垂直轴风力发电机在风向改变的时候无需对风,在这点上相对于水平轴风力发电机是一大优势,它不仅使结构设计简化,而且也减少了风轮对风时的陀螺力。

1.垂直轴风力发电机工作原理

 

依靠迎风面阻力和背风面阻力差获得动力,其差值越大,效率当然就越高 (流线和连续外形,避免空气的扰动能量损失)系统刚度大,旋转轴细,摩擦阻力(摩擦圆小)其线速度始终比风速低,传动惯量小,速度平稳性不好,可以通过类似飞轮的机械系统加以改善。效率与阻力面积和表面光滑状况有关。

垂直轴风力发电机工作原理

(图片来源于互联网)

 

2.垂直轴风力发电机的优缺点

 

优点:

1.不需要偏航系统

2.因为垂直轴的电机多在地面,所以维修方便

3.塔架工艺简单

缺点:

1.难以自启动

2.难以控制失速,即易失速

3.加工工艺不成熟

4.风能利用率低

垂直轴风力发电机的优缺点

(图片来源于互联网)

 

3.垂直轴风力发电机和水平轴的区别

 

1、设计方法

水平轴风力发电机的叶片设计,普遍采用的是动量—叶素理论,主要的方法有Glauert法、Wilson法等。但是,由于叶素理论忽略了各叶素之间的流动干扰,同时在应用叶素理论设计叶片时都忽略了翼型的阻力,这种简化处理不可避免地造成了结果的不准确性,这种简化对叶片外形设计的影响较小,但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十分强烈,整个流动非常复杂,如果仅仅依靠叶素理论是完全没有办法得出准确结果的。

垂直轴风力发电机的叶片设计,以前也是按照水平轴的设计方法,依靠叶素理论来设计。由于垂直轴风轮的流动比水平轴更加复杂,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,这也是垂直轴风力发电机长期得不到发展的一个重要原因。

2、风能利用率

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计算所得,一般在40%以上。如前所述,由于设计方法本身的缺陷,这样计算所得的风能利用率的准确性很值得怀疑。当然,风电厂的风力发电机都会根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参见,要小于来流风速,风功率曲线偏高,必须进行修正。应用修正方法修正后,水平轴的风能利用率要降低30%~50%。对于小型水平轴风力发电机的风能利用率,中国空气动力研究与发展中心曾做过相关的风洞实验,实测的利用率在23%~29%。

3、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,惯性力的方向是随时变化的,而重力的方向始终不变,这样叶片所受的就是一个交变载荷,这对于叶片的疲劳强度是非常不利的。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、维护和检修带来了很多的不便。

垂直轴风轮的叶片在旋转的过程中的受力情况要比水平轴的好的多,由于惯性力与重力的方向始终不变,所受的是恒定载荷,因此疲劳寿命要比水平轴风轮长。同时,垂直轴的发电机可以放在风轮的下部或是地面,便于安装和维护。

垂直轴风力发电机和水平轴的区别

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