垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

何志寧， 劉座銘， 張宗珍

（大連市中冶北方工程技術(shù)有限公司，遼寧大連116600）

0 引言

按照風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)軸相對位置關(guān)系的不同可把風(fēng)力機(jī)分為水平軸風(fēng)力機(jī)和垂直軸風(fēng)力機(jī)，各大科研機(jī)構(gòu)和高校院所對于水平軸風(fēng)力機(jī)的研究起步較早，研究成果也較多，是目前商業(yè)化程度高和技術(shù)較成熟的一種風(fēng)力機(jī)，占整個風(fēng)力發(fā)電機(jī)市場的97%。由于人們起初對于垂直軸風(fēng)力機(jī)的認(rèn)識不足，認(rèn)為垂直軸風(fēng)力機(jī)的尖速比不可能大于1、風(fēng)能利用率低等缺點(diǎn)，致使垂直軸風(fēng)力機(jī)長期得不到發(fā)展。隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，實(shí)踐證明垂直軸升力型風(fēng)輪的尖速比可以大于1。相關(guān)研究表明，達(dá)里厄H型（Darrieus）風(fēng)力機(jī)的尖速比可以達(dá)到6或更高，空氣動力性能十分優(yōu)異，并且風(fēng)能利用率和成本造價也具有一定的優(yōu)勢，近年來受到各國［1，3］研究人員的廣泛關(guān)注。

1 垂直軸風(fēng)力機(jī)長期得不到發(fā)展的原因

與水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)相比，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有著諸多的優(yōu)越性。但由于垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究晚于水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，在垂直軸風(fēng)力機(jī)出現(xiàn)之后的很長一段時間內(nèi)，由于人們對它的認(rèn)識不足，未引起足夠的關(guān)注。以前在空氣動力學(xué)以及構(gòu)造力學(xué)等方面的技術(shù)積累較少，大型垂直軸風(fēng)力機(jī)的研究相對滯后。但是對于小型升力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來說，經(jīng)過了多年的技術(shù)積累，以及計(jì)算流體的快速發(fā)展，小型升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)的研究已經(jīng)取得了一定的成就，并開始逐步的商業(yè)化。在上世紀(jì)80年代中期，Musgrove型垂直軸風(fēng)力機(jī)曾在市場上對水平軸風(fēng)力機(jī)造成了一定的沖擊，英國政府和中央發(fā)電局也對這種機(jī)型給予了一定的政策支持，在當(dāng)時英格蘭和威爾士地區(qū)應(yīng)用十分廣泛。

人們對垂直軸風(fēng)力機(jī)認(rèn)識上的偏差，主要是源于垂直軸風(fēng)力機(jī)理論研究上的落后，水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片設(shè)計(jì)目前普遍采用的是動量—葉素理論，而垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片設(shè)計(jì)以前也是按照這一理論來設(shè)計(jì)。由于垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪內(nèi)的空氣流動比水平軸風(fēng)力機(jī)更加復(fù)雜，屬于嚴(yán)重分離的非定常流動，用葉素理論進(jìn)行計(jì)算分析，會導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果誤差較大，計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確，正是由于無法準(zhǔn)確預(yù)測垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的氣動特性，使得在其出現(xiàn)的很長一段時間都沒有得到應(yīng)有的關(guān)注。

2 垂直軸風(fēng)力機(jī)的分類

垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)按照工作原理來分可分為阻力型和升力型。依靠空氣阻力產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩來工作的稱為阻力型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。S型（薩渥紐斯型）和渦輪型是阻力型垂直軸風(fēng)力機(jī)的典型代表；利用風(fēng)推動葉片凸凹兩側(cè)時產(chǎn)生的壓力不同而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩來工作的成為升力型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。它是利用空氣流經(jīng)葉片而產(chǎn)生的升力作為旋轉(zhuǎn)力矩來工作的。其葉片主要采用飛機(jī)機(jī)翼翼型橫截面的形狀，這類風(fēng)力機(jī)主要包括達(dá)里厄型和直線翼型。供動力而設(shè)計(jì)的。如圖1所示，它由兩個半圓形風(fēng)杯交錯組合而成的。當(dāng)風(fēng)流過風(fēng)輪時，會在葉片的凹凸兩面上的產(chǎn)生阻力差，壓差產(chǎn)生的力矩會驅(qū)動風(fēng)輪轉(zhuǎn)動。薩沃尼斯型垂直軸風(fēng)力機(jī)在低風(fēng)速的啟動性能十分優(yōu)異，可以不借助其他輔助裝置進(jìn)行自啟動，但氣動性能卻并不理想，研究人員進(jìn)行了多次設(shè)計(jì)改進(jìn)，該型風(fēng)力機(jī)的尖速比始終都沒有超過1。因此，目前關(guān)于這種垂直軸風(fēng)力機(jī)研究處于停滯的狀態(tài)。

圖1 薩沃尼斯型風(fēng)力機(jī)

1）薩沃尼斯型。1925年芬蘭人Savonius發(fā)明了一種利用空氣阻力來做功的風(fēng)力機(jī)，后來人們把它命名為薩沃尼斯型垂直軸風(fēng)力機(jī)，該風(fēng)力機(jī)最初是為航海帆船提

2）達(dá)里厄型。1925年法國工程師George Jeans Mary Darrieus發(fā)明了一種新型的垂直軸風(fēng)力機(jī)，并命名為達(dá)里厄型垂直軸風(fēng)力機(jī)，并在1931年為其提出了專利申請。達(dá)里厄型垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪葉片的形狀有彎曲葉片和直葉片兩種，如圖2、圖3所示。

彎葉片的設(shè)計(jì)可使風(fēng)輪在轉(zhuǎn)動時葉片不會受到離心力載荷，而只承受張力載荷，但這種葉片制造工藝復(fù)雜，成本較高。達(dá)里厄型直葉片風(fēng)力機(jī)在風(fēng)輪轉(zhuǎn)動時葉片則需要承受由離心力而引起的彎曲應(yīng)力，但是由于其葉片為直線型，加工制造相對容易。達(dá)里厄型垂直軸風(fēng)力機(jī)的工作原理是：當(dāng)風(fēng)流過風(fēng)輪時由葉片產(chǎn)生的升力為風(fēng)輪提供旋轉(zhuǎn)動力。

圖2 彎葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)

圖3 直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)

20世紀(jì)70年代能源危機(jī)開始顯現(xiàn)出來以后，風(fēng)機(jī)研究才得到了一些學(xué)者和科研機(jī)構(gòu)的重視。美國圣地亞（Sandia）國家實(shí)驗(yàn)室主要研究達(dá)里厄彎葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)，而英國的科研機(jī)構(gòu)則將研究重點(diǎn)放在了達(dá)里厄直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)上。1975年圣地亞實(shí)驗(yàn)室制造了一個17 m高的該型風(fēng)機(jī)，其工作時長超過了10 000 h，運(yùn)行狀態(tài)良好。1988年，圣地亞實(shí)驗(yàn)室的研究人員，又制造了一個34 m高的達(dá)里厄型垂直軸風(fēng)力機(jī)，該機(jī)的設(shè)計(jì)容量為500 kW，結(jié)果表明，該機(jī)在較大工作范圍內(nèi)（25～40 r/min）都有良好的表現(xiàn)。從此，達(dá)里厄型垂直軸風(fēng)力機(jī)開始步入市場化，并在加福利尼亞州建立了風(fēng)力發(fā)電場，建設(shè)500多臺該型風(fēng)機(jī)進(jìn)行商業(yè)開發(fā)。

3）阻力型風(fēng)機(jī)與升力型風(fēng)機(jī)的氣動特點(diǎn)比較。由Betz理論可知，風(fēng)功率的最大理想利用系數(shù)約為0.59，但風(fēng)輪葉片如何有效地獲取風(fēng)功率則是要研究的重點(diǎn)。早期東方的阻力型風(fēng)力機(jī)和后期西方的升力型風(fēng)力機(jī)都為后來的理論研究和實(shí)際應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 結(jié) 語

近期的研究熱點(diǎn)主要集中在小型垂直軸風(fēng)力機(jī)實(shí)用性研究上。國內(nèi)關(guān)于垂直軸風(fēng)力機(jī)的大部分研究集中在空氣動力學(xué)特性方面，主要包括對垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片適用翼型的氣動特性分析和整體風(fēng)輪的氣動特性研究，雖然取得了一定的進(jìn)展，但總體上仍未形成規(guī)律性的認(rèn)識。

［參考文獻(xiàn)］

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