越來越多的機(jī)構(gòu)和個人開始研[2～4]究垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī),并取得了長足的發(fā)展。2水平軸與垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的比較2.1設(shè)計方法水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)(圖1)的葉片設(shè)計,目前普遍采用的是動量—葉素理論,主要的方法有[1,5～6]Glauert法、Wilson法等。但是,由于葉素理論
4、忽略了各葉素之間的流動干擾,同時在應(yīng)用葉素理論設(shè)計葉片時都忽略了翼型的阻力,這種簡化處理不可避免地造成了結(jié)果的不準(zhǔn)確性,文圖2Darrieus式Ф型風(fēng)輪獻(xiàn)[1]指出,這種簡化對葉片外形設(shè)計的影響較隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,計算流體力學(xué)小,但對風(fēng)輪的風(fēng)能利用率影響較大。同時,風(fēng)輪(ComputationalFluidDynamics,以下簡稱CFD)各葉片之間的干擾也十分強(qiáng)烈,整個流動非常復(fù)得到了長足的進(jìn)步,從最初的小擾動速勢方程到雜,如果僅僅依靠葉素理論是完全沒有辦法得出歐拉方程,以及更加復(fù)雜的N-S方程[7],目前—163—?1994-2007C
5、hinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net新型風(fēng)力發(fā)電裝置上海電力2007年第2期能利用率不比水平軸的低,國外也有機(jī)構(gòu)經(jīng)過實[2]驗表明垂直軸風(fēng)輪的風(fēng)能利用率在40%以上。另外,在實際環(huán)境中風(fēng)向是經(jīng)常變化的,水平軸風(fēng)輪的迎風(fēng)面不可能始終對著風(fēng),這就引起了“對風(fēng)[1]損失”,而垂直軸風(fēng)輪則不存在這個問題。因此,在考慮了對風(fēng)損失之后,垂直軸風(fēng)輪的風(fēng)能利用率完全有可能超過水平軸風(fēng)輪。2.3起動風(fēng)速水平軸風(fēng)輪的起動性能好已經(jīng)是個共識,但
6、是圖3Darrieus式H型風(fēng)輪根據(jù)中國空氣動力研究與發(fā)展中心對小型水平軸的CFD技術(shù)完全能模擬在復(fù)雜外形下的復(fù)雜流風(fēng)力發(fā)電機(jī)所做的風(fēng)洞實驗來看,起動風(fēng)速一般動。對于垂直軸風(fēng)輪的葉片,已經(jīng)可以用CFD方在4～5m/s之間,最大的居然達(dá)到5.9m/s[11],[8]法來設(shè)計。而水平軸葉片的設(shè)計還沒有辦法應(yīng)這樣的起動性能顯然是不能令人滿意的。用CFD方法來設(shè)計,這主要是由這兩種風(fēng)輪結(jié)構(gòu)垂直軸風(fēng)輪的起動性能差也是目前業(yè)內(nèi)的共決定的。水平軸的葉片由于每個截面的扭角、弦識[2],特別是對于Darrieus式Ф型風(fēng)輪,如圖2長以及尖速比都不同,如果要用CFD模
7、擬的話,所示,完全沒有自啟動能力,這也是限制垂直軸風(fēng)就必須采用三維模型。力發(fā)電機(jī)應(yīng)用的一個原因。但是,對于Darrieus直觀地說,模擬一個工況,在采用CPU為P4式H型風(fēng)輪,如圖3所示,卻有相反的結(jié)論。根3G的個人電腦上,計算時間大概需要7～10d,如據(jù)筆者的研究發(fā)現(xiàn),只要翼型和安裝角選擇合適,果設(shè)計一個風(fēng)輪,可能需要幾年到十幾年,這樣的完全能得到相當(dāng)不錯的起動性能,通過對麟風(fēng)P2代價在工業(yè)設(shè)計中是很難接受的。而垂直軸就完200垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)洞實驗來看,這種全不一樣(僅限于Darrieus式H型風(fēng)輪),葉片的Darrieus式H型風(fēng)輪的起動
8、風(fēng)速只需要2m/s,每個截面都一樣,這樣就能簡化成二維情況,網(wǎng)格優(yōu)于上述的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。數(shù)大大下降,計算量也隨之下降,
