垂直轴达里厄风力发电装置

垂直轴达里厄风力发电装置与水平轴螺旋浆风力发电装置的比较

㈠力学比较。 ⑴背景: 从1890年丹麥制造出第一台风力发电站到現在有一百多年历史。风力发电的发展几起几落，其中心问题:经济上是否有竞争力。胜者生存。国际上一些科学工作者对水平轴螺旋漿式风力发电站的技术性与经济性早就提出质疑与挑战。法国人达里厄Darrieus提出一种橄榄形垂直轴风轮机(风力透平)样机,70年代中期得到美国宇航局(NASA)重视在其聖迪亜哥实验中心研究。两年后,作者在媒体上见到图片.产生極大的兴趣。后得到电力部的支持,与多方合作.开始了研究达里厄(Darrieus)风力发电的艰苦历程.这种风轮机有些文章译为”戴瑞斯风机”或Φ型风机”.

⑵从力学观点比较垂直轴风轮机与水平轴螺旋漿風轮机的优劣。

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叶片受力分析:水平轴如图2,漿叶上受到正面风载荷力,離心力,叶片結构相似悬臂樑。叶片根部受到很大弯矩产生的应力。大量事故都是叶片根部折断。垂直轴風轮机如图1,叶片两头与轴固定,尤如一张弓,它的形状不是由叶片的刚度来保证的.叶片是柔性的.转轴旋转后自然形成一条”无弯矩应力曲线”.叶片只受拉应力.用料少,寿命长,不易折断.

②系统稳定性分析:水平轴风机机仓放置在高高的塔顶,而且是一个可旋转360度的活动联接机构.自身重达十几吨至几十吨;叶片上随机风载荷达几十吨.重心高,不稳定,易翻倒.高位放置,安装,维护不便.垂直轴风力发电机组,发电机,齿轮箱在底部,重心低,稳定.维护方便。由于不需要塔架，降低了成本。

③水平轴机组机仓需360度旋转,达到＂迎风″目的.这个调节系统包含有风向检测;角位移发送;角位移跟踪闭环电力拖动系统.垂直轴风轮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。

④水平轴风轮机当风速变化时,为了调节转速,要有浆距调节系统.即在风载荷下转动浆叶一个角度.此扭矩非常大,只有用液压系统才行.这个闭环调节系统精度高，液压系统液体在冬季要有防冻措施，以防失灵。该系统价格贵，维护难。垂直轴风轮机不要此系统.固定叶片.

总結上述:垂直轴风力发电系统(Darrieus)力学性能好,结构简单,成本低,具有竞争优势。

⑶除以上特点外,达里厄风机还有众多内在优秀特性.在介绍了它的空气动力特性后再介绍.

㈡空气动力学特性: ⑴基本理:

左图为图3.用一个水平面切风机最大旋转半径处得到.叶片截面是流线型,以水平线上下对称. 采用美国宇航局(NASA)公布的NACA0012翼型.具有优越的空气动力学性能.(美国波音公司的737等多种客机也采用同一系列翼型).图4为沿高度方向取dh得到一微小段A叶片与一微小段B叶片

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图中VA1为风速矢量,VA2=ωR由于叶片转动相对风速,VA3矢量相加后的合成速度,αA合成风速与微段A叶片对称线的夹角,又称冲角.在风速VA3的作用下微段A叶片产生升力FAY，与VA3垂直.阻力FAX.与VA3平行方向相反.

FAY*Sinαa-FAX*Cosαa=FAD.就是微段A叶片上的拖动力,微段A叶片生拖动转矩dMA=FAD*R逆时针方向。同理推导微段B叶片上的拖动转矩dMB=FBD*R它也是逆时针方向。两叶片转矩相加:

dM=dMA+dMB=R*(FAD+FBD)

整个风轮机的拖动转矩:M=2∫00.5HR(FAD+FBD)dH 说明①橄榄高为H,直径R是H的函数②昇力与阻力与风速,转速,翼型参数,冲角,翼形面积有关.这种多变量积分是十分复杂的.

⑵应用相似准则,用模型研究空气动力学特性:这种方法在大型水轮机设计时也使用.开始时对达里厄风机亳无了解,为了探索,首先做一个直径为60cm , D/H=1, 两叶片, 翼型为NACA0012的小模型在风洞中做出转矩转速曲线,然后消去尺寸因素和风速参量.得到一张”无量纲”曲线,即该种机型的”空气动力学特性”.表示在图5上的是6种风轮机的空气动力学特性.Y轴CP表示”风能利用系数”,X轴以Z表示,称″高速性＂。Z=ω*R/V.风机最大切线速度比风速.。第6 条为达里厄风机空气动力学特性..这条曲线与前五条,即五种不同的风机机型(其中2,3,4,5四种为水平轴螺旋浆式)不同之处在于曲线起点不过坐标原点.而在Z=2处,终点,也称失速点Z=8.5.这一形态上的改变,对动力学特性会有什么影响,一时无法简便说明.作者用PDP-11小型计算机进行大量分析计算后，得到Darrieus风力发电并网运行系统惊人的优秀内在特性.

㈢达里厄风轮机并网发电系统最大的优越性能

⑴不要闭环液压调距系统,叶片固定不调,不要任何自动控制调速系统或特殊设计的变速恒频发电机.(美国俄克拉何马州立大学提出磁场调制变速恒频发电机.作者进行过理论剖析与实际样机研究,结论是不呼合风力发电使用.后进行电磁滑差离合器变速恒频的研究,该离合器功率与发电机相同,使用测速发电机与电子电路的闭环调速系统己经能实现风机转速变化一倍,输出转速变化千分之三,---参看清华大学学报1980年20卷第3期).达里厄系统,在整个可发电风速范围内向电网输出同频率,同电压的电功率.

⑵不要＂有功调节系统″.他不像水平轴螺旋浆式风机那样,如果不调浆叶节距,输出功率与风速的关系是近似风速三次方的单调上升函数.达里厄风机并网系统, 依靠风机与电机自身特性的配合形成一条驼峰形，具有最大值的函数曲线.前半支随风速增加而输出功率增加,到达最大值后随风速增加输出电功率减小.不必担心风速大时会烧坏发电机.

⑶不需要发电机的过载,过流保护系统,及复杂昂贵的监控系统.他由空气动力学正确的系统设计:确保电机不会过载.

以上结论,不谨谨是理论计算,纸上谈兵.经过在中国空气动力学研究中心大型风洞实验,和野外自然风场并网发电实践得到验证.

⑷系统风电转换效率高于其他机型与系统.

风电转换效率等于①风机效率—也即是风能利用系数CP,采用最先进的翼型最大值为0.35— 0.42,一般不可能永远运行在最大点上,是随系统工况而变.平均取η1=0.28②升速齿轮箱效率η2=0.85（减速箱效率较高升速箱低）③发电机平均效率η3=0.75（满载时有0.94，而轻载时为0。3—0。5）④大功率整流器效率η4=0.9⑤蓄电池充电效率η5=0.85⑥蓄电池放电效率 η6=0.8⑦直流变三相交流,逆变器效率η8=0.95.

水平轴交—直--交并网发电,风电转换综合效率为以上七个效率相乘,等于10.38％.

达里厄交流并网系统,因为低位布置可以配以低速发电机,而不要齿轮箱,他发出电能直接由发电机入网.不需要昂贵的交—直—交系统.他的风电转换效率是21％.

㈣结论

⑴ 一台达里厄并网发电机组在同样风速下向电网供给的电能,是同样功率水平轴螺旋浆风机用交-直-交并网发电的两倍.简言之:一台顶两台.

⑵综合上述分析,同容量达里厄型造价是水平轴交--直--交的二分之一到三分之一.

⑶对投资者来说如选达里厄型,比选水平螺旋浆,交—直—交型可多得到4—6倍电能.应该说.达里厄具有生命力.