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    垂直轴风力发电机结构研究进展.pdf

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    垂直轴风力发电机结构研究进展.pdf

    垂 直轴风力发电机结构研究进展*陈兴华 吴国庆 曹 阳 茅靖峰 张旭东 张玉梅 迟晓妮( 南通大学 机械工程学院 江苏省风能应用技术工程中心 ,南通 226019)Structural research of vertical axis wind turbineCHEN Xing-hua, WU Guo-qing, CAO Yang, MAO Jing-feng, ZHANG Xu-dong, ZHANG Yu-mei, CHI Xiao-ni( School of Mechanical Engineering, Nantong University, Jiangsu Engineering Research Center forWind Energy Technology, Nantong 226019, China)文章编号 1001-3997( 2011) 08-0084-03【摘 要 】与水平轴风力发电机相比,垂直轴风力发电机具有结构对称 、风能利用率高 、噪音低等优点,有着较为广阔的市场前景 。首先对垂直轴与水平轴风力机作了比较,分析了垂直轴风力发电机的特点,简要地概述了垂直轴风力机的先后发展,分别介绍了常见的萨渥纽斯阻力型 、达里厄型及其变形结构等垂直轴风力机的结构,阐述了国内外学者对垂直轴风力机结构的研究现状,最后简要地分析了设计垂直轴风力机所面临的主要问题 。关键词垂直轴风力发电机;风力发电;聚能装置【Abstract】Compared with the horizontal axis wind turbines ( HAWT), vertical axis wind turbine( VAWT) is characterized with its symmetrical structure, high wind energy utilization and low noise, there-fore more broad market prospect is forseen.First, through comparing between the VAWT and HAWT, thecharacteristics of vertical axis wind turbine are analyzed, the development of VAWT is expounded briefly.Then the common Savonius resistance type and lift type such as Darrieus type as well as its deformationstructures are introduced, the current research on VAWT of domestic and foreign scholars are expounded inbrief.At last, some major problems of the structural design of VAWTare summarized briefly.Key words VAWT; Wind power; Energy collecting device中图分类号 TH122, TK89 文献标识码 A*来稿日期 2010-10-07 *基金项目江苏省科技支撑计划项目( BE2008074),江苏省科技支撑计划项目( BE2009090),南通大学研究生科技创新计划项目( YKC09011)1 引言火力发电由于消耗的煤炭和水资源巨大 、所排放的 SO2、NOx、粉煤炭对自然环境产生了严重的污染,火力发电工业已经成为我国最大的污染排放产业之一 。与传统的火力发电相比,风力发电作为一种低碳的 、清洁的 、可再生的新源领域,越来越受到世界各国的高度重视 。现有的风力机按风轮旋转轴在空间的方向,分为水平轴风力机和垂直轴风力机两大类,其中水平轴风力机设计制造技术相对比较成熟,是目前风电市场中最常用的机型,与水平轴相比,垂直轴风力机的研究相对滞后 。水平轴风力发电机通常由叶片 、轮毂 、主轴 、齿轮箱 、发电机 、塔架等结构组成 。垂直轴风力发电机的结构与水平轴有较大的不同,主要结构组件包括叶片 、主轴 、叶片连杆 、发电机等 。垂直轴与水平轴风力机的比较( 1)机构不同 。由于水平轴旋转时要正对迎风方向,因此需额外配备偏航装置,垂直轴不受风向影响,无需偏航装置;水平轴叶片通常由 3 片组成,垂直轴可由( 45)片组成 。( 2)发电机不同 。水平轴风力机的通常由齿轮增速装置,转速较高,而垂直轴风力机配置低速发电机 。此外,垂直轴风力机的发电机可安装于较低的空间位置,有利于整机重心的下降 。( 3)供电方式的不同 。水平轴风力机目前都以大容量 MW 级为主,普遍为联网型,垂直轴风力机以小功率为主,普遍为离网型,因此垂直轴通常自配蓄电池组 、逆变器等 。( 4)安装场合不同 。巨型水平轴风力机主要安装在离城市偏远的陆地或海上风电场,垂直轴风力机多安装于城市道路 、小区楼顶 、边防等场合 。2 垂直轴风力机的发展现代的升力型垂直轴风力机设计思想首先由法国风力机工程师 Darrieus 提出, 20 世纪二三十年代是垂直轴风力机研究的第一个高峰期,这期间出现了多种类型的垂直轴风力机,主要有萨渥纽斯型( Savoniusrotor) 、马达拉斯型( Madaras rotor)和达里厄型( DarriusVAWT) 。马达拉斯型因其机构过于复杂 、旋转圆柱的过低圆周速度使其空气动力特性十分微弱 、大轨道负荷产生较大的摩擦损失 、地表风速低和发电损失大等原因,马达拉斯的大规模发电构想最终未能成功 。三十多年后,英 、美 、加拿大等国开始研究垂直轴风力机,于此同时各种几何形状的垂直轴风力机便出现 。20 世纪( 7080)年代迎来了第二次发展高峰,这一时期的研究主要集中在北美,加拿大国立研究委员会( NRC)和美国圣地亚国立实验室( SNL)对其进行了大量的理论和实验研究,同时,美国 、加拿大的一批风力机制造公司经过不断地研发攻关,使达里厄风力机的研究逐渐深入 。80 年代中期, DOE 公司开始关注在Sandia 进行的有关 VAWT 的降低造价以及提高可靠性方面的研究,并且给予了资金方面的支持 。至此, VAWT 的研究主要集中于几个方面空气动力学,结构动力学,疲劳及可靠度,系统工程等 。2000年以来,在中小型风力机市场上,垂直轴风力机还占有很大的市场,直线翼垂直轴风力机和 H型风力机的研究和应用受到北美 、欧洲和日本等国家和地区的关注,许多形状各异的商用中小型垂Machinery Design & Manufacture机械设计与制造第 8 期2011 年 8 月84直 轴风力机被成功投入市场,比如,美国的某公司和加拿大的某公司推出了可安装于屋顶的垂直轴风力系统;法国的某公司,芬兰的某公司和意大利的某公司推出了改良后的阻力型垂直轴风力机,尤其是芬兰某公司的 WS系列风力机可以在极端恶劣的气候环境中工作,可以说,目前垂直轴风力机的第三次发展契机正在出现 。3 垂直轴风力机的常见类型3.1 阻力型风力机阻力型风力机杯式风速计是最简单的阻力型垂直轴风机,如图 1( a)所示 。其后,芬兰某工程师发明了后来以其名字命名的萨渥纽斯风力机( Savonius),如图 1( b)所示 。萨渥纽斯风力机基本型是由两个半圆筒叶片开口相对组成 S 型,并在旋转中心处设有一部分重叠区,其工作原理,如图 1( c)所示 。在来风方向上,由于凹面产生的力矩大于凸面产生的力矩,风力机就沿着顺时针方向旋转 。( a) ( b)( c) ( d)Ddsa凹凸图 1 阻力型杯式风力机与 Savonius 结构示意图3.2 升力型风力机达里厄弯叶片型风力机,如图 2 所示 。叶片的形状大致采用以下几种曲线 Troposkien 曲线 、抛物线 、悬链曲线和圣地亚型曲线等 。其中, Troposkien 曲线又分为忽略重力的理想 Troposkien曲线( G=0)和考虑重力的修正 Troposkien 曲线( G≠0) 。( a) ( b)图 2 弯叶片达里厄型及直线翼垂直轴风力机示意图3.3 其他结构形式( a) ( b)图 3 其他类型垂直轴风力机为了利用升力和阻力的优点,人们设计了混合型风力机,日本某大学研制的新型混合型垂直轴风力机,如图 3( a)所示 。上部属于升力直线翼型,下部为阻力 S 型,可以克服升力与阻力的缺点,利用较大的升力系数和较大的阻力扭矩,能获得较高的风能利用率 。分段型风力机,如图 3( b)所示 。适于大容量要求的风力机 。由于大容量风力机往往叶片很长,不易加工,且成本高,因此将风力机分为几段,然后再串联起来 。这样,既保证了功率输出要求,又简化了风力机叶片的加工,降低了成本 。4 国内外主要研究现状计算机技术的飞速发展, CFD( ComputationalFluidDynamics)软件被应用到叶片的分析, CFD是一门用数值计算方法直接求解流动主控方程( Euler或 Navier-Stokes方程)以发现各种流动现象规律的学科,得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布,从而近似模拟流体流动情况 。它综合了计算数学 、计算机科学 、流体力学 、科学可视化等多种学科,目前主流的 CFD 软件有 CFX, FLUENT, ANSYS-FLOTRAN, FLUENT包括前处理器 Gambit、求解器 Fluent和后处理器 Fluent或 Tecplot。ANSYS程序中的 FLOTRANCFD分析功能是一个用于分析二维及三维流体流动场的先进的工具,使用 ANSYS中用于 FLOTRANCFD 分析的二维 FLUID141 和三维 FLUID142单元,可有效地求解气动叶片上的升力和阻力,复杂流场的三维流动等问题 。252 100R300126104 R80NACA4518θ图 4 垂直轴风力机加弧形导板结构σrotorstator vaneRWθ( a) ( b)图 5 Savonius 型加前缘结构风力机图 6 英国垂直轴风力机与建筑物的完美结合尽管各种叶片翼型不同,但目前各学者主要针对叶片的安装角 、叶片提供的阻力 、升力比及叶片涡轮增效装置展开了研究 。国外一些科研人员运用 CFD模拟风速 7.2m/s、8.0m/s、9.0m/s、10.5m/s下,叶第 8 期 陈兴华等垂直轴风力发电机结构研究进展 85片 安装角分别为 4.12、5.28、6.66、8.76垂直轴风力机能获得最大的输出功率 。瑞典科研人员利用 NACA0015、NACA1515、NACA1215、NACA1715 翼型建立了二维非定常流分析模型,采用共形映射( conformalmapping)技术得出了最大空气动力 。加拿大科研人员则采用了不同的控制策略对发电机捕获最大风能进行了研究,加拿大科研人员把垂直轴风力发电机应用到海上,利用海上潮汐能代替风力,取得了预期的效果 。新西兰科研人员将粒子成像速度学( PIV,particleimagevelocimetry)技术应用到 λCp(风力机尖速比 风力机输出功率)研究上,使得流体场可视化 。值得一提的是,日本某科学家在垂直轴风力机的基础上,增加了导风板,其结构如图 4所示 。明显提高了风力机的转矩,并指出导板 θ在 37.5≤θ≤45,整机的效率取得峰值 。加拿大的安大略省大学一些科研人员设计了如图 5所示的 Savonius型加前缘结构垂直轴风力机模型,得出了前缘结构能显著提高 Savonius型风力机的风能利用率,并实验结果与 2D和 3D流体分析数据吻合 。此外,英国科研人员将垂直轴阻力型风力机与建筑学相结合,如图 6所示,这样做不仅降低了风力机的制造成本,提高了风力机的工作效率,还增强了风力机与建筑物结合的审美感 。在我国,目前以推广大功率水平轴风力发电机为主,我国风电机组主要制造商有 40多家,并形成生产了叶片 、发电机 、齿轮箱 、偏航系统 、塔架等组件的规模企业 。近年来,由于特殊应用场合的需要,也开始了垂直轴风力机的相关研究, 2002 年,我国开始了新型垂直轴风力发电机的研究,由部队通讯部牵头,上海某公司为研发主体,西安军电 、西安交大 、同济大学 、复旦大学等高校的多位专家配合,在短短的一年时间里就生产出了首台新型垂直轴风力发电机,并对产品进行改进,使产品走向成熟,并在海岛以及边疆大量采用以新型垂直轴风力发电机为主要设备的风光互补系统供电 。浙江华鹰风电科研人员发明了上下双叶组的结构,在风力的作用下,上下叶片通过机械装置分别绕顺时针和逆时针旋转,而发电机外转子(线圈绕组)与上叶片组连接,发电机内转子与下叶片组连接,该结构能在发电机成本不增加的情况下,在同样的风力资源下,将发电机的转速提高近一倍,从而增加了发电量,提高了垂直轴风力机效率 。上海一些科研人员通过对垂直轴风力机叶片支持翼的结构改进,使得叶片在环境风速超过额定风速的情况下始终保持稳定的转速,从而确保垂直轴风力发电机恒定功率的输出 。农业大学一些科研人员研究了具有 3 枚 NACA0018 翼型叶片的直线翼型垂直轴风力机模型,通过风洞试验测试了直线翼垂直轴风力机在不同风速下自启动与叶片迎风角度的关系,利用烟线法对风力机的静态流场进行了可视化试验,获得了不同叶片迎风角度下风力机周围流场的流迹线图像,为垂直轴风力机的动力学提供了可靠的研究方法 。重庆某大学一些科研人员利用叶素动量理论对风力机气动力学的载荷进行了计算,得到了风力机轮毂上的载荷,并利用有限元软件对轮毂进行静强度分析 、疲劳强度分析,提出了风力机轮毂壁厚的优化设计,大大减轻了轮毂的重量,降低加工成本 。与垂直轴风力机的主轴相似,水平轴风力发电机的塔架研究也是近年来研究的热点,主要集中在研究塔架的壁厚优化 、自振频率优化 、避免风力机发生屈曲折弯 、共振等现象 。上海某大学一些科研人员对某大型垂直轴风力机的主轴进行了优化,在满足强度和稳定性的要求下,使变截面圆管主轴的重量下降了 48.2。可大大降低风力发电机成本 。上海某大学力学所教授针对弧形叶片风力机,提出的聚能 -遮风的结构,如图 7( a)所示 。该结构能较大幅度地提高风力机的输出功率,对两叶片( S型)直线型聚能风力机,当 α为( 4555) 时,做功最大 。南通大学吴国庆教授等针对 4 叶片升力型翼型提出了如图 7( b)所示的聚能风力机结构,经实验发现,导风板 B1和 B2能显著通过提高风力机的动力矩,减少阻力矩,从而增大转动扭矩和速度 。( a) ( b)OvB1CAθOBDB2β图 7 垂直轴风力机聚能装置结构在有些地区,由于风力发电的随机性大,供电可靠性差,结合太阳能发电的可靠性,不少厂家提出了风光互补的垂直轴风力发电系统,该结构能提高系统供电的连续性 、稳定性和可靠性,得到了广泛的应用 。如图 8 所示,是典型的风光互补发电系统的构成,它由垂直轴风力机 、太阳能光伏方阵 、控制器 、蓄电池 、逆变器等组成 。该系统组成可以有效地提高发电的可靠性和稳定性 。太阳能电池方阵垂直轴风力机控制器蓄电池逆变器 交流负载直流负载图 8 风光互补型垂直轴风力发电机结构组成5 小结与展望( 1)风力机叶片翼型结构的选择与优化 。叶片翼型可采用成熟的 NACA翼型,还可对一些翼型运用 CFD 软件结合风洞试验,测试风力机的风能利用系数,优化气动结构 。( 2)整机支撑结构振动及稳定性的研究 。解决发电机载荷卸载 、防止支撑结构振动及大变形是设计中要考虑的问题 。垂直轴风力机由于叶轮垂直于地面,也给叶片安装时保证其垂直度提出了更高的要求 。( 3)聚能装置的设计 。聚能装置可以有效地聚集有效的风能,从而增大风力机的工作效率,针对不同的叶片可以设计不同的增效装置,有的增效装置需配置尾翼或电动调节导风板对风,目前对聚能装置的定向的研究不是很多 。参考文献[ 1]孙云峰,田德,王海宽,等 .垂直轴风力发电机的发展概况及趋势[ J] .农村牧区机械化, 2008( 2) 42-44.[ 2]李岩 .叶片重叠比对 Savonius 风力机性能的影响[ J] .可再生能源,2008, 26( 3) 31-33.[ 3]田海姣,王铁龙,王颖 .垂直轴风力发电机发展概述[ J] .应用能源技术,2006( 11) 22-27.[ 4]叶杭冶 .风力发电机组的控制技术[ M] .北京机械工业出版社, 200711-33[ 5]梁昌鑫,贾廷纲,陈孝祺 .国内外风电的现状和发展趋势[ J] .上海电机学院学报, 2009, 12( 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