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你了解垂直軸風力發電機嗎

發布日期:2018-10-19 15:46:38     來源:風力發電機廠家

  垂直軸風力發電機是指旋轉軸垂直于地面或者來流方向的風力發電機。人類歷史上古老的風力發電機實際上就是垂直軸風力發電機。

  早在1300多年前,中國已經出現一種古老的垂直軸風車,它主要用來提水灌溉。在1000年前,約公元700年時,波斯同樣建造了垂直軸的風車。水平軸風力發電機早出現在歐洲,要比垂直軸風車晚很多年。由于古代垂直軸風車的效率低,隨著水平軸風力發電機的不斷完善,垂直軸風車逐漸被淘汰。

  垂直軸風力發電機在風向改變的時候無需對風,在這點上相對于水平軸風力發電機是一大優勢,它不僅使結構設計簡化,而且也減少了風輪對風時的陀螺力。

  分類

  垂直軸風力發電機主要分為阻力型和升力型。

  阻力型垂直軸風力發電機主要是利用空氣流過葉片產生的阻力作為驅動力的,升力型則是利用空氣流過葉片產生的升力作為驅動力的。

  由于葉片在旋轉過程中,隨著轉速的增加阻力急劇減小,而升力反而會增大,所以升力型的垂直軸風力發電機的效率要比阻力型的高很多。

  優點

  相對于傳統的水平軸風力發電機,垂直軸風力發電機具有不需要偏航(不用對風向)、微風啟動(1m/s即可啟動發電)、無噪音等優點。另外,垂直軸風力發電機的葉片也不像三葉片水平軸風力發電機的葉片對材料要求比較高。

  正是由于垂直軸風力發電機的這些優點,可以應用于城市公共照明,居民聚集區等水平軸風力發電機很難應用的領域。可大量用于別墅、多層及高層建筑、通信基站、城市公共照明、高速公路、海上油田、海島、邊疆等離網的小型用電。

  不足

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  a、很難大型化

  如果將垂直軸風力發電機大型化,達到兆瓦級別,會使得中間的主軸較長。垂直軸風力發電機的豎直的葉片旋轉時因為離心力會彎曲,連接這些葉片的主軸承載了所有的負荷。從力學方面分析,垂直軸風力發電機功率越大、H型葉片越長、平行桿的中心點與發電機軸的中心點距離越長,抗風能力就越差。

  考慮到國內的制造工藝和設計水平,垂直軸風力發電機大型化后,整體剛性中心的把握有的挑戰。這使得國產垂直軸風力發電機的抗風能力難以讓人放心,容易產生共振甚至倒塌等問題。

  b 、轉化效率低

  雖然垂直軸風力發電機在微風(1m/s)即可啟動發電,且不需要偏航,但是由于葉片迎風面積非常有限,風能轉化效率比較低。表現在風機性能的Cp值上,不超過0.4(三葉片水平軸風機一般在0.45附近)

  另外,由于并網型垂直軸風機的固有屬性是高度(國內某公司的1MW垂直軸風機高60m)較低(目前常見的1.5MW三葉片水平軸風機輪轂高70m,葉尖離地距離大超過110m),使得暫時無法利用高處的高風速,這也使得并網型的垂直軸風力發電機發電能力較差。

  02

  技術現狀

  國外:

  日本:2002年初開始研究,2003年初產品投放市場,功率在0.5--30KW之間。、英國、德國、奧地利、韓國等也都已生產出樣機,準備投入規模化生產,目前功率都在10KW以內。一般來說,國外也將垂直軸風力發電機視為離網小型應用的選擇之一。

  法國:石油和氣工程公司德希尼布(Technip)公司和風力發電新創企業嫩駑伐公司(Nenuphar)近發布了一款2MW的垂直軸風力發電機(Vertiwind),預計將于2013年底漂浮在地中海水域。因為海面粗糙度較低,風速隨高度增長而增加的幅度不如陸地那么明顯,所以高度較低的垂直軸風力發電機在海上風電方面還有的發展可能。

  國內:

  2005年,行業投入力量從國外學習垂直軸機組技術。

  2008-2012年,國內多家企業先后投入樣機的研究階段。三峽辦、上海舉風、福祿公司先后投入了垂直軸Φ型樣機試驗;香港和合、深圳風發、國能風電投入了垂直軸H型樣機試驗。

  03

  技術發展趨勢

  發電機的功率是扭矩和轉速的乘積 , 由于水平軸風機的結構因素 , 決定了水平軸風機的風能利用率不會太高。

  隨著計算機技術的日新月異 , 計算流體力學(Computational Fluid Dynamics , 簡稱 CFD) 得到了飛速的發展 , 從初的小擾動速勢方程 , 到歐拉方程以及更加復雜的 N - S 方程 , 尤其進入 21 世紀后 , 已經可以模擬動態下的復雜外形氣流流動 ,這為垂直軸風機的研究提供了一個基礎。傳統的水平軸風力發電機葉片受其葉片的非等截面結構限制 , 目前還不能用 CFD 方法設計、計算 , 只能靠大量的經驗來設計。

  對于 H 型垂直軸風輪葉片 , 由于是等截面結構 , 已經可以用 CFD 方法來設計 , 計算精度要高于葉素理論方法 , 因此 , 目前世界上研究垂直軸風機的機構也越來越多。

  H 型垂直軸風輪

  現有的中、小型 H型垂直軸風機如上圖所示不僅在系統效率上達到了中小型水平軸風機的水平 , 而且還解決了低風速啟動和高風速下自動限速的問題 ,。在世界上使中、小型垂直軸風機具有商業應用價值 , 同時由于 H 型風機無噪聲的特點 , 比中、小型水平軸風機具有更廣的應用范圍 , 為中、小型垂直軸風機的大規模商業開發奠定了基礎。

  麟風風電設備公司用在大型垂直軸風機上的變攻角技術 , 有電動和機械兩種方式 , 該技術使垂直軸風力發電機的風輪在轉動過程中 , 當葉片處于不同位置時根據風速、風向的變化情況 , 使葉片的攻角保持受控變化 , 使其始終處在佳的攻角位置 , 從而達到大的風能利用率。

  這項技術在世界上使大型升力型垂直軸風力發電機在風速 2 m/ s 時就可以帶負載自啟動 , 同時在額定風速下獲得比水平軸風機更高的風能利用率 , 在高風速環境下運行無噪聲 , 而在風速超過額定風速后繼續保持穩定的輸出功率 , 這將使大型垂直軸風機具有比大型水平軸風力發電機更高的商業開發價值。

  由于 H 型垂直軸風機、無噪聲等特點 ,未來無論是在風電場應用還是中小型獨立用戶 ,H 型垂直軸風機必將被大量應用。

 



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