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水平轴与垂直轴风力发电机的比较
发布时间:2009/10/11  阅读次数:14642  字体大小: 【】 【】【
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2.3 起动风速
水平轴风轮的起动性能好已经是个共识,但是根据中国空气动力研究与发展中心对小型水平轴风力发电机所做的风洞实验来看,起动风速一般在4~5米/秒之间,最大的居然达到了5.9米/秒[11],这样的起动性能显然是不能令人满意的。
垂直轴风轮的起动性能差也是目前业内的共识[2],特别是对于Darrieus式Ф型风轮(见图2),完全没有自起动能力,这也是限制垂直轴风力发电机应用的一个原因。但是,对于Darrieus式H型风轮(见图3)却有相反的结论,根据笔者的研究发现,只要翼型和安装角选择合适,完全能得到相当不错的起动性能,通过对麟风P-200垂直轴风力发电机的风洞实验来看,这种Darrieus式H型风轮的起动风速只需要2米/秒,这无疑要比上述的水平轴风力发电机好的多。
图2 Darrieus式Ф型风轮 图3 Darrieus式H型风轮
2.4 结构特点
水平轴风力发电机的叶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,这样叶片所受的就是一个交变载荷,这对于叶片的疲劳强度是非常不利的[1][12]。另外,水平轴的发电机都置于几十米的高空,这给发电机的安装和维护检修带来了很多的不便。
垂直轴风轮的叶片在旋转的过程中的受力情况要比水平轴的好的多,由于惯性力与重力的方向始终不变,所受的是一恒定载荷,因此疲劳寿命要比水平轴的长[1]。同时,垂直轴的发电机可以放在风轮的下部或是地面,便于安装维护。
2.5 环保问题
虽然风力发电也号称是清洁能源,能起到很好的环保作用,但是随着越来越多大型风电场的建立,一些由风力发电机引发的环保问题也凸显出来。这些问题主要体现在两个方面:一是噪音问题,二是对当地生态环境的影响。
水平轴风轮的尖速比一般在5~7左右,在这样的高速下叶片切割气流将产生很大的气动噪音,同时,很多鸟类在这样的高速叶片下也很难幸免[13]。
垂直轴风轮的尖速比则要比水平轴的小的多,一般在1.5~2之间,这样的低转速基本上不产生气动噪音,完全达到了静音的效果。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(如城市公共设施、民宅等),现在可以应用垂直轴风力发电机来解决,因此,垂直轴风力发电机比水平轴有更广阔的应用领域。
低尖速比带来的好处不仅仅是环保上面的优势,对于风机的整体性能也是非常有利的。从空气动力学上分析,物体速度越快,外形对流场的影响越大。当风力发电机在户外运行时,叶片上不可避免的受到污染,这种污染实际上是改变了叶片的外形。对于水平轴风轮来讲,即使这种外形变化很微小,也很大的降低了风轮的风能利用率[9],而垂直轴风轮因为转速低,所以对外形的改变没那么敏感,这种叶片的污染基本上对风轮的气动性能没有影响。
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