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新型垂直轴风力机(H型)的设计原理

鉴于很多网友对新型垂直轴风力机(H型)的设计原理比较感兴趣，这里详细阐述一些设计原理和技术指标，希望能让大家有更深入的了解。

最早的垂直轴风力机是弧形双叶片结构(φ型或Darieu)。因其受风面积小，启动风速高，一直没有得到大力发展。我国前几年也做了一些尝试，但效果总是不尽如人意。有朋友问:为什么用φ形设计而不是现在的H形结构？其实这和科技的发展，尤其是计算机的发展是息息相关的。由于H型垂直轴风力机的设计需要大量的气孔力学计算和数字仿真计算，用手工方法计算至少需要几年的时间，而且一次计算得不到正确的结果，所以在计算机还不是很发达的时代，人们根本无法完成这种设计思想。

由于特殊应用的需要，我国在2001率先进行了这项研究，并在接下来的两年中继续完善产品。2003年初，产品走向成熟，以这种新型垂直轴风力发电机为主要设备的风光互补系统在海岛和前沿被大量采用。

目前，MUCE和一家日本公司是世界上该产品的主要R&D和生产单位。

下面我将详细解释H型垂直轴风力发电机的技术原理:

一、技术原理

该技术采用气孔力学原理，针对垂直轴旋转的风洞模拟，叶片呈飞机机翼形状，使风轮旋转时不受变形影响，改变其效率。它是由4-5片垂直排列的叶片组成，风轮是由一个4角或5角轮毂固定并与叶片连接的连杆组成。风轮带动稀土永磁发电机发电，送至控制器控制和传输负载所用的电能。

根据气条理论，技术原理可以选择垂直于风机转轴的切面进行模型计算。根据叶片的实际尺寸，每个叶片的旋转轴之间的距离为n米。采用CFD技术计算模拟气动系数，采用离散数值方法求解翼型剖面气动力。采用网格法比较雷诺数流动的涡分布，形成高雷诺数下纳维尔-斯托克斯方程数值模拟计算的主要结果。

利用稀土永磁材料发电原理，配合风轮与空气孔力学原理，采用直驱式结构旋转发电。

专利技术:一台风力发电机(专利号:ZL200420081310.2)。

二、权力特征

根据H型风力发电机的原理，风轮转速快速增加(扭矩快速增加)，其发电速度也相应增加，发电曲线变得饱满(如下图所示)。在相同功率下，垂直轴风力机的额定风速小于现有水平轴风力机，在低风速运行时也能产生更多的功率。

第三，结构

由于这种设计结构采用了特殊气孔的力学原理、三角矢量法的连接方式和直驱结构原理，风轮的受力主要集中在轮毂上，因此具有较强的抗风能力。这种设计的特点还体现在对周围环境的影响上。新型垂直轴风力发电机的优点是非常明显的，因为它的无噪声运行和电磁干扰小。

垂直轴直线叶片永磁发电机风力发电系统结构图

附:现有垂直轴风力源对比:

目前日本是该型垂直轴风力发电系统产品的最大生产国(2002年开始研究)，英国、加拿大等国目前也在开发。这些国家的产品在风机设计上大多采用平行连杆，对发电机输出轴要求较高，结构相对复杂，现场安装程序多。另外，从力学分析，功率越大，叶片越长，平行杆中心点与发电机轴中心点的距离越长，风阻越差。因此，MUCE采用三角矢量法来弥补上述的一些缺点。