垂直轴风力发电机研究报告 1.垂直轴与水平轴对比 垂直轴风力发电机与水平轴风力发电机相比，有其特有的优点： ①水平轴风力发电机组的机舱放置在高高的塔顶，而且是一个可旋转360度的活动联接机构，这就造成机组重心高，不稳定，而且安装维护不便。垂直轴风力发电机组的发电机，齿轮箱放置在底部，重心低，稳定，维护方便，并且降低了成本。 ②风力发电机的客户越来越需要使用寿命长、可靠性高、维修方便的产品。垂直轴风轮的翼片在旋转过程中由于惯性力与重力的方向恒定，因此疲劳寿命要长于水平轴风轮；垂直轴风力发电机的构造紧凑，活动部件少于水平轴风力机，可靠性较高；垂直轴系统的发电机可以放在风轮下部甚至地面上，因而便于维护。 ③风力发电机由于高度限制和周围地貌引发的乱流，常常处于风向和风强变化剧烈的情况，垂直轴风力发电机有克服“对风损失”和“疲劳损耗”上有水平轴风力发电机不可比的优点，且理论风能利用率可达40％以上．因此在考虑了较小的启动风速和对风力机影响较大的“对风损失”之后，从而提高垂直轴风轮的风能实际利用率。 ④水平轴风力发电机组机仓需360度旋转，达到迎风目的。这个调节系统包含有旋转机构，风向检测，角位移发送，角位移跟踪等系统。垂直轴风力机不要迎风调节系统，可以接受360度方位中任何方向来风，主轴永远向设计方向转动。 ⑤水平轴风力发电机的翼片受到正面风载荷力，离心力，翼片结构相似悬臂梁。翼片根部受到很大弯矩产生的应力。而且翼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，这样翼片所受的就是一个交变载荷，这就要求翼片有很高的的疲劳强度，因此大量事故都是翼片根部折断。而垂直轴风机的翼片主要承受拉应力，不易折断，寿命长。 ⑥水平轴风力发电机组翼片的尖速比高，一般在5～7左右，在这样的高速下翼片切割气流将产生很大的气动噪音，导致噪声污染。垂直轴风力机翼片的尖速比较水平轴的要小的多，这样的低转速基本上不产生气动噪音，无噪音带来的 好处是显而易见的，以前因为噪音问题不能应用风力发电机的场合(城市公共设施、民宅等)，现在可以应用垂直轴风力发电机，因此，垂直轴风力发电机比水平轴有更广阔的应用领域。

2.垂直轴风机风轮设计 2.1 风能 空气的流动现象称为风，风是由于不同地方的空气受热不均匀，从一个地方向另一个地方运动的空气分子产生的，风的能量就是空气分子的动能，如图所示。

图1 空气流的动能 风功率计算公式为 tWP/ Vm SLV 22

1mvW

联立以上各式得

32221221SvtSLvtmv

P

2.2 风能利用率Cp 风能利用系数Cp是表示风力机效率的重要参数，由于风通过风轮的风能不能完全转化为风轮机械能，其风能利用率Cp为

mw=pPCP

风力机输出的机械功率

输入风轮的功率 其中Pm为风力机输出的机械功率；Pw为风力机输入的风能。 目前大多数垂直轴风机风能利用率能达到0.4左右。如按0.4的风能利用率来计算，风机功率为1000W，则风能为W25004.0/1000。 根据上面公式可以求得400025.1/5000/225003Sv，若满载额定风速为20m/s的话，S=0.5m2，显然设定的额定风速越低，S将越大。 LrS2，S为扫风的截面积，r是翼片距轴的距离也是风轮的半径，L为翼片的高。 如要达到1000W的风机功率，则扫风截面积不能小于0.5m2，则若r取0.25m的话，L为1m。可以采用目前天津工厂顶部风机形状。 风力机转矩：

mNvRCpTp82.062025.04.025.114.35.05.02323



2.3 叶尖速比λ 叶尖速比λ表示风轮在不同风速中的状态，用叶片的圆周速度和风速之比来衡量。

vRvπRn

2

式中：n－风轮的转速，/rs； ω－风轮角速度，/rads； R―风轮半径，m。 尖速比决定了风轮的功率，对于定桨距风轮，随风速的增加其转速也增加。在这种情况下，输出功率（同风速的立方成正比）也增加。但是输出功率增加并不意味着风能利用率也增加，一般而言，减速比和风能利用率曲线近似一条倒抛物线。 根据叶尖转速比λ与Cp的关系及Cp与输出功率之间关系，我们可以知道在风速固定时，不同的转速即对应不同的叶尖转速比，也即对应不同的Cp值，也即对应不同的输出功率，这样如果设定不同的风速，就可以得到风力机在不同风速下输出功率与转速的关系，如下图所示： 图2 风轮转速与输出功率及风速曲线图 从上图可以看出在某一种风速下，风力机的输出机械功率随转速的不同而变化，其中有一个最佳的转速。在该转速下，风力机输出最大的机械功率。它与风速的关系是最佳叶尖速比关系。在不同风速下均有一个最佳的转速使风力机输出最大机械功率。从而得到一条最大输出机械功率曲线，处于这条曲线上的任何点，其转速与风速的关系均为最佳叶尖速比关系。合理的选取最优尖速比可使风轮功率达到峰值。 一般垂直轴风机叶尖速比选择在4~8之间，建议选择6，越低噪音低，但是功率也比较难做大。

3 H型垂直轴风机翼片 一般超过500W的垂直轴风机，都采用H型翼片或Ф型翼片。

图3 H型垂直轴风机 图4 Ф型垂直轴 3.1 翼片选型 翼片是利用气流通过时产生的压力差使叶轮转动的部件，具有空气动力学特性，其设计质量对整个风力发电系统及其他零部件有这直接影响，因此翼片是风力机的重要部件。翼片的设计目标主要有： 1. 良好的空气动力外形； 2. 可靠地结构强度； 3. 合理的翼片刚度； 4. 良好的结构动力学特性和启动稳定性； 5. 耐腐蚀、方便维修； 6. 满足以上目标前提下，尽可能减轻翼片重量，降低成本。 风力机的翼型多种多样，各有各的优缺点，应用较多的有NACA翼型系列、SERI翼型系列、NREL翼型系列、RISΦ翼型系列和FFA-W翼型系列等，其中NACA翼型是美国国家宇航局（NASA）的前身国家航空咨询委员会（NACA）提出设计的翼型系列，具有低阻力系数的特点，适合低速运行。 3.2 翼片实度 风力机翼片的总面积与风通过风轮的面积（风轮扫掠面积）之比称为实度比（容积比），是风力机的一个参考数据。垂直轴风力机的翼片实度计算公式为： RNCRLNCL2/2/ 升力型垂直轴风力机叶轮，C为翼片弦长，N为翼片个数，R为风轮半径，L为翼片长度，σ为实度比。合理选取实度比的原则是在保证风轮气动特性的条件下，力求使制造翼片的费用最低。为了最大限度提高动效率，翼型特性应具有下列要求： 1. 升力系数斜度大； 2. 阻力系数小； 3. 阻力系数与零升角对称。 根据一些资料描述，NACA0012的阻力系数较小，选用较低阻力系数NACA0012对称翼型。 由于NACA0012是对称翼型，在下图左侧数据表中仅列出了单边的数据，表中c是弦长（弦长为1.00）；x是弦长坐标（单位是x/c）；y是对应x位置的 翼面与弦的距离（单位是y/c）。 图5 NACA0012翼型参数 实度比选择在0.5～0.6范围内较好。为此可以得出风轮翼片的弦长： mNRC4.036.0*1*22

可以采用的翼片弦长0.4m，数据只需将表中各数字适当缩放即可[5]。 3.3 翼片形状及材料 翼片截面结构为主梁蒙皮式，表面材料为铝合金，主梁采用单向承载能力强的硬铝材料，O型主梁结构制造简单，各向受力均衡。翼片空心处用聚氨酯泡沫材料填充,剖面形式如图所示。

图6 翼片剖面 主梁可直接焊接与铝合金蒙皮上，待主梁与蒙皮连接完成后，在空腹结构内填入聚氨酯直接发泡填充成型。由此，风力机的基本参数可以确定，如表所示。 表 风力机参数 额定风速 平均效率 叶尖速比 设计功率 10m/s 40% 6 1000W 4 电气设备及传动设计 4.1 硅整流交流发电机 硅整流交流发电机的结构硅整流交流发电机由一台三相同步交流发电机和硅二极管整流器组成。发电机工作时产生的三相交流电通过整流器进行三相桥式全波整流后转变为直流电。硅整流交流发电机是由转子、定子、整流器、端盖、风扇叶轮等组成。

图7 硅整流交流发电机 转子用来在发电机工作时建立磁场。它由压装在转子轴上的两块爪形磁极、两块磁极之间的励磁绕组和压装在转子轴上的两个滑环组成。两个滑环彼此绝缘并与轴绝缘。励磁绕组的两端分别焊接在两个滑环上。 定子用来在发电机工作时，与转子的磁场相互作用产生交流电压。它由内圆带槽的硅钢片叠成的铁心和对称地安装在铁心上的三相定子绕组组成。三相定子绕组按星形或按三角形接法连接。按星形接法连接时，三相绕组的首端分别与整流器的硅二极管相连，三相绕组的尾端连在一起作为发电机的中性点。按三角形接法连接时，将三相绕组中一相绕组的首端与另一相绕组的尾端相连，并将联接点接整流器的硅二极管。 整流器是由6个硅二极管组成 的三相桥式全波整流电路，在发动机工作时将三相定子绕组中产生的交流电转变为直流电。在负极搭铁的发电机中，3个二极管的壳体为负极，压装在与发电机机体绝缘的元件板上，并与发电机的输出端(正极)相连，其引线为二极管的正极，称为正极二极管；另外3个二极管的壳体