垂直轴风力机应用概况及其展望.pdf

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1、现代制造工程2010年第3期综述垂直轴风力机应用概况及其展望姚英学，汤志鹏(哈尔滨工业大学机电工程学院，哈尔滨150001)摘要：水平轴风力机是当今应用最广的一种风力机，垂直轴风力机也有着自身优越的性能，并越来越被人们所重视。介绍垂直轴风力发电机与水平轴风力发电机的优缺点，以及垂直轴风力机的最新应用及其发展趋势。关键词：风能；水平轴风力发电机；垂直轴风力发电机；对比；最新应用；趋势中图分类号：TK83文献标识码：A文章编号：167l—3133(2010)03—_0136—一05ThedevelopmentandfIuture0fth

2、everticalaxiswindturbineYAOYing—xue，TANGZhi—peng(SchoolofMechatr0IlicsEn百neering，HarbinInstituteofTechnology，Haerbin150001，China)Abstract：111eHoriz∞talA】【iswindTurbine(HAWT)isthem∞twidely惜ed洒dturbine．neVenicalAxisWindTurbi加(VAwT)h鹊itsownadv锄tages，明ditisattachedmoreimpo

3、rt姐ce硒m璐．wiⅡmainJydi8cu髓thecompariIIgresearchbe·tweendleHAWr锄dtIleVAWT．Andtllehtestapplicati∞oftheVA可盯蚰dthetrendoftlleVAWrinthefuture丽Ubep瑚·ented．Key啪rds：windp叭吼；H耐姗tal心sWindTu南ine(姒WT)；VerticalAxiswindTIlrb砒(VAWT)；c伽paIing；latest印啦clLtion：tI℃ndO引言风能是可再生能源，据估计，全球风能在近地层

4、中的总量是1．3×1014w【1I。地球上的风能资源是地球上水能资源的10倍‘21，因此国内外十分重视对风能的利用。1风力机研究现状风力机是一种将风能转换成机械能、电能或热能的能量转换装置。风力机的造型按风轮主轴的不同可分为水平轴风力机和垂直轴风力机。1．1水平轴风力机风轮主轴呈水平方向的风力机称之为水平轴风力机，水平轴风力机是目前最常见的一种风力机，也是技术比较成熟的一种风力机，其风轮叶片数为2—3片，叶片形状一般为翼形，利用翼形升力做功，该风力机起动力矩较大，风能利用系数较高。为使风轮的扫风面随时正对风向，需装有调向装置。图1为

5、几种不同的水平轴风力机的示意图。1．2垂直轴风力机风轮主轴呈垂直方向的风力机称之为垂直轴风力机。垂直轴风力机叶轮的转动与风向无关，因此不136多叶车轮型讲型帆翼塑图1几种水平轴风力机不意需要水平轴风力机使用的迎风装置。垂直轴风力机可分为两类：一类是利用空气的阻力做功，典型的结构是S(Savonius)型风轮，它由两个轴线错开的半圆柱形组成，其起动转矩较大，围绕着风轮会产生对称气流，这将产生侧向的推力。另一类是利用翼形的升力做功，典型的是达里厄型风力机(D孵ieus)。达里厄型风力机有多种形式，以H型、中型风轮为典型，H型风轮结构相对

6、比较简单，但这种结构将产生离心力，使得叶片会在其连接点处产生严重的弯曲应力；中型风轮所采用的弯叶片只承受张力，不承受离心力荷载，因而其所受的弯曲应力很小一o。图2所示为几种。灞料^iufiV转综述现代制造工程2010年第3期多亏多①玲!工!达里厄机中型达里厄机△受达壁厄机H型图2几种垂直轴风力机示意图不同的垂直轴风力机的示意图。2垂直轴风力发电机的发展几千年前，人们就开始利用垂直轴风力机来提水。但是，垂直轴风力发电机的发明则要比水平轴风力发电机晚一些，直到20世纪20年代才开始出现MJSavonius型(S型)风轮(1924年)和D

7、arrieus型风轮(1931年)。人们普遍认为垂直轴风轮的尖速比(叶尖处的线速度和风速之比)不可能大于l，风能利用率低于水平轴风力发电机"o；且对于垂直轴风力发电机的叶片设计，以前也是按叶素-动量理论来进行设计№J。然而垂直轴风轮的流动比水平轴风力机更复杂，是典型的大分离非定常流动，不适合用叶素理论进行分析、设计，所以这也是垂直轴风力发电机长期得不到发展的重要原因。但是随着科技的发展，人们逐渐认识到垂直轴风轮的尖速比不能大于l仅限于阻力型风轮(S型风轮)。对于升力型风轮(达里厄式风轮)的尖速比甚至可以达到6，并且其风能利用率也不低

8、于水平轴风力机”J。通过对垂直轴风力机和水平轴风力机的优缺点比较，近年来，越来越多的机构开始研究垂直轴风力发电机，并取得了长足的发展m1。3垂直轴风力发电机的优点3．1叶片的设计方法目前对水平轴风力发电机的叶片设计普遍采用叶素一动量理