一种组合型垂直轴风力发电机的结构设计

第２７卷第５期２０１１年５月

电力科学与工程

ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｔｎｇ

Ｖｏｌ・２７，Ｎ¨

Ｍａｙ．，２０１１

２５

一种组合型垂直轴风力发电机的结构设计

寇

薇，苑宾，李琦，范林涛

（华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定０７１００３）

摘要：通过介绍垂直轴风力发电机较之水平轴风力发电机所具有的优势，以及对比三种典型的垂直轴风力发电机翼型的优缺点，提出一种将Ｓ型和Ｈ型叶片通过超越离合器连接的组合型垂直轴风机构想。绘制出这种风力发电机的三雏立体仿真图，阐述了其整体结构以及启动运转过程，从理论上分析了该风机比单一翼型风机所具备的优良性能。

关键词：风力发电机；垂直轴；水平轴；新型风机模型中图分类号：ＴＫ８３

文献标识码：Ｂ

０引言

ｆ水平轴风机

Ｉｒ阻力型——ｓ型

风力发电作为一种洁净无污染的可再生能源，

是近期内技术成熟、具有大规模发展潜力的可再

生洁净能源…，在远期有可能成为世界重要的替代能源。水平轴风机是目前技术最成熟、占据主

【垂直轴风机ｉ升力型｛：蒌

圈１风力发电机基本类型

Ｆｉｇ．１

Ｗｉｎｄ

ｇｅｎｅｒａｔｏｒｂａｓｉｃｔｙｐｅｓ

流市场的产品。但水平轴风机由于结构原因，具

有一些不可避免的缺陷，而且技术专利大多为国外公司所有，对国内风力发电的发展极为不利。垂直轴风机因其设计方法先进，风能利用率高，启动风速低，基本不产生噪声等优点，被人们认识和重视，具有广泛的市场应用前景。

１．２风机基本参数计算

（１）风能利用系数Ｃ。［２】

Ｃｐ＝Ｐ机ｅｔ／Ｐ风＝Ｐ机ｔｔ／（ｐＳｉ／２）

（１）

式中：Ｐ为当地空气密度，ｋｇ／ｍ３；Ｓ为风轮扫风

面积，ｍ２；Ｖ为上游风速，ｍ／ｓ。

（２）尖速比Ａ

Ａ＝‰／‰＝鼬／‰＝２１ｒＲｎ／６０‰

Ｖ为上游风速，ｍ／ｓ；∞为风轮角速度，ｒａｄ／ｓ。

（３）风机转矩系数ｃ。

（２）

１风机基本类型和参数

１．１风机基本类型

风机从结构上主要分为两种：水平轴风机与垂直轴风机（见图１）。

水平轴风机是目前国内外研制最多、最常见、技术相对成熟的一种风力机，其风轮叶片数一般为２—３叶，叶片形状为翼形。

垂直轴风力机可分为两个主要类型：一类是利用空气动力的阻力做功，典型的结构是Ｓ型风轮；另一类是利用翼型的升力做功，最典型的是

式中：，ｌ为风轮转速，ｒ／ｍｉｎ；Ｒ为叶尖半径，ｍ：

ｃ。＝丽４Ｍ

２

２．１

ｏＵｌⅦ

（３）

式中：肼为转矩；Ｄ为风轮直径。

比较

水平轴风机与垂直轴风机的比较

（１）设计方法。由于风轮结构原因，水平轴

风力机普遍采用动量一叶素理论进行分析，忽略

了较多因素，对于复杂的流动过程，不够准确；垂直轴风力机可以用先进的计算流体力学（Ｃｏｍ—

ｐｕｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄ

达里厄（Ｄａｒｒｉｅｕｓ）型风力机。达里厄风力机有多

种形式，中型、Ｈ型、Ｙ型和菱形。基本上是直叶片和弯叶片两种，以Ｈ型、中型风轮为典型。

收稿日期：２０１０—１２—３０。

Ｄｙｎａｍｉｃｓ，ＣＦＤ）方法精确分析出

复杂的流动过程ｐｏ。

作者简介：寇薇（１９８９一）。女。本科生，从事电力系统及其自动化方面的研究，Ｅ－ｍａｉｌ：ｋｏｕｗｅｉｃｈｒｉｓ＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｏ。

２６

电力科学与工程

２０１１年

（２）风叶特点。水平轴风力机的风叶类似于荷兰风车，形状复杂，加工难度高。叶片受风旋转时只能利用升力产生机械能，不能利用阻力产生机械能。叶片只能利用单方向来风，必须安装昂贵的偏航装置实现风叶对风，只有一次截风机

会，同时塔影效应与风剪作用也较大。

垂直轴风力机的叶片形式多样，但总体来说，

都是基本的几何构型，易于加工。叶片受风旋转时利用升力与阻力的矢量和在叶片运动方向上的投影产生机械能。叶片可全方位接受来风，无需偏航装置。可多次截风，充分利用风能，同时塔影效应与风剪作用也较小

（３）运行情况。水平轴风力机尖速比较高，约为５～７，气动噪声大，叶片受交变载荷，易疲劳变形。

垂直轴风力机尖速比比较低，约为１．５—２，基本不产生气动噪声，叶片受恒定载荷，耐用不易损坏。

（４）其他方面。水平轴风力机的发电机架设在高空，安装维修的成本很高，同时风叶要定时清洁，保证高风速下的正常运转。

垂直轴风力机的发电机位于低处甚至地面，极大的方便了安装和维修，风叶对恶劣环境的适应力强。

（５）小结。以上比较不难看出，垂直轴风力机在诸多方面都表现得更为出色，势必成为未来风力发电机型的主导方向。

在众多垂直轴风机类型中，最为典型的是Ｓ型，Ｈ型，①型这三种类型。Ｓ型风轮由两个错开的半圆柱组成；Ｈ型风轮是简单的多叶片等界面

结构；①型风轮看起来像是个巨大的打蛋器…，叶

片结构复杂（见图２）。正是由于叶片形状上的差异，

使它们的优缺点鲜明，主要的不同点见表ｌ悼ｊ１。

（从左到右分别为ｓ型。Ｈ型．中型）

围２三种垂直轴风机风轮示意图

隐．２

Ｔｈｒｅｅｔｙｐｅｓｏｆｔｈｒｅｅｖｅｒｔｉｃａｌ

ａ】凼ｗｉｎｄ

ｔｕｒｂｉｎｅ

表１

Ｓ型。Ｈ型，ｍ型的比较

Ｔａｂ．１

ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆＳ—ｔｙｐｅ。Ｈ—ｔｙｐｅ

ａｎｄ＠一ｔｙｐｅ

可以看出，将三种风机类型取长补短，设计出更适应市场需求的综合机型，使其能够低风速白启动同时具有高风能利用率，已成为一种新的鉴于两大类垂直轴风机各自的优缺点，升力同时利用自行车的超越离合器，设计出一种新型

（１）Ｓａｖｏｎｉｕｓ风叶。装置在风机顶部，利用Ｓ定义风力机的单位宽度输出功率Ｐｃ，等于风

ＬＭｅｎｅｔ以Ｌ一盯准则为基础，计算两叶片水平

ＰＬ＿Ｈ一０．３１ｐＲｙ’（４）ＰＬ‘ｓ一１．３７ｐＲｖ３

（５）

可以看出，在同样条件下，设计合理的

（２）Ｄａｒｒｉｅｕｓ式Ｈ型风叶。装置在风机中部，

２．２垂直轴风机中Ｓ型。Ｈ型。币型的比较

３．１设计思路

型风机效率高但低风速启动困难，而阻力型低风

研究方向。

３新型风力发电机的设计

速易启动但风机效率低，试图接合二者的优点，

风机模型。如同骑自行车，无风踩脚踏板前进，

有风不踩脚踏板前进。３．２主体结构

型风叶在低风速下仍具有较大启动转矩的优势，带动主轴先转动。由两组互差９０。角的Ｓ型风叶共垂直轴叠放而成，每组叶片由两个半圆柱面型桨

叶构成。两组四桨叶的设计保证不同风向的充分

采集，在低风速非集中风向的情况下，Ｓ型风叶能够自启动从而带动下部Ｈ型风叶的旋转。

力机的输出功率Ｐ与风力机的水平宽度￡的比值。

Ｊ轴和Ｓａｖｏｎｉｕｓ型风力机得到的单位宽度输出功率ＰＬ－Ｈ和ＰＬ，Ｓ分别为Ｈｏ：

Ｓａｖｏｎｉｕｓ风力机的单位宽度输出功率远远大于水平轴风力机，具有明显的优越性。

第５期寇薇，等一种组合型垂直轴风力发电机的结构设计

由互差１２００的３个叶片组成，选择３叶片组可明显降低扭矩波动的影响且平衡性较好，每个叶片可由小短杆调节垂直翻转角度，以达到最佳旋转状态。

Ｈ型风叶制造起来比水平轴风叶和Ｄａｒｒｉｅｕｓ式中型风叶简单得多，后两种叶片是变截面的，而且有可能扭曲，制造运输都比较困难。Ｈ型叶片截面不变，也不扭曲，形状简单，可批量生产，降低成本。同时三叶片设计可接受来自各个方向的风，不需要昂贵的偏航系统。其自身低风速不启动的缺憾已被上部的Ｓ型风叶弥补。

（３）超越离合系统。装置在ｓ型叶片和Ｈ型叶片之间，在低风速的时候，Ｓ型叶片先开始转动，通过超越离合器带动Ｈ型风叶转动，随着风速逐渐增大，Ｈ型叶片转速迅速增大，远大于Ｓ型叶片转速，超越离合系统保证了“一轴两速”的和谐运转。

类似于骑自行车，上坡时脚踏板带动后轮转动，下坡时脚踏板几乎不转，而车轮飞速旋转。具体结构如图３所示。

（３）风叶角度固定装置。由上下两个连结环

构成，用于固定Ｈ型风叶三叶片的相对位置，使

其保持在互差１２０。。

（４）塔筒以及其内部的发电机。采用立式永磁三相交流发电机，额定功率１００Ｗ，额定转速

６０

ｒ／ｍｉｎ。发电机安放在塔筒内上部，通过联轴器

与主轴连接。

图４风机整体结构图

Ｆｉｇ．４

Ｆａｎｉｎｔｅｇｒａｌｓｔｒｕｃｌ［ｕｒｅ

３．４性能优势

（１）较好地解决了Ｈ型风机低风速不启动的问题。实现了Ｓ型机和Ｈ型风机的优势互补。

（２）风叶结构简单，无变截面、扭曲等复杂叶形，易批量生产，降低生产成本，突破国外专利垄断水平轴风叶制造的局面。

（３）发电机位置距地表较低，易于维修和并网。（４）全方位接收来风，无需偏航系统和调向装置，降低了架机难度和运行成本。

４后期实验设计

在该新型风力发电机模型的后期实验分析中，会使用大量的传感器，以便更好地采集数据。其中在风机上使用风速传感器；在转轴和叶片上安装加速度传感器和应力传感器；在刹车片上安装温度传感器；在金属架底座上安装位移传感器；在控制机柜里安装湿度传感器；在用于固定的钢缆上安装拉力传感器；在轴上安装扭矩传感器。

后期测试过程中，将采集到的数据通过以太网传输到工控机上”Ｊ，借助ＭＡＴＬＡＢ软件绘制出

图３风机主体结构图

Ｆｉｇ．３

Ｆａｎ

ｓｕｂｊｅｃｔ

ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

３．３辅助系统

该新型风机的辅助结构分为内外风轮支撑装置、风叶角度固定装置、塔筒以及其内部的发电机、底座等５个主要部分（见图４）。

（１）外风轮支撑装置。从设在Ｓ型风叶下部的三爪支架引３根张紧的另一端固定于地面的斜拉钢丝绳支撑风轮，保证风轮主轴的垂直。

（２）内风轮支撑装置。内层３根短缆用于保证Ｈ型风叶水平竖直，避免由于重力引起的风叶下垂。

风机的尖速比一功率曲线（Ａ—ＣＰ），与单一叶片

的理论曲线进行对比，从而验证该叶片结构的

优势。

电力科学与工程

２０１１年

５结语

本文提出了一种新型垂直轴风机构想，将两种典型的垂直轴风机翼型（Ｓ型，Ｈ型）和二为一，取长补短，并以超越离合器连接，达到低风

ＪｉａｎｇＣｈａｏｑｉ，ＹａｈＱｉａＩｌｇ．ＴｈｅｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｓｔｕｄｙｏｆＨｏｒ－

ｉｚｏｎｔａｌａｘｉｓａｎｄｖｅｒｔｉｃａｌａｘｉｓＳｈａｎｇｈａｉＥｌｅｃｔｒｉｃ

ｗｉｎｄ－ｄｒｉｖｅｎｇｅｎｅｒａｔｏｒ［Ｊ］．

Ｐｏｗｅｒ，２００７，（２）：１６３—１６５．

［４］范正萍，王心尘，杜华夏，等．小型家用垂直轴风力

发电系统的设计［Ｊ］．能源技术，２００７，２８（５）：

２７９—２８３．

速易启动、整机风能利用率高的目的。详细设计

出风叶主体结构和整机的辅助系统，并提出后期实验方案。分析总结了该风机所具备的优良性能，但由于实物模型尚未进行风洞试验，本课题未能以实验数据验证该风机模型的理论优势。在进一步的实验中优化该设计并取得更加广阔的市场应用。

参考文献：

［１］田海姣，王铁龙，王颖．垂直轴风力发电机发展概述

［Ｊ］．应用能源技术，２００６，（１１）：２２—２７．

Ｔｉａｎ

Ｆａｎ

Ｚｈｅｎｇｐｉｎｇ，ＷａｎｇＸｉｎｃｈｅｎ，ＤｕＨｕａｘｉａ，ｅｔａ１．Ａｎ

ｆｏｒｈｏｍｅ

ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅｄｅｓｉｇｎｏｆｖｅｒｔｉｃａｌ－ａｘｉｓｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓ

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［５］王荣爱，郝建红，邵志伟．垂直轴风力发电机组应力

与效率分析［Ｊ］．聊城大学学报（自然科学版），２００７，２０（１）：３８—３９，５５．

ＷａｎｇＲｏｎｇ＇ａｉ，Ｈａｏｊｉａｎｈｏｎｇ，ＳｈａｏＺｈｉｗｅｉ．Ｗｏｒｋｉｎｇ

￥ｔｒｅ８８

ａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ

ｏｆｖｅｒｔｉｃａｌ－ａｘｉｓｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓｇｅｎｅｒａ－

ｏｆＬｉａｏｃｈｅｎｇ

ｒｉｎｇ

ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕ－

ｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ

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Ｈａｉｊｉａｏ，ＷａｎｇＴｉｅｌｏｎｇ，ＷａｎｇＹｉｎｇ．Ｓｕｍｍａｒｉｚｅｏｆ

［６］马晓爽，高日，陈慧．风力发电发展简史及各类型风

力机比较概述［Ｊ］．应用能源技术，２００７，

２４—２７．Ｍａ

ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌ－ａｘｉｓｗｉｎｄ

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［２］叶航冶．风力发电机组的控制技术［Ｍ］．北京：机

械工业出版社。２００２．

［３］蒋超奇，严强．水平轴与垂直轴风力发电机的比较

研究［Ｊ］．上海电力，２００７，（２）：１６３—１６５．

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ｐｏｗｅｒｂｙ

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ｈｉｓｔｏｒｙｏｆｇｅｎｅｒａｔｉｎｇＢｏｍｅｋｉｎｄｓｏｆｗｉｎｄ

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ｏｇｙ。２００７。（９）：２４—２７．

ＣｏｍｂｉｎｅｄＶｅｒｔｉｃａｌＡｘｉｓ

Ｋｏｕ

Ｗｉｎｄ

ＴｕｒｂｉｎｅＤｅｓｉｇｎ

Ｗｅｉ，Ｙｕａｎ

Ｂｉｎ，Ｌｉ

Ｑｉ，Ｆ扑ｔｉｎ协ｏ

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ａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，

Ｂａｅｄｉｎｇ，０７１００３，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ

ｔｕｒｂｉｎｅ，ａｎｄｎｅｗ

ｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅ

ｔｈｅ

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一种组合型垂直轴风力发电机的结构设计

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

寇薇， 苑宾， 李琦， 范林涛， Kou Wei， Yuan Bin， Li Qi， Fan Lintao华北电力大学,电气与电子工程学院,河北,保定,071003电力科学与工程

ELECTRIC POWER SCIENCE AND ENGINEERING2011,27(5)8次

参考文献(6条)

1. 田海姣;王铁龙;王颖 垂直轴风力发电机发展概述[期刊论文]-应用能源技术 2006(11)2. 叶航冶 风力发电机组的控制技术 2002

3. 蒋超奇;严强 水平轴与垂直轴风力发电机的比较研究 2007(02)

4. 范正萍;王心尘;杜华夏 小型家用垂直轴风力发电系统的设计[期刊论文]-能源技术 2007(05)

5. 王荣爱;郝建红;邵志伟 垂直轴风力发电机组应力与效率分析[期刊论文]-聊城大学学报(自然科学版) 2007(01)6. 马晓爽;高日;陈慧 风力发电发展简史及各类型风力机比较概述[期刊论文]-应用能源技术 2007(09)

本文读者也读过(2条)

1. 戴湘晖. 徐海波. DAI Xiang-hui. XU Hai-bo 垂直轴风力发电机叶片气动性能研究[期刊论文]-机械设计与制造2011(2)

2. 李岩. 原豊. 林豊. LI Yan. Yutaka Hara. Tsutomu Hayashi 叶片重叠比对Savonius风力机性能的影响[期刊论文]-可再生能源2008,26(3)

引证文献(8条)

1. 郭晓妮 一种垂直轴风力发电机的结构设计[期刊论文]-科技资讯 2013(30)

2. 王绍龙. 李岩. 和庆斌. 谢伟 直径比对组合型垂直轴风力机气动特性影响仿真计算[期刊论文]-可再生能源2014(1)

3. 李海波 风力机叶片静力测试与分析[期刊论文]-电网与清洁能源 2013(4)4. 蒋维 大型风力机叶片模态测试与分析[期刊论文]-电网与清洁能源 2012(11)

5. 张慧芳. 马宏文. 韩冬. 马晋雄. 沈志恒 垂直轴风机风力发电的设计方案研究[期刊论文]-应用能源技术 2011(11)6. 李岩. 田文强. 冯放. 丁国奇. 和庆斌 组合型垂直轴风力机结合角度对起动性的影响[期刊论文]-农业机械学报2012(12)

7. 顾华朋. 刘恩福. 王振辉 垂直轴风力机叶片变桨距运转模式研究[期刊论文]-可再生能源 2014(1)8. 李春曦. 李新颖. 叶学民 垂直轴风力机结构及性能改进的研究进展[期刊论文]-风机技术 2013(1)

本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_dlqb201105006.aspx

第２７卷第５期２０１１年５月

电力科学与工程

ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｔｎｇ

Ｖｏｌ・２７，Ｎ¨

Ｍａｙ．，２０１１

２５

一种组合型垂直轴风力发电机的结构设计

寇

薇，苑宾，李琦，范林涛

（华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定０７１００３）

摘要：通过介绍垂直轴风力发电机较之水平轴风力发电机所具有的优势，以及对比三种典型的垂直轴风力发电机翼型的优缺点，提出一种将Ｓ型和Ｈ型叶片通过超越离合器连接的组合型垂直轴风机构想。绘制出这种风力发电机的三雏立体仿真图，阐述了其整体结构以及启动运转过程，从理论上分析了该风机比单一翼型风机所具备的优良性能。

关键词：风力发电机；垂直轴；水平轴；新型风机模型中图分类号：ＴＫ８３

文献标识码：Ｂ

０引言

ｆ水平轴风机

Ｉｒ阻力型——ｓ型

风力发电作为一种洁净无污染的可再生能源，

是近期内技术成熟、具有大规模发展潜力的可再

生洁净能源…，在远期有可能成为世界重要的替代能源。水平轴风机是目前技术最成熟、占据主

【垂直轴风机ｉ升力型｛：蒌

圈１风力发电机基本类型

Ｆｉｇ．１

Ｗｉｎｄ

ｇｅｎｅｒａｔｏｒｂａｓｉｃｔｙｐｅｓ

流市场的产品。但水平轴风机由于结构原因，具

有一些不可避免的缺陷，而且技术专利大多为国外公司所有，对国内风力发电的发展极为不利。垂直轴风机因其设计方法先进，风能利用率高，启动风速低，基本不产生噪声等优点，被人们认识和重视，具有广泛的市场应用前景。

１．２风机基本参数计算

（１）风能利用系数Ｃ。［２】

Ｃｐ＝Ｐ机ｅｔ／Ｐ风＝Ｐ机ｔｔ／（ｐＳｉ／２）

（１）

式中：Ｐ为当地空气密度，ｋｇ／ｍ３；Ｓ为风轮扫风

面积，ｍ２；Ｖ为上游风速，ｍ／ｓ。

（２）尖速比Ａ

Ａ＝‰／‰＝鼬／‰＝２１ｒＲｎ／６０‰

Ｖ为上游风速，ｍ／ｓ；∞为风轮角速度，ｒａｄ／ｓ。

（３）风机转矩系数ｃ。

（２）

１风机基本类型和参数

１．１风机基本类型

风机从结构上主要分为两种：水平轴风机与垂直轴风机（见图１）。

水平轴风机是目前国内外研制最多、最常见、技术相对成熟的一种风力机，其风轮叶片数一般为２—３叶，叶片形状为翼形。

垂直轴风力机可分为两个主要类型：一类是利用空气动力的阻力做功，典型的结构是Ｓ型风轮；另一类是利用翼型的升力做功，最典型的是

式中：，ｌ为风轮转速，ｒ／ｍｉｎ；Ｒ为叶尖半径，ｍ：

ｃ。＝丽４Ｍ

２

２．１

ｏＵｌⅦ

（３）

式中：肼为转矩；Ｄ为风轮直径。

比较

水平轴风机与垂直轴风机的比较

（１）设计方法。由于风轮结构原因，水平轴

风力机普遍采用动量一叶素理论进行分析，忽略

了较多因素，对于复杂的流动过程，不够准确；垂直轴风力机可以用先进的计算流体力学（Ｃｏｍ—

ｐｕｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄ

达里厄（Ｄａｒｒｉｅｕｓ）型风力机。达里厄风力机有多

种形式，中型、Ｈ型、Ｙ型和菱形。基本上是直叶片和弯叶片两种，以Ｈ型、中型风轮为典型。

收稿日期：２０１０—１２—３０。

Ｄｙｎａｍｉｃｓ，ＣＦＤ）方法精确分析出

复杂的流动过程ｐｏ。

作者简介：寇薇（１９８９一）。女。本科生，从事电力系统及其自动化方面的研究，Ｅ－ｍａｉｌ：ｋｏｕｗｅｉｃｈｒｉｓ＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｏ。

２６

电力科学与工程

２０１１年

（２）风叶特点。水平轴风力机的风叶类似于荷兰风车，形状复杂，加工难度高。叶片受风旋转时只能利用升力产生机械能，不能利用阻力产生机械能。叶片只能利用单方向来风，必须安装昂贵的偏航装置实现风叶对风，只有一次截风机

会，同时塔影效应与风剪作用也较大。

垂直轴风力机的叶片形式多样，但总体来说，

都是基本的几何构型，易于加工。叶片受风旋转时利用升力与阻力的矢量和在叶片运动方向上的投影产生机械能。叶片可全方位接受来风，无需偏航装置。可多次截风，充分利用风能，同时塔影效应与风剪作用也较小

（３）运行情况。水平轴风力机尖速比较高，约为５～７，气动噪声大，叶片受交变载荷，易疲劳变形。

垂直轴风力机尖速比比较低，约为１．５—２，基本不产生气动噪声，叶片受恒定载荷，耐用不易损坏。

（４）其他方面。水平轴风力机的发电机架设在高空，安装维修的成本很高，同时风叶要定时清洁，保证高风速下的正常运转。

垂直轴风力机的发电机位于低处甚至地面，极大的方便了安装和维修，风叶对恶劣环境的适应力强。

（５）小结。以上比较不难看出，垂直轴风力机在诸多方面都表现得更为出色，势必成为未来风力发电机型的主导方向。

在众多垂直轴风机类型中，最为典型的是Ｓ型，Ｈ型，①型这三种类型。Ｓ型风轮由两个错开的半圆柱组成；Ｈ型风轮是简单的多叶片等界面

结构；①型风轮看起来像是个巨大的打蛋器…，叶

片结构复杂（见图２）。正是由于叶片形状上的差异，

使它们的优缺点鲜明，主要的不同点见表ｌ悼ｊ１。

（从左到右分别为ｓ型。Ｈ型．中型）

围２三种垂直轴风机风轮示意图

隐．２

Ｔｈｒｅｅｔｙｐｅｓｏｆｔｈｒｅｅｖｅｒｔｉｃａｌ

ａ】凼ｗｉｎｄ

ｔｕｒｂｉｎｅ

表１

Ｓ型。Ｈ型，ｍ型的比较

Ｔａｂ．１

ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆＳ—ｔｙｐｅ。Ｈ—ｔｙｐｅ

ａｎｄ＠一ｔｙｐｅ

可以看出，将三种风机类型取长补短，设计出更适应市场需求的综合机型，使其能够低风速白启动同时具有高风能利用率，已成为一种新的鉴于两大类垂直轴风机各自的优缺点，升力同时利用自行车的超越离合器，设计出一种新型

（１）Ｓａｖｏｎｉｕｓ风叶。装置在风机顶部，利用Ｓ定义风力机的单位宽度输出功率Ｐｃ，等于风

ＬＭｅｎｅｔ以Ｌ一盯准则为基础，计算两叶片水平

ＰＬ＿Ｈ一０．３１ｐＲｙ’（４）ＰＬ‘ｓ一１．３７ｐＲｖ３

（５）

可以看出，在同样条件下，设计合理的

（２）Ｄａｒｒｉｅｕｓ式Ｈ型风叶。装置在风机中部，

２．２垂直轴风机中Ｓ型。Ｈ型。币型的比较

３．１设计思路

型风机效率高但低风速启动困难，而阻力型低风

研究方向。

３新型风力发电机的设计

速易启动但风机效率低，试图接合二者的优点，

风机模型。如同骑自行车，无风踩脚踏板前进，

有风不踩脚踏板前进。３．２主体结构

型风叶在低风速下仍具有较大启动转矩的优势，带动主轴先转动。由两组互差９０。角的Ｓ型风叶共垂直轴叠放而成，每组叶片由两个半圆柱面型桨

叶构成。两组四桨叶的设计保证不同风向的充分

采集，在低风速非集中风向的情况下，Ｓ型风叶能够自启动从而带动下部Ｈ型风叶的旋转。

力机的输出功率Ｐ与风力机的水平宽度￡的比值。

Ｊ轴和Ｓａｖｏｎｉｕｓ型风力机得到的单位宽度输出功率ＰＬ－Ｈ和ＰＬ，Ｓ分别为Ｈｏ：

Ｓａｖｏｎｉｕｓ风力机的单位宽度输出功率远远大于水平轴风力机，具有明显的优越性。

第５期寇薇，等一种组合型垂直轴风力发电机的结构设计

由互差１２００的３个叶片组成，选择３叶片组可明显降低扭矩波动的影响且平衡性较好，每个叶片可由小短杆调节垂直翻转角度，以达到最佳旋转状态。

Ｈ型风叶制造起来比水平轴风叶和Ｄａｒｒｉｅｕｓ式中型风叶简单得多，后两种叶片是变截面的，而且有可能扭曲，制造运输都比较困难。Ｈ型叶片截面不变，也不扭曲，形状简单，可批量生产，降低成本。同时三叶片设计可接受来自各个方向的风，不需要昂贵的偏航系统。其自身低风速不启动的缺憾已被上部的Ｓ型风叶弥补。

（３）超越离合系统。装置在ｓ型叶片和Ｈ型叶片之间，在低风速的时候，Ｓ型叶片先开始转动，通过超越离合器带动Ｈ型风叶转动，随着风速逐渐增大，Ｈ型叶片转速迅速增大，远大于Ｓ型叶片转速，超越离合系统保证了“一轴两速”的和谐运转。

类似于骑自行车，上坡时脚踏板带动后轮转动，下坡时脚踏板几乎不转，而车轮飞速旋转。具体结构如图３所示。

（３）风叶角度固定装置。由上下两个连结环

构成，用于固定Ｈ型风叶三叶片的相对位置，使

其保持在互差１２０。。

（４）塔筒以及其内部的发电机。采用立式永磁三相交流发电机，额定功率１００Ｗ，额定转速

６０

ｒ／ｍｉｎ。发电机安放在塔筒内上部，通过联轴器

与主轴连接。

图４风机整体结构图

Ｆｉｇ．４

Ｆａｎｉｎｔｅｇｒａｌｓｔｒｕｃｌ［ｕｒｅ

３．４性能优势

（１）较好地解决了Ｈ型风机低风速不启动的问题。实现了Ｓ型机和Ｈ型风机的优势互补。

（２）风叶结构简单，无变截面、扭曲等复杂叶形，易批量生产，降低生产成本，突破国外专利垄断水平轴风叶制造的局面。

（３）发电机位置距地表较低，易于维修和并网。（４）全方位接收来风，无需偏航系统和调向装置，降低了架机难度和运行成本。

４后期实验设计

在该新型风力发电机模型的后期实验分析中，会使用大量的传感器，以便更好地采集数据。其中在风机上使用风速传感器；在转轴和叶片上安装加速度传感器和应力传感器；在刹车片上安装温度传感器；在金属架底座上安装位移传感器；在控制机柜里安装湿度传感器；在用于固定的钢缆上安装拉力传感器；在轴上安装扭矩传感器。

后期测试过程中，将采集到的数据通过以太网传输到工控机上”Ｊ，借助ＭＡＴＬＡＢ软件绘制出

图３风机主体结构图

Ｆｉｇ．３

Ｆａｎ

ｓｕｂｊｅｃｔ

ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

３．３辅助系统

该新型风机的辅助结构分为内外风轮支撑装置、风叶角度固定装置、塔筒以及其内部的发电机、底座等５个主要部分（见图４）。

（１）外风轮支撑装置。从设在Ｓ型风叶下部的三爪支架引３根张紧的另一端固定于地面的斜拉钢丝绳支撑风轮，保证风轮主轴的垂直。

（２）内风轮支撑装置。内层３根短缆用于保证Ｈ型风叶水平竖直，避免由于重力引起的风叶下垂。

风机的尖速比一功率曲线（Ａ—ＣＰ），与单一叶片

的理论曲线进行对比，从而验证该叶片结构的

优势。

电力科学与工程

２０１１年

５结语

本文提出了一种新型垂直轴风机构想，将两种典型的垂直轴风机翼型（Ｓ型，Ｈ型）和二为一，取长补短，并以超越离合器连接，达到低风

ＪｉａｎｇＣｈａｏｑｉ，ＹａｈＱｉａＩｌｇ．ＴｈｅｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｓｔｕｄｙｏｆＨｏｒ－

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速易启动、整机风能利用率高的目的。详细设计

出风叶主体结构和整机的辅助系统，并提出后期实验方案。分析总结了该风机所具备的优良性能，但由于实物模型尚未进行风洞试验，本课题未能以实验数据验证该风机模型的理论优势。在进一步的实验中优化该设计并取得更加广阔的市场应用。

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一种组合型垂直轴风力发电机的结构设计

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

寇薇， 苑宾， 李琦， 范林涛， Kou Wei， Yuan Bin， Li Qi， Fan Lintao华北电力大学,电气与电子工程学院,河北,保定,071003电力科学与工程

ELECTRIC POWER SCIENCE AND ENGINEERING2011,27(5)8次

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