美国SANDIA国家实验室关于垂直轴风力机的研究报告SAND74-0160

垂直轴风力机叶片改进动态失速模型张立军;赵昕辉;马东辰;米玉霞;王旱祥;姜浩【摘要】为研究垂直轴风力机叶片在动态失速下的气动性能,结合风力机的实际工作情况对常用动态失速模型——B-L模型和MIT模型进行了修正.以Sandia实验室17 m垂直轴风力机为例,计算了风力机叶尖速比分别为2.33和3.09时叶片的动态切向力系数和动态法向力系数.研究结果显示:MIT修正模型对风力机上风区的切向力系数和下风区的法向力系数的预测精度较高;B-L修正模型对风力机上风区的法向力系数和下风区的切向力系数的计算结果与实验数据较一致.【期刊名称】《中国机械工程》【年(卷),期】2019(030)006【总页数】7页(P644-649,657)【关键词】垂直轴风力机;动态失速;B-L模型;MIT模型;双致动盘多流管【作者】张立军;赵昕辉;马东辰;米玉霞;王旱祥;姜浩【作者单位】中国石油大学(华东)机电工程学院,青岛,266580;中国石油大学(华东)机电工程学院,青岛,266580;中国石油大学(华东)机电工程学院,青岛,266580;中国石油大学(华东)机电工程学院,青岛,266580;中国石油大学(华东)机电工程学院,青岛,266580;中国石油大学(华东)机电工程学院,青岛,266580【正文语种】中文【中图分类】TK830 引言垂直轴风力机可以接收来自任何方向的风，其增速齿轮箱和发电机可以安装在地面，运行维修方便，但风力机运行时，其叶片常发生动态失速(低叶尖速比时尤为明显)[1]，因此准确计算动态失速下的叶片气动力系数是分析与设计垂直轴风力机的关键。

动态失速是指叶片攻角发生周期性或非定常变化时，翼型的失速攻角比静态失速攻角要大得多，且翼型气动特性曲线(通常为法向力系数和切向力系数随攻角的变化曲线)要明显滞后于静态曲线的现象。

翼型发生动态失速时测得的动态气动力系数与翼型静止时的静态气动力系数相差较大。

目前研究翼型动态失速的方法主要有三种：①以Navier-Stokes方程为基础的CFD数值方法[2-4]；②基于面元法和边界层理论的黏性与无黏耦合算法[5]；③基于实验数据建立的半经验动态失速模型方法[6-7]。

垂直轴风力发电机研究报告
摘要：
本报告对垂直轴风力发电机进行了深入研究。

首先，介绍了风力发电
的背景和发展现状，然后详细论述了垂直轴风力发电机的原理和工作方式。

接着，我们分析了垂直轴风力发电机的优点和缺点，并与传统的水平轴风
力发电机进行了比较。

最后，我们探讨了垂直轴风力发电机在未来的发展
趋势和应用前景。

1.引言
1.1背景
1.2目的和意义
2.风力发电的现状和发展
2.1全球风力资源分布
2.2风力发电的优势和限制
2.3风力发电行业的发展现状
3.垂直轴风力发电机的原理和工作方式
3.1垂直轴风力发电机的结构
3.2垂直轴风力发电机的工作原理
4.垂直轴风力发电机的优点和缺点
4.1优点
4.2缺点
5.垂直轴风力发电机与水平轴风力发电机的比较
5.1结构比较
5.2性能比较
5.3经济性比较
6.垂直轴风力发电机的发展趋势和应用前景
6.1技术改进和创新
6.2垂直轴风力发电机在城市环境中的应用
6.3垂直轴风力发电机在离网场景中的应用
7.结论
本报告将详细介绍垂直轴风力发电机的原理和工作方式，分析其优缺点并与传统的水平轴风力发电机进行比较。

同时，对垂直轴风力发电机在未来的发展趋势和应用前景进行探讨。

垂直轴风力发电机报告标题：垂直轴风力发电机的发展与应用，技术报告摘要：本报告介绍了垂直轴风力发电机的发展历程、工作原理以及其在可再生能源领域的应用。

首先，我们回顾了垂直轴风力发电机的起源和发展过程；接着，我们详细解释了垂直轴风力发电机的工作原理和方案；最后，我们探讨了垂直轴风力发电机在城市、农村和离岸等不同场景中的应用前景。

通过本报告的阅读，读者将对垂直轴风力发电机有更深入的了解，并认识到其在可再生能源行业中的潜力。

一、引言风力发电是现代可再生能源行业的重要组成部分之一、传统的水平轴风力发电机在市场上占据主导地位，但近年来，垂直轴风力发电机作为一种新型的发电设备逐渐崭露头角。

本报告旨在介绍垂直轴风力发电机的发展历程、工作原理和应用前景。

二、垂直轴风力发电机的发展历程垂直轴风力发电机最早在古希腊时期就有了雏形。

随着工业革命的发展，风力发电开始发展为一个产业，并引入了水平轴风力发电机。

然而，水平轴风力发电机存在一些问题，例如受风向影响较大、噪音较大等。

为了克服这些问题，垂直轴风力发电机逐渐成为研究重点。

三、垂直轴风力发电机的工作原理垂直轴风力发电机的工作原理与水平轴风力发电机有所不同。

水平轴风力发电机通过风车叶片转动发电，而垂直轴风力发电机则通过风力对转子产生的扭矩直接转动发电。

转子通常由多个垂直排列的叶片组成，利用风力使其旋转。

此外，垂直轴风力发电机的叶片通常具有对流式设计，以增强其效率。

四、垂直轴风力发电机的应用前景垂直轴风力发电机在城市、农村和离岸等不同场景中都有广阔的应用前景。

在城市中，垂直轴风力发电机可安装在高楼大厦或公共设施上，利用城市中的空气流动发电。

在农村中，垂直轴风力发电机可以解决偏远地区电力供应问题。

而在离岸领域，垂直轴风力发电机可以利用海上的强劲风力进行发电，为离岸油田等设施提供清洁能源。

五、结论通过本报告的介绍，我们了解到垂直轴风力发电机的发展历程、工作原理和应用前景。

垂直轴风力发电机作为一种新型的发电设备，具有设计灵活性强、受风向影响小等优势，在可再生能源行业具有广阔的应用前景。

解决海微风发电难题竖轴风机是技术关键(一)竖轴风力发电机竖轴风力发电机存在着三方面的优势，它们分别是发电机设备的重心低、构造相对简单、更容易向大尺寸发展。

研究人员认为，竖轴风力发电机重心较低意味着能够改善在海上漂浮的稳定性和降低重心疲劳负荷。

此外，竖轴风力发电机的动力传动系统接近海平面，有望更容易维修并更快被利用。

竖轴风力发电机部件更少且疲劳负荷低和维修容易降低了维护成本。

事实上，在人们开始研究风力的时候，竖轴风力发电机就是关注的对象。

一：竖轴风力发电机结构简单在美国能源部的支持下，桑迪亚国家实验室目前在为美国近海风能发电机系统开发先进的转子技术，此项为期5年、投资达410万美元的研究始于今年1月。

桑迪亚国家实验室风能项目风能技术经理大卫.敏斯特表示，风能项目的目标是加强低碳发电的应用，应对全国能源面临的挑战。

桑迪亚国家实验室研究项目负责人之一乔希?帕奎特说，从机械简明性的角度看，竖轴风力发电机十分可取。

因为它们发电时不需要将叶片指向风向的控制系统，所以它们的部件要少于常见的横轴风力发电系统。

在研究人员看来，近海风能发电系统的设计必须解决支撑结构高成本的问题，并能满足简单且可靠的要求，同时在设备尺寸超过陆基风力发电系统的情况下仍能实现可盈利运行。

大型近海竖轴风力发电机的叶片长度超过300米后，叶片的制造成本将超过陆基风力发电机叶片的制造成本。

然而，随着发电系统和其基底变大，涡轮机和转子占整个系统成本的比例却在减少，因此竖轴风力发电机结构的其他好处将会抵消叶片成本的增加。

二：难题重重竖轴风力发电机叶片具有十分复杂的弧形表面，其生产难度高。

制造超长的竖轴风力发电机叶片需要创新的工程手段，对此，桑迪亚国家实验室另一位项目负责人马特?巴罗内表示，爱荷华州立大学和TPI复合材料公司将研发新的技术以帮助生产几何形状复杂的竖轴风力发电机叶片，它们的目标是以能够承受的成本生产尺寸超大的产品。

其次，竖轴风力发电机系统必须解决叶片附加给动力传动系统循环荷载的问题。

行业发展垂直轴风力发电机的发展概况及趋势孙云峰１田德（通讯作者）１，２王海宽１张春友１时燕１亢燕茹１１．内蒙古农业大学机电工程学院２．华北电力大学可再生能源学院［摘要］概述了垂直轴风力发电机在国内外的发展状况，介绍了阻力型和升力型垂直轴风力机的类型和特点，分析了垂直轴风力发电机相对于水平轴风力发电机的优点及其需要解决的问题，简介了垂直轴风力发电机的应用，并展望了其发展趋势。

［关键词］垂直轴风力发电机风力机发展概况风力机类人类利用风能已有数千年历史，风力发电场的建设，始于１９世纪末的丹麦。

风能的最早利用形式就是垂直轴风车，但是垂直轴风力发电机直到２０世纪２０年代才开始出现。

由于人们普遍认为垂直轴风力发电机的风能利用率低于水平轴，因而导致垂直轴风力发电机长期得不到重视。

随着升力型风轮的发展，使得垂直轴风力发电机的风能利用率不再低于水平轴，并且与水平轴风力发电机相比，其具有维护方便，叶片设计制造简单，造价低，不需对风装置等优点。

１国内外垂直轴风力发电机的发展概况１．１国外垂直轴风力发电机的发展概况２００２年欧洲风能协会（ＥＷＥＡ）与绿色和平组织（Ｇｒｅｅｎ－ｐｅａｃｅＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）发表了一份标题为＂风力１２（ＷｉｎｄＦｏｒｃｅ１２）＂的报告，勾画了风电在２０２０年达到世界电量１２％的蓝图，到２０２０年，风电安装总量将达到１２６万ＭＷ，且年发电量将达到世界电能总需求量的１２％［１］。

根据ＧＷＥＣ公布的数据，２００７年全球新增风电装机２００７万ｋＷ，较上年增加３０％，全球风电市场的规模达到３６０亿美元／年［２］。

截止到２００７年底，全世界风力发电机的总装机容量达到９４１１．２万ｋＷ，装机容量最多的前三个国家分别是德国、美国、西班牙，中国居世界第５位［３］。

近年来，垂直轴风力发电机的研究取得了极大的进展，很多形象各异的商用小型垂直轴风力机（ＶｅｒｔｉｃａｌＡｘｉｓＷｉｎｄＴｕｒｂｉｎｅｓ，ＶＡＷＴ）已成功投入市场。

1. 概述在全球范围内，能源问题一直是国际社会的关注焦点。

随着环境保护意识的增强和传统能源资源的日益枯竭，可再生能源作为一种清洁、可持续的能源形式，受到了越来越多的关注。

而风能作为可再生能源的一种，已经成为各国发展清洁能源的重要选择之一。

在风能发电技术中，垂直轴风力发电机因其独特的结构和性能，备受关注。

本文将探讨国外垂直轴风力发电机的发展现况和趋势。

2. 国外垂直轴风力发电机的发展现况垂直轴风力发电机因其垂直的旋转轴线，以及与地面垂直方向的叶片布局，不受风向的限制，具有更好的风向适应性，可以克服传统水平轴风力发电机在风向变化时的转向机构设计和运行故障问题。

其受到了研究和应用领域广泛的关注。

经过多年的研发和实践，国外垂直轴风力发电机已经取得了一定的技术突破和进展。

其技术特点和发展现状主要体现在以下几个方面：1) 结构设计创新：国外各大科研机构和企业在垂直轴风力发电机的结构设计上进行了大量的创新研究，提出了一系列符合实际应用需求的设计方案。

采用了更加轻巧、稳定的叶片设计，提高了转子的可靠性和转动效率；采用了模块化设计，降低了制造成本和维护成本等。

2) 材料和制造工艺的改进：随着新材料和制造工艺的不断发展，垂直轴风力发电机的叶片、塔架等关键部件的材料和工艺也得到了很大程度的改进，提高了其结构强度和使用寿命。

3) 风场适应性优势凸显：由于其特殊的结构设计，垂直轴风力发电机在复杂的风场环境中表现出更好的适应性和稳定性，大大降低了运行风险。

3. 国外垂直轴风力发电机的发展趋势随着全球清洁能源市场的迅速发展，国外垂直轴风力发电机的发展也呈现出一些明显的趋势：1) 技术研发持续深入：未来，国外各大科研机构和企业将继续深入开展垂直轴风力发电机的技术研发工作，不断提高其效率和可靠性，降低成本，以满足不断增长的市场需求。

2) 多元化的应用场景：垂直轴风力发电机逐渐在城市、高楼大厦等区域得到应用，成为一种新的城市绿色能源形式，未来其应用场景将更加多元化，满足不同领域的能源需求。

垂直轴风力发电机组的设计与性能研究随着科技的不断发展和环保意识的提高，可再生能源逐渐受到人们的青睐。

风力发电机作为空气能转化成电能的重要装置之一，也在不断的研究和发展。

垂直轴风力发电机组在这个领域扮演着异军突起的角色，其独特的结构和性能优势吸引了国内外众多专家的目光。

一. 垂直轴风力发电机组的设计垂直轴风力发电机组是指风力发电设备中转子轴线竖直，叶片旋转面垂直于地面。

相对于传统的水平轴风力发电机，垂直轴风力发电机拥有更为广阔的应用领域。

其特点主要表现在以下几个方面：1.适应性强垂直轴风力发电机组可以被用于各种地形、各种气候条件下的风能资源利用，产生的振动和噪声较小，适合于城市和农村领域中的小型风电场。

2.高效性能垂直轴风力发电机组因为其结构上的特殊性，使得其在低风速条件下依然能够产生电能，相对于其他风力发电机而言，它的发电效率更高、更稳定。

3.运转安全垂直轴风力发电机组的机组不受方向和大小限制，转矩、重心、惯性力的平衡性也很好，可以在运转条件下减小结构疲劳损伤，从而提高设备的可靠性和使用寿命。

垂直轴风力发电机组的设计包含多个方面，其中重点考虑齿轮减速器、磨损与摩擦、自动转向等问题。

同时，风机的轴承材料、测量模型、风场起伏、大气压力等因素都将直接或间接影响垂轴风机的效率和性能。

二. 垂直轴风力发电机组的性能研究为了更好地发挥垂直轴风力发电机组的性能优势，优化其运行效率，研究者们也对其性能进行了深入探究，主要包括以下研究方向：1. 研究风机的动态特性风机在运行时，会出现转速的波动、能量的损失以及噪声的产生等问题，因此需要研究风机的动态特性。

刘维庆教授团队。

研究了垂直轴风力发电机的动态仿真模型，通过数理模型和实验对其动态特性进行了评估和分析，为进一步优化风机的控制提供了基础。

2. 研究风机的叶片设计近年来，研究者们也在着力改进机组的叶片设计。

研究表明，对于垂直轴风力发电机，叶片的设计对于功率密度和发电效率有着重要影响。

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2t 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。

垂直轴风力发电机研究报告分解垂直轴风力发电机是一种利用风能将其转化为机械能，然后再将其转化为电能的装置。

相比于水平轴风力发电机，垂直轴风力发电机具有更多的优点，如结构简单、可以从任意方向的风得到驱动、不受风速的限制等。

本文将对垂直轴风力发电机的研究进行详细的分解。

首先是垂直轴风力发电机的结构。

垂直轴风力发电机由垂直轴和叶片组成。

垂直轴可以是直立的，也可以是倾斜的。

叶片则安装在垂直轴上，可以是直杆式叶片或者是罗茨式叶片。

直杆式叶片通常是扇形或者是直线型的，而罗茨式叶片则是一种有多个层级的螺旋形叶片。

这些叶片的设计可以使得垂直轴风力发电机在各种风向和风速下都能高效地工作。

其次是垂直轴风力发电机的工作原理。

当风吹过叶片时，叶片会受到风的作用力，并随之转动。

转动的叶片通过传动装置驱动发电机，将机械能转化为电能。

传动装置可以是齿轮传动、皮带传动或者链条传动等。

发电机通常是直流发电机或者交流发电机。

然后是垂直轴风力发电机的优点。

相比于水平轴风力发电机，垂直轴风力发电机具有以下优点。

首先，垂直轴风力发电机可以从任意方向的风得到驱动，不像水平轴风力发电机需要面对风的方向限制。

其次，垂直轴风力发电机的结构较为简单，制造成本低。

再次，垂直轴风力发电机不受风速的限制，能够在低风速条件下产生电能。

最后，垂直轴风力发电机的噪音较小，对环境污染也较少。

最后是垂直轴风力发电机的应用前景。

垂直轴风力发电机可以广泛应用于城市、农村、山区等地的电力供应。

由于其结构简单，不受风速的限制，并且可以从任意方向的风得到驱动，垂直轴风力发电机具有较大的应用潜力。

同时，由于其对环境的污染较少，垂直轴风力发电机也是可持续发展的能源解决方案之一总之，垂直轴风力发电机作为一种利用风能产生电能的装置，在结构、工作原理、优点和应用前景等方面具有独特的特点。

未来的研究可以进一步改善垂直轴风力发电机的效率，提高其经济性和可靠性，以促进可再生能源产业的发展。

Darrieus型垂直轴风力机气动特性研究∗史瑞静;李凤婷;樊小朝;王维庆【摘要】本文结合叶素动量算法，研究了Jacobs等人建立的关于达里厄型垂直轴风力机的几种数据库，并进行了研究比对。

基于美国桑迪亚国家实验室的现场可靠的实验研究，通过建立在几种数据库上的模拟仿真和实验数据比对，研究表明，叶素动量算法模拟结果可以和大多数的数据库很好的吻合，但是动态失速条件下例外，尤其是在低雷诺数时，原因是对升力系数过低的估算。

研究还表明，在不同型号不同转速条件下Jacobs数据曲线更接近于实验曲线，因此，利用叶素动量算法对达里厄型垂直轴风力机进行仿真模拟研究时，应首选Jacobs数据库。

%The different aerodynamic databases of Jacobs and other researchers are studied and compared. The databases are adopted in conjunction with a Blade-Element Momentum algorithm. Experimental data deriving from Sandia National Laboratories field test available in literature for a wide range of rotor sizes are considered and compared to the simulation results. Research shows that Blade Element-Momentum Algorithm simulation results are consistent well with most of the database, but the dynamic stall exceptional conditions, especially at low Reynolds number, because of the low lift coefficient estimates. The study also showed that different models under different conditions Jacobs speed data curve is closer to the experimental curve. Therefore the results highlight that the Jacobs database should be preferred for BE-M simulations. Overall, the main databases available in literature are considered and the results obtainedcompared, in order to provide the vertical axis turbine researchers with a practical indication on the methodology to apply for their studies.【期刊名称】《新疆大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(000)004【总页数】5页(P492-496)【关键词】流体力学;垂直轴风力机;气动数据库;空气动力系数;气动特性【作者】史瑞静;李凤婷;樊小朝;王维庆【作者单位】新疆大学电气工程学院，教育部可再生能源发电与并网控制工程技术研究中心，新疆乌鲁木齐 830047;新疆大学电气工程学院，教育部可再生能源发电与并网控制工程技术研究中心，新疆乌鲁木齐 830047;新疆大学电气工程学院，教育部可再生能源发电与并网控制工程技术研究中心，新疆乌鲁木齐830047;新疆大学电气工程学院，教育部可再生能源发电与并网控制工程技术研究中心，新疆乌鲁木齐 830047【正文语种】中文【中图分类】TK810 引言由于垂直轴风力机自身的特性，相对于水平轴风力机，人们对它们的使用越来越感兴趣.垂直轴风力机直接与发动机的底部位置相连，设计简单，并且结合最简单的控制策略，该策略不需要任何的变桨或偏航机构，在城市和非常偏僻地区都可以建设，不管在哪所需维护的工作量都是最小的.另一方面，由于垂直轴风力机特有的非稳态工作条件，其特点是空气动力学的复杂性.因此，必须要有灵活和可靠的设计方案，这些方案是得到实验数据的预先验证的[1,2].研究表明，关于垂直轴风力机的复杂的空气动力特性的模拟，已经建立了不同的数值模型，目前主要有三种数值模型.第一种模型是Strickland的“多重流管”模型，后来Paraschivoiu考虑“双盘”的改进模型，该模型具有的优势是能快速估计整个功率曲线，并且完成生产设计，但另一方面，结果的可靠性依赖于所采用的气动数据库的质量和扩展度[3].第二种模型是对达里厄涡改进的尾涡模型，是一种关于空气动力特性的新的见解，在另一方面，相对于前面提到的方法，此模型所需的仿真计算时间明显的增加[4].第三种计算流体动力学（CFD）能够最准确的描述风力机的空气动力特性，但是，在另一方面，也需要更多的计算时间，这限制其用于最终测试运行仿真及对风机的设计[5−7].1 物理模型在“双重流管”模型中，双驱动转盘分为逆风和顺风转子，其中诱导因子（感应系数）表示由于自由流与叶片相互作用的气流速度的变化率，定义式为其中va表示空气自由流速度，vb表示叶片气流速度.感应系数等同于翼型叶片上的力产生的动量的变化，为了得到简单可靠的收敛模型，提出了逆风时的瞬时流向力之间的方程式[8]通过叶素理论可以得到类似的公式其中ρ表示空气密度，r表示叶片半径，∆θ表示方位角网格尺寸，∆z表示高度网格尺寸，θ表示方位角，vu,wu分别是当地的风速和逆风向时叶片的相对速度，N 为叶片的数目，l是弦长，δ是叶片局部斜率，CN和CT分别为法向和切向气动力系数，CN和CT公式由空气动力学系数导出其中α表示攻角.类似地可以导出顺风时的诱导因子，可以清楚地看出，空气动力系数在对性能估计的迭代求解中有重要作用，对它们的选取应特别注意.特别的，由于不同相对速度引起的运行情况，使得雷诺数在较大范围内变化.为了从空气动力学的数据库获得最可靠的估计，攻角和雷诺数通过插值法选取，该插值算法是采用分段三次埃尔米特插值多项式算法（Piecewise Cubic Hermite Interpolating Polynomial：PCHIP），可以得到更平滑的内插，比样条内插法要好.对风力机动态失速的研究，不同的研究者提出了不同的空气动力特性模型.叶片在周期性旋转变化，气动力系数不同于静态值，特别是在失速时[9].基于CT切向气动力系数，气动转子的力矩可表示为其中Nθ和Nv分别是方位角和垂直网格数，wi为逆、顺风向时叶片的相对速度.最后，功率和功率系数被定义为其中ω为旋转速度，AS为转子扫掠面积.2 垂直轴风力机的气动特性Sheldahl等人建立了关于垂直轴风力机的BE-M模拟的数据库[10]，根据实验得到的数据库主要涵盖三种类型的机组：NACA 0009、NACA 0012和NACA 0015，雷诺数范围在3.5×105∼7×105，该数据库还可以通过数值算法依次拓展到NACA 0018、NACA 0021和NACA 0025，并且适合更大范围的雷诺数，还可以应用到定常流低雷诺数的垂直轴风力机.NACA 0012在低雷诺数时气动升力系数如图1所示.这个数据库中图的突出特点为必须保持考虑以下的仿真结果，升力系数在失速状态的分布呈现出非常陡峭下降的趋势，攻角增加1˚或2˚，升力系数由最大值达到最小值.这是由于风机机翼边缘剖面很薄的缘故，从而导致了风机的突然失速，而且这种极端的情况，也与为了获得这些系数的数值算法的特性有关.此外，在雷诺数低于1.6×105时，在某些特定攻角下升力系数呈现负的值，这似乎与平板的相似性相违背，这主要是因为，在此数据库建立在雷诺数高于1.6×105基础之上.此外，还可以得到所有雷诺数情况下攻角大于30˚时所研究风机类型的升力系数，但NACA 0012除外，有很小的差异，NACA 0012型号风机在不同雷诺数下的升力系数如图2所示.图1 NACA 0012低雷诺数时攻角对升力系数的影响图2 NACA 0012型号风机在不同雷诺数下的升力系数翼面较厚时，失速升力系数的降低分布趋势不太陡，整体情况是光滑的，另一方面，在30˚时几乎所有的升力系数都有一个跳跃，这是因为，在所有情况下数值算法中所提供的30˚这一点的数值都是一样的，数据库之间的关联不顺畅. Paraschivoiu等人建立了关于垂直轴风力机的另外一种模拟数据库[11]，涵盖三种类型的机组：NACA 0012、NACA 0015和NACA 0018，雷诺数范围在104∼107.此数据库和上一个非常相似，但有不同迎角下大量的气动力系数，可能通过插值得到更多的不同的数据.NACA 0018在雷诺数1.6×105时的升力系数随攻角变化，Paraschivoiu和Sheldahl的插值数据库是不同的，如图3所示.图3 NACA 0018在雷诺数1.6×105的升力系数图4 NACA 0012在雷诺数1.6×105的升力系数这些数值上的差异可以认为是有限的，但垂直轴风力机在此攻角范围内的运行情况有轻微的差异也是不能被忽略的.为了显示数据库的差异，将所有雷诺数的情况，甚至在某些攻角下出现负升力系数的情况，在下面研究中进行了比对.Lazauskas等人改进了Sheldahl数据库[12,13]，对明显的异常情况进行了纠正.在Sheldahl创建的数据库中，可明显的观察到在实验数据和数值模拟预测的升力系数有一个“跳跃”.Lazauskas等人对这个值进行了修正，得到了一个光滑的曲线图，NACA 0012在雷诺数1.6×105时的升力系数如图4所示.这些文献中提到的数据库应用于攻角在±180˚之间的垂直轴风力机.另一些研究人员对同一剖面的翼型在低雷诺数下进行了实验，得到测试结果，但是攻角范围有限.攻角低于30˚时，并逐渐变小，垂直轴风力机可以运行在大多数的方位和垂直的位置，所以可以合理的假设，将攻角增大一些，数据库的有限数值扩展不会对预测结果有很大的错误影响.Jacobs等人实验研究了NACA 009、NACA 0012、NACA 0015、NACA 0018和NACA 0021型号的风机，雷诺数范围在1.6×105∼3×107，提供了攻角28˚时的空气动力系数数据库[14].为了克服这一局限性，Sheldahl认为要创建一个完整数据库应该将更高迎角的空气动力系数包括在内.不过，为了尽量减少数据库之间的不连续性提供一个平滑的变化趋势，在数据库中包含在联接区域做小的修正.雷诺数范围在3.6×105∼107，NACA 0012、NACA 0018型风机的空气动力系数如图5-6所示，很明显Jacobs与Sheldahl在初始时都是线性变化的，但升力系数变化趋势之间有相当大的差异.另一方面，Sheldahl升力系数的特点有一个陡峭的和早期的失速状态，从最大升力以后有明显的下降.此外，Jacobs的最大升力值高于Sheldahl的，这是因为雷诺数高，和机翼厚度有关.图5 NACA 0012型风机的空气动力系数图6 NACA 0018型风机的空气动力系数Bullivant研究了NACA 0025，雷诺数为3.2×106，攻角小于25˚，并和Shedahl的做了比较，如图7所示，Bullivant的升力和阻力系数曲线要光滑些，在研究方法（实验/数值模拟）上，提出了一个相当大的跳转链接变化，Bullivan的最大升力系数也较低，因此，具有较高的阻力系数[14].对称剖面的SNLA0018-50是由桑迪亚国家实验室对传统的NACA 0018的改进，专门应用于垂直轴风力发电机组的研究，采用不同的转子配置.Gregorek等人实验研究了高雷诺数（＞106），攻角小于30˚的情况，并得到数据，平均雷诺数1.41×106时的空气动力系数如图8所示.图7 NACA 0025型风机的空气动力系数图8 SNLA0018-50型风机的空气动力系数以上介绍的风力机型是应用最为广泛的垂直轴风力发电机组，具有很高的应用价值，能够对垂直轴风力机的叶素-动量算法（BE-M算法）进行验证.3 结论(1)本文结合叶素动量算法，研究了Jacobs等人建立的关于达里厄型垂直轴风力机的几种数据库，对这几种不同的垂直轴风力机模拟气动数据库进行了研究比对，为垂直轴风力机的实际应用，所建立的数据库应该是可靠的，符合实际情况，一般数据库应该包括在低雷诺数和攻角±180˚的翼型空气动力系数，有些数据库做了一些合理假设之后，可以将数值拓展到此范围，从而使数据库得到完善，能够应用于工程实际.(2)通过建立在几种数据库上的模拟仿真和实验数据比对研究表明，叶素动量算法模拟结果可以和大多数的数据库很好的吻合，但是动态失速条件下例外，尤其是在低雷诺数时，Sheldahl数据库以及Paraschivoiu和Lazauskas源数据库影响计算结果导致误差很大，就是由于在失速条件下对升力系数过低的估算.参考文献：【相关文献】[1]Kjellin J,Bülow F,Eriksson S,et al.Power coefficient measurement on a 12 kW straight bladed vertical axis wind turbine[J].Renewable energy,2011,36(11):3050-3053.[2]Rabbani T,Khalid M,Siddiqui S,et al.Reduced order modeling of loads on a vertical-axis wind turbine[C].Applied Sciences and Technology(IBCAST),2014 11th International Bhurban Conference on.IEEE,2014:298-303.[3]Paraschivoiu I.Double-multiple streamtube model for Darrieus in turbines[C].Wind Turbine Dynamics.1981,1:19-25.[4]Strickland J H,Webster B T,Nguyen T.A vortex model of the Darrieus turbine:an analytical and experimental study[J].Journal of Fluids Engineering,1979,101(4):500-505. [5]Raciti Castelli M,Englaro A,Benini E.The Darrieus wind turbine:Proposal for a new performance prediction model based on CFD[J].Energy,2011,36(8):4919-4934.[6]Miller A,Chang B,Issa R,et al.Review of computer-aided numerical simulation in wind energy[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2013,25:122-134.[7]Raciti Castelli M,Dal Monte A,Quaresimin M,et al.Numerical evaluation of aerodynamic and inertial contributions to Darrieus wind turbine blade deformation[J].Renewable Energy,2013,51:101-112.[8]Bedon G,Antonini E G A,De Betta S,et al.Evaluation of the different aerodynamic databases for vertical axis wind turbine simulations[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2014,40:386-399.[9]程静,王红琳.空间电压矢量脉宽调制在风电并网控制中的仿真研究[J].新疆大学学报(自然科学版),2013,30(1):110-114.[10]Sheldahl R E,Klimas P C.Aerodynamic characteristics of seven symmetrical airfoil sections through 180-degree angle of attack for use in aerodynamic analysis of vertical axis wind turbines[R].Sandia National Labs,Albuquerque,NM(USA),1981:23-24.[11]Paraschivoiu I.Wind turbine design:with emphasis on Darrieusconcept[M].Paris:Presses inter Polytechnique,2002:62-63.[12]Kirke B K,Lazauskas L.Experimental verification of a mathematical model for predicting the performance of a self-acting variable pitch vertical axis wind turbine[J].Wind Engineering,1993,17(2):58-66.[13]Scheurich F,Brown R E.Modelling the aerodynamics of vertical-axis wind turbines in unsteady wind conditions[J].Wind Energy,2013,16(1):91-107.[14]Merz K O,Svendsen H G.A control algorithm for the deepwind floating vertical-axis wind turbine[J].Journal of Renewable and Sustainable Energy,2013,5(6):063136.。

垂直轴风力发电机研究报告垂直轴风力发电机研究报告简介•垂直轴风力发电机是一种新型的风力发电设备•它与传统的水平轴风力发电机相比具有独特的优势•本报告旨在对垂直轴风力发电机进行深入研究和分析研究背景•随着能源问题的日益严重，风力发电得到了越来越多的关注•传统的水平轴风力发电机存在一些局限性，如对风向的敏感度较高•垂直轴风力发电机在这一背景下应运而生，吸引了研究者的目光研究目的•了解垂直轴风力发电机的工作原理和结构特点•探讨垂直轴风力发电机的优缺点以及应用前景•分析垂直轴风力发电机技术的发展趋势研究方法•文献综述和资料收集：查阅相关文献和资料，了解垂直轴风力发电机的研究现状•实验研究：搭建垂直轴风力发电机实验平台，测试其性能和效率结果与讨论1.垂直轴风力发电机的工作原理–垂直轴风力发电机通过垂直旋转的轴产生动能–风通过叶轮，使叶轮旋转，进而驱动发电机发电2.垂直轴风力发电机的优缺点–优点：对风向敏感度低，适用于复杂的风环境；结构紧凑，适用于城市等空间有限的地区–缺点：低功率密度，发电效率相对较低；制造成本较高3.垂直轴风力发电机的应用前景–城市建筑物上的垂直轴风力发电机可以提供可再生能源支持–适用于农村和乡村地区，发挥自给自足的作用4.垂直轴风力发电机技术的发展趋势–提高垂直轴风力发电机的功率密度和发电效率–降低制造成本，推动其在实际应用中的普及–结合其他可再生能源技术，实现综合利用结论•垂直轴风力发电机作为一种新型的风力发电设备，具有独特的优势和应用前景•随着技术的不断进步，垂直轴风力发电机的性能将得到进一步提升和优化•在未来的能源转型中，垂直轴风力发电机有望发挥重要作用注意：本报告仅为Markdown格式示例，具体内容根据实际研究结果进行填写。

文章编号:　1005-0329(2010)10-0039-05研究进展收稿日期:　2010-03-03垂直轴风力机研究进展戴　庚,徐　璋,皇甫凯林,钟英杰(浙江工业大学浙江杭州　310014)摘　要:　垂直轴风力机是目前风力发电事业风力机的重要研究方向。

垂直轴风力机在某些关键技术方面可能能够很好的解决水平轴风力机目前所要面临的问题,如整个系统的结构稳定可靠性、风能利用率较高和环保效果好等方面,因此吸引了大量研究者的关注。

主要是从与目前技术成熟且使用最广的水平轴风力机进行对比的角度,分析介绍了垂直轴风力发电机的优缺点。

从目前对垂直轴风力机的主要研究方面来论述发展垂直轴风力机需要解决的问题,认为对垂直轴风力机的空气动力学性能研究将是目前垂直风力机研究的主要方向。

展望了发展垂直轴风力机在未来风力发电事业中的广阔前景。

关键词:　风力发电;水平轴风力发电机;垂直轴风力发电机;空气动力学性能中图分类号:　T K83 文献标识码:　A d o i:10.3969/j.i s s n.1005-0329.2010.10.008R e c e n t R e s e a r c h P r o g r e s s i n t h e V e r t i c a l A x i s Wi n dT u r b i n eD A I G e n g,X UZ h a n g,H U A N GF UK a i-l i n,Z H O N GY i n g-j i e(Z h e j i a n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,H a n g z h o u310014,C h i n a)A b s t r a c t:　T h e v e r t i c a l a x i s w i n d t u r b i n e(V A WT)i s a ni m p o r t a n t r e s e a r c hd i r e c t i o ni n t h e w i n dp o w e r e l e c t r i c i t y g e n e r a t i o n. T h i s w i n d t u r b i n e h a s r e c e i v e d m u c h a t t e n t i o nd u et o s o m e o f i t s k e y t e c h n o l o g i e s m a y b ea b l et os o l v et h ep r o b l e m s w h a t w e r e h o r i z o n t a l a x i s w i n dt u r b i n e b e f a c e d,s u c ha s s t r u c t u r a l s t a b i l i t y o f t h ew h o l e s y s t e mr e l i a b i l i t y,w i n de n e r g y u t i l i z a t i o na n d e n v i-r o n m e n t a l e f f e c t s,e t c..F r o mt h e h o r i z o n t a l a x i s w i n dt u r b i n e a n dv e r t i c a l a x i s w i n dt u r b i n e c o m p a r i s o n,t h e a d v a n t a g e s a n dd i s-a d v a n t a g e s o f v e r t i c a l a x i s w i n d t u r b i n e s w a s a n a l y z e d.J u d g i n g f r o m t h ec u r r e n t m a i n l y r e s e a r c h e s o nV A W Tt o d e s c r i b et h ed e-v e l o p m e n t o f V A WTa n dt h e u n r e s o l v e dp r o b l e m.T h e r e s e a r c h o nA e r o d y n a m i c p e r f o r m a n c e w i l l b e c o m e t h e m a i n l y d i r e c t i o no n V A WTr e s e a r c h i s i n d i c a t e d.P r o s p e c t t h e V A WTd e v e l o p m e n t i nt h e f u t u r e w i n dp o w e r e l e c t r i c i t y g e n e r a t i o n.K e yw o r d s:　w i n d-p o w e r;h o r i z o n t a l a x i s w i n dt u r b i n e;v e r t i c a l a x i s w i n d t u r b i n e;a e r o d y n a m i c s1　引言风能资源由于分布广,储量丰富,利用零排放等优点在世界范围内被广泛利用。

垂直轴风力发电机研究报告第一篇：垂直轴风力发电机研究报告近年来，清洁能源的重要性日益凸显。

在各种清洁能源技术中，风力发电技术因其可再生、环保、成本较低等诸多优势备受关注。

而在众多风力发电机型中，垂直轴风力发电机以其独特的结构和工作原理而备受研究者的关注。

垂直轴风力发电机以垂直竖直放置的转子为特征，相较于传统的水平轴风力发电机，具有结构简单、易于安装和维护等优势。

其工作原理是通过自由转动的垂直轴将风能转化为机械能，再经过发电机将机械能转化为电能。

在这一过程中，由于垂直轴和转子受力均匀，使得垂直轴风力发电机在承受大风时更加稳定，不易受到外界环境的干扰。

垂直轴风力发电机的设计和研究工作主要集中在提高其发电效率和运行稳定性方面。

首先，研究者通过改进垂直轴和转子的形状和材料，以提高风力捕捉效率。

其次，通过优化垂直轴风力发电机的叶片数目、叶片宽度和叶片倾角等参数，以提高其在不同风速下的发电性能。

此外，研究者还通过改进发电机的磁场分布和磁通密度，提高其电能转化效率。

虽然垂直轴风力发电机具有许多优势和潜力，但其也存在一些挑战需要克服。

首先，垂直轴风力发电机的发电效率相对较低，尚不足以与传统的水平轴风力发电机相媲美。

其次，垂直轴风力发电机的噪音和振动较大，对周围环境和人体健康造成一定的影响。

此外，由于垂直轴风力发电机在大风环境下性能较为稳定，因此在低风速环境下的发电效率较低。

为了解决上述问题，研究者需要进一步改进垂直轴风力发电机的设计和工艺。

首先，可以通过优化叶片的形状、减小叶片材料的摩擦阻力，减少风能的损失。

其次，可以采取一些减振措施，如改进转子结构、增加阻尼装置等，以减小垂直轴风力发电机的噪音和振动。

另外，可以通过增加并联系统或借助存储装置等技术手段，改善垂直轴风力发电机在低风速环境下的发电效率。

综上所述，垂直轴风力发电机作为一种新型的风能利用技术，具有广阔的应用前景。

虽然其在设计和性能上还存在一些问题，但通过不断的研究和改进，相信垂直轴风力发电机将会成为未来清洁能源领域的重要组成部分，为人类提供更多可再生的清洁能源。

垂直轴风力机叶片与圆柱形塔架相互干涉的数值模拟张立栋;毕远瑛;李少华;王擎【摘要】为了研究垂直轴风力机叶片与中心圆柱形塔架之间的相互干涉,以Sandia 型达里厄风力机为研究对象,建立二维模型.基于Spalart-Allmaras湍流模型,对三叶片Sandia型达里厄风力机在四个不同位置,进行了多组工况的数值模拟.研究分析了叶片与圆形塔架相互干涉的二维物理特征、叶片吸力面负压面积大小的变化、叶片表面所受压力规律性的变化与影响圆柱塔架的升力和阻力系数的原因.研究结果对于揭示垂直轴风力机风轮尾迹的物理机理,优化风力机结构,增加风力机的气动弹性稳定性和减少噪声辐射有重要的理论价值.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2016(016)004【总页数】6页(P194-199)【关键词】垂直轴风力机;数值模拟;尾迹干涉【作者】张立栋;毕远瑛;李少华;王擎【作者单位】东北电力大学能源与动力工程学院,吉林132012;东北电力大学能源与动力工程学院,吉林132012;中国大唐集团科学技术研究院有限公司,北京102206;东北电力大学能源与动力工程学院,吉林132012【正文语种】中文【中图分类】TK831.2垂直轴风车是所有风力机的先驱。

与水平轴风力机相比，垂直轴风力机具有结构稳定可靠、制造成本相对较低、风能利用率较高和气动噪声小等优点[1]。

垂直轴风力机主要依靠叶片的升力作用来驱动叶轮的转动[2]。

在叶轮转动过程中，叶片的角度不断变化，上游叶片的尾迹对下游塔架及上游叶片对下游塔架的相互作用，不仅改变了塔架和叶片的绕流情况，而且对塔架和叶片的激振作用也相应地增加。

风力机产生激振的来源不仅与本身的负荷有关，也与来流的湍流度、叶片和塔架之间的相互作用有很大关系。

对于垂直轴风力机，中心的圆柱形塔架横截面积较大，所以叶片与塔架之间的具有很强的干涉效应。

上游的叶片在不同的位置时，会产生不同大小的脱落涡以及尾迹亏损，对下游的塔架产生激荡作用。

垂直轴风力机概述作者：蔚蕾陈永艳田瑞李洋来源：《绿色科技》2014年第08期摘要：指出了风力机分为水平轴风力机与垂直轴风力机，随着对风能利用率要求的提高，垂直轴风力机以其独特的优势逐渐成为风力研究的重点领域。

介绍了垂直轴风力机的主要类型、简要的发展历程以及国内外学者目前的一些研究现状，分析了垂直轴风力机发展所遇到的一些问题及今后可行的研究方向。

关键词：垂直轴风力机；发展；现状中图分类号：K83文献标识码：A文章编号：16749944（2014）080289041引言能源与人类的生产和生活息息相关，是人类生存和发展的重要物质保障。

随着社会的发展，人类对能源的需求不断增加。

目前能源利用仍以常规的煤、石油、天然气为主，而这些燃料燃烧所产生的二氧化碳、二氧化硫等有害气体会对环境造成严重的污染，这就给能源和环境带来了双重的压力。

在遵循可持续发展的条件下，开发和利用新能源已成为国际社会共同关注的问题。

风能具有储存量大、无污染、可再生、易于转化等优点而备受重视。

因此，风力发电迅速成为各国的重点研究领域。

我国是一个风力资源丰富的国家，全国约有2/3的地带为多风带，风能总储量为3226亿kW，其中实际可开发的风能资源为23亿kW，全国平均风能密度为100W/m2，为可再生能源和新能源利用技术提供了强有力的资源保证。

2垂直轴风力机的发展垂直轴风车很早就被应用于人类的生活领域。

在几千年以前，垂直轴风车就被人们用于提水。

但是，垂直轴风力发电机开始时没有受到人们的重视，它的发展水平也远远落后于水平轴风力机，直到20世纪20年代才开始出现S型风轮（1924年）和达里厄型风轮（1931年）。

之前，绝大多数人认为垂直轴风力机的风能利用率低于水平轴风力发电机的风能利用率；尖速比也不可能大于1；而且在进行垂直轴风力发电机的叶片设计时没有专门系统的理论，以前也是按叶素—动量理论来进行设计。

然而垂直轴风力机的流场比水平轴风力机更加复杂，是非常典型的大分离非定常流动，不适合用叶素理论进行分析与设计，所以这也是垂直轴风力发电机长期以来没有受到重视的原因。

垂直轴风力发电机的发展历史及现状何志宁;刘座铭;张宗珍【摘要】随着传统化石资源的枯竭,绿色、环保、可再生的风能引起了人们的关注.风力机是把风能转化为电能的有效装置,与水平轴风力发电机相比,垂直轴风力发电机组有着诸多的优越性.国内关于垂直轴风力机的大部分研究集中在空气动力学特性方面,取得了一定的进展.文中主要阐述垂直风力发电机的发展历史及研究现状,对人们了解垂直轴风力发电机有所帮助.【期刊名称】《机械工程师》【年(卷),期】2014(000)002【总页数】2页(P39-40)【关键词】垂直轴风力发电机;达里厄型;萨沃尼斯型;阻力型风机【作者】何志宁;刘座铭;张宗珍【作者单位】大连市中冶北方工程技术有限公司,辽宁大连116600;大连市中冶北方工程技术有限公司,辽宁大连116600;大连市中冶北方工程技术有限公司,辽宁大连116600【正文语种】中文【中图分类】TM3150 引言按照风力机转轴相对位置关系的不同可把风力机分为水平轴风力机和垂直轴风力机，各大科研机构和高校院所对于水平轴风力机的研究起步较早，研究成果也较多，是目前商业化程度高和技术较成熟的一种风力机，占整个风力发电机市场的97%。

由于人们起初对于垂直轴风力机的认识不足，认为垂直轴风力机的尖速比不可能大于1、风能利用率低等缺点，致使垂直轴风力机长期得不到发展。

随着计算流体力学的发展，实践证明垂直轴升力型风轮的尖速比可以大于1。

相关研究表明，达里厄H型（Darrieus）风力机的尖速比可以达到6或更高，空气动力性能十分优异，并且风能利用率和成本造价也具有一定的优势，近年来受到各国［1，3］研究人员的广泛关注。

1 垂直轴风力机长期得不到发展的原因与水平轴风力发电机相比，垂直轴风力发电机组有着诸多的优越性。

但由于垂直轴风力发电机的研究晚于水平轴风力发电机，在垂直轴风力机出现之后的很长一段时间内，由于人们对它的认识不足，未引起足够的关注。

以前在空气动力学以及构造力学等方面的技术积累较少，大型垂直轴风力机的研究相对滞后。