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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
P?W/t
m??V V?SL
W?12mv 2联立以上各式得
12mv?SLv212 P????Sv3 t2t2
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
Cp?风力机输出的机械功率Pm=输入风轮的功率Pw
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1000/0.4?2500W。
根据上面公式可以求得Sv3?2500?2/??5000/1.25?4000，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。
S?2?r?L，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：
202T??0.5??CpR?0.5?3.14?1.25?0.4?0.25??0.82N?m
??6p33v22.3 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。
?R ??2πvRn?
v式中：n－风轮的转速，r/s； ω－风轮角速度，rad/s； 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