垂直轴和水平轴风力发电机-综合评述外文翻译资料
2022-11-13 16:06:11
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国际能源、通信、数据分析和软计算会议（ICCDS-2017）
垂直轴和水平轴风力发电机-综合评述
Apurb Das, Kudzai B Chimonyo, Rohith Kumar T, Gourishankar S，
印度维洛尔维特大学电气工程学院
,rohitkumartosre@gmail.com,
gs7044@gmail.
Rani C
印度维洛尔维特大学电气工程学院
摘要：可再生能源被视为满足日益增长的能源需求和消耗化石燃料的新一代能源，太阳能、生物量、地热、水电和风能是能产生巨大兆瓦电力的可再生能源。其中，风能是最便宜的可再生能源。这种快速增长的风能需要得到利用。在结构上，风力发电机大致分为水平轴风力发电机（HAWT）和垂直轴风力发电机（VAWT）。VAWT可以从任何方向获取风能，而HAWT只能从一个方向获取风能。但是，由于风力发电比变风量发电利用更多的风能，HAWT仍在研究和使用中。传统的HAWT具有不合理的效率，所以重点稍微转向了VAWT。经济型的HAWT比VAWT好，但VAWT在本质上更易于携带。本文论述了风力发电机的不同分类，它们之间的相对比较以及风力发电机数学模型的发展
关键词：水平轴风力发电机、功率系数、叶尖速比、扭矩、垂直轴风力发电机
1.介绍
由于环境污染的增加、能源需求的增加和化石燃料的消耗，可再生能源的需求不断增加[1]。现在我们有大量的风能，可以用来发电。印度有很好的风力发电潜力。印度在风力发电方面居世界第五位[2]。在印度，最大的风力发电场位于泰米尔纳德邦的木本达尔，拥有最大的电力生产能力。泰米尔纳德邦的总装机容量接近7633兆瓦。印度可用的总风力发电量约为23439.26MW（截至2015年3月31日）[3]。研究人员主要致力于减小发电机的尺寸，以降低生产和安装成本[4]。当这些风力发电机的尺寸适当并在最佳工作条件下使用时，小型风力发电机不仅可以成为发展中国家的可靠能源，而且可以在远离发达国家电网的地方自主应用，产生具有经济价值的能源[5]。这种设计的优点是，它在较低的风速下启动，增加启动扭矩，从而提高发电机的整体性能。世界前五大国家2015-2016年风能统计如图1所示。
图1:2015-2016年世界上使用风能的前五个国家[5]。
中国是世界上第一个以风能发电的国家，风能发电量为14763MW。一般来说，并网应用所需的平均风速为5米/秒[6]。图2的饼图显示了印度五大风能生产国及其产能[7]。
图2：印度风力发电的前五大州
泰米尔纳德邦最大发电量为7456.98兆瓦，马哈拉施特拉邦最大发电量为4437.9兆瓦。古吉拉特邦的发电量为3642.53兆瓦。拉贾斯坦邦，3308.15兆瓦。卡纳塔克邦的发电量最小，为2639.45兆瓦。
在所有可再生能源中，风能被发现是更便宜的替代能源。现在人们关注风能的趋势是小型风力发电机。这些小型发电机可以安装在屋顶、农场、偏远社区和船只上。与功率系数为0.45[8]的大型风力发电机相比，小型风力发电机的功率系数为0.25或更大。
第2节描述了垂直发电机的不同分类，第3节讨论了水平发电机。第4节讨论了数学建模，第5节给出了结论。
2.垂直轴风力发电机
Vawt有6种类型，即[9]Darrius Vawt、Savonius Rotor Vawt、Savonius和Darrius Vawt组合、双叶半旋转Vawt、Sistan型 风力发电机和Zephyr Vawt。所有这些类型的解释如下：
2.1 Darrius风力发电机
Darrius风力发电机是第一个VAWT[9]。这些发电机基于升力或伯努利原理工作，其中升力垂直于相对风力，与锚链中的阻力形成对比。启动力矩很低，设备与建筑物的集成度很差，即使它们具有最高的效率。它们是6种Darrius Vawt，即打蛋器型、Giro-Mill、可变几何椭圆轨道（Vgot）、Darrieus Masgrome转子、扭曲的三叶Darrieus转子和CRO、SS柔性风力发电机。
- 打蛋器类型VAWT
这些发电机装置看起来像一个打蛋器，如图1[10]所示。这种类型的VAWT也采用升力原理。几何学告诉我们风是如何在这个变风量中抽风的，以及它是如何利用升力原理的。它使用弯曲的刀刃。其缺点是成本较高，结构复杂。功率系数的最大值为0.42。
图3：打蛋器类型
- 回转体式风力发电机
与打蛋器式风力发电机不同，它们采用直叶片而不是弯曲叶片，因此也被称为交叉弯曲风力发电机。与打蛋风机相比，它们具有更好的建筑一体化，主要是由于其结构简单、成本低廉。我们可以通过改变风在叶片上的入射角来增加输出。它们的功率系数（cp）值在0.23[10]范围内。
- 变几何椭圆轨迹发电机
图4：VGTO类型
该发电机仍处于开发阶段[10]。这种布置将使转子设计集中在较低的转子转速上。之前讨论过的发电机仅用于低功率应用。这种发电机由于其所提出的设计可以用于高功率应用。这种发电机的唯一缺点是它的高成本。
- Darrieus-Masgrowe（双层）转子
这种类型的VAWT发电机是一个两层或两层版本的达里厄斯直叶片发电机。它的工作原理与Darrieus直叶片发电机相同，只是其扫掠面积增加了，从而增加了其输出功率和效率。这种发电机的缺点是尺寸增加了，成本也增加了。该发电机具有自起动能力，在该总成上进行的试验表明，它在“足够大的叶片宽度”下具有自起动能力，由方程式给出。
其中b是发电机叶片厚度，n是发电机叶片数量，d是发电机叶片直径，sigma是一个常数，等于0.2。
- 交叉弹性的风力发电机
图5：交叉弹性风力发电机
这种发电机具有最好的建筑集成[10]。这克服了其他变风量发电机的高层限制。它们具有低但好的效率。它们的起动转矩也比较好。因此，总体而言，它是高层建筑一体化的良好设计。
2.2萨沃纽斯转子VAWT
图6：萨沃纽斯转子
该发电机由两个半杯形叶片（前进和返回叶片[10]）组成。这两个叶片连接在一个共同的旋转轴上，这是根据阻力原理工作的。当风吹到前进的叶片上时，旋转轴沿其轴线所布置的方向旋转。在180度旋转后，两个叶片都会反转它们的角色，然后继续以上过程。它具有良好的起动转矩和低效率。
2.3 Savonius和Darrieus组合转子
图7：Savonius和Darrieus组合转子
顾名思义，这是萨沃纽斯和达里厄斯转子配置的组合[11]。它同时采用了升阻原理。它吸收了两种配置的优点，如萨沃纽斯更好的启动扭矩和达里厄斯更好的效率。本设计是一个拟用模型，由于其设计复杂，尚未进入原型阶段。
2.4.两片半旋转式叶片
这种发电机类型包括两片叶片或发电机叶片，通过主轴在转杯上呈90度旋转[12]。该设计具有更好的“更多”风力转换能力，同时具有很好的自启动能力，易于维护和操作。这种设计在风速非常高的地区面临着挑战，因为它需要增加发电机的尺寸。所以，这台发电机还没有达到最终设计和原型阶段。它的另一个缺点是不能用于高功率应用。
2.5.锡斯坦型风力发电机
这种发电机的设计不仅涉及传统风力发电机，而且还涉及传统风力发电机上下两个板，以将效率至少提高40%[12]。锡斯坦是伊朗的一个地方。它根据阻力原理工作。它结构简单，建筑一体化程度很好，效率很低。
图8：锡斯坦型 风力发电机
2.6 Zephyr 垂直轴风力发电机
这种类型的发电机由具有良好机械完整性的定子叶片和转子叶片组成[13]。定子叶片形成外层，并且是静止的，它们的布置角度使得撞击定子叶片后的风流向转子叶片，在转子叶片中，风动能被转换为所需的机械能。这台发电机是根据升力原理工作的。虽然施工复杂，占地面积大，但效率很高。因此可用于大型工程。
图9：Zephyr 垂直轴风力发电机
三、水平轴风力发电机
许多研究人员正在研究这种风力发电机的设计，以提高风力发电机的效率，并为此提供一种可行的解决方案。带三个叶片的缆索用于大功率发电；功率范围从瓦特到一些兆瓦不等。这个系统的主要缺点是发出声音。HAWT有四个主要部件，它们是机舱（发电机壳）、基础塔、发电机、转子叶片[14 ]。
决定风力发电机性能的主要因素是空气膜。机翼的设计应确保在不同的风力条件下运行时保持较高的空气动力效率。风力产生的空气动力决定了风力发电机的性能。叶尖速比（tsr）的增加改变了风机的性能[67]。大型风机相对来说是以高切入速度启动的，但在较高的风速范围内，它们具有较高的功率系数。高速和转子跨距导致高扭矩，风力发电机以高切入速度启动。风机的效率、控制、噪声等干扰主要由水平安装的三叶片设计决定。因此，三叶片转子是水平轴风力发电机（HAWT）最明显的部件，其优点是自起动、偏航机构、提高效率和增加安装高度。通常情况下，风机的效率在50-60%之间[66]，风机的效率由流量能量利用系数和功率系数（cp）的关系来表示。在某些地方，可以获得充足的风能；为了有效利用风能，应开发叶片设计，以便利用充足的风能发电[68-70]。
3.1 迎风发电机
这种类型的风力发电机，转子和发电机水平放置，风吹到风塔前面的叶片上[15]
3.2顺风发电机
这种类型的风力发电机——转子和发电机——水平放置，风吹到塔顶，然后吹到叶片上【16】。虽然目前的方案中存在许多设计，但许多工程师正在开发缆索的设计【52】。现有的锚链设计模式存在一些问题。1980年代，人们逐渐采用了第一种带三片叶片的锚链设计，也有单片叶片设计和双片叶片设计。采用三叶片系统的主要优点是，与其他设计相比，风力发电机的效率较高。
表1：描述随着叶片数量增加效率增加的表[17]
|
叶片数 |
效率 |
|
1片 |
43% |
|
2片 |
47% |
|
3片 |
50% |
缆索的优点是，在这些发电机中，叶片的节距是根据风习惯的，随着塔架的高度增加，风速也会增加，因为塔架的高度增加，风速也会增加20%。同样，缆索的缺点是它需要很重的重量和高压发电机、齿轮箱和叶片，需要高维护，需要额外的偏航控制，才能使叶片朝着风的方向转动，风力发电机的性能主要取决于叶尖速比和叶片的坚固性。为了确保在设计条件下的最佳性能，需要在彼此之间保持良好的平衡。
为了抵抗强风，风力发电机应该有更高的坚固性，但需要更多的材料来建造。目前，现代风力发电机的叶尖速比为60～80 m/s[18]
近年来的研究主要集中在风力发电机的最佳运行参数上。为了获得良好的空气动力效率，应在发电机在不同条件下运行时，以使其具有最大升力的方式设计空气翼。风力产生的空气动力可用于确定风力发电机性能的主要方面，如功率输出和负载。缆索可安装在海上和海上。这是缆索的主要优点。垂直轴风力发电机的设计有很多种，与两种风力发电机的设计相比，垂直轴风力发电机的设计效率要高一些。在目前的情况下，HAWT比VAWT更有效。缆索所需的起始风速在2.5-5m/s之间，缆索的最大发电效率在50-60%左右，但垂直轴风力发电机的发电效率在70%左右[19]
现在我们还可以看到屋顶上安装了一台风力发电机[46-50]。在屋顶安装风力发电机的主要优点是电源可以连续供电。如果我们有一个混合系统，即风力发电机和太阳能系统，那么总发电量取决于负载条件，可以将电力输送到电网或从电网接收电力。在屋顶安装风力发电机时，我们必须考虑一些参数，如风向、叶片数量、平均风速、总负荷、塔架高度[55-58]
为了确定任何风能转换系统的效率，都用功率系数来描述。功率系数主要取决于发电机的设计以及风速。风力发电机的设计是优化风力发电机性能的重要参数。在实际情况下，风力变化很大。在这种情况下，风力发电机必须能够在低风力下发电，并且必须能够承受较大风力下的负荷。因此，为了降低发电量和调节负荷，当叶片超过最佳风速时，叶片基本上是向风中倾斜，或是向远离风的方向倾斜，通过增加叶尖速比[59-62]，改变了风机的性能。当我们有一个负的俯仰角时，在高风速下有一个很高的功率系数。较低风速下的最大负俯仰角为5⁰[20]，与垂直轴风力发电机相比，HAWT的主要缺点是较重，在湍流中无法产生良好的效果。现在我们大多使用高速螺旋桨风力发电机，这是常用的缆索。在缆索变桨距叶片是用来收集最大的能量从风。由于水平轴风力发电机的叶片垂直于风的方向，并获得更多的旋转动力，因此水平轴风力发电机具有很高的效率。与垂直轴风力发电机相比，水平轴风力发电机从风中吸取能量具有很大的优势。
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