水平軸與垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的不同方面

設(shè)計(jì)方法

　　水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片設(shè)計(jì),普遍采用的是動(dòng)量—葉素理論,主要的方法有Glauert法、Wilson法等。但是,由于葉素理論忽略了各葉素之間的流動(dòng)干擾,同時(shí)在應(yīng)用葉素理論設(shè)計(jì)葉片時(shí)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,這種簡化對葉片外形設(shè)計(jì)的影響較小,但對風(fēng)輪的風(fēng)能利用率影響較大。同時(shí),風(fēng)輪各葉片之間的干擾也十分強(qiáng)烈,整個(gè)流動(dòng)非常復(fù)雜,如果僅僅依靠葉素理論是完全沒有辦法得出準(zhǔn)確結(jié)果的。

　　垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片設(shè)計(jì),以前也是按照水平軸的設(shè)計(jì)方法,依靠葉素理論來設(shè)計(jì)。由于垂直軸風(fēng)輪的流動(dòng)比水平軸更加復(fù)雜,是典型的大分離非定常流動(dòng),不適合用葉素理論進(jìn)行分析、設(shè)計(jì),這也是垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)長期得不到發(fā)展的一個(gè)重要原因。

風(fēng)能利用率

　　大型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用率,絕大部分是由葉片設(shè)計(jì)方計(jì)算所得,一般在40%以上。如前所述,由于設(shè)計(jì)方法本身的缺陷,這樣計(jì)算所得的風(fēng)能利用率的準(zhǔn)確性很值得懷疑。當(dāng)然,風(fēng)電廠的風(fēng)力發(fā)電機(jī)都會(huì)根據(jù)測得的風(fēng)速和輸出功率繪制風(fēng)功率曲線,但是,此時(shí)的風(fēng)速是風(fēng)輪后部測風(fēng)儀測得的風(fēng)速參見,要小于來流風(fēng)速,風(fēng)功率曲線偏高,必須進(jìn)行修正。應(yīng)用修正方法修正后,水平軸的風(fēng)能利用率要降低30%～50%。對于小型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用率,中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心曾做過相關(guān)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn),實(shí)測的利用率在23%～29%。
 

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　　水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片在旋轉(zhuǎn)一周的過程中,受慣性力和重力的綜合作用,慣性力的方向是隨時(shí)變化的,而重力的方向始終不變,這樣葉片所受的就是一個(gè)交變載荷,這對于葉片的疲勞強(qiáng)度是非常不利的。另外,水平軸的發(fā)電機(jī)都置于幾十米的高空,這給發(fā)電機(jī)的安裝、維護(hù)和檢修帶來了很多的不便。

　　垂直軸風(fēng)輪的葉片在旋轉(zhuǎn)的過程中的受力情況要比水平軸的好的多,由于慣性力與重力的方向始終不變,所受的是恒定載荷,因此疲勞壽命要比水平軸風(fēng)輪長。同時(shí),垂直軸的發(fā)電機(jī)可以放在風(fēng)輪的下部或是地面,便于安裝和維護(hù)。

起動(dòng)風(fēng)速

　　水平軸風(fēng)輪的起動(dòng)性能好已經(jīng)是個(gè)共識(shí),但是根據(jù)中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心對小型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)所做的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)來看,起動(dòng)風(fēng)速一般在4～5m/s之間,最大的居然達(dá)到5.9m/s,這樣的起動(dòng)性能顯然是不能令人滿意的。垂 直軸風(fēng)輪的起動(dòng)性能差也是業(yè)內(nèi)的共識(shí),特別是對于Darrieus式Ф型風(fēng)輪,完全沒有自啟動(dòng)能力,這也是限制垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用的一個(gè)原因。但是,對于Darrieus式H型風(fēng)輪,卻有相反的結(jié)論。

　　根據(jù)筆者的研究發(fā)現(xiàn),只要翼型和安裝角選擇合適,完全能得到相當(dāng)不錯(cuò)的起動(dòng)性能,通過雙渦輪式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)、垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)、鼠籠式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)來看,這種Darrieus式H型風(fēng)輪的起動(dòng)風(fēng)速只需要2m/s,優(yōu)于上述的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
 

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